CN113280115A - 一种微织构活塞环及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微织构活塞环及加工方法，涉及活塞环‑缸套系统领域；微织构活塞环包括活塞环主体和复合微织构；所述活塞环主体的外周表面上设置有所述复合微织构；所述复合微织构包括正弦形沟槽微织构和圆形凹坑微织构；所述正弦形沟槽微织构沿着活塞环主体的整个外周表面分布，所述圆形凹坑微织构沿着正弦形沟槽微织构的波峰和波谷位置同样设置在活塞环主体的外周表面上；活塞环表面的复合微织构能够储存油液，提供“二次润滑”，同时，能够储存磨屑磨粒，有效避免磨屑对活塞环和缸套表面造成二次损伤，在活塞环表面加工微织构可以提高活塞环的使用寿命，减小活塞环的磨损，从而提高油缸的综合性能和使用效率，降低油液泄露的风险。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种微织构活塞环及加工方法，属于活塞环-缸套系统技术领域。
背景技术
活塞环在油缸工作时承担着密封、导热、控油和支撑作用，是油缸的重要组成部分。在活塞工作过程中，活塞环所面临的环境十分恶劣，一方面，活塞环和缸套之间剧烈摩擦，产生的磨屑容易在缸套内壁面和活塞环表面产生一条条划痕，造成活塞环和缸套的磨损，另一方面，活塞环受到高压冲击和腐蚀，面临着复杂多变的润滑状态，极易损伤和折断，从而造成泄漏，使得机台不能正常工作。在高频高压工况下，活塞环的磨损和泄漏是油缸失效的主要原因。由于工作环境严苛，润滑油膜难以形成，活塞环-缸套配副常处于边界润滑状态，局部甚至处于干摩擦状态，磨损严重，因此，改善活塞环-缸套摩擦之间的润滑性能、降低其摩擦损失对于提高油缸的综合性能和使用寿命具有重要的意义，设计开发低摩擦、低磨损、良好密封性能的活塞环是未来发展的必然趋势。
表面织构因其能够降低摩擦磨损，改善运动表面的润滑性能而受到摩擦学领域的广泛关注。大量研究表明，微织构能够改变材料的表面形貌特征，在润滑情况下，微织构能够改善摩擦表面的润滑状态和摩擦性能，这是因为微织构可以储存油液，当两接触表面摩擦时，储存在微织构中的油可以为两接触面供油进行润滑；还可以作为储屑槽，容纳摩擦过程中产生磨屑，有效避免磨屑对活塞环和缸套表面造成二次损伤。
公开号为CN103894732A的中国专利公开了一种活塞环激光微织构方法，具体公开了运用同点单脉冲间隔多次的激光微加工工艺，在活塞环工作面进行激光微织构处理，提供了一种在空气环境中直接加工活塞环的方法，无污染且无噪声。但是上述方法中无法适应于具有特殊形状的复合型微织构活塞环的加工。
发明内容
为了解决现有技术中存在的活塞环-缸套这对摩擦副间磨损问题，本发明提供一种微织构活塞环及加工方法，在活塞环表面加工出沟槽和凹坑复合型微织构，来改善活塞环-缸套摩擦副之间的润滑状态，改善两接触面之间的摩擦特性。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种微织构活塞环，包括活塞环主体和设置在活塞环主体外周表面上的复合微织构；所述复合微织构包括正弦形沟槽微织构和圆形凹坑微织构；所述正弦形沟槽微织构沿着活塞环主体的整个外周表面分布，所述圆形凹坑微织构沿着正弦形沟槽微织构的波峰和波谷位置同样设置在活塞环主体的外周表面上；所述复合微织构在活塞环主体外周表面上的面积占有率为15％～20％。
进一步的，所述正弦形沟槽微织构为标准的正弦曲线。
进一步的，所述正弦形沟槽微织构的深度为20μm。
进一步的，所述圆形凹坑微织构的深度为20μm。
进一步的，所述活塞环主体材料采用改性的聚四氟乙烯与铜粉的混合热压复合型材料。
本发明还提供一种微织构活塞环的加工方法，包括以下步骤：
S1、加工制备活塞环主体；
S2、活塞环主体处理：对活塞环主体表面进行研磨，去除活塞环主体表面的油污等杂质，将活塞环主体放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，然后放入烘干机中烘干；
S3、活塞环主体表面复合微织构制备：采用激光加工工艺制备活塞环主体表面的复合微织构；在活塞环主体表面制备复合微织构时，将所需要加工的复合微织构图案导入到计算机控制系统中，启动激光加工设备，激光便会沿着图案所绘制的路径进行扫面，从而加工出所需要的复合微织构。
S4、微织构活塞环处理：对激光处理后的微织构活塞环表面进行研磨和抛光，以去除在激光加工过程中产生的熔融物和毛刺；然后将微织构活塞环放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，清洗后放入烘干机中烘干。
进一步的，所述步骤S3中激光加工工艺采用激光加工设备；所述激光加工设备包括底座、专用夹具、驱动装置和激光照射装置；所述专用夹具包括旋转固定在底座上的圆柱以及设置在圆柱顶部的螺栓；所述圆柱顶部设置有定位槽，用于定位活塞环主体；所述螺栓拧紧时将活塞环主体固定在圆柱顶端的定位槽内；所述驱动装置固定在底座上，用于驱动圆柱旋转；所述激光照射装置通过支撑杆固定，使得激光照射装置对准活塞环主体的外边缘。
进一步的，所述底座上还设置有三爪卡盘，与底座旋转连接；所述圆柱垂直固定在三爪卡盘上表面；所述三爪卡盘的三个爪分别间隔设置在圆柱的侧壁，对圆柱进行夹紧固定；所述驱动装置为伺服电机，驱动三爪卡盘带动专用夹具进行回转运动。
进一步的，所述激光照射装置包括与支撑杆滑动连接的横杆以及固定在横杆背向支撑杆的端部的激光发射器；所述激光发生器正对活塞环主体的外边缘，进行激光加工。
进一步的，所述支撑杆上设置有控制面板，用于启闭和调整激光加工设备；所述横杆上还固定有显示屏，显示激光加工参数。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供一种微织构活塞环，在活塞环主体的外周表面设置由正弦形沟槽微织构和圆形凹坑微织构组成的复合微织构；在活塞环主体外周表面设置复合微织构能够储存油液，提供“二次润滑”，同时，能够储存磨屑磨粒，有效避免磨屑对活塞环和缸套表面造成二次损伤；其中，正弦形沟槽微织构在环绕活塞环主体外周表面一圈，能够在活塞环主体外周表面形成一条通路，当油液进入到正弦形沟槽微织构时，油液能够沿着微织构流动，最终在活塞环表面均匀分布，使得整个活塞环表面都能够得到润滑，通过仿真和实验研究发现，相较于直线形沟槽微织构，正弦形沟槽微织构的油膜承载力更强，当两个摩擦副表面发生摩擦时，带有正弦形沟槽微织构的摩擦表面的摩擦系数更低，动压润滑性能更优，减磨效果更好；同时，复合微织构中圆形凹坑微织构能够储存油液，也兼具容纳磨屑的作用，当活塞环主体外周表面与缸套内壁发生摩擦时，产生的磨屑会被圆形凹坑微织构储存，从而有效避免磨屑对活塞环和缸套表面造成二次损伤。
2、本发明中活塞环主体材料采用改性的聚四氟乙烯和青铜制成的复合材料，采用聚四氟乙烯和青铜的复合材料能够提高活塞环的耐磨性、耐高温性和耐蠕变性。
3、本发明采用激光加工的方法对微织构活塞环进行加工，将激光扫描路径导入到计算机控制系统，自动对活塞环主体外边缘的微织构进行加工，采具有清洁、高效、精度高的优点。
附图说明
图1为本发明提供的微织构活塞环结构示意图；
图2为本发明提供的微织构活塞环正视图；
图3为本发明中带有圆形凹坑微织构的活塞环剖面图；
图4为本发明中带有正弦形沟槽微织构的活塞环剖面图；
图5为本发明提供的微织构活塞环工作的原理图；
图6为本发明提供的激光加工设备的结构示意图；
图中的标号为：1、活塞环主体；2、圆形凹坑微织构；3、正弦形沟槽微织构；4、缸套；5、复合微织构；6、底座；7、激光照射装置；71、横杆；72、激光发射器；73、显示屏；8、专用夹具；81、螺栓；82、圆柱；9、三爪卡盘； 10、驱动装置；11、支撑杆；12、控制面板；13、油液；14、磨屑。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明做进一步的说明。
参见图1至图4，本发明提供一种微织构活塞环，包括活塞环主体1和复合微织构5；所述活塞环主体1能够起到密封、导热、控油和支撑作用，其密封性能与所述材料的摩擦磨损性能密切相关，若活塞环主体1磨损过度，极易造成油液泄漏，本实施例中活塞环主体1采用改性的聚四氟乙烯和青铜制成的复合材料，通过在聚四氟乙烯中添加青铜粉对其进行改性，可以有效提高活塞环的耐磨性、耐高温性和耐蠕变性；所述活塞环主体1的外周表面上设置有所述复合微织构5，不同类型的微织构表面的润滑性能各不相同，采用复合微织构5相较于单一形状的表面微织构，其表面润滑性能有较大提升；所述复合微织构5 包括正弦形沟槽微织构3和圆形凹坑微织构2；所述正弦形沟槽微织构3沿着活塞环主体1的整个外周表面分布，所述圆形凹坑微织构2沿着正弦形沟槽微织构3的波峰和波谷位置同样设置在活塞环主体1的外周表面上；所述复合微织构5在活塞环主体1外周表面上的面积占有率为15％～20％。
进一步的，所述正弦形沟槽微织构3为标准的正弦曲线。
进一步的，所述正弦形沟槽微织构3的深度为20μm。
进一步的，所述圆形凹坑微织构2的深度为20μm。
本发明复合微织构5在活塞环主体1外周表面的工作原理如下：
活塞环主体1外周表面与缸套4内壁之间有几微米至几十微米的间隙，间隙中存在有油液13形成了油膜间隙；在实际生产过程中，因为存在误差，使得活塞环主体1和缸套4之间并不完全同轴心，存在偏心距，使得油膜分布不均匀；当活塞环主体1和缸套4摩擦副之间进行相对运动时，在油液匮乏的摩擦表面，极易产生磨屑14，加快磨损的进程；参见图5，在活塞环主体1外周表面加工出复合微织构5后，当油液进入复合微织构5中的正弦形沟槽微织构3 时，油液13的横截面积发生改变，在两个摩擦表面产生收敛间隙和发散间隙，间隙尺寸在变动工程中产生较大的压力差，进而形成动压润滑效应，在两摩擦表面间形成的油膜有效地隔绝了摩擦副之间材料的直接接触，使得复合微织构5 表面整体摩擦系数较小也较为平稳，同时，复合微织构5中的圆形凹坑微织构2 可以作为磨损颗粒的储存位置，减少磨屑14随着摩擦表面相对运动对摩擦副表面造成损伤，摩擦产生的磨屑14会随着油液13的流动进入到正弦形沟槽微织构3内，使得摩擦副表面磨屑14减少，磨屑14进入到复合微织构5之后，正弦形沟槽微织构3中储存的油液13会由于磨屑14的进入而被挤压到表面上，在接触表面形成连续的润滑膜，起到持续润滑的作用。
本发明还提供一种微织构活塞环的加工方法，包括以下步骤：
S1、加工制备活塞环主体1；
S2、活塞环主体1处理：对活塞环主体1表面进行研磨，去除活塞环主体1 表面的油污等杂质，将活塞环主体1放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，然后放入烘干机中烘干；
S3、活塞环主体1表面的复合微织构5制备：采用激光加工工艺制备活塞环主体1表面的复合微织构5，在激光加工过程中，激光照射到活塞环主体1表面，活塞环主体1表面会吸收激光的能量然后将这些能量转化成热能，使得温度迅速升高，活塞环主体1表面会发生蒸发和汽化，由于激光束中心区域有较大的压力，当压力大于活塞环主体1表面的张力的时候，高速的气流冲击会使得材料飞溅去除，以此来达到去除活塞环主体1材料表面的目的；在活塞环主体1表面制备复合微织构5时，将所需要加工的复合微织构5图案导入到计算机控制系统中，启动激光加工设备，激光便会沿着图案所绘制的路径进行扫面，从而加工出所需要的复合微织构5；
S4、微织构活塞环处理：对微织构活塞环表面进行研磨和抛光，以去除在激光加工过程中产生的熔融物和毛刺，然后将微织构活塞环放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，清洗后放入烘干机中烘干。
参见图6为步骤S3中激光加工工艺采用的激光加工设备；所述激光加工设备包括底座6、专用夹具8、驱动装置9和激光照射装置7；所述专用夹具8包括旋转固定在底座6上的圆柱82以及设置在圆柱82顶部的螺栓81；所述圆柱 82顶部设置有定位槽，用于定位活塞环主体1；所述螺栓81拧紧时将活塞环主体1固定在圆柱82顶端的定位槽内；所述底座6上还设置有三爪卡盘9，与底座6旋转连接；所述圆柱82垂直固定在三爪卡盘9上表面；所述三爪卡盘9的三个爪分别间隔设置在圆柱82的侧壁，对圆柱82进行夹紧固定；所述驱动装置9固定在底座山6，驱动装置9为伺服电机，驱动三爪卡盘9带动专用夹具8 进行回转运动，用于驱动圆柱82旋转，带动活塞环主体1旋转；所述激光照射装置7通过支撑杆11固定，使得激光照射装置7对准活塞环主体1的外边缘。活塞环主体1旋转，使得激光照射装置7能够沿着活塞环主体1边缘进行微织构加工；此外，驱动装置10与三爪卡盘9配合驱动圆柱82和活塞环主体1旋转的模式可以替换成现有技术中任一种能够驱动圆柱82和活塞环主体1稳定均匀旋转的配合连接方式，不限于伺服电机和三爪卡盘9。
进一步的，所述激光照射装置7包括与支撑杆11滑动连接的横杆71以及固定在横杆71背向支撑杆11的端部的激光发射器72；所述激光发生器72正对活塞环主体1的外边缘，进行激光加工，支撑杆11和横杆71的滑动连接可以采用滑轨和滑块的配合方式，使得横杆71能够沿着支撑杆11做竖直运动，进而调整激光发射器72的加工高度。
进一步的，所述支撑杆11上设置有控制面板12，用于启闭和调整激光加工设备，控制面板12内集成计算机控制系统，将激光扫描路径导入到计算机控制系统，启动激光加工设备，就能够加工出所需要的微织构；所述横杆71上还固定有显示屏73，显示激光加工过程中的参数。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微织构活塞环，其特征在于：包括活塞环主体(1)和设置在活塞环主体(1)外周表面上的复合微织构(5)；所述复合微织构(5)包括正弦形沟槽微织构(3)和圆形凹坑微织构(2)；所述正弦形沟槽微织构(3)沿着活塞环主体(1)的整个外周表面分布，所述圆形凹坑微织构(2)沿着正弦形沟槽微织构(3)的波峰和波谷位置同样设置在活塞环主体(1)的外周表面上；所述复合微织构(5)在活塞环主体(1)外周表面上的面积占有率为15％～20％。
2.如权利要求1所述的一种微织构活塞环，其特征在于：所述正弦形沟槽微织构(3)为标准的正弦曲线。
3.如权利要求1所述的一种微织构活塞环，其特征在于：所述正弦形沟槽微织构(3)的深度为20μm。
4.如权利要求1所述的一种微织构活塞环，其特征在于：所述圆形凹坑微织构(2)的深度为20μm。
5.如权利要求1所述的一种微织构活塞环，其特征在于：所述活塞环主体(1)材料采用改性的聚四氟乙烯与铜粉的混合热压复合型材料。
6.如权利要求1至5任一所述的一种微织构活塞环的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、加工制备活塞环主体(1)；
S2、活塞环主体(1)处理：对活塞环主体(1)表面进行研磨，去除活塞环主体(1)表面的油污等杂质，将活塞环主体(1)放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，然后放入烘干机中烘干；
S3、活塞环主体(1)表面复合微织构(5)制备：采用激光加工工艺制备活塞环主体(1)表面的复合微织构(5)；在活塞环主体(1)表面制备复合微织构(5)时，将所需要加工的复合微织构(5)图案导入到计算机控制系统中，启动激光加工设备，激光便会沿着图案所绘制的路径进行扫面，从而加工出所需要的复合微织构(5)。
S4、微织构活塞环处理：对激光处理后的微织构活塞环表面进行研磨和抛光，以去除在激光加工过程中产生的熔融物和毛刺；然后将微织构活塞环放入超声波清洗机用丙酮溶液和无水乙醇溶液各清洗20min，清洗后放入烘干机中烘干。
7.如权利要求6所述的一种微织构活塞环的加工方法，其特征在于：所述步骤S3中激光加工工艺采用激光加工设备；所述激光加工设备包括底座(6)、专用夹具(8)、驱动装置(10)和激光照射装置(7)；所述专用夹具(8)包括旋转固定在底座(6)上的圆柱(82)以及设置在圆柱(82)顶部的螺栓(81)；所述圆柱(82)顶部设置有定位槽，用于定位活塞环主体(1)；所述螺栓(81)拧紧时将活塞环主体(1)固定在圆柱(82)顶端的定位槽内；所述驱动装置(10)固定在底座(6)上，用于驱动圆柱(82)旋转；所述激光照射装置(7)通过支撑杆(11)固定，使得激光照射装置(7)对准活塞环主体(1)的外边缘。
8.如权利要求7所述的一种微织构活塞环的加工方法，其特征在于：所述底座(6)上还设置有三爪卡盘(9)，与底座(6)旋转连接；所述圆柱(82)垂直固定在三爪卡盘(9)上表面；所述三爪卡盘(9)的三个爪分别间隔设置在圆柱(82)的侧壁，对圆柱(82)进行夹紧固定；所述驱动装置(10)为伺服电机，驱动三爪卡盘(9)带动专用夹具(8)进行回转运动。
9.如权利要求8所述的一种微织构活塞环的加工方法，其特征在于：所述激光照射装置(7)包括与支撑杆(11)滑动连接的横杆(71)以及固定在横杆(71)背向支撑杆(11)的端部的激光发射器(72)；所述激光发生器(72)正对活塞环主体(1)的外边缘，进行激光加工。
10.如权利要求9所述的一种微织构活塞环的加工方法，其特征在于：所述支撑杆(11)上设置有控制面板(12)，用于启闭和调整激光加工设备；所述横杆(71)上还固定有显示屏(73)，显示激光加工参数。
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