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用激光织构技术书写“表面文章”
发表时间 2017-03-17 14:59 来源 本站原创

  一束绿宝石般的高能激光束蜻蜓点水照射到汽车发动机的缸孔表面上,三四分钟后,缸孔不同区域呈现出形态各异的表面织构。这种主动设计制造的特殊织构,不仅能减少零件摩擦磨损,还能降低发动机机油耗,实现发动机节能减排的功效。

  这是激光微织构技术在机械零件表面的一个典型应用。在江苏大学机械工程学院207实验室里,一系列具有自主知识产权的激光微加工设备已经更新到了第五代。

  上世纪90年代至今,江苏大学表界面科学与技术研究团队对机械零件表面激光微织构技术开展系统研究,不仅新增了织构摩擦学这个摩擦学理论研究领域的新方向,还率先提出了零部件表面主动设计制造的新理念,形成了特殊的激光微织构新工艺新方法,并针对典型应用,研制具有自主知识产权的系列装备,同时着力推动科技成果的产业化应用,逐步形成一条完整的创新链。2016年,团队捧得上海市科技进步一等奖、教育部技术发明二等奖、中国机械工业科学技术二等奖、中国专利优秀奖等多个奖项。

  冷板凳上坐出的热闹

  一个机械零件表面眼睛看不见的微小结构很重要么?回答是肯定的。

  摩擦磨损造成的能源损耗和零件失效问题,一直是机械行业的刺痛,而这种在显微镜下方能露峥嵘的微观结构,能影响甚至决定机械装备的可靠性、使用寿命及工作性能,相当不可小觑。

  表界面科学与技术研究团队负责人符永宏就认为,传统的机械零件表面结构是自然、被动、随机形成的,而在理想状态下,则必然存在着一个与机械系统性能相匹配的最优表面结构,团队研究的核心内容就是找到并设计制造出这个完美的微织构。

  在上世纪90年代初,江苏大学将激光技术应用于机械工程领域的研究,先后形成激光冲击强化、激光冲击成形、激光加工、激光薄膜测量等特色研究方向。当时刚过而立之年的几个年轻人,独辟蹊径,选择了激光微加工作为自己的研究课题。

  从激光微加工到激光珩磨,从激光珩磨到激光微造型,再从激光微造型到激光微织构,这支研究小分队一直在孤独地摸索思考,也在踏踏实实的研究中思路逐步明晰。利用高能激光束作用于材料表面,可以在机械零部件表面加工出预设的微结构,获得与表面性能要求优化匹配的微形貌,实现主动调控摩擦副表面接触方式和摩擦状态的目的。

  让团队欣喜的是,原本无人同行的激光微织构研究方向,近年来成为国际国内机械领域最热门的方向,不仅研究人数增长最快,研究机构和研究成果的数量也呈飞速增长的态势。

  “科研这条道路上,不只有付出和寂寞,更有乐趣与激情。”在摩擦学国际研究领域独树一帜并引领相关研究的基础上,团队揭示了织构参数与摩擦学特性之间规律,还通过建立模型、数值模拟计算、软件开发,把丰富多样的表面织构主动设计出来。

  直线型凹槽、三角形凹坑、火山类凸起、墨西哥冒……。不要小瞧了这些在微观尺度上的凹凸有致的结构,每一个简单的凹陷和凸出,其实各有各的妙处。“比如说,机械零件需要减少有害的摩擦,我们就给它设计一个凹陷织构来减摩,当需要增加有利的摩擦时,又可以设计凸起织构来增摩,这种凹凸有致的复合织构还能实现摩擦功能的动态转换。”这样一种不伤害原表面的激光微织构技术,赋予了表层材料改形和改性的双层功效。团队内部有一个顺口溜来形象比喻-——钉扎密布强表层,挖坑开槽表面润,微凸无害利增摩,激光织构功效神。

  既让马儿跑,又让马儿不吃草

  表界面科学与技术研究团队的实验室,位于江苏大学机械工程学院的二楼,这是一个很热闹的实验室:不停地敲敲打打、拆卸组装,也不停地迎接着一批批参观者。

  外界对这个实验室的好奇心,在于它是独一无二的。实验室的每一个电路系统、每一个机械零部件,当然包含里边的各类设备,都源于团队的亲手设计和制作。2005年,第一代激光微加工样机在实验室问世,时至2016年,已更新至第五代的多功能加工设备,已经能够实现对缸孔、凸轮轴、模具、刀具和机械密封等零件表面的激光微织构加工处理。

  “科学研究的价值,不仅仅体现在对真理、知识的追求上,也体现在对社会经济发展的服务实效上。”符永宏说,二十年多的努力探索和协同攻关,团队形成了“理论、设计、工艺、加工、性能、装备、工程应用”的体系化研究思路与路径,在解析激光微织构关键技术的基础上,近年来他们把目标定位在强化工程应用上。

  第一个实践应用,团队就大胆地选择了汽车发动机,因为发动机是汽车最核心的组成部分,设计加工发动机关键零部件的表面微观形貌,有可能成为优化零部件表面摩擦学性能、提升发动机品质的重要突破口。

  缸孔是发动机最复杂也是最关键的核心部件,目前的缸孔表面结构都是机械珩磨而成,该团队研究了缸孔-活塞环-活塞系统在整个冲程中摩擦学行为和磨损规律,提出在缸孔表面的不同区域分别构建与内燃机动力性、经济性、可靠性优化匹配的表面织构,即所谓“分区异构”技术,以提高缸孔表面润滑、减摩、耐磨性能,降低燃油耗,同时又利用分区织构灵活控油和布油的优势,降低机油耗,以此实现“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”矛盾的统一。

  在发动机的另一个关键部件凸轮轴上,团队基于弹流润滑理论和凸轮轴工作特点、性能要求,在凸轮轴升程的桃尖工作区域,实施“蜻蜓点水、画龙点睛”的激光微织构“两点式”加工,不仅实现了润滑减摩、耐磨增寿、稳定可靠的功效,而且可以替代传统的热处理工艺,降低材质要求和生产成本。

  2012年,课题组与长安汽车合作申报的“高效节能低摩擦内燃机零部件表面激光微织构关键技术的研发与产业化”项目,获批国家重大科技成果转化项目。长安汽车、玉柴、一汽、常柴等公司也把多款柴油发动机、汽油发动机、四缸及六缸发动机,送到团队实验室进行低摩擦技术和激光微织构技术试验。

  装机台架性能试验及耐久性试验结果表明,经激光微织构主动设计制造,发动机燃油消耗降低约1%-4%,整机机油消耗降低可达20-50%。铸铁材质的油泵凸轮轴,经600小时可靠性试验,磨损量仅为1-2µm左右,耐磨性能优于钢质材料凸轮轴。

  在实践中探索“最后一公里”的疑问

  酒香不怕巷子深。制造出高精度、长寿命、优性能的节能环保型机械产品,助力我国机械制造业崛起、提升机械产品国际竞争力,是表界面科学与技术研究团队加速科技成果转化的现实起点。

  项目组与长安汽车、常柴股份、扬州五亭桥缸套、华青流体科技和深圳铭利达等多家企业产学研联合攻关,致力于激光微织构技术的研发和工程应用推广工作,构筑了激光表面微织构技术协同创新体系。项目成果应用于发动机、模具、刀具、机械密封、轴承等零部件,形成了3套技术规范。

  酒香也怕巷子深。符永宏说,激光表面微织构技术普遍适用于机械行业,这种普适性很强的技术只要与具体零部件一结合,就能产生新的创新。目前,激光微织构技术主要推动了发动机、金属模具和高端泵的关键零部件产品向精细高端、绿色和节能环保方向转型升级,在一些能源、材料、环境、航天以及国防等国家急需解决的问题上还要加强科技协同攻关。

  有点遗憾,经过无数次台架试验验证,2015年,一条采用激光微织构技术即将上线的汽车发动机生产线因故暂停,从实验室走向市场化生产只差“临门一脚”,此故让团队产生“万事俱备,只欠东风”的无奈与感慨。

  庆幸的是,表界面科学与技术研究团队还在实践中摸索。“我们一定要探索出如何促进大学科技成果转化,如何加强大学生创新创业教育的路径、模式和机制”。

  2016年底,由该团队在校研究生创办的光润科技有限公司在镇江国家大学科技园落户,旨将表界面科学与技术研究团队研究的共性技术和应用技术,在这个公共平台上进行展示、转化、服务、应用,并开放式欢迎其他师生进入公司进行创新创业。“这里,将成为研究团队、企业及行业相互观察的窗口,成为联系市场与高校技术的桥梁,成为研究生创新创业培养的基地,也成为技术输出服务的公共平台。”

  对这支拥有8名博士、平均年龄30岁的年轻团队来说,还有很多探索的时间。

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