江蘇 何海華

1 本課題的來源及目的

1.1 摩擦

各種機械運動部件在工作過程中，接觸表面都處于相對運動與相互作用的狀態(tài)，不可避免地存在不同程度的摩擦以至于磨損。摩擦造成了能量的轉(zhuǎn)移，降低了能量的利用率，增加了能源損耗，磨損更會造成機械設(shè)備運轉(zhuǎn)效率降低和使用壽命降低等一系列問題。據(jù)估計美國每年由于磨損造成的損失高達(dá)20000億美元，中國的損失每年也達(dá)數(shù)千億元。近年來，我國汽車數(shù)量迅速增加，汽車的能源消耗成為一個重要問題。汽車發(fā)動機因摩擦而損失的功率約占30%。其中，活塞-缸套/活塞環(huán)-缸套摩擦副之間的摩擦損失占總損失的40%以上。

1.2 本課題的目的

研究氣缸套/活塞環(huán)系統(tǒng)磨損潤滑問題，尋找新材料、新型潤滑劑及對材料本身進行表面處理等各種途徑，來提高氣缸套和活塞環(huán)的減摩性能。對材料的表面處理，激光熱處理、激光毛化、機械處理、平面網(wǎng)紋處理等工藝方法都各有優(yōu)缺點，應(yīng)針對具體情況進行選用。

總之，減輕活塞-缸套/活塞環(huán)-缸套摩擦副之間的摩擦損耗已經(jīng)成為減少汽車能源消耗的重中之重。

1.3 減少摩擦（增加耐磨性）的方法

提高活塞-缸套/活塞環(huán)-缸套之間的摩擦磨損性能，可以分別從活塞/活塞環(huán)和缸套兩方面入手進行研究。在缸套方面，人們從材料和結(jié)構(gòu)上進行了廣泛的研究。材料方面，鑄鐵因其具有良好的經(jīng)濟性，優(yōu)良的減磨性和耐磨性，一直被人們用于缸套的材料。近年來，隨著研究的深入，許多新的耐磨材料問世，如硼鑄鐵，它不但具有較高的耐磨性，而且價格相當(dāng)便宜，很適合用于缸套。表面結(jié)構(gòu)方面，曾有人利用激光在缸套表面加工出一定形狀的交叉網(wǎng)紋，從而細(xì)化內(nèi)部晶粒，組織重排，改變了晶格形式，從而提高了其耐磨性能。同時還出現(xiàn)了多元共滲，擠嵌碳化硅等方法。在提高活塞耐磨性方面的研究，主要是從提高材料硬度和進行表面涂層方面開展的。20世紀(jì)90年代，稀土固體自潤滑理論被提出，改善了表面的摩擦性。

在發(fā)動機活塞/活塞環(huán)與缸套耐磨性研究方面，最重要最有效的方法是改善潤滑條件，盡量避免干摩擦和混合潤滑狀態(tài)。

2 該技術(shù)的國內(nèi)外研究技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，德國和日本學(xué)者大都采用激光珩磨加工，這種方法是珩磨與激光技術(shù)的復(fù)合，由粗珩、激光造型和精珩三道工序組成。激光珩磨機床與珩磨機類似，具有往復(fù)運動和螺旋運動，3個主要部件是激光器、光導(dǎo)系統(tǒng)和激光輸出頭。光學(xué)系統(tǒng)將光束聚焦到孔壁上。采用數(shù)控系統(tǒng)可以保證激光造型結(jié)構(gòu)靈活地適應(yīng)性能所要求的條件。通過資料顯示，缸套內(nèi)表面獨立微坑儲油結(jié)構(gòu)用激光燒蝕的方法加工有許多優(yōu)點，耐磨性增強，排放降低，機油消耗減少等。近年來，德國學(xué)者研究表明：有規(guī)則分布的獨立點坑式缸套比原來的平頂網(wǎng)紋和松孔鍍鉻缸套性能更佳。

國內(nèi)目前加工微坑的方法主要有：電火花加工方法、超聲加工方法、機械沖擊方法和低頻振動刮削方法等。電火花加工對缸套材料有微觀汽化和燒蝕作用，可造成局部材料性能發(fā)生變化，并且電加工設(shè)備價格昂貴，微坑加工成本高，操作復(fù)雜，維修困難；表面微坑超聲加工所需要加工設(shè)備價格昂貴，微坑加工成本高，對單件產(chǎn)品不是很適合；機械沖擊式這種加工方式設(shè)備造價較低，成本不高，但其對缸套的損害比較大，故也不便于使用；低頻振動刮削式加工法恰好能夠解決這個問題，它是靠專用刀頭微切削缸套內(nèi)表面，同時刀頭進行16～48Hz的低頻強迫振動實現(xiàn)缸套的微坑加工。由于是去除金屬的切削，切削深度很小，因而切削力小，切削溫度低，不會形成殘余應(yīng)力，因而也不會使缸套發(fā)生變形。但是，尤其這種加工方法本質(zhì)上也是靠機械方式進行加工的，不免會具有機械加工的一些缺點。而且刀頭的震動頻率也很難控制，從而導(dǎo)致微坑的分布密度難以控制。

2.2 電解加工

電解加工（Electrochemical Machining，ECM）是利用金屬在電解液中可以發(fā)生陽極溶解的原理，將工件上多余的材料蝕除掉，材料的去處過程是以離子尺度進行的，金屬離子的尺寸通常小于十分之一納米，因此電解加工的這種以離子去除的微溶解的減材方式非常適合微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。微細(xì)電解加工技術(shù)利用電化學(xué)微溶解原理，使工件材料被溶解蝕除，從而達(dá)到對零件的形狀、尺寸和加工精度要求。加工過程中工具與工件不發(fā)生直接接觸，無工具電極損耗；加工效率高，結(jié)構(gòu)表面光滑；工件表面不會產(chǎn)生加工應(yīng)力、變形以及熱影響區(qū)。微細(xì)電解加工以其獨特的優(yōu)點在航空航天、汽車、機械等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.3 電液束加工

電液束加工本質(zhì)上也是一種電解加工方式，它是將電解液壓入導(dǎo)電的密封頭內(nèi)，然后從小孔內(nèi)高速射向被加工工件待加工部位，進行“切削”加工。據(jù)國外資料報道，這種加工方法的機理尚不十分清楚，但肯定加工中既有陽極金屬溶解的過程，又有化學(xué)加工的作用。在實際加工中，去掉的金屬量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按法拉第定律計算的電化學(xué)作用去除的金屬量加上化學(xué)作用對金屬去除量的總和。與此相應(yīng)，電流密度也大于在普通電解情況下氣泡穩(wěn)定發(fā)生時的電流密度，所以加工效率較高?？梢哉J(rèn)為:在高電壓、大電流密度下，材料去除是電化學(xué)作用和強烈的化學(xué)溶解作用的結(jié)果。同時電液束加工具有以下特點：（1）可達(dá)性好；（2）可實現(xiàn)無再鑄層、無微裂紋的加工；（3）表面光滑，無毛刺，加工表面粗糙度值低(一般為3.2～0.8μm)；（4）無切削應(yīng)力。

3 本課題組的研究方案

研究電液束加工機理，自行研究制備符合凹坑陣列加工要求的平板電極，設(shè)計相應(yīng)的加工裝備，通過對工具陰極進給、陰極孔徑大小、加工時間、電解液參數(shù)等相關(guān)因素的控制，加工出符合形狀、尺寸要求的大小均勻的凹坑陣列。預(yù)期實現(xiàn)凹坑平均直徑在100μm以下，凹坑深度5-20μm的加工效果。

本研究實驗主要由以下幾個方面組成：

3.1 陰極平板的制作

首先在陰極平板表面涂上一層SU-8光刻膠，然后對其曝光、顯影，在平板表面得到所需要的圓形形貌。最后對曝光顯影過的涂有光刻膠的平板進行照相電解，在平板上加工出尺寸均勻的陣列小孔。通過對加工參數(shù)和材料的選取來控制孔間距、光刻膠厚度、孔的側(cè)向腐蝕、加工孔的錐度等，從而制作出不同孔徑、孔間距、光刻膠厚度和金屬層厚度的陰極平板。陰極制作過程中最關(guān)鍵的就是保證陰極表面的光刻膠和金屬板貼合牢固，不能脫落。同時也要保證制作的平板電極剛性足夠好，不易變形。

3.2 用制作好的陰極平板進行初步的凹坑陣列電液束加工

首先用制備好的陰極進行平面凹坑陣列的電射流加工試驗，通過調(diào)整電參數(shù)，加工間隙，電解液參數(shù)等條件，分析各個條件對加工出的微坑的影響。然后優(yōu)化加工參數(shù)加工出符合要求的不同尺寸的凹坑陣列。

3.3 嘗試在圓柱表面加工出凹坑陣列

最后采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)嘗試在圓柱表面加工出凹坑陣列。通過工件旋轉(zhuǎn)角度來控制凹坑間距，通過間隔時間來控制凹坑的直徑和深度等。

3.4 進行凹坑陣列形貌的檢測

利用實驗室現(xiàn)有的形貌儀（XAM）、電子顯微鏡等檢測裝置對凹坑進行檢測。

4 總結(jié)

通過對材料的表面結(jié)構(gòu)進行凹坑陣列的加工，從而減少了摩擦，提高了能源的消耗，這在汽車工業(yè)中具有重要的意義，從整體方面來說，是對人類生存環(huán)境和可利用資源的一種貢獻(xiàn)。表面微結(jié)構(gòu)的研究正逐漸朝著更小更精細(xì)方面發(fā)展，各國工作者都努力進行這方面的科學(xué)研究。

[1]劉耀輝,于思榮,任露泉,等.金屬基耐磨鑄造表面復(fù)合材料的現(xiàn)狀及其今后研究工作的主攻方向.摩擦學(xué)學(xué)報,1994,14(1)：89-95.

[2]薛茂權(quán)，熊黨生，閆杰.高溫固體潤滑材料的研究現(xiàn)狀.兵器材料科學(xué)與工程,2003年06期

[3]張云電,趙峰,黃文劍.摩擦副工作表面微坑超聲加工方法的研究.中國機械工程,2004年第15卷第14期.

[4]張云電.缸套工作表面微坑數(shù)控加工的方法和效果.新技術(shù)新工藝,2005年第10期.