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微加工:用激光微织构技术做好“表面工作”

导读: 一束绿宝石般的高能激光束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。

一束绿宝石般的高能激光束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,还能降低发动机油耗,实现节能减排。

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的系统研究,不仅新增了织构摩擦学这一研究新方向,还率先提出了零部件表面主动设计制造的新理念,逐步形成了完整的创新研究链。去年,团队获得上海市科技进步奖一等奖、教育部技术发明奖二等奖、中国机械工业科学技术奖二等奖、中国专利优秀奖等多个奖项。

冷板凳上坐出的热闹

摩擦磨损造成的能源损耗和零件失效是机械行业的痛点,这种结构影响甚至决定了机械装备的可靠性、使用寿命及工作性能。

表界面科学与技术研究团队负责人符永宏认为,传统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,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。

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、激光加工、激光薄膜测量等特色研究方向。当时,符永宏等几个而立青年独辟蹊径,选择了激光微加工作为研究课题。

从激光微加工到激光珩磨,再从激光微造型到激光微织构,这支研究小分队在研究中逐步明晰思路:利用高能激光束作用于材料表面,在零部件表面加工出预设微结构,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。

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容它——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。

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的规律,还通过建立模型等形式把表面织构主动设计出来。让团队欣喜的是,原本无人同行的激光微织构研究方向,近年来成为国内外机械领域最热门的方向,不仅研究人数增长快,研究机构和研究成果的数量也飞速增长。

既要马儿跑,又要马儿不吃草

2005年,第一代激光微加工样机在实验室问世;2016年,第五代设备已能够实现对缸孔、凸轮轴等零件表面的激光微织构加工处理。经过二十多年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。近年来,他们把目标定位在强化工程应用上。

在汽车发动机应用上,该团队研究了缸孔-活塞环-活塞系统在整个冲程中的摩擦学行为和磨损规律,提出“分区异构”,在缸孔表面不同区域做出不同的表面织构,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,以此来实现“既要马儿跑,又要马儿不吃草”的矛盾统一。试验表明,经激光微织构主动设计制造,发动机燃油消耗、机油消耗降低。

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。

在实践中探索“最后一公里”疑问

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,是团队加速科技成果转化的现实起点。项目组与多家企业联合攻关,构筑了激光表面微织构技术协同创新体系。成果应用于发动机、机械密封等零部件,形成了3套技术规范。

目前,激光微织构技术主要推动了发动机、和高端泵等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、航天以及国防等问题上还要加强科技协同攻关。

2015年,采用该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”。庆幸的是,这支拥有8名博士、平均年龄30岁的年轻团队仍在不断摸索。

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。“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。”符永宏说。

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