激光微織構技術在關節軸承表面處理中的應用*

□ 錢振華

湖州職業技術學院機電與汽車工程學院 浙江湖州 313000

1 研究背景

關節軸承作為一種球面滑動軸承，因承載能力強，結構緊湊，可實現低速擺動和一定角度范圍內的傾斜運動，在航空航天、軍工機械、載重汽車和工程機械等領域中應用廣泛。關節軸承在工作時，內圈外球面和外圈內球面會發生相對滑動，在潤滑條件不佳、重載等工況下，其內外圈表面的摩擦因數會增大，磨損會加劇，往往直接導致關節軸承失效。因此，開展關節軸承內外圈表面處理技術的研究，對于改善關節軸承的潤滑條件、提高摩擦學性能、延長使用壽命等具有重要意義。

關節軸承內外圈工作表面處理的技術主要有表面改性技術、表面鍍層技術和表面激光微織構技術等。文獻［1］采用二硫化鉬與石墨作為固體潤滑劑，采用無機磷酸鹽作為膠粘劑，在關節軸承內圈工作表面上進行了粘結固體潤滑涂層的表面改性處理，使關節軸承的摩擦學性能得到了明顯改善。文獻［2］開展了鍍銀膜軸承在多種潤滑狀態下的摩擦性能研究，得出在中低轉速下，鍍銀膜軸承在液體潤滑劑復合潤滑下的磨損性能遠優于干摩擦時磨損性能的結論。文獻［3］使用激光打標機在向心關節軸承的內圈工作表面進行了激光微織構，并將二硫化鉬鋰基潤滑脂作為潤滑劑，在疲勞磨損試驗機上對關節軸承進行了摩擦性能試驗，試驗結果顯示，經激光微織構技術處理的關節軸承滑動摩擦因數可減小40%以上。文獻［4-5］分別介紹了一種帶有表面凹坑激光微織構和一種帶有交叉網紋激光微織構的關節軸承，為關節軸承的激光微織構加工工藝參數設計指明了方向。與表面改性技術和表面鍍層技術相比，激光微織構技術具有加工速度快、能源消耗低、環境污染小、無需消耗額外材料等優點，是關節軸承內外圈工作表面處理的理想手段。

2 激光微織構減磨原理

所謂激光微織構技術，是指利用高能脈沖激光束，在工件工作表面上加工出與潤滑性能要求相匹配，成一定規律排列，并具有一定密度、直徑、寬度、深度的凹坑和凹槽等形狀的微織構（圖1），以達到提高工件摩擦學性能、延長工件使用壽命的目的［6］。激光微織構技術由于不受工件材料限制，因此應用范圍較為廣泛，機械部件中常見的摩擦副，如發動機缸套、活塞環、端面機械密封環、滑動軸承等均可成為激光微織構技術的應用對象。

▲圖1 微織構

關節軸承一般工作在低速、重載工況下，其內外圈工作表面之間的潤滑油較少，油膜厚度較薄，大多數情況下工作在邊界潤滑狀態。邊界潤滑狀態下的內外圈之間可以看成是許多小的干摩擦區和流體潤滑區的組合，內外圈的接觸狀態不斷變化，接觸表面的干摩擦區域和流體潤滑區域也隨之不斷變化［7］。

在干摩擦狀態下，關節軸承內外圈工作表面材料會在摩擦力的作用下以磨粒的形式掉落在工作表面之間，從而導致關節軸承內外圈工作表面間加速磨損。采用激光微織構技術在關節軸承內外圈工作表面上加工出微織構，可以存儲因摩擦產生的微小磨粒，減輕工作表面的磨粒磨損，與此同時，表面微織構能存儲一部分潤滑油，可以為關節軸承工作表面提供潤滑，減少干摩擦區的產生。

在流體動壓潤滑狀態下，液體內部的黏滯阻力使關節軸承工作表面每層油膜之間都存在速度梯度。當發生相對滑動時，表面微織構內部存儲的潤滑油被帶出，對關節軸承工作表面產生一個附加的支撐力。此時的表面微織構類似于一個個微小的流體動壓潤滑軸承，從而產生額外的流體動壓承載力［8-9］。關節軸承表面激光微織構減磨原理如圖2所示。

▲圖2 關節軸承表面激光微織構減磨原理

3 激光微織構設備

用于關節軸承工作表面激光微織構的設備主要由工業控制計算機、二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器、增量脈沖編碼器、聲光調Q開關、四自由度工作臺等組成，如圖3所示。工業控制計算機內裝四軸運動控制卡和高速數字量輸入輸出卡。

▲圖3 關節軸承工作表面激光微織構設備組成

聲光調Q開關控制的二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器，具有聚焦半徑小、響應速度快、脈沖寬度窄、峰值功率高、可控制輸出單脈沖激光的特點，適合用于關節軸承工作表面的激光微織構。二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器具體參數為：輸出波長532 nm，輸出功率 3 W，重復頻率1 kHz～50 kHz，1 kHz脈沖寬度不大于70 ns。聲光調Q開關為BJHZQ2750A型，其中心頻率為27 MHz，調制脈沖上升、下降沿不大于200 ns，射頻關斷時間為2～15 μs。激光輸出后，經過外部光路系統傳輸，再由激光頭聚焦照射到工件表面。此外，在外部光路上設置了電荷耦合器件攝像頭監視系統，可對加工過程進行實時監視。

四自由度工作臺是整個激光微織構系統的核心執行機構，主要由X軸、Y軸、Z軸的滾珠絲杠組及其伺服系統，以及θ軸伺服系統組成。通過工業控制計算機內部的四軸運動控制卡向伺服驅動器發送控制信號，控制X軸、Y軸、Z軸的直線運動和θ軸的旋轉運動。在激光微織構過程中，關節軸承繞θ軸作旋轉運動，XY平面移動平臺可實時調節激光頭與關節軸承微織構表面的距離，且激光頭可沿Z軸作升降運動。

4 激光微織構工藝試驗

研究表明，不同的激光微織構表面形貌參數對摩擦副摩擦性能的影響存在明顯差異。汪家道等［10］研究了在油潤滑條件下規則微凹坑激光微織構表面形貌對三銷環摩擦性能的影響，當規則微凹坑尺寸在一定范圍內時，能明顯改善摩擦副表面潤滑情況。劉東雷等［11］開展了多種規則激光微織構表面摩擦特性的試驗研究，對于摩擦因數的影響，四種規則表面微織構形貌從優至劣依次為凹坑、網紋、斷紋、光滑。劉小君等［12］研究了在脂潤滑條件下表面微織構對關節軸承工作表面摩擦性能的影響，當微凹坑面積占有率約為20%、深度為8～9 μm時，關節軸承工作表面的摩擦學性能較好，而特別深的微凹坑反而不利于關節軸承工作表面摩擦性能的改善。

關節軸承工作表面的激光微織構技術目前還處于研究試驗階段，試驗對象主要集中在推力關節軸承和向心關節軸承，如圖4、圖5所示。激光微織構的形式有微凹坑、微凹槽、交叉微網紋等。在關節軸承激光微織構工藝的選用上，宜采用同點間隔多次激光微織構工藝。與同點連續多次激光微織構工藝相比，同點間隔多次激光微織構工藝能最大限度降低激光加工產生的負面熱效應，且多脈沖作用對微織構內部形貌具有平滑作用，同時在保證單個脈沖材料去除率的前提下，提高了激光加工高質量微織構的總效率［13］。

在二極管泵浦電流為22.8 A、重復頻率為10 kHz的條件下，采用波長為532 nm的脈沖激光在推力關節軸承外圈工作表面上進行單脈沖同點間隔五次微凹坑織構，加工過程中以氮氣作為保護氣體吹向加工區域，用于清除熔渣和防止金屬受熱氧化。采用WYKO NT1100型三維表面輪廓儀對加工試樣進行了表面形貌測量，得到的微凹坑織構形貌如圖6所示。由圖6可以看出，微凹坑的深度為 8.3 μm，直徑約為 60 μm，內部較為光滑，加工質量較好。另一方面，微凹坑的周圍存在一定殘渣，這主要是由于軸承材料在激光脈沖作用下氣化不完全而重新凝固所形成，后期可采用拋光和超聲清洗的方法加以去除。

▲圖4 推力關節軸承工作表面微凹坑織構

▲圖5 向心關節軸承工作表面交叉微凹槽織構

在二極管泵浦電流為22.8 A、重復頻率為10 kHz、重疊度為90%的條件下，在向心關節軸承內圈工作表面上加工的微凹槽織構形貌如圖7所示。由圖7可以看出，微凹槽的深度為11.1 μm，寬度約為80 μm。由于微凹槽加工時是按照微凹坑以一定重疊度排列而形成的，在重疊度較高的情況下，激光脈沖對材料具有反復氣化、熔融的作用，導致微凹槽寬度與微凹坑直徑相比有一定增大，且深度也有加深。

▲圖6 微凹坑織構形貌

▲圖7 微凹槽織構形貌

5 結論

關節軸承表面采用激光微織構，一方面微織構可以存儲因摩擦產生的微小磨粒，減輕關節軸承工作表面的磨粒磨損；另一方面微織構可以存儲一部分潤滑油，為關節軸承工作表面提供潤滑。采用激光微織構設備，分別在推力關節軸承外圈工作表面和向心關節軸承內圈工作表面進行了微凹坑和微凹槽的激光微織構工藝試驗，并用表面輪廓儀對試樣進行了表面形貌測量，得到了加工質量較好的表面形貌。

當然，經過激光微織構表面處理的關節軸承，其摩擦學性能還有待理論和實踐證明。