機械封裝潤滑性質的探究調研

王浩強 李永澤 武長青

摘要：使用調E半導體激光發射器，使用“多脈沖單點多次”激光技術在封裝表面上加工出擁有環狀陣列布局的微型凹架構。在機械封裝的輔助調研裝置上，實行了激光架構機械封裝和通常機械封裝的樣品的比較性研究，探究了激光架構技術在不相同的封裝載體的壓力和旋轉速度等狀況之下對機械封裝的潤滑性質的作用。研究表明：在調研的可用范圍中，激光架構技術對優化機械封裝潤滑性質的作用受封裝載體的壓力的影響最大，旋轉速度的影響相對來說比較小。和無架構機械封裝來相比，在比較低的密封載體壓力的環境下（0.28MPa），激光架構機械封裝能明顯的改善潤滑性質，旋轉距離最多可減少60%，旋轉速度對摩擦扭轉速度的作用不大。在比較高的密封載體壓力的環境下（0.6MPa），旋轉速度對扭轉距離的影響會有相對大的作用，只有每當旋轉速度到達臨界數值的時候，激光架構機械封裝才可以起到優化潤滑的作用，但是作用很小。

關鍵詞：機械封裝；激光表面；介質壓力

1.激光表面織構技術

激光架構技術可以明顯的優化摩擦表面潤滑性和摩擦機能，提高它的承受力。20世紀80年代，ktion等人把激光架構技術使用于機械封裝，提出了激光架構機械封裝，就是在密封表面制造出擁有相對規則的布局和特定幾何的微形凹架構。封裝表面上的微型凹架構造成了楔反應，在收縮區產生正值壓力，在舒張區產生的空氣反應讓表面的液體薄膜擁有較強的承受力，從而可以讓動態靜態環產生非觸碰式的運行。當封裝環表面位于液體潤滑或者交互潤滑形態的時候，凹坑的功能和微動能潤滑轉軸十分接近。當封裝環表面位于邊界潤滑形態時，凹坑也可以產生存儲潤滑載體的功能。調研結果表示，激光架構技術可以明顯的優化機械封裝表面的潤滑狀態，提升液態薄膜的承受力，加長機械封裝的壽命。然而，由于封裝腔體中密封載體的壓力而形成靜態壓力效應會壓制虛化效應，從而減弱了液體動態壓力效應，當封裝載體的壓力增大到相對界限的時候，虛化效應會被壓制或著只在部分的微型凹坑上形成，激光架構機械封裝和無架構機械封裝功能類似。為了提升封裝腔體中的封裝載體壓力，Etsid等人又發布了使用激光架構技術在封裝環表面接近高壓側面加工有環形布局的凹坑架構，可以顯著提升封裝表面的靜態壓力。其封裝機器類似于封裝表面徑向階梯與錐度。調研表示，激光架構機械封裝的轉向距離明顯降低封裝腔體內的載體顯著提高，但為了抹除液體動態壓力的影響，機械封裝的旋轉速度被限制在700r/min，這一種類的機械封裝適用于慢速高壓狀況。之后，符永宏等人針對激光架構機械封裝實行了一系列的調研，調研成果表明，激光架構技術能明顯提升機械封裝的封裝機能。

機械封裝表面之間的收縮壓是由作用封裝表面上的液體壓力與彈力兩種組成，當前針對激光機構機械封裝的調研核心是探究動態靜態環之間的液體動態壓力潤滑效果和封裝機能的作用。封裝閉合力通常都是加載在封裝環上實現的，沒考慮到封裝腔體內的封裝載體壓力的作用，即沒考慮液體靜態壓力作用的影響。所以，為了探究激光架構技術對機械封裝潤滑性質的作用，特別是不相同的密封載體壓力之下機械封裝潤滑性質，本文使用“多脈沖單點多次”激光工藝加工激光架構機械封裝，通過摩擦學的研究對架構機械封裝的潤滑性質作了初步的調研。

2.試驗

試驗使用半導體激光系統，激光的使用模式是TEM22，使用共振技術，收縮了激光舒張角，聚焦性能比較強，發出的光束質量非常高。使用聲調E技術產生光能共振，發出的波長有512nm和1024nm兩種，調E重疊的頻率是1一20kHz，光束的質量區間Mz<5，舒張角小于0.004rad。樣品使用內徑：l=21.18mm，外徑r=25.6mm的機械封裝，動態環的材料為ASD，靜態環的原料是石墨。其表面的粗糙程度是0.07納米。使用“多脈沖單點多次”激光工藝在動態環的表面加工成環狀排列分布的凹坑。使用WKT1100的二維幾何測量儀器測激光架構機械封裝測量出一個微凹坑二維與三維幾何的形態。微形凹坑的半徑長短由激光功率的密度與脈沖的寬度決定，深度的數值由激光的脈沖寬度決定。所以可以看出來，由于激光架構技術是使用熱能瞬間加溫汽化材料從而去除材料，因此在凹坑的周圍會殘留一些渣。樣品的表面經過了拋光處理，去除激光架構形成的熔渣之后凹坑的半徑R大小是30納米，最大的深度h是8 納米，平均面積密度為20 %，在其中凹坑的平均面積密度為凹坑于整個封裝環端平面面積的百分比的比例。

2.1試驗設備及方法

機械封裝試驗機器由調研臺架、調研載體增壓與保壓裝置與降溫系統等構成。調研臺架包括引導軌道、托板、封裝腔體、軸承套、力量傳感器、軸承、底座、聯軸、扭矩與傳感器和發動機等。主軸由發動機經過調速器的調速下達到了無級調速，轉速傳感器是串行聯接在發動機與主軸承之間，測量主軸承旋轉速度及不相同的狀況環境之下的摩擦間距。調研載體增壓與保壓及循環裝置由氮氣瓶、穩壓罐，減壓閥門、及壓力管道組成。調研載體冷卻系統由冷卻閥門和管道構成。

2.2實驗結果

轉速不相同時，激光架構機械封裝和無織構機械封裝的密封載體壓力對轉矩的作用也不相同。封裝載體壓力的變化區間為0.2一0.8MPa。當封裝載體壓力達到0.6MPa時，無織構機械封裝和激光架構機械封裝的轉矩大致是一樣的。當封裝載體壓力為0.8MPa時，無織構的機械封裝和激光架構機械封裝的轉矩分別是2.38N.M和2.52N？M。轉矩隨著封裝載體壓力的改變規律大致和轉速1500r/min的時候一致。但在整個封裝載體壓力改變區間內，激光架構機械封裝的轉矩始終小于機械封裝。這是因為旋轉速度較大，在激光架構機械封裝表面形成的的液體動態壓潤滑反應足夠克服由封裝載體壓力所形成的液體靜態壓力作用的影響。

3.結論

（1）調研驗證了封裝載體壓力所形成的液體靜態壓效應對激光架構機械封裝表面液體動態壓的抑制作用。

（2）在相對較低的封裝載體壓力環境下，旋轉速度對潤滑性質的影響很小，激光架構機械封裝可以明顯優化潤滑性質，與無織構機械封裝相比，轉矩最大可縮小60 % 。

（3）在相對較高的封裝載體壓力環境下，只有每當旋轉速度到臨界值的時候，激光架構機械封裝才可以起到優化潤滑的作用，但是作用相對較小。

參考文獻：

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