鉆頭滑動軸承表面織構的激光加工工藝研究

何 霞,曾維菊,王國榮,鐘 林

(西南石油大學機電工程學院,四川 成都 610500)

1 引 言

牙輪鉆頭及復合鉆頭是目前破碎巖石形成井眼的重要工具之一,但隨著油氣勘探開發不斷的向深井、超深井和深水等復雜惡劣工況邁進,高溫、高壓及沖擊動載的工況已限制了鉆頭滑動軸承壽命的進一步提升[1-3],而仿生摩擦學[4]的出現為鉆頭滑動軸承性能的進一步改善提供了新的研究思路和方法,表面微織構是采用激光加工、電子束刻蝕等方法在零件表面加工出特定微細形貌的技術,這種表面處理工藝涉及材料性能和界面效應[5],但如何把優選的潤滑減磨性能較優的織構參數合理的布置于鉆頭滑動軸承摩擦副表面,國內外目前仍面臨加工工藝及表征方法等領域的諸多挑戰。

近年來一些理論和實驗已證實合適參數的仿生表面織構引入牙輪鉆頭滑動軸承能提升其摩擦學性能,國內外學者圍繞表面織構及其摩擦學性能展開了大量研究[6-9]。蘇永生等[10]利用光纖激光器在超硬刀具表面開展了微溝槽加工試驗研究,獲取了激光工藝參數對微溝槽影響的基本規律。趙恩蘭等[11]采用納秒脈沖激光在45鋼表面進行加工,制備了三種不同周期的光柵織構和兩種不同周期的微坑織構,并對織構化后的45鋼表面進行摩擦磨損測試。解玄等[12]采用二極管泵浦聲光調Q Nd∶YAG 激光器對下試樣進行表面織構加工研究。Tripathi等[13]利用激光加工工藝在鑄鐵材料表面進行微織構造型。Houdková等[14]使用連續掃描的激光加工方式在滑動軸承外表面加工出圓形陣列。王斌等[15]研究了激光表面織構化對45鋼干摩擦特性的影響。任晶鑫等[16]研究了激光功率對45鋼表面組織及性能的影響,他們通過對45鋼表面進行激光相變硬化處理,利用光學顯微鏡觀測、硬度測試、磨損測試等表征手段,研究了在掃描速度一定的前提下,激光功率對45鋼改性層顯微形貌、硬度及耐磨性能的影響。高雄開等[17]提出了軸承引導面表面織構化改善磨損性能的方法,開展了摩擦副織構表面動壓潤滑模擬仿真、9Cr18激光織構化的工藝試驗研究及在沖擊滑動工況下的摩擦磨損特性研究,探討了表面織構對沖擊滑動摩擦過程的影響,為表面織構應用于滾動軸承提供了基礎。王林森等[18-19]以某型號發動機為研究對象,系統開展激光微織構工藝試驗研究,得出優化微凹坑幾何參數能夠顯著提高缸孔-活塞環的潤滑性能。王國榮等人[20]將仿生織構引入牙輪鉆頭滑動軸承,研究了不同織構形狀、幾何尺寸、面積比等參數對鉆頭軸承摩擦學性能的影響。微凹坑、溝槽表面織構是仿生學結構的一種簡化形式,能夠以較小的成本達到潤滑減磨的目的,目前在工業生產中已有應用,但針對實際工況的實驗研究還存在不足[21]。

縱觀國內外及項目組前期研究溝槽型織構顯著的潤滑減磨效果,但針對優選溝槽型織構布置于鉆頭滑動軸承摩擦副表面的微加工工藝,國內外基本處于空白狀態。基于此,本文開展頭滑動軸承軸頸表面凹槽織構的納秒激光加工工藝實驗研究。

2 納秒激光微加工實驗方案設計

2.1 實驗材料

選用的實驗環試件材料與牙輪鉆頭滑動軸承軸頸材料一致,其結構示意圖如圖1所示。環試件外徑為35 mm,寬度為8.73 mm,材料為鉆頭軸頸材料(20 CrNiMo),其主要化學成分見表1,表面進行滲碳淬火熱處理,滲碳層的厚度為1.5～3 mm,硬度為56～62 HRC,其材料物理特性如表2所示。

圖1 環試件結構示意圖Fig.1 Structural diagram of ring test piece

表1 牙輪鉆頭軸頸材料20 CrNiMo主要化學成分Tab.1 main chemical composition of 20 CrNiMo material of roller bit journal

表2 20 CrNiMo材料特性Tab.2 Material properties of 20 CrNiMo

2.2 實驗方法

采用HM50激光燒蝕設備將凹槽型織構均與布置于環試件表面,設備主要參數:最大激光功率50 W,重復頻率1～1000 kHz,波長1064 nm,加工范圍100 mm×100 mm,深度≤1.2 mm,定位精度±3 μm,速度≤7000 mm/s,工作溫度環境:15～35 ℃。納秒激光加工系統的示意圖如圖2所示,由納秒激光器發出的入射光束依次經過掃瞄鏡X、振鏡電機X、掃瞄鏡Y、振鏡電機Y,然后通過場鏡聚焦到待打標工件表面。然后采用布魯克公司生產的非接觸式三維光學輪廓儀對已加工的織構化試件進行表面加工質量的測量,采用白光干涉儀對織構三維形貌及表面特征進行觀察。

圖2 納秒激光加工系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of nanosecond laser processing system

3 激光參數對凹槽型織構幾何參數的影響

加工試件的激光加工參數對凹槽織構的加工質量有很大影響,因此需要分析激光加工參數對特定加工材料幾何形貌的影響規律。對已加工的織構化試件進行表面加工質量的測量時,同一加工參數下分別取3個凹槽織構測量深度和寬度,取其平均值作為測量結果。

3.1 掃描次數對凹槽型織構幾何參數的影響

圖3為激光功率為25 W、30 W、35 W、40 W,掃描速度為100 mm/s時,掃描次數對凹槽深度和寬度的影響曲線圖。結果表明,同一激光功率的條件下,隨著掃描次數的增加,凹槽織構的深度逐漸增加而凹槽寬度基本保持不變；掃描次數一定時,凹槽深度和寬度均隨著激光功率的增加而呈遞增趨勢。激光功率增加,單個脈沖光斑上所聚集的能量越多,對材料燒蝕能力增大,因此凹槽寬度和深度越大。其中激光功率為40 W時,凹槽深度為50 μm,凹槽的寬度最大為487 μm。

圖3 掃描次數對凹槽幾何尺寸的影響曲線Fig.3 The influence of scanning times on groove geometry

為了研究掃描次數對凹槽幾何形貌的影響,使用白光干涉儀對激光功率35 W、掃描速度為300 mm/s的凹槽織構進行三維掃描,具體見圖4。當掃描次數為2次時,凹槽內壁粗糙,激光脈沖對材料的去除不完全,凹槽深度較淺；當掃描次數為3次時,如圖4(b)所示,凹槽的深度增加且內壁較為光滑整潔,加工質量理想；當掃描次數增加到4次時,凹槽織構深度最深,但凹槽邊緣有少量的金屬堆積物。因此,對于不同激光加工功率,選擇合適的掃描次數對凹槽織構的幾何尺寸和加工質量顯得尤為必要。

(a)內壁粗糙的凹槽織構三維輪廓圖(掃描2次)

(b)內壁較為光滑的凹槽織構三維輪廓圖(掃描3次)

(c)凹槽邊緣有金屬堆積的凹槽織構三維輪廓圖(掃描4次) 圖4 激光功率35 W掃描速度為300 mm/s的凹槽織構三維和截面輪廓圖Fig.4 Three-dimensional and cross-sectional profiles of groove texture with laser power 35 W scanning speed of 300 mm/s

3.2 掃描速度對凹槽型織構幾何參數的影響

圖5為掃描過程激光脈沖作用示意圖,激光加工試件的過程中,不同掃描速度導致激光脈沖的重疊程度不同。激光掃描速度較小時,激光脈沖重疊率較大,在單位長度上有更多的激光脈沖,被加工試件表面單位面積內所吸收的激光能量更大,同時熱效應也會很明顯；激光掃描速度較大時,兩個相鄰的激光脈沖的光斑間距增大,脈沖重疊程度低,導致材料去除率降低。

圖5 掃描過程激光脈沖作用示意圖Fig.5 Scanning process diagram of laser pulse action

設置激光功率為25 W、30 W、35 W、40 W,加工次數為2次,分析不同掃描速度對凹槽寬度的影響如圖6所示,從圖中可以看出,不同激光加工功率條件下凹槽寬度隨著掃描速度的增加均呈現下降的趨勢,功率越大凹槽寬度越大。

圖6 掃描速度對凹槽寬度的影響曲線Fig.6 The influence of scanning speed on groove width

對于同一激光加工功率條件下,凹槽寬度隨掃描速度的變化規律大致相同。以加工功率為35 W為例,由圖7可看出,當掃描速度為100 mm/s時,激光光斑間距小,脈沖重疊程度高,激光對材料的去除能力較強,所得到的凹槽的寬度和深度最大,試件材料的熔融堆積現象較為嚴重,而凹槽邊緣熔渣較少,這是由于激光加工的移動路徑為“回”形,前一個脈沖光斑去除材料時產生的熱還沒來得及散發,下一個脈沖光斑再次加工部分已熱熔的材料導致再次堆積產生重鑄,加工效率不高；當掃描速度為200 mm/s時,激光脈沖重疊率減小熔融堆積現象不明顯,加工質量較好；當掃描速度為300 mm/s時,凹槽寬度明顯減小,掃描速度過大,平均7個脈沖作用于100 μm,激光對材料的去除率降低,所以凹槽內部呈現斷點線條狀,激光加工效果較差。從試驗結果可知,根據不同的凹槽織構尺寸的要求選擇不同的織構加工功率,且較優的掃描速度為100 mm/s～200 mm/s。

圖7 激光功率35 W掃描次數為2次的 凹槽加工效果圖Fig.7 The groove processing effect of laser power 35 W scanning times twice

4 結 論

通過采用納秒激光微加工并結合非接觸式三維光學表征的方法,開展了在牙輪鉆頭滑動軸承軸頸20 CrNiMo表面掃描加工凹槽織構的工藝研究,得到激光參數對凹槽織構幾何參數的影響規律,具體影響規律為:

(1)隨著掃描次數的增加,凹槽織構的深度逐漸增加而凹槽寬度基本保持不變；

(2)隨著掃描速度的增加,凹槽織構的寬度逐漸減小。

(3)最終確定了在牙輪鉆頭滑動軸承軸頸表面加工寬度為478 μm,深度為30 μm的凹槽型織構加工較優的激光參數為:激光功率35 W,掃面次數3次,掃描速度100 mm/s。

采用激光技術對其他的材料加工,仍然有類似的激光參數對織構參數的影響規律,可根據零件的參數和實際工況,結合影響規律曲線得到相應的加工織構參數所需的大概激光參數,可大大提高織構的加工效率。本文研究結果為凹槽織構布置于牙輪鉆頭滑動軸承軸頸表明提供了納秒激光加工工藝與表征方法,也為凹槽型織構化牙輪鉆頭滑動軸承的設計與優化提供了依據,對促進仿生表面織構技術在牙輪鉆頭滑動軸承領域的深入研究及應用具有重要意義。