高耐磨复杂鳞片形微织构表面制备及相关理论机制研究

Surface texture can greatly improve the tribological property of friction surface. However, given that large-scale complex texture can not be efficiently machined using present texture preparing methods, most attention has been focused on the study of simple dimple/groove pattern and people have not made more research on complex surface texture. This project aims to explore the technology of ultrasonic vibration assisted milling(UVAM) for machining micro-squamelliform textured surface with high precision and low cost.The key scientific problem of this research is the forming mechanism of micro-squamelliform textured surface. A theoretical study on the forming mechanism of micro-squamelliform texture is performd as the first part of this project by a comprehensive research mechod. Gounded on the mechanism study, the second part of this project about the parametric design of micro-squamelliform texture is carried out. the research conclusion of the second part support the third part study about the tribological mechnism and optimization design of micro-squamelliform textured surface. A parameterized optimization design solution for micro-squamelliform textured surface can be formed by combining the research conclusions of second part and third part. The whole study can provide a sound theoretical basis and technical support for developing engineering friction parts with high abrasive-resistance property. The success of this project can open up the new research direction of UVAM in the field of surface texture machining, and promote the research and practice of complex texture in related fields. As the research results, the abrasion-resistance and the maximal load-carrying capacity of the optimum textured surface will increase by 100 percent and 200 percent respectively compared with smooth surface under set friction conditions.

表面织构能显著改善摩擦表面的摩擦学性能。现有的织构制备方法都难以实现大面积复杂织构的加工，目前研究以简单规则图案为主，缺乏复杂织构研究。本项目拟探索复杂鳞片形微织构表面的超声振动辅助铣削加工制备技术，实现复杂微织构的高精度、低成本制备。针对复杂鳞片形微织构成形成性机理的关键科学问题，采用“数学计算+软件模拟+实验验证”的综合研究方案，以鳞片形微织构的成形机理研究为理论基础，以其参数化设计研究为技术支撑，揭示流体润滑条件下鳞片形微织构表面的润滑减摩机理，并形成其参数化优化设计解决方案，为高耐磨性工程摩擦部件的开发应用奠定理论基础、提供技术支持。项目研究成功可以开创超声振动辅助铣削加工技术在表面织构制造领域的研究新方向，推动相关领域复杂织构的研究与实践。具体摩擦学性能研究指标为：具体摩擦工况下优化的鳞片形微织构表面与光滑表面相比耐磨性能提高100%，承载能力提高200%。

与光滑表面相比，具有特定微纳结构的非光滑表面往往具有更优越的摩擦学性能和摩擦服役寿命。已有的研究成果多集中在宏观的凹坑形表面。利用外激振动辅助铣削加工方法可以获得微观的复杂微纳结构表面，甚至仿形某些具有特定功能的生物体表微观几何构造，并且通过工艺参数匹配可以控制拟获得微纳结构表面的实际形貌。. 本项目在利用外激振动辅助铣削加工方法制备鳞片形微纳结构表面领域主要进行了三方面研究。首先，完成了鳞片形微纳结构表面加工制备用实验平台的设计制作，重点进行了超声振动系统的设计及优化，通过模态分析和谐响应分析优化了超声变幅杆的结构和几何尺寸，通过稳定的高频振动输出保证了加工表面微纳结构的一致性；其次，通过数学计算和有限元分析方法，建立了复合加工参数影响仿鱼鳞表面形貌评价指标数学模型，实现了微纳结构表面三维形貌的预测，用多种材料制作实验样品进行加工实验，验证了所建立数学模型的正确性；最后，通过大量摩擦学实验研究和摩擦学仿真分析方法，研究了鱼鳞形微纳表面制造学及减阻耐磨理论机制，探索了其成形成性机理，并结合表面形貌预测数学模型实现了特定摩擦工况下表面形貌的优化和预测。. 作为研究结果，得到了具体摩擦工况下优化的鳞片形微纳结构表面形貌预测，以及预期的加工工艺参数匹配方案。制造学及摩擦学实验研究结果表明:在稳定振动条件下，切削加工工艺参数和外激振动参数的合理匹配是获得均匀一致微纳结构表面的关键，合理匹配这些参数可以获得特定摩擦工况下具有优越摩擦性能的非光滑微观结构表面。在贫油润滑工况下，与光滑表面相比，所制备鳞片形微纳结构表面表现出卓越的摩擦学性能。实验数据说明：在实验的贫油润滑条件下，与光滑表面相比，优化的鳞片形微纳结构表面的极限承载能力可提高100%以上。