鉆頭滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)的激光加工工藝研究

何 霞,曾維菊,王國(guó)榮,鐘 林

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500)

1 引 言

牙輪鉆頭及復(fù)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(kāi)發(fā)不斷的向深井、超深井和深水等復(fù)雜惡劣工況邁進(jìn),高溫、高壓及沖擊動(dòng)載的工況已限制了鉆頭滑動(dòng)軸承壽命的進(jìn)一步提升[1-3],而仿生摩擦學(xué)[4]的出現(xiàn)為鉆頭滑動(dòng)軸承性能的進(jìn)一步改善提供了新的研究思路和方法,表面微織構(gòu)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(xì)形貌的技術(shù),這種表面處理工藝涉及材料性能和界面效應(yīng)[5],但如何把優(yōu)選的潤(rùn)滑減磨性能較優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)合理的布置于鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦副表面,國(guó)內(nèi)外目前仍面臨加工工藝及表征方法等領(lǐng)域的諸多挑戰(zhàn)。

近年來(lái)一些理論和實(shí)驗(yàn)已證實(shí)合適參數(shù)的仿生表面織構(gòu)引入牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承能提升其摩擦學(xué)性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞表面織構(gòu)及其摩擦學(xué)性能展開(kāi)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(kāi)展了微溝槽加工試驗(yàn)研究,獲取了激光工藝參數(shù)對(duì)微溝槽影響的基本規(guī)律。趙恩蘭等[11]采用納秒脈沖激光在45鋼表面進(jìn)行加工,制備了三種不同周期的光柵織構(gòu)和兩種不同周期的微坑織構(gòu),并對(duì)織構(gòu)化后的45鋼表面進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。解玄等[12]采用二極管泵浦聲光調(diào)Q Nd∶YAG 激光器對(duì)下試樣進(jìn)行表面織構(gòu)加工研究。Tripathi等[13]利用激光加工工藝在鑄鐵材料表面進(jìn)行微織構(gòu)造型。Houdková等[14]使用連續(xù)掃描的激光加工方式在滑動(dòng)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(gòu)化對(duì)45鋼干摩擦特性的影響。任晶鑫等[16]研究了激光功率對(duì)45鋼表面組織及性能的影響,他們通過(guò)對(duì)45鋼表面進(jìn)行激光相變硬化處理,利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)、硬度測(cè)試、磨損測(cè)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(duì)45鋼改性層顯微形貌、硬度及耐磨性能的影響。高雄開(kāi)等[17]提出了軸承引導(dǎo)面表面織構(gòu)化改善磨損性能的方法,開(kāi)展了摩擦副織構(gòu)表面動(dòng)壓潤(rùn)滑模擬仿真、9Cr18激光織構(gòu)化的工藝試驗(yàn)研究及在沖擊滑動(dòng)工況下的摩擦磨損特性研究,探討了表面織構(gòu)對(duì)沖擊滑動(dòng)摩擦過(guò)程的影響,為表面織構(gòu)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承提供了基礎(chǔ)。王林森等[18-19]以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,系統(tǒng)開(kāi)展激光微織構(gòu)工藝試驗(yàn)研究,得出優(yōu)化微凹坑幾何參數(shù)能夠顯著提高缸孔-活塞環(huán)的潤(rùn)滑性能。王國(guó)榮等人[20]將仿生織構(gòu)引入牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承,研究了不同織構(gòu)形狀、幾何尺寸、面積比等參數(shù)對(duì)鉆頭軸承摩擦學(xué)性能的影響。微凹坑、溝槽表面織構(gòu)是仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化形式,能夠以較小的成本達(dá)到潤(rùn)滑減磨的目的,目前在工業(yè)生產(chǎn)中已有應(yīng)用,但針對(duì)實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)研究還存在不足[21]。

縱觀國(guó)內(nèi)外及項(xiàng)目組前期研究溝槽型織構(gòu)顯著的潤(rùn)滑減磨效果,但針對(duì)優(yōu)選溝槽型織構(gòu)布置于鉆頭滑動(dòng)軸承摩擦副表面的微加工工藝,國(guó)內(nèi)外基本處于空白狀態(tài)。基于此,本文開(kāi)展頭滑動(dòng)軸承軸頸表面凹槽織構(gòu)的納秒激光加工工藝實(shí)驗(yàn)研究。

2 納秒激光微加工實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用的實(shí)驗(yàn)環(huán)試件材料與牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承軸頸材料一致,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。環(huán)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(xué)成分見(jiàn)表1,表面進(jìn)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(huán)試件結(jié)構(gòu)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(xué)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(shí)驗(yàn)方法

采用HM50激光燒蝕設(shè)備將凹槽型織構(gòu)均與布置于環(huán)試件表面,設(shè)備主要參數(shù):最大激光功率50 W,重復(fù)頻率1～1000 kHz,波長(zhǎng)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(huán)境:15～35 ℃。納秒激光加工系統(tǒng)的示意圖如圖2所示,由納秒激光器發(fā)出的入射光束依次經(jīng)過(guò)掃瞄鏡X、振鏡電機(jī)X、掃瞄鏡Y、振鏡電機(jī)Y,然后通過(guò)場(chǎng)鏡聚焦到待打標(biāo)工件表面。然后采用布魯克公司生產(chǎn)的非接觸式三維光學(xué)輪廓儀對(duì)已加工的織構(gòu)化試件進(jìn)行表面加工質(zhì)量的測(cè)量,采用白光干涉儀對(duì)織構(gòu)三維形貌及表面特征進(jìn)行觀察。

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

3 激光參數(shù)對(duì)凹槽型織構(gòu)幾何參數(shù)的影響

加工試件的激光加工參數(shù)對(duì)凹槽織構(gòu)的加工質(zhì)量有很大影響,因此需要分析激光加工參數(shù)對(duì)特定加工材料幾何形貌的影響規(guī)律。對(duì)已加工的織構(gòu)化試件進(jìn)行表面加工質(zhì)量的測(cè)量時(shí),同一加工參數(shù)下分別取3個(gè)凹槽織構(gòu)測(cè)量深度和寬度,取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。

3.1 掃描次數(shù)對(duì)凹槽型織構(gòu)幾何參數(shù)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(shí),掃描次數(shù)對(duì)凹槽深度和寬度的影響曲線圖。結(jié)果表明,同一激光功率的條件下,隨著掃描次數(shù)的增加,凹槽織構(gòu)的深度逐漸增加而凹槽寬度基本保持不變；掃描次數(shù)一定時(shí),凹槽深度和寬度均隨著激光功率的增加而呈遞增趨勢(shì)。激光功率增加,單個(gè)脈沖光斑上所聚集的能量越多,對(duì)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(shí),凹槽深度為50 μm,凹槽的寬度最大為487 μm。

圖3 掃描次數(shù)對(duì)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(shù)對(duì)凹槽幾何形貌的影響,使用白光干涉儀對(duì)激光功率35 W、掃描速度為300 mm/s的凹槽織構(gòu)進(jìn)行三維掃描,具體見(jiàn)圖4。當(dāng)掃描次數(shù)為2次時(shí),凹槽內(nèi)壁粗糙,激光脈沖對(duì)材料的去除不完全,凹槽深度較淺；當(dāng)掃描次數(shù)為3次時(shí),如圖4(b)所示,凹槽的深度增加且內(nèi)壁較為光滑整潔,加工質(zhì)量理想；當(dāng)掃描次數(shù)增加到4次時(shí),凹槽織構(gòu)深度最深,但凹槽邊緣有少量的金屬堆積物。因此,對(duì)于不同激光加工功率,選擇合適的掃描次數(shù)對(duì)凹槽織構(gòu)的幾何尺寸和加工質(zhì)量顯得尤為必要。

(a)內(nèi)壁粗糙的凹槽織構(gòu)三維輪廓圖(掃描2次)

(b)內(nèi)壁較為光滑的凹槽織構(gòu)三維輪廓圖(掃描3次)

(c)凹槽邊緣有金屬堆積的凹槽織構(gòu)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(gòu)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(duì)凹槽型織構(gòu)幾何參數(shù)的影響

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

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

設(shè)置激光功率為25 W、30 W、35 W、40 W,加工次數(shù)為2次,分析不同掃描速度對(duì)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(xiàn)下降的趨勢(shì),功率越大凹槽寬度越大。

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

對(duì)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(guī)律大致相同。以加工功率為35 W為例,由圖7可看出,當(dāng)掃描速度為100 mm/s時(shí),激光光斑間距小,脈沖重疊程度高,激光對(duì)材料的去除能力較強(qiáng),所得到的凹槽的寬度和深度最大,試件材料的熔融堆積現(xiàn)象較為嚴(yán)重,而凹槽邊緣熔渣較少,這是由于激光加工的移動(dòng)路徑為“回”形,前一個(gè)脈沖光斑去除材料時(shí)產(chǎn)生的熱還沒(méi)來(lái)得及散發(fā),下一個(gè)脈沖光斑再次加工部分已熱熔的材料導(dǎo)致再次堆積產(chǎn)生重鑄,加工效率不高；當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí),激光脈沖重疊率減小熔融堆積現(xiàn)象不明顯,加工質(zhì)量較好；當(dāng)掃描速度為300 mm/s時(shí),凹槽寬度明顯減小,掃描速度過(guò)大,平均7個(gè)脈沖作用于100 μm,激光對(duì)材料的去除率降低,所以凹槽內(nèi)部呈現(xiàn)斷點(diǎn)線條狀,激光加工效果較差。從試驗(yàn)結(jié)果可知,根據(jù)不同的凹槽織構(gòu)尺寸的要求選擇不同的織構(gòu)加工功率,且較優(yōu)的掃描速度為100 mm/s～200 mm/s。

圖7 激光功率35 W掃描次數(shù)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(jié) 論

通過(guò)采用納秒激光微加工并結(jié)合非接觸式三維光學(xué)表征的方法,開(kāi)展了在牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承軸頸20 CrNiMo表面掃描加工凹槽織構(gòu)的工藝研究,得到激光參數(shù)對(duì)凹槽織構(gòu)幾何參數(shù)的影響規(guī)律,具體影響規(guī)律為:

(1)隨著掃描次數(shù)的增加,凹槽織構(gòu)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(gòu)的寬度逐漸減小。

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

采用激光技術(shù)對(duì)其他的材料加工,仍然有類(lèi)似的激光參數(shù)對(duì)織構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律,可根據(jù)零件的參數(shù)和實(shí)際工況,結(jié)合影響規(guī)律曲線得到相應(yīng)的加工織構(gòu)參數(shù)所需的大概激光參數(shù),可大大提高織構(gòu)的加工效率。本文研究結(jié)果為凹槽織構(gòu)布置于牙輪鉆頭滑動(dòng)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(gòu)化牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù),對(duì)促進(jìn)仿生表面織構(gòu)技術(shù)在牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承領(lǐng)域的深入研究及應(yīng)用具有重要意義。