激光微织构高强度螺栓表面的摩擦特性试验研究

摘要

现代机械系统装置中，螺栓联接的重要性已然不容忽视。螺纹标准件的夹紧效果是保证装配质量及装备可靠性的基础，螺纹副间的摩擦力是夹紧效果的决定性因素。在实际装配中，螺纹副间的摩擦系数直接影响螺栓轴向夹紧力，如何控制并稳定螺纹副摩擦系数一直以来被作为标准件行业主要研究对象。因此，作者结合本职工作，及公司下达的产品研发任务，进行了选题，即选用合理的螺纹副表面强化处理措施，来控制螺纹副的摩擦特性、提高其夹紧性能，选题具有重要的工程应用价值。
　　近年来，随着激光表面织构技术研究的不断深入，认为通过主动设计制造摩擦副表面微观形貌结构，可以显著提高表面润滑减磨的性能。而且，激光表面织构技术，以其优异的加工性能，即无接触加工、加工效率快、形状和尺寸精确可控等，可成为控制螺纹副间摩擦特性的合适加工处理工艺。本文是首先将该技术运用到螺纹副表面加工处理的初步探索。
　　本文以本公司大功率内燃机的曲轴箱瓦架联接螺栓为具体应用研究对象，提出对螺纹副摩擦部位进行激光微织构加工处理，控制并稳定螺纹摩擦系数，改善螺纹表面的摩擦状况，使螺栓能够达到优异的预紧和防松性能。
　　本文主要研究内容如下：
　　简要介绍了激光与材料相互作用机理与表面微织构的润滑减摩原理；
　　研制激光微织构的实验装置以及摩擦特性试验台架的搭建；
　　采用Nd:YAG激光器，并运用“单脉冲同点间隔多次”的激光微加工特种工艺方法，在40Cr试样表面系统开展了激光微加工工艺试验研究。具体考察了激光泵浦电流、重复频率、脉冲个数及离焦量等工艺参数，对表面微凹腔形貌加工质量的影响，通过优化组合确定了最终的工艺参数；
　　在德国“SCHATZ多功能螺栓紧固分析系统”台架试验机上，进行了激光微织构螺栓表面的摩擦特性对比、验证试验。设计了多组螺纹表面织构方案，着重分析了微凹腔的几何参数（分布密度、深径比等）对摩擦副性能的影响。在同一工况下，对多组微织构方案的螺栓与未织构的螺栓进行摩擦系数对比试验，验证了激光微织构螺栓表面的摩擦学性能。结果表明：经激光微织构技术处理的螺纹表面，螺栓摩擦性能提升较为明显，且摩擦系数相比于未织构处理的螺栓较稳定；
　　最后在本公司大功率发动机生产线上进行整机装配验证，拧紧系统对微织构螺栓的轴向夹紧力进行实时监控，结果表明：表面微织构技术处理的螺栓轴向夹紧力稳定，达到了预期效果，螺栓的紧固性能达到了企业标准。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 高强度螺栓国内外研究现状

1.3 激光表面微织构技术研究现状

1.4 课题来源

1.5 本文主要研究内容

第二章 激光表面微织构技术基础及螺栓摩擦系数理论分析

2.1 激光-材料相互作用的一般规律

2.2 激光表面微织构加工的原理

2.3激光表面微织构形貌对摩擦副摩擦学性能影响分析

2.4 螺栓摩擦系数确定原理

2.5本章小结

第三章 激光微织构实验装置及摩擦特性试验装置

3.1 激光微织构实验装置研制

3.2摩擦特性试验台架的搭建

3.3表面形貌测量设备

3.4其它试验设备

3.5 本章小结

第四章 激光表面微织构工艺试验研究

4.1 “单脉冲同点间隔多次”激光加工工艺

4.2 试样材料

4.3 试验方案及环境

4.4 激光加工参数对微凹坑形貌影响的分析和研究

4.5 本章小结

第五章 激光表面微织构处理螺栓的摩擦学性能试验

5.1高强度螺栓微织构造型区域的确定

5.2 摩擦特性台架试验

5.3 微织构螺栓应用于大功率内燃机试验验证

5.4 现有技术对比

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢