苏ICP备112451047180号-6
激光烧蚀45钢导轨的数值模拟研究
1.2 国内外研究现状
1.2.1 导轨修复和表面改性技术
B2012A型龙门刨床导轨主要以修复为主[5]，针对磨损情况主要有钎焊修复法、氧乙炔火焰热喷涂修复法、胶粘修复法、刮研修复法；对于划痕沟槽较深、损伤严重的机床导轨，常采用胶粘与刷镀复合修复，节约成本和时间，保证粗糙度和润滑效果，强化和保护导轨表面，提高机床导轨运行可靠性；对于轻微刮痕的导轨，采用冷焊-电刷复合修复技术，不仅保证了与基体的结合强度，还能保证修复后导轨的耐磨性与抗压性；对于产生划伤和研伤的机床导轨，采用锡铋合金进行钎焊修复；对于磨损、拉毛、咬伤程度不严重的机床导轨，采用刮研修复法进行修理，也有用氧乙炔火焰喷涂一层工程塑料修复导轨，可提高导轨耐磨性和减摩性。机床导轨采用修复虽可以恢复正常使用，但要求机床对防尘设施更高，一旦粘结金属杂物维修困难，停机停产的损失，增加维修费用等缺点。
董信昌[6]基于再制造理论分析研究机床导轨的摩擦磨损机理及损伤类型，采用电刷镀、常温冷焊重熔和修补胶粘的复合技术对机床导轨进行修复机床导轨的强度、硬度、耐磨性等达到预期效果，修复层硬度比基体硬度略高；藏永华[7]研究用粘结、刷镀和夹焊刷镀技术修复八米龙门刨床导轨，修复后在3000 mm×60 mm面积上，最高点与最低点只差0.008 mm，使用三年未发现起泡、起皮和脱落现象，龙门刨床各项性能均达到使用要求；高秀英等[8]为了修复机床导轨磨损和研伤，采用聚乙烯层板修补法修复导轨，降低了导轨面的磨损速度，保持机床精度；沈朝霞[9]采用导轨衬板粘补BJ2020龙门刨床导轨进行修复，组装后的工作台平面度满足工艺要求，结合强度高，导轨副的发热现象明显改善。
随着新材料以及电子与控制技术的发展，国内外学者对机床导轨的研究主要集中在两方面：一是针对新型功能性材料滑动导轨的基础性研究；二是新型的导轨形式及控制的研究[10-12]。表面改性技术是改善机床导轨表面耐磨性的最直接有效的方法，主要有表面硬化处理、涂镀层技术、表面微造型等。
表面硬化处理[13-14]是指通过适当的方法使机床导轨的表层硬化而心部仍具有强韧性的处理技术，主要有渗碳、氮化、表面淬火，其特点如表1.1所示。离子渗氮表面强化技术应用较为广泛，可提高硬度、耐磨性、疲劳强度以及耐蚀性等，但渗氮存在周期长和资源利用率不高等缺点，应用范围受限。繆斌等[15]对45钢进行离子氮碳共渗与离子渗氮复合处理，比普通离子渗氮的硬度提高40%，可达788 HV0.05,渗层显著提高达70 μm，而传统氮碳共渗有效渗层约为50 μm；。
涂镀层技术包括物理气相沉积、电化学沉积、等离子喷涂等。Cheng L[16]采用电火花沉积技术在45钢表面制备了YG8多层沉积涂层、由碳和硅组成的非晶强化层、TiB2涂层，使得耐磨性提高了2.3倍，显微硬度提高2.9倍，达1677.3 HV，硬度和耐磨性得到较大提升；Mai Y J[17]通过电沉积技术制备石墨烯-铜复合涂层，发现石墨烯和CuO形成致密稳定的耐磨涂层提高涂镀层的耐磨性，减小摩擦界面处的接触面积并起到润滑作用；张明星等[18]针对45钢在海水中耐蚀性及耐磨性差，采用电化学镀技术在45钢表面构筑Ni-B涂层，得到具有腐蚀保护作用及良好的减摩耐磨性的涂层；段丽丽[19]对45钢表面喷涂WC-12%Co粉末，获得良好的耐磨性能。
常规的表面硬化处理技术在机床导轨表面形成的硬化层较薄，同时会导致机床导轨的韧性降低；而机床导轨表面制备的涂层结构疏松、晶形差，吸附强度低，易开裂，存在孔隙、微裂纹等缺陷，磨损较快[20]。表面硬化处理和涂镀层技术的灵活性和效率较低，加工周期较长，且资源利用率不高，能耗较大。表面微造型技术是利用机械、化学等技术手段，在材料表面加工出微细形貌以改善表面的摩擦磨损性能，避免涂层与基体结合、污染环境等问题，具有精确加工、无污染的优势。
1.2.2 表面微造型的研究现状
表面微造型技术是在靶材表面加工出微细形貌，改善材料的摩擦磨损性能和力学性能。近年来，众多国内外学者对医用钛合金、机械密封、活塞缸-环以及推力轴承等物体表面微造型进行研究，但由于摩擦和润滑机理的复杂性，并未建立可靠的理论模型，导致表面微造型技术还在研究阶段。目前，普遍使用的微造型方法[21]有：反应离子束刻蚀、UV-LIGA技术、电火花加工、机械微刻、激光表面微造型等，如表1.2所示。
激光烧蚀微造型是利用激光对工件的热效应实现材料去除，包括熔化和蒸发两个基本过程，原理为当激光功率密度达到106-109 W/cm2时，激光束照射在材料表面，光斑范围内的材料瞬间形成高温，并通过热传导的方式向内部传递能量，使得工件瞬间熔化或气化，同时受激光的冲击作用，熔化物和气化物从熔体底部向外飞溅、喷射，工件表面形成微凹坑，随着能量的输入，部分喷溅物贴附在凹坑四周重新凝固，形成重铸层[22]。
Ganguly D[23]、Nagesh S[24]采用正交实验法对多种材料进行激光打孔，获得小锥度、小热影响区的微孔，并建立用于预测微孔热影响区和锥度大小的模型；Baoye W[25]使用皮秒激光器对冷作模具钢Cr12MoV进行烧蚀，研究表明：试样表面粗糙度随激光强度的增加成指数增长，烧蚀速率随时间的增加成对数增长，激光强度为8.28 J/cm2，烧蚀速率为33 nm/pulse，在脉宽632 nm和355 nm时形成Fe2O3，而脉宽1064 nm时形成Fe3O4；Houxiao W[26-28]利用水基、磁基超声振动辅助激光打孔，发现超声辅助有利于提高钻孔精度，增强材料去除，产生的微孔形状较为规则，产生熔渣、裂纹等缺陷减小，重铸层厚度降低，热影响区的晶粒细化，硬度提高；周忠娇[29]研究激光打孔工艺对孔边微观组织的影响，发现试样的孔边由重铸层和热影响区组成，部分重铸层开裂形成微裂纹，微裂纹的周围存在大量微孔；马传杰[30]基于正交试验研究烧结钕铁硼激光打孔工艺，发现孔径为662.34 μm时，孔口残渣较少，微孔质量最佳。
1.2.3 激光烧蚀微造型提高摩擦磨损性能
（1）激光烧蚀微造型改善摩擦性能
Etsion[31-33]采用激光微造型技术对活塞环、销等进行试验和理论分析，结果显示：微造型试样的摩擦系数减小，并且机械密封性能高于没有经过激光处理的同类产品；Schreck S[34]在钢表面进行激光微造型处理，研究微造型对摩擦性能的响，结果显示：与未处理表面相比，造型表面的摩擦力降低，摩擦系数最高降低30%；Kligerman等[35]活塞环表面激光微造型，研究结果显示：当凹坑占比为0.6时，减摩效果最显著；Guo Y B [36]在钛合金Ti6Al4V表面激光微造型，研究显示：当凹坑占比为10%时，微造型试样相对于光滑试样的摩擦系数减小了19%；
范金荣[37]通过改变光斑间距来探讨凹坑密度对摩擦性能的影响，结果显示：当深径比为4.5%、凹坑占比为10.75%时，微造型表面相对于光滑表面的摩擦系数降低了20%；周建忠等[38]研究凹坑中心距对球墨铸铁表面摩擦性能的影响，发现与未造型试样相比较，干摩擦条件下的微造型试样表面摩擦系数提高，增幅最大可达12.9%，而在湿摩擦条件下微造型试样表面摩擦系数降低，降幅最大可达11.8%；王建军[39]研究激光微造型球墨铸铁表面干摩擦性能，结果显示：在凹坑中心距2 mm，深径比为0.052的试样表面具有最小的平均摩擦系数，比未造型试样降低23.6%。
（2）激光烧蚀微造型提高耐磨性
Sánchez-Santana U等[40]研究激光微造型对6061-T6铝合金磨损量和摩擦系数的影响，结果表明：激光微造型能够减小材料表面的磨损率，提高铝合金表面的耐磨性能；Abdulhadi K等[41]研究了多道激光工艺参数对2024-T3铝合金的影响，研究表明：激光处理试样能够提高2024-T3铝合金显微硬度和耐磨性，在激光能量为1 J时，2024-T3铝合金表面显微硬度提高了4.8 倍，耐磨性提高了65%，磨损率为未处理时的34%；Salimianrizi A[42]采用激光能量为1.2 J、光斑直径为1.5 mm，在AL6061-T6表面激光强化处理，结果表明：光斑搭接率越高，表面粗糙度越小，当搭接率为30%，表面显微硬度达到最大，相对于未处理表面提高了20.5%，最大影响层深度达125 μm。
郭二彬[43]通过对钛合金Ti13Nb13Zr表面激光微造型，研究发现：未造型表面的磨损形式主要为磨粒磨损、粘着磨损、基体堆积及接触疲劳损坏，微造型试样的磨损形式为轻微的磨粒磨损和粘着磨损；微造型试样的磨损量随激光能量的增大而增大，较未处理试样，磨损量最大可降低22.7%，有效提高钛合金表面耐磨性能；吴浩[44]开展激光处理40Cr表面摩擦磨损性能研究，发现经激光处理后试样表面磨损量明显小于未处理试样，磨损量最小达到2.1 mg，比未处理试样降低36%，磨损类型主要为磨粒磨损和粘着磨损；吴健[45]等通过对W6Mo5Cr4V2（M2）高速钢进行激光处理，研究发现：试样表面获得0.6 mm厚的硬化层，在磨损210 min时，未处理试样磨损量达4×10-3 g，激光处理试样的磨损量为2.5×10-3 g，降低了37.5%。
1.3 研究内容与方法
1.3.1 研究内容
（1）激光烧蚀45钢表面响应分析
本章基于激光烧蚀45钢导轨的实验，研究激光工艺参数（光斑直径、烧蚀次数、激光功率）与微凹坑形貌的映射关系，并对比微造型试样与未造型试样的微观组织与硬度，探讨激光工艺参数对微造型试样的硬度的影响规律，分析激光烧蚀微造型加工特性，研究激光烧蚀微造型强化机理。
（2）激光烧蚀45钢数值模拟
建立激光烧蚀45钢的数值模型，通过COMSOL有限元分析软件模拟激光烧蚀去除材料，分析激光加工的演变过程，并通过改变激光工艺参数，研究其与温度场、热影响层、重铸层以及塑性变形的响应关系。
（3）45钢表面微造型的摩擦磨损性能研究
基于激光烧蚀45钢导轨表面微造型的摩擦磨损实验，对比微造型试样与未造型试样的摩擦磨损性能；研究凹坑尺寸、几何阵列对微造型试样摩擦系数和磨损量的影响规律，分析磨损后试样的磨痕形貌，并结合摩擦磨损理论，探讨微造型表面摩擦性能改善机理；研究不同工作条件下，滑动速度和载荷对微造型试样摩擦系数和磨损量的影响规律，获得最优工艺参数。
1.3.2 研究思路
本文的总体思路是理论分析、实验研究、数值模拟、优化统计相结合。
（1）以45钢为研究对象，研究激光工艺参数对材料表面形貌以及力学性能的影响。采用FB20-1型激光打标机在试样表面进行单点激光烧蚀微凹坑，通过激光共聚焦显微镜对凹坑形貌扫描，获得凹坑尺寸；采用线切割的方法把试样沿凹坑直径的方向切开，打磨、抛光、腐蚀，金相显微镜观察微观组织，显微硬度计测量硬度，建立激光烧蚀45钢材料的响应模型，分析激光烧蚀微造型强化机理。
（2）分析激光烧蚀技术的相关理论，建立激光烧蚀45钢的数值模型，通过COMSOL有限元分析软件模拟激光烧蚀去除材料，控制激光烧蚀时间，分析温度场的演变过程；改变激光功率、光斑直径，分析激光工艺参数对靶材温度场、凹坑尺寸的影响规律。
（3）分别采用单因素法和Design expert设计的交互因素法设计多点激光烧蚀微造型实验方案，基于多点激光烧蚀微造型实验，将试样在FTM M30多模块可控润滑摩擦试验机上干摩擦，通过计算机输出摩擦系数的动态数据，BSM-120.4电子天平称量磨损前后试样的质量，对比微造型和未造型试样的摩擦磨损性能，探讨减摩抗磨机理；分析工艺参数（激光功率、凹坑位错和凹坑间距）和摩擦磨损工况（载荷、滑动速度）对摩擦系数和磨损量的影响，并优化工艺参数分析响应值（摩擦系数、磨损量），获得45钢表面微造型具有最优摩擦磨损性能时对应的工艺参数。
1.3.3 技术路线
图1.2为本文的技术路线，采用激光烧蚀实验和数值模拟相结合的方法，研究激光工艺参数（激光功率、光斑直径、烧蚀次数）对凹坑形貌、显微硬度的影响，对比微造型和未造型的微观组织，分析激光烧蚀微造型强化机理；其次，基于不同工艺参数（光斑直径、凹坑间距、凹坑位错）的激光烧蚀微造型实验，在试样表面进行干摩擦实验，研究工艺参数对表面微造型摩擦系数和磨损量的影响规律，探讨工况（滑动速度、载荷）对摩擦系数和磨损量的影响，对比分析微造型与未造型的摩擦磨损性能，分析减摩抗磨机理。
1.3.4 可行性分析
（1）我国是世界第一大机床生产国和消费国，保有量约为800万台，但每年接近24万台机床更进入淘汰顺序，占国内生产新机床的一半。利用激光烧蚀微造型技术对镶钢导轨45钢表面进行处理，提高机床导轨的使用寿命，确保机床的工作精度，减少停机停产的损失，大大节省维修费用，对改善机床导轨副表面的摩擦性能具有较大的工程应用价值。
（2）本人所在学校拥有江苏省材料科学与工程实验教学示范中心、省部级化学实验教学示范中心，拥有现代化实验与检测设备，实验条件完善。
（3）目前国内外学者对于激光烧蚀的研究比较多，无论是数值模拟还是实验研究，都对激光烧蚀微造型的研究都提供了依据，尤其是可以借鉴微造型表面的形貌参数和激光工艺参数对材料摩擦磨损性能的影响规律。
（4）本课题组的戴毅斌研究激光冲击强化高速钢刀具表面耐磨性能，郭二彬、崔鹏飞等研究激光冲击微造型提高医用钛合金的耐磨性能及减摩抗磨机理，并取得一定成果。这对本次研究激光烧蚀45钢表面微造型的实验方法和机理分析都提供参考。
第1章 绪 论
1.1 课题的背景与研究意义
随着新兴科技革命和产业变革的兴起，美国的“工业互联网”和“新一代机器人”、德国的“工业4.0”、欧盟的“2020增长战略”、我国的“中国制造2025”等战略布局，突显制造业的重要作用。机械制造业作为我国的战略性支柱产业，为国民经济各行业提供生产装备，而机床是加工制造机电产品的关键装备，是制造业的基础行业，被称为制造领域的“工业母机”[1]。据2017年的市场调查报告，我国成为世界第一大机床生产国和消费国，截止2015年，我国机床保有量约为800万台，按国际上3%淘汰率，每年接近24万台机床进入淘汰顺序，占国内生产新机床的一半左右。
导轨作为机床的关键部件之一，其表面形貌和力学性能直接影响着工件的加工精度及导轨的使用寿命[2]，导轨按摩擦性质分类如图1.1所示，其中滑动导轨一般包括静导轨和动导轨，静导轨较长，设置在床身上；动导轨较短，设置在工作台上。滑动导轨中的镶钢导轨是通过螺钉连接或者焊接的方法，将一段一段的碳素钢或者合金钢镶装在静导轨上，相比于铸铁材料导轨，具有耐磨好，刚性强等特点，从而提高导轨的使用寿命，当导轨磨损严重时，只需要将已经磨损的那一段镶钢导轨进行更换，不需要将整个导轨全部更换，大大节省机床导轨的维修成本。常用的镶钢导轨材料为优质碳素结构钢45钢[3]，硬度不高，易切削加工，调质处理后零件具有良好的综合机械性能，但耐磨性较差，长时间的使用，极易造成磨损，导轨表面出现一些长短、深浅、宽窄不一的凹坑，导致导轨丧失精度。
对于机床来说，导轨是运动精度的基础，是各部件安装的基准面和相对运动的导向面。因此，预防导轨的磨损、拉伤，并及时对导轨进行修复，对于保持机床精度，延长机床使用寿命具有重要意义。我国现有的B2012A型龙门刨床导轨采用三角-矩形组合，主要用于加工大型零件上的平面或沟槽，其设计寿命为15-20年，一般每隔6年就要大修，主要是由于导轨面出现一些长短、深浅、宽窄不一的凹坑，导致导轨丧失精度而失效，失效原因[4]有：（1）机床多年长时间使用，自然磨损；（2）导轨面或者润滑油内进了脏东西，加速或直接导致磨损；（3）机床水平发生变化，比如床身扭曲等，导致局部磨损严重；（4）工作台长期超重负荷工作，加速磨损，其中，导轨的精度保持主要是由磨损主导，主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。
目前，生产上采用热处理方式已限制了机床导轨的进一步发展。激光烧蚀微造型技术是近几十年发展起来的新技术，利用激光热量将固体加热到足够高的温度使得材料熔化、蒸发成气体，实现材料去除，在工件表面形成一定形状和尺寸的微凹坑，一方面可使相互平行的摩擦表面产生动压润滑，另一方面，微凹坑可作为储油槽和储屑槽，收集摩擦产生的磨屑，改善摩擦条件，提高工件的耐磨性能。激光烧蚀同时具备的变形效应和强化效应，可实现对表层几何、物理性能以及内部组织结构的控制，利用一种处理工艺同时提高导轨的减摩与抗磨性能方面，具有极大的应用价值。基于此，本文通过实验和数值模拟相结合的方式，利用激光烧蚀微造型技术对镶钢导轨45钢材料表面进行处理，改善材料表面的摩擦磨损性能，并优化工艺参数，设计高效实用的微造型方案，提高镶钢导轨的使用寿命，确保机床的工作精度，稳定产品质量，减少停机停产的损失。这不仅对改善导轨副表面的摩擦性能具有较大的工程应用价值，乃至对推动我国的“中国制造2025”有着重要的意义。1.1 课题的背景与研究意义
随着新兴科技革命和产业变革的兴起，美国的“工业互联网”和“新一代机器人”、德国的“工业4.0”、欧盟的“2020增长战略”、我国的“中国制造2025”等战略布局，突显制造业的重要作用。机械制造业作为我国的战略性支柱产业，为国民经济各行业提供生产装备，而机床是加工制造机电产品的关键装备，是制造业的基础行业，被称为制造领域的“工业母机”[1]。据2017年的市场调查报告，我国成为世界第一大机床生产国和消费国，截止2015年，我国机床保有量约为800万台，按国际上3%淘汰率，每年接近24万台机床进入淘汰顺序，占国内生产新机床的一半左右。
导轨作为机床的关键部件之一，其表面形貌和力学性能直接影响着工件的加工精度及导轨的使用寿命[2]，导轨按摩擦性质分类如图1.1所示，其中滑动导轨一般包括静导轨和动导轨，静导轨较长，设置在床身上；动导轨较短，设置在工作台上。滑动导轨中的镶钢导轨是通过螺钉连接或者焊接的方法，将一段一段的碳素钢或者合金钢镶装在静导轨上，相比于铸铁材料导轨，具有耐磨好，刚性强等特点，从而提高导轨的使用寿命，当导轨磨损严重时，只需要将已经磨损的那一段镶钢导轨进行更换，不需要将整个导轨全部更换，大大节省机床导轨的维修成本。常用的镶钢导轨材料为优质碳素结构钢45钢[3]，硬度不高，易切削加工，调质处理后零件具有良好的综合机械性能，但耐磨性较差，长时间的使用，极易造成磨损，导轨表面出现一些长短、深浅、宽窄不一的凹坑，导致导轨丧失精度。
对于机床来说，导轨是运动精度的基础，是各部件安装的基准面和相对运动的导向面。因此，预防导轨的磨损、拉伤，并及时对导轨进行修复，对于保持机床精度，延长机床使用寿命具有重要意义。我国现有的B2012A型龙门刨床导轨采用三角-矩形组合，主要用于加工大型零件上的平面或沟槽，其设计寿命为15-20年，一般每隔6年就要大修，主要是由于导轨面出现一些长短、深浅、宽窄不一的凹坑，导致导轨丧失精度而失效，失效原因[4]有：（1）机床多年长时间使用，自然磨损；（2）导轨面或者润滑油内进了脏东西，加速或直接导致磨损；（3）机床水平发生变化，比如床身扭曲等，导致局部磨损严重；（4）工作台长期超重负荷工作，加速磨损，其中，导轨的精度保持主要是由磨损主导，主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 导轨修复和表面改性技术
B2012A型龙门刨床导轨主要以修复为主[5]，针对磨损情况主要有钎焊修复法、氧乙炔火焰热喷涂修复法、胶粘修复法、刮研修复法；对于划痕沟槽较深、损伤严重的机床导轨，常采用胶粘与刷镀复合修复，节约成本和时间，保证粗糙度和润滑效果，强化和保护导轨表面，提高机床导轨运行可靠性；对于轻微刮痕的导轨，采用冷焊-电刷复合修复技术，不仅保证了与基体的结合强度，还能保证修复后导轨的耐磨性与抗压性；对于产生划伤和研伤的机床导轨，采用锡铋合金进行钎焊修复；对于磨损、拉毛、咬伤程度不严重的机床导轨，采用刮研修复法进行修理，也有用氧乙炔火焰喷涂一层工程塑料修复导轨，可提高导轨耐磨性和减摩性。机床导轨采用修复虽可以恢复正常使用，但要求机床对防尘设施更高，一旦粘结金属杂物维修困难，停机停产的损失，增加维修费用等缺点。
董信昌[6]基于再制造理论分析研究机床导轨的摩擦磨损机理及损伤类型，采用电刷镀、常温冷焊重熔和修补胶粘的复合技术对机床导轨进行修复机床导轨的强度、硬度、耐磨性等达到预期效果，修复层硬度比基体硬度略高；藏永华[7]研究用粘结、刷镀和夹焊刷镀技术修复八米龙门刨床导轨，修复后在3000 mm×60 mm面积上，最高点与最低点只差0.008 mm，使用三年未发现起泡、起皮和脱落现象，龙门刨床各项性能均达到使用要求；高秀英等[8]为了修复机床导轨磨损和研伤，采用聚乙烯层板修补法修复导轨，降低了导轨面的磨损速度，保持机床精度；沈朝霞[9]采用导轨衬板粘补BJ2020龙门刨床导轨进行修复，组装后的工作台平面度满足工艺要求，结合强度高，导轨副的发热现象明显改善。
随着新材料以及电子与控制技术的发展，国内外学者对机床导轨的研究主要集中在两方面：一是针对新型功能性材料滑动导轨的基础性研究；二是新型的导轨形式及控制的研究[10-12]。表面改性技术是改善机床导轨表面耐磨性的最直接有效的方法，主要有表面硬化处理、涂镀层技术、表面微造型等。
表面硬化处理[13-14]是指通过适当的方法使机床导轨的表层硬化而心部仍具有强韧性的处理技术，主要有渗碳、氮化、表面淬火，其特点如表1.1所示。离子渗氮表面强化技术应用较为广泛，可提高硬度、耐磨性、疲劳强度以及耐蚀性等，但渗氮存在周期长和资源利用率不高等缺点，应用范围受限。繆斌等[15]对45钢进行离子氮碳共渗与离子渗氮复合处理，比普通离子渗氮的硬度提高40%，可达788 HV0.05,渗层显著提高达70 μm，而传统氮碳共渗有效渗层约为50 μm；。
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表1.1 表面硬化处理工艺 Table 1.1 Surface hardening treatment process |
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| 工艺 | 硬化层深度 | 力学性能 | 特点 |
| 渗碳 | 中等 | 硬度高，耐磨性高，良好的弯曲疲劳强度和抗粘着性，抗接触载荷能力最好 | 处理温度高，变形大，时间中等 |
| 氮化 | 浅（≤0.5mm） | 硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力较好，良好的弯曲疲劳强度，最好的抗粘着性 | 处理温度低，变形最小，时间较长，好的抗磨损性和尺寸稳定性 |
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表面 淬火 |
深 | 硬度高，耐磨性较高，良好的抗接触载荷能力和弯曲疲劳强度，满意的抗粘着性 | 变形小，生产效率高，容易实现机械化和自动化，节能 |
常规的表面硬化处理技术在机床导轨表面形成的硬化层较薄，同时会导致机床导轨的韧性降低；而机床导轨表面制备的涂层结构疏松、晶形差，吸附强度低，易开裂，存在孔隙、微裂纹等缺陷，磨损较快[20]。表面硬化处理和涂镀层技术的灵活性和效率较低，加工周期较长，且资源利用率不高，能耗较大。表面微造型技术是利用机械、化学等技术手段，在材料表面加工出微细形貌以改善表面的摩擦磨损性能，避免涂层与基体结合、污染环境等问题，具有精确加工、无污染的优势。
1.2.2 表面微造型的研究现状
表面微造型技术是在靶材表面加工出微细形貌，改善材料的摩擦磨损性能和力学性能。近年来，众多国内外学者对医用钛合金、机械密封、活塞缸-环以及推力轴承等物体表面微造型进行研究，但由于摩擦和润滑机理的复杂性，并未建立可靠的理论模型，导致表面微造型技术还在研究阶段。目前，普遍使用的微造型方法[21]有：反应离子束刻蚀、UV-LIGA技术、电火花加工、机械微刻、激光表面微造型等，如表1.2所示。
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表1.2 表面微造型方法及特点 Table 1.2 Surface micromodeling methods and characteristics |
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微造型 方法 |
加工原理 | 能量 | 可加工材料 | 加工精度/mm | 特点 |
| 反应离子束刻蚀 | 利用物理和化学反应的等离子体腐蚀去除材料 | 光电能 | Si、SiO2、SiNX以及光刻胶 | 0.003 | 加工装置和条件要求高 |
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UV-LIGA 技术 |
利用紫外光线深层光刻去除材料 | 光能 | 金属、陶瓷等材料 | 0.001 | 加工成本高，可重复复制，适合大批量生产 |
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电火花 加工 |
利用放电火花产生瞬时高温热量熔化气体加工 | 热能 | 导电材料 | 0.003 | 不受材料硬度影响，可加工任何形状的槽，存在微裂纹、变质层等 |
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光化学 腐蚀加工 |
利用化学腐蚀去除材料 | 光、化学能 | 易化学腐蚀材料 | 0.006 | 不受材料硬度、强度限制，但化学反应产生光化学烟雾 |
| 激光加工 | 利用激光的光热效应去除材料 | 热能 | 任何材料 | 0.001 | 适合微细加工 |
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电化学 加工 |
利用阳极过程去除材料 | 电化学能 | 导电金属材料 | 0.01 | 无残余应力、无变形、无毛刺 |
Ganguly D[23]、Nagesh S[24]采用正交实验法对多种材料进行激光打孔，获得小锥度、小热影响区的微孔，并建立用于预测微孔热影响区和锥度大小的模型；Baoye W[25]使用皮秒激光器对冷作模具钢Cr12MoV进行烧蚀，研究表明：试样表面粗糙度随激光强度的增加成指数增长，烧蚀速率随时间的增加成对数增长，激光强度为8.28 J/cm2，烧蚀速率为33 nm/pulse，在脉宽632 nm和355 nm时形成Fe2O3，而脉宽1064 nm时形成Fe3O4；Houxiao W[26-28]利用水基、磁基超声振动辅助激光打孔，发现超声辅助有利于提高钻孔精度，增强材料去除，产生的微孔形状较为规则，产生熔渣、裂纹等缺陷减小，重铸层厚度降低，热影响区的晶粒细化，硬度提高；周忠娇[29]研究激光打孔工艺对孔边微观组织的影响，发现试样的孔边由重铸层和热影响区组成，部分重铸层开裂形成微裂纹，微裂纹的周围存在大量微孔；马传杰[30]基于正交试验研究烧结钕铁硼激光打孔工艺，发现孔径为662.34 μm时，孔口残渣较少，微孔质量最佳。
1.2.3 激光烧蚀微造型提高摩擦磨损性能
（1）激光烧蚀微造型改善摩擦性能
Etsion[31-33]采用激光微造型技术对活塞环、销等进行试验和理论分析，结果显示：微造型试样的摩擦系数减小，并且机械密封性能高于没有经过激光处理的同类产品；Schreck S[34]在钢表面进行激光微造型处理，研究微造型对摩擦性能的响，结果显示：与未处理表面相比，造型表面的摩擦力降低，摩擦系数最高降低30%；Kligerman等[35]活塞环表面激光微造型，研究结果显示：当凹坑占比为0.6时，减摩效果最显著；Guo Y B [36]在钛合金Ti6Al4V表面激光微造型，研究显示：当凹坑占比为10%时，微造型试样相对于光滑试样的摩擦系数减小了19%；
范金荣[37]通过改变光斑间距来探讨凹坑密度对摩擦性能的影响，结果显示：当深径比为4.5%、凹坑占比为10.75%时，微造型表面相对于光滑表面的摩擦系数降低了20%；周建忠等[38]研究凹坑中心距对球墨铸铁表面摩擦性能的影响，发现与未造型试样相比较，干摩擦条件下的微造型试样表面摩擦系数提高，增幅最大可达12.9%，而在湿摩擦条件下微造型试样表面摩擦系数降低，降幅最大可达11.8%；王建军[39]研究激光微造型球墨铸铁表面干摩擦性能，结果显示：在凹坑中心距2 mm，深径比为0.052的试样表面具有最小的平均摩擦系数，比未造型试样降低23.6%。
（2）激光烧蚀微造型提高耐磨性
Sánchez-Santana U等[40]研究激光微造型对6061-T6铝合金磨损量和摩擦系数的影响，结果表明：激光微造型能够减小材料表面的磨损率，提高铝合金表面的耐磨性能；Abdulhadi K等[41]研究了多道激光工艺参数对2024-T3铝合金的影响，研究表明：激光处理试样能够提高2024-T3铝合金显微硬度和耐磨性，在激光能量为1 J时，2024-T3铝合金表面显微硬度提高了4.8 倍，耐磨性提高了65%，磨损率为未处理时的34%；Salimianrizi A[42]采用激光能量为1.2 J、光斑直径为1.5 mm，在AL6061-T6表面激光强化处理，结果表明：光斑搭接率越高，表面粗糙度越小，当搭接率为30%，表面显微硬度达到最大，相对于未处理表面提高了20.5%，最大影响层深度达125 μm。
郭二彬[43]通过对钛合金Ti13Nb13Zr表面激光微造型，研究发现：未造型表面的磨损形式主要为磨粒磨损、粘着磨损、基体堆积及接触疲劳损坏，微造型试样的磨损形式为轻微的磨粒磨损和粘着磨损；微造型试样的磨损量随激光能量的增大而增大，较未处理试样，磨损量最大可降低22.7%，有效提高钛合金表面耐磨性能；吴浩[44]开展激光处理40Cr表面摩擦磨损性能研究，发现经激光处理后试样表面磨损量明显小于未处理试样，磨损量最小达到2.1 mg，比未处理试样降低36%，磨损类型主要为磨粒磨损和粘着磨损；吴健[45]等通过对W6Mo5Cr4V2（M2）高速钢进行激光处理，研究发现：试样表面获得0.6 mm厚的硬化层，在磨损210 min时，未处理试样磨损量达4×10-3 g，激光处理试样的磨损量为2.5×10-3 g，降低了37.5%。
1.3 研究内容与方法
1.3.1 研究内容
（1）激光烧蚀45钢表面响应分析
本章基于激光烧蚀45钢导轨的实验，研究激光工艺参数（光斑直径、烧蚀次数、激光功率）与微凹坑形貌的映射关系，并对比微造型试样与未造型试样的微观组织与硬度，探讨激光工艺参数对微造型试样的硬度的影响规律，分析激光烧蚀微造型加工特性，研究激光烧蚀微造型强化机理。
（2）激光烧蚀45钢数值模拟
建立激光烧蚀45钢的数值模型，通过COMSOL有限元分析软件模拟激光烧蚀去除材料，分析激光加工的演变过程，并通过改变激光工艺参数，研究其与温度场、热影响层、重铸层以及塑性变形的响应关系。
（3）45钢表面微造型的摩擦磨损性能研究
基于激光烧蚀45钢导轨表面微造型的摩擦磨损实验，对比微造型试样与未造型试样的摩擦磨损性能；研究凹坑尺寸、几何阵列对微造型试样摩擦系数和磨损量的影响规律，分析磨损后试样的磨痕形貌，并结合摩擦磨损理论，探讨微造型表面摩擦性能改善机理；研究不同工作条件下，滑动速度和载荷对微造型试样摩擦系数和磨损量的影响规律，获得最优工艺参数。
1.3.2 研究思路
本文的总体思路是理论分析、实验研究、数值模拟、优化统计相结合。
（1）以45钢为研究对象，研究激光工艺参数对材料表面形貌以及力学性能的影响。采用FB20-1型激光打标机在试样表面进行单点激光烧蚀微凹坑，通过激光共聚焦显微镜对凹坑形貌扫描，获得凹坑尺寸；采用线切割的方法把试样沿凹坑直径的方向切开，打磨、抛光、腐蚀，金相显微镜观察微观组织，显微硬度计测量硬度，建立激光烧蚀45钢材料的响应模型，分析激光烧蚀微造型强化机理。
（2）分析激光烧蚀技术的相关理论，建立激光烧蚀45钢的数值模型，通过COMSOL有限元分析软件模拟激光烧蚀去除材料，控制激光烧蚀时间，分析温度场的演变过程；改变激光功率、光斑直径，分析激光工艺参数对靶材温度场、凹坑尺寸的影响规律。
（3）分别采用单因素法和Design expert设计的交互因素法设计多点激光烧蚀微造型实验方案，基于多点激光烧蚀微造型实验，将试样在FTM M30多模块可控润滑摩擦试验机上干摩擦，通过计算机输出摩擦系数的动态数据，BSM-120.4电子天平称量磨损前后试样的质量，对比微造型和未造型试样的摩擦磨损性能，探讨减摩抗磨机理；分析工艺参数（激光功率、凹坑位错和凹坑间距）和摩擦磨损工况（载荷、滑动速度）对摩擦系数和磨损量的影响，并优化工艺参数分析响应值（摩擦系数、磨损量），获得45钢表面微造型具有最优摩擦磨损性能时对应的工艺参数。
1.3.3 技术路线
图1.2为本文的技术路线，采用激光烧蚀实验和数值模拟相结合的方法，研究激光工艺参数（激光功率、光斑直径、烧蚀次数）对凹坑形貌、显微硬度的影响，对比微造型和未造型的微观组织，分析激光烧蚀微造型强化机理；其次，基于不同工艺参数（光斑直径、凹坑间距、凹坑位错）的激光烧蚀微造型实验，在试样表面进行干摩擦实验，研究工艺参数对表面微造型摩擦系数和磨损量的影响规律，探讨工况（滑动速度、载荷）对摩擦系数和磨损量的影响，对比分析微造型与未造型的摩擦磨损性能，分析减摩抗磨机理。
1.3.4 可行性分析
（1）我国是世界第一大机床生产国和消费国，保有量约为800万台，但每年接近24万台机床更进入淘汰顺序，占国内生产新机床的一半。利用激光烧蚀微造型技术对镶钢导轨45钢表面进行处理，提高机床导轨的使用寿命，确保机床的工作精度，减少停机停产的损失，大大节省维修费用，对改善机床导轨副表面的摩擦性能具有较大的工程应用价值。
（2）本人所在学校拥有江苏省材料科学与工程实验教学示范中心、省部级化学实验教学示范中心，拥有现代化实验与检测设备，实验条件完善。
（3）目前国内外学者对于激光烧蚀的研究比较多，无论是数值模拟还是实验研究，都对激光烧蚀微造型的研究都提供了依据，尤其是可以借鉴微造型表面的形貌参数和激光工艺参数对材料摩擦磨损性能的影响规律。
（4）本课题组的戴毅斌研究激光冲击强化高速钢刀具表面耐磨性能，郭二彬、崔鹏飞等研究激光冲击微造型提高医用钛合金的耐磨性能及减摩抗磨机理，并取得一定成果。这对本次研究激光烧蚀45钢表面微造型的实验方法和机理分析都提供参考。
目录
第1章 绪 论 3
1.1 课题的背景与研究意义 3
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 导轨修复和表面改性技术 4
1.2.2 表面微造型的研究现状 6
1.2.3 激光烧蚀微造型提高摩擦磨损性能 7
1.3 研究内容与方法 8
1.3.1 研究内容 8
1.3.2 研究思路 9
1.3.3 技术路线 9
1.3.4 可行性分析 10
第2章 激光烧蚀45钢表面响应分析 11
2.1 试样前处理及实验设计 11
2.2 单点激光烧蚀响应分析 13
2.2.1 表面形貌 13
2.2.2 微观组织 15
2.2.3 显微硬度 16
2.3 激光烧蚀微造型实验 18
2.3.1 实验设计 18
2.3.2 激光烧蚀微造型宏观形貌 19
2.4 本章小结 19
第3章 激光烧蚀45钢数值模拟 21
3.1 模拟方法与模型建立 21
3.2 激光烧蚀的演变过程分析 23
3.2.1 温度场演变 23
3.2.2 热影响区及重铸层演变 24
3.2.3 表面形貌演变 25
3.3 激光烧蚀模拟响应分析 25
3.3.1 热影响区及重铸层 25
3.4 本章小结 26
第4章 45钢表面微造型的摩擦磨损性能研究 28
4.1 摩擦磨损实验设计 28
4.1.1 导轨工况分析 28
4.1.2 实验设计 29
4.2 微造型试样摩擦磨损性能分析 29
4.3 工艺参数对表面微造型摩擦磨损性能的影响 30
4.3.1 单变量工艺参数的摩擦系数分析 30
4.3.2 单变量工艺参数的磨损量分析 31
4.3.3 交互工艺参数的摩擦系数分析 31
4.3.4 交互工艺参数的磨损量分析 34
4.4 工况对表面微造型摩擦磨损性能的影响 35
4.4.1 工况对摩擦系数的影响 36
4.4.2 工况对磨损量的影响 38
4.5 激光烧蚀表面微造型摩擦磨损机理分析 39
4.6 本章小结 40
第5章 总结与展望 42
5.1 总结 42
5.2 展望 43
参考文献 44
致 谢 49
本文采用激光烧蚀微造型技术对镶钢导轨45钢表面进行加工处理，从而改善45钢的摩擦磨损性能，提高镶钢导轨的耐磨性。采用激光烧蚀实验和数值模拟相结合的方法，研究激光工艺参数（激光功率、烧蚀次数、光斑直径）与烧蚀产生微凹坑形貌以及力学性能的响应关系；结合摩擦理论，分析工艺参数（激光功率、凹坑间距和凹坑位错）和摩擦磨损工况（载荷、滑动速度）对微造型试样的摩擦系数和磨损量的影响规律，探讨激光烧蚀45钢微造型的减摩抗磨机理。
本文采用激光烧蚀微造型技术对镶钢导轨45钢表面进行加工处理，从而改善45钢的摩擦磨损性能，提高镶钢导轨的耐磨性。采用激光烧蚀实验和数值模拟相结合的方法，研究激光工艺参数（激光功率、烧蚀次数、光斑直径）与烧蚀产生微凹坑形貌以及力学性能的响应关系；结合摩擦理论，分析工艺参数（激光功率、凹坑间距和凹坑位错）和摩擦磨损工况（载荷、滑动速度）对微造型试样的摩擦系数和磨损量的影响规律，探讨激光烧蚀45钢微造型的减摩抗磨机理。
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