這是激光微織構(gòu)技術(shù)在機(jī)械零件表面的一個(gè)典型應(yīng)用。在江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院207實(shí)驗(yàn)室里，一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光微加工設(shè)備已經(jīng)更新到了第五代。
上世紀(jì)90年代至今，江蘇大學(xué)表界面科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)械零件表面激光微織構(gòu)技術(shù)開(kāi)展的系統(tǒng)研究，不僅新增了織構(gòu)摩擦學(xué)這一研究新方向，還率先提出了零部件表面主動(dòng)設(shè)計(jì)制造的新理念，逐步形成了完整的創(chuàng)新研究鏈。去年，團(tuán)隊(duì)獲得上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
冷板凳上坐出的熱鬧
摩擦磨損造成的能源損耗和零件失效是機(jī)械行業(yè)的痛點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)影響甚至決定了機(jī)械裝備的可靠性、使用壽命及工作性能。
表界面科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人符永宏認(rèn)為，傳統(tǒng)機(jī)械零件表面結(jié)構(gòu)是自然、被動(dòng)、隨機(jī)形成的，而在理想狀態(tài)下，必然存在著一個(gè)與機(jī)械系統(tǒng)性能相匹配的最優(yōu)表面結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)研究的核心內(nèi)容就是找到并設(shè)計(jì)制造出這個(gè)完美的微織構(gòu)。
上世紀(jì)90年代初，江蘇大學(xué)將激光技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域的研究，先后形成激光沖擊強(qiáng)化、激光加工、激光薄膜測(cè)量等特色研究方向。當(dāng)時(shí)，符永宏等幾個(gè)而立青年獨(dú)辟蹊徑，選擇了激光微加工作為研究課題。
從激光微加工到激光珩磨，再?gòu)募す馕⒃煨偷郊す馕⒖棙?gòu)，這支研究小分隊(duì)在研究中逐步明晰思路：利用高能激光束作用于材料表面，在零部件表面加工出預(yù)設(shè)微結(jié)構(gòu)，獲得與表面性能要求優(yōu)化匹配的微形貌，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控摩擦副表面接觸方式和摩擦狀態(tài)的目的。
不傷害原表面的激光微織構(gòu)技術(shù)，賦予了表層材料改形和改性的雙層功效，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部有一個(gè)順口溜來(lái)形容它——釘扎密布強(qiáng)表層，挖坑開(kāi)槽表面潤(rùn)，微凸無(wú)害利增摩，激光織構(gòu)功效神。
在摩擦學(xué)國(guó)際研究領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟并引領(lǐng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)揭示了織構(gòu)參數(shù)與摩擦學(xué)特性之間的規(guī)律，還通過(guò)建立模型等形式把表面織構(gòu)主動(dòng)設(shè)計(jì)出來(lái)。讓團(tuán)隊(duì)欣喜的是，原本無(wú)人同行的激光微織構(gòu)研究方向，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械領(lǐng)域最熱門(mén)的方向，不僅研究人數(shù)增長(zhǎng)快，研究機(jī)構(gòu)和研究成果的數(shù)量也飛速增長(zhǎng)。
既要馬兒跑，又要馬兒不吃草
2005年，第一代激光微加工樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世；2016年，第五代設(shè)備已能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)缸孔、凸輪軸等零件表面的激光微織構(gòu)加工處理。經(jīng)過(guò)二十多年的努力探索和協(xié)同攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)形成了“理論、設(shè)計(jì)、工藝、加工、性能、裝備、工程應(yīng)用”的體系化研究思路與路徑。近年來(lái)，他們把目標(biāo)定位在強(qiáng)化工程應(yīng)用上。
在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上，該團(tuán)隊(duì)研究了缸孔-活塞環(huán)-活塞系統(tǒng)在整個(gè)沖程中的摩擦學(xué)行為和磨損規(guī)律，提出“分區(qū)異構(gòu)”，在缸孔表面不同區(qū)域做出不同的表面織構(gòu)，以提高缸孔表面潤(rùn)滑、減摩、耐磨性能，降低燃油耗，同時(shí)又利用分區(qū)織構(gòu)靈活控油和布油的優(yōu)勢(shì)，降低機(jī)油耗，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”的矛盾統(tǒng)一。試驗(yàn)表明，經(jīng)激光微織構(gòu)主動(dòng)設(shè)計(jì)制造，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗、機(jī)油消耗降低。
2012年，課題組與長(zhǎng)安汽車(chē)合作申報(bào)的“高效節(jié)能低摩擦內(nèi)燃機(jī)零部件表面激光微織構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，獲批國(guó)家重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。
在實(shí)踐中探索“最后一公里”疑問(wèn)
制造出高精度、長(zhǎng)壽命、優(yōu)性能的節(jié)能環(huán)保型機(jī)械產(chǎn)品，助力我國(guó)機(jī)械制造業(yè)崛起，是團(tuán)隊(duì)加速科技成果轉(zhuǎn)化的現(xiàn)實(shí)起點(diǎn)。項(xiàng)目組與多家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，構(gòu)筑了激光表面微織構(gòu)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新體系。成果應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)械密封等零部件，形成了3套技術(shù)規(guī)范。
目前，激光微織構(gòu)技術(shù)主要推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)、和高端泵等關(guān)鍵零部件產(chǎn)品向精細(xì)高端、綠色和節(jié)能環(huán)保方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，在一些能源、航天以及國(guó)防等問(wèn)題上還要加強(qiáng)科技協(xié)同攻關(guān)。
2015年，采用該技術(shù)即將上線的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線因故暫停，從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)化生產(chǎn)只差“臨門(mén)一腳”。慶幸的是，這支擁有8名博士、平均年齡30歲的年輕團(tuán)隊(duì)仍在不斷摸索。
2016年底，由該團(tuán)隊(duì)在校研究生創(chuàng)辦的光潤(rùn)科技有限公司在鎮(zhèn)江國(guó)家大學(xué)科技園落戶。“我們一定要探索出如何促進(jìn)大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化，如何加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的路徑、模式和機(jī)制。”符永宏說(shuō)。
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