符永宏教授指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析
楊雨供圖
“一束綠寶石般的高能激光束蜻蜓點水般照射到汽車發(fā)動機(jī)的缸孔表面,，三四分鐘后,，缸孔不同區(qū)域就呈現(xiàn)出形態(tài)各異的表面織構(gòu),。”
這就是激光微織構(gòu)技術(shù)在機(jī)械零件表面的一個典型應(yīng)用,。
在江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院207實驗室里，一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光微加工設(shè)備自上世紀(jì)90年代至今,，已更新到第五代,。
激光織構(gòu)功效神
機(jī)械零件表面那些眼睛看不見的微小結(jié)構(gòu)很重要嗎？
“很重要,。傳統(tǒng)的機(jī)械零件表面結(jié)構(gòu)是自然,、被動、隨機(jī)形成的,，而在理想狀態(tài)下,，必然存在著一個與機(jī)械系統(tǒng)性能相匹配的最優(yōu)表面結(jié)構(gòu)。”該校表界面科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人符永宏教授認(rèn)為,，找到并設(shè)計出這種完美的微織構(gòu)更是十分重要,。
摩擦磨損造成的能源損耗和零件失效問題，一直是機(jī)械行業(yè)的刺痛,，而這種在顯微鏡下方露崢嶸的微觀結(jié)構(gòu),，能影響甚至決定機(jī)械裝備的可靠性、使用壽命及工作性能,。
自上世紀(jì)90年代初,，該校就將激光技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，先后形成激光沖擊強(qiáng)化,、激光沖擊成形、激光加工及激光薄膜測量等特色研究方向,。當(dāng)時,，符永宏等幾個而立青年獨辟蹊徑，選擇激光微加工作為自己的研究課題,。
從激光微加工到激光珩磨,，再從激光微造型到激光微織構(gòu)，這支研究小分隊一直在孤獨地摸索思考,，卻也在踏踏實實的研究中思路得以逐步明晰：利用高能激光束作用于材料表面,，可以在機(jī)械零部件表面加工出預(yù)設(shè)的微結(jié)構(gòu)，獲得與表面性能要求優(yōu)化匹配的微形貌,，實現(xiàn)主動調(diào)控摩擦副表面接觸方式和摩擦狀態(tài)的目的,。
“原本無人同行的激光微織構(gòu)研究方向，近年來卻成了國內(nèi)外機(jī)械領(lǐng)域最熱門的研究方向,，不僅研究人數(shù)增長最快,，研究機(jī)構(gòu)和研究成果數(shù)量也呈飛速增長態(tài)勢。”這一變化令團(tuán)隊很是欣喜,。
“科研這條道路上,，不只有付出和寂寞,，更有樂趣與激情。”在摩擦學(xué)國際研究領(lǐng)域獨樹一幟并引領(lǐng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,，團(tuán)隊揭示了織構(gòu)參數(shù)與摩擦學(xué)特性之間的規(guī)律,，還通過建立模型、數(shù)值模擬計算,、軟件開發(fā)等,，設(shè)計出豐富多樣的表面織構(gòu)。
直線形凹槽,、三角形凹坑,、火山類凸起……不要小瞧這些在微觀尺度上的凹凸有致的結(jié)構(gòu)，每一個簡單的凹陷和凸出,，其實各有妙處,，“比如說機(jī)械零件需要減少有害的摩擦，我們就給它設(shè)計一個凹陷織構(gòu)來減摩,，當(dāng)需要增加有利的摩擦?xí)r,，又可以設(shè)計凸起織構(gòu)來增摩，這種凹凸有致的復(fù)合織構(gòu)還能實現(xiàn)摩擦功能的動態(tài)轉(zhuǎn)換,。”符永宏介紹,，這種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,，可用一句順口溜作比喻：“釘扎密布強(qiáng)表層,，挖坑開槽表面潤，微凸無害利增摩,，激光織構(gòu)功效神,。”
不吃草的馬兒依然跑得快
表界面科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊實驗室，位于江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二樓,，時常熱鬧非凡：不停地敲敲打打,、拆卸組裝，也不停地迎接著一批批參觀者,。
外界對這個實驗室的好奇,，在于它的獨一無二：實驗室的每一個電路系統(tǒng)、每一個機(jī)械零部件,、每一臺設(shè)備都是團(tuán)隊親手設(shè)計制作的,。2005年，第一代激光微加工樣機(jī)于實驗室問世,；至2016年,，該機(jī)更新成第五代多功能加工設(shè)備，已能實現(xiàn)對缸孔、凸輪軸和機(jī)械密封等零件表面的激光微織構(gòu)加工處理,。
“科學(xué)研究的價值,，不僅體現(xiàn)在對真理、知識的追求上,，也體現(xiàn)在對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的服務(wù)實效上,。”符永宏表示，二十多年的努力探索和協(xié)同攻關(guān),，團(tuán)隊形成了“理論,、設(shè)計、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，在解析激光微織構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,，團(tuán)隊把目標(biāo)定位在了強(qiáng)化工程應(yīng)用方面,。
第一項實踐應(yīng)用，團(tuán)隊就大膽選擇汽車發(fā)動機(jī),。“因為發(fā)動機(jī)是汽車最核心的組成部分,，設(shè)計加工發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件的表面微觀形貌，有可能成為優(yōu)化零部件表面摩擦學(xué)性能,、提升發(fā)動機(jī)品質(zhì)的重要突破口,。”符永宏介紹。
缸孔是發(fā)動機(jī)最復(fù)雜且最關(guān)鍵的核心部件,，目前的缸孔表面結(jié)構(gòu)都是機(jī)械珩磨而成,。該團(tuán)隊研究了缸孔—活塞環(huán)—活塞系統(tǒng)在整個沖程中摩擦學(xué)行為和磨損規(guī)律，提出“分區(qū)異構(gòu)”技術(shù),，在缸孔表面的不同區(qū)域分別構(gòu)建與內(nèi)燃機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性優(yōu)化匹配的表面織構(gòu),，以提高缸孔表面潤滑,、減摩、耐磨性能,，降低燃油耗,。同時又利用分區(qū)織構(gòu)靈活控油和布油優(yōu)勢，降低機(jī)油耗,，以此實現(xiàn)“又要馬兒跑得快,，又要馬兒不吃草”矛盾的統(tǒng)一。
對于發(fā)動機(jī)另一個關(guān)鍵部件凸輪軸的研究，團(tuán)隊則基于彈流潤滑理論和凸輪軸工作特點及性能要求,，在凸輪軸升程的桃尖工作區(qū)域,，實施“蜻蜓點水、畫龍點睛”的激光微織構(gòu)“兩點式”加工,，不僅實現(xiàn)了潤滑減摩,、耐磨增壽、穩(wěn)定可靠功效,，還可替代傳統(tǒng)的熱處理工藝,，降低材質(zhì)要求和生產(chǎn)成本。
2012年,，課題組的該項成果進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)化,，長安汽車、玉柴等公司也把多款柴油發(fā)動機(jī),、汽油發(fā)動機(jī)等送到該實驗室進(jìn)行低摩擦技術(shù)和激光微織構(gòu)技術(shù)試驗,。
裝機(jī)臺架性能試驗及耐久性試驗結(jié)果表明：經(jīng)激光微織構(gòu)主動設(shè)計制造，發(fā)動機(jī)燃油消耗降低約1%—4%,，整機(jī)機(jī)油消耗降低可達(dá)20%—50%,。鑄鐵材質(zhì)的油泵凸輪軸，經(jīng)600小時可靠性試驗,，磨損量僅為1—2μm左右,，耐磨性能優(yōu)于鋼質(zhì)材料凸輪軸。
疏通科研“最后一公里”
酒香不怕巷子深,。高精度,、長壽命、優(yōu)性能的節(jié)能環(huán)保型機(jī)械產(chǎn)品,，能助力我國機(jī)械制造業(yè)崛起,、提升機(jī)械產(chǎn)品國際競爭力，是該研究團(tuán)隊加速科技成果轉(zhuǎn)化的現(xiàn)實起點,。
成果一出,，長安汽車、常柴股份等多家企業(yè)遂前來與項目組聯(lián)合致力于激光微織構(gòu)技術(shù)的研發(fā)和工程應(yīng)用推廣工作,，構(gòu)筑了激光表面微織構(gòu)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新體系,。目前成果已應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、機(jī)械密封,、軸承等零部件,，形成3套技術(shù)規(guī)范。
酒香也怕巷子深,。“激光表面微織構(gòu)技術(shù)普遍適用于機(jī)械行業(yè),，這種普適性很強(qiáng)的技術(shù)只要與具體零部件一結(jié)合，就能產(chǎn)生新的創(chuàng)新。”符永宏介紹,，目前,，激光微織構(gòu)技術(shù)主要推動了發(fā)動機(jī)、金屬模具和高端泵的關(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,，在一些能源、材料,、環(huán)境,、航天以及國防等國家急需解決的問題上還要加強(qiáng)科技協(xié)同攻關(guān)。
遺憾的是,，2015年經(jīng)過無數(shù)次臺架試驗驗證,，一條采用激光微織構(gòu)技術(shù)即將上線的汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線因故暫停，從實驗室走向市場化生產(chǎn)只差“臨門一腳”,，讓團(tuán)隊產(chǎn)生“萬事俱備,，只欠東風(fēng)”的無奈與感慨。
好在團(tuán)隊始終堅持實踐中摸索,，始終保有科研熱情并始終如一堅持攻關(guān)克難,。
2016年底，該校在校研究生創(chuàng)辦的光潤科技有限公司在鎮(zhèn)江國家大學(xué)科技園落戶,，表界面科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊研究的共性技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)在該平臺上得以展示,、轉(zhuǎn)化、服務(wù)及應(yīng)用,。
“這里將成為研究團(tuán)隊,、企業(yè)及行業(yè)相互觀察的窗口，成為聯(lián)系市場與高校技術(shù)的橋梁,，也作為技術(shù)輸出服務(wù)的公共平臺,。”對這支擁有8名博士、平均年齡30歲的年輕團(tuán)隊而言,，科研探索之路無窮盡,。（通訊員 吳奕張明平）
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文章來源：《中國教育報》２０１７年４月２４日７版
