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中国教育报:“里子”要扎实 “面子”也重要

发布时间:2017-04-24|浏览次数:

 

  符永宏教授指导学生进行实验数据分析

  杨雨供图

  “一束绿宝石般的高能激光束蜻蜓点水般照射到汽车发动机的缸孔表面,三四分钟后,缸孔不同区域就呈现出形态各异的表面织构。”

   这就是激光微织构技术在机械零件表面的一个典型应用。

     在江苏大学机械工程学院207实验室里,一系列具有自主知识产权的激光微加工设备自上世纪90年代至今,已更新到第五代。

     激光织构功效神

     机械零件表面那些眼睛看不见的微小结构很重要吗?

     “很重要。传统的机械零件表面结构是自然、被动、随机形成的,而在理想状态下,必然存在着一个与机械系统性能相匹配的最优表面结构。”该校表界面科学与技术研究团队负责人符永宏教授认为,找到并设计出这种完美的微织构更是十分重要。

     摩擦磨损造成的能源损耗和零件失效问题,一直是机械行业的刺痛,而这种在显微镜下方露峥嵘的微观结构,能影响甚至决定机械装备的可靠性、使用寿命及工作性能。

     自上世纪90年代初,该校就将激光技术应用于机械工程领域,先后形成激光冲击强化、激光冲击成形、激光加工及激光薄膜测量等特色研究方向。当时,符永宏等几个而立青年独辟蹊径,选择激光微加工作为自己的研究课题。

     从激光微加工到激光珩磨,再从激光微造型到激光微织构,这支研究小分队一直在孤独地摸索思考,却也在踏踏实实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,可以在机械零部件表面加工出预设的微结构,获得与表面性能要求优化匹配的微形貌,实现主动调控摩擦副表面接触方式和摩擦状态的目的。

     “原本无人同行的激光微织构研究方向,近年来却成了国内外机械领域最热门的研究方向,不仅研究人数增长最快,研究机构和研究成果数量也呈飞速增长态势。”这一变化令团队很是欣喜。

     “科研这条道路上,不只有付出和寂寞,更有乐趣与激情。”在摩擦学国际研究领域独树一帜并引领相关研究的基础上,团队揭示了织构参数与摩擦学特性之间的规律,还通过建立模型、数值模拟计算、软件开发等,设计出丰富多样的表面织构。

     直线形凹槽、三角形凹坑、火山类凸起……不要小瞧这些在微观尺度上的凹凸有致的结构,每一个简单的凹陷和凸出,其实各有妙处,“比如说机械零件需要减少有害的摩擦,我们就给它设计一个凹陷织构来减摩,当需要增加有利的摩擦时,又可以设计凸起织构来增摩,这种凹凸有致的复合织构还能实现摩擦功能的动态转换。”符永宏介绍,这种不伤害原表面的激光微织构技术,赋予了表层材料改形和改性的双层功效,可用一句顺口溜作比喻:“钉扎密布强表层,挖坑开槽表面润,微凸无害利增摩,激光织构功效神。”

      不吃草的马儿依然跑得快

      表界面科学与技术研究团队实验室,位于江苏大学机械工程学院二楼,时常热闹非凡:不停地敲敲打打、拆卸组装,也不停地迎接着一批批参观者。

      外界对这个实验室的好奇,在于它的独一无二:实验室的每一个电路系统、每一个机械零部件、每一台设备都是团队亲手设计制作的。2005年,第一代激光微加工样机于实验室问世;至2016年,该机更新成第五代多功能加工设备,已能实现对缸孔、凸轮轴和机械密封等零件表面的激光微织构加工处理。

     “科学研究的价值,不仅体现在对真理、知识的追求上,也体现在对社会经济发展的服务实效上。”符永宏表示,二十多年的努力探索和协同攻关,团队形成了“理论、设计、工艺、加工、性能、装备、工程应用”的体系化研究思路与路径。近年来,在解析激光微织构关键技术基础上,团队把目标定位在了强化工程应用方面。

     第一项实践应用,团队就大胆选择汽车发动机。“因为发动机是汽车最核心的组成部分,设计加工发动机关键零部件的表面微观形貌,有可能成为优化零部件表面摩擦学性能、提升发动机品质的重要突破口。”符永宏介绍。

     缸孔是发动机最复杂且最关键的核心部件,目前的缸孔表面结构都是机械珩磨而成。该团队研究了缸孔—活塞环—活塞系统在整个冲程中摩擦学行为和磨损规律,提出“分区异构”技术,在缸孔表面的不同区域分别构建与内燃机动力性、经济性及可靠性优化匹配的表面织构,以提高缸孔表面润滑、减摩、耐磨性能,降低燃油耗。同时又利用分区织构灵活控油和布油优势,降低机油耗,以此实现“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”矛盾的统一。

     对于发动机另一个关键部件凸轮轴的研究,团队则基于弹流润滑理论和凸轮轴工作特点及性能要求,在凸轮轴升程的桃尖工作区域,实施“蜻蜓点水、画龙点睛”的激光微织构“两点式”加工,不仅实现了润滑减摩、耐磨增寿、稳定可靠功效,还可替代传统的热处理工艺,降低材质要求和生产成本。

     2012年,课题组的该项成果进行科技成果转化,长安汽车、玉柴等公司也把多款柴油发动机、汽油发动机等送到该实验室进行低摩擦技术和激光微织构技术试验。

     装机台架性能试验及耐久性试验结果表明:经激光微织构主动设计制造,发动机燃油消耗降低约1%—4%,整机机油消耗降低可达20%—50%。铸铁材质的油泵凸轮轴,经600小时可靠性试验,磨损量仅为1—2μm左右,耐磨性能优于钢质材料凸轮轴。

     疏通科研“最后一公里”

     酒香不怕巷子深。高精度、长寿命、优性能的节能环保型机械产品,能助力我国机械制造业崛起、提升机械产品国际竞争力,是该研究团队加速科技成果转化的现实起点。

     成果一出,长安汽车、常柴股份等多家企业遂前来与项目组联合致力于激光微织构技术的研发和工程应用推广工作,构筑了激光表面微织构技术协同创新体系。目前成果已应用于发动机、机械密封、轴承等零部件,形成3套技术规范。

     酒香也怕巷子深。“激光表面微织构技术普遍适用于机械行业,这种普适性很强的技术只要与具体零部件一结合,就能产生新的创新。”符永宏介绍,目前,激光微织构技术主要推动了发动机、金属模具和高端泵的关键零部件产品向精细高端、绿色和节能环保方向转型升级,在一些能源、材料、环境、航天以及国防等国家急需解决的问题上还要加强科技协同攻关。

     遗憾的是,2015年经过无数次台架试验验证,一条采用激光微织构技术即将上线的汽车发动机生产线因故暂停,从实验室走向市场化生产只差“临门一脚”,让团队产生“万事俱备,只欠东风”的无奈与感慨。

     好在团队始终坚持实践中摸索,始终保有科研热情并始终如一坚持攻关克难。

     2016年底,该校在校研究生创办的光润科技有限公司在镇江国家大学科技园落户,表界面科学与技术研究团队研究的共性技术和应用技术在该平台上得以展示、转化、服务及应用。

     “这里将成为研究团队、企业及行业相互观察的窗口,成为联系市场与高校技术的桥梁,也作为技术输出服务的公共平台。”对这支拥有8名博士、平均年龄30岁的年轻团队而言,科研探索之路无穷尽。(通讯员 吴奕张明平)

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  文章来源:《中国教育报》2017年4月24日7版