這是激光微織構(gòu)技術(shù)在機械零件表面的一個典型應(yīng)用。在江蘇大學(xué)機械工程學(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)研究團隊對機械零件表面激光微織構(gòu)技術(shù)開展的系統(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設(shè)計制造的新理念，逐步形成了完整的創(chuàng)新研究鏈。去年，團隊獲得上海市科技進步獎一等獎、教育部技術(shù)發(fā)明獎二等獎、中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎、中國專利優(yōu)秀獎等多個獎項。
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械行業(yè)的痛點，這種結(jié)構(gòu)影響甚至決定了機械裝備的可靠性、使用壽命及工作性能。
表界面科學(xué)與技術(shù)研究團隊負(fù)責(zé)人符永宏認(rèn)為，傳統(tǒng)機械零件表面結(jié)構(gòu)是自然、被動、隨機形成的，而在理想狀態(tài)下，必然存在著一個與機械系統(tǒng)性能相匹配的最優(yōu)表面結(jié)構(gòu)，團隊研究的核心內(nèi)容就是找到并設(shè)計制造出這個完美的微織構(gòu)。
上世紀(jì)90年代初，江蘇大學(xué)將激光技術(shù)應(yīng)用于機械工程領(lǐng)域的研究，先后形成激光沖擊強化、激光加工、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，選擇了激光微加工作為研究課題。
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。
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，團隊內(nèi)部有一個順口溜來形容它——釘扎密布強表層，挖坑開槽表面潤，微凸無害利增摩，激光織構(gòu)功效神。
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，還通過建立模型等形式把表面織構(gòu)主動設(shè)計出來。讓團隊欣喜的是，原本無人同行的激光微織構(gòu)研究方向，近年來成為國內(nèi)外機械領(lǐng)域最熱門的方向，不僅研究人數(shù)增長快，研究機構(gòu)和研究成果的數(shù)量也飛速增長。
既要馬兒跑，又要馬兒不吃草
2005年，第一代激光微加工樣機在實驗室問世；2016年，第五代設(shè)備已能夠?qū)崿F(xiàn)對缸孔、凸輪軸等零件表面的激光微織構(gòu)加工處理。經(jīng)過二十多年的努力探索和協(xié)同攻關(guān)，團隊形成了“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，他們把目標(biāo)定位在強化工程應(yīng)用上。
在汽車發(fā)動機應(yīng)用上，該團隊研究了缸孔-活塞環(huán)-活塞系統(tǒng)在整個沖程中的摩擦學(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)靈活控油和布油的優(yōu)勢，降低機油耗，以此來實現(xiàn)“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”的矛盾統(tǒng)一。試驗表明，經(jīng)激光微織構(gòu)主動設(shè)計制造，發(fā)動機燃油消耗、機油消耗降低。
2012年，課題組與長安汽車合作申報的“高效節(jié)能低摩擦內(nèi)燃機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”項目，獲批國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目。
在實踐中探索“最后一公里”疑問
制造出高精度、長壽命、優(yōu)性能的節(jié)能環(huán)保型機械產(chǎn)品，助力我國機械制造業(yè)崛起，是團隊加速科技成果轉(zhuǎn)化的現(xiàn)實起點。項目組與多家企業(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)動機、機械密封等零部件，形成了3套技術(shù)規(guī)范。
目前，激光微織構(gòu)技術(shù)主要推動了發(fā)動機、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，在一些能源、航天以及國防等問題上還要加強科技協(xié)同攻關(guān)。
2015年，采用該技術(shù)即將上線的汽車發(fā)動機生產(chǎn)線因故暫停，從實驗室走向市場化生產(chǎn)只差“臨門一腳”。慶幸的是，這支擁有8名博士、平均年齡30歲的年輕團隊仍在不斷摸索。
2016年底，由該團隊在校研究生創(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。“我們一定要探索出如何促進大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化，如何加強大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的路徑、模式和機制。”符永宏說。（吳奕 張明平）
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