通过球墨铸铁材料圆环端面的激光造型，对比光滑表面、点圆和网格造型图案对材料摩擦磨损性能影响，发现同样分布率的网格造型图案有较好的抗磨损特性和承载性能。通过比较不同激光加工参数和网格几何参数的激光造型表面的形貌和摩擦磨损特性，找到激光造型的优选方案。
在物体表面加工出微细形貌以改善物体摩擦性能即为表面微造型技术。利用激光在物体表面造型出微纳米级纹理的表面形貌称为激光微造型(Laser Surface Texturing)。激光造型技术的优点来自于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等优点。激光造型不但高效、精密、柔性好，而且成本低、易实施、污染小，相对其它微细造型具有独特的优势。
早在1966年就有Hamilton等开始这方面研究，从20世纪90年代后期开始，以色列的Izhak Etsion等利用理论计算和具体实验研究了激光表面造型对机械密封、活塞环以及平行的推力轴承的密封、润滑、摩擦性能。近年来，国内江苏大学、华东理工大学等校的学者也在这一领域开展研究。由于摩擦学建模和求解非常复杂和困难，激光微造型表面的摩擦磨损特性的理论研究还不够成熟，目前多数研究仍以实验为主。在激光造型方面研究大多以不同尺寸的激光烧蚀点圆图案(圆坑)来进行，以多边形、网格和其它特种图案来造型的研究相对较少。本文作者即针对不同的激光造型图案来进行试验研究，通过摩擦磨损特性对比，企图找到优秀的造型图案及其几何参数。
l 试验方法
激光造型图案和激光加工参数对材料的摩擦学性能有重要影响。根据具体器件，在分析特定的工况后，选择合适的工艺装备、加工参数和合适的材料、合适的微造型图案是对器件性能改善和提高的关键。所以这里的试验思路为先比较点圆和网格造型的摩擦学特性，找出其中一种较好的造型，再通过对其设计形状和加工工艺参数进行改进，得到更合理的参数。试验分为图案对比试验和参数优化试验2部分。
(1)图案对比试验：球墨铸铁(QT600)是摩擦副常用的一种材料，故以此来制作摩擦环试样，端面上分别设计点圆和网格2种微造型图案。点圆图案，其图形简单容易分布，利用激光光斑即可制造出点圆形状，设计尺寸为直径和点距。网格图案，通过多点连接标刻出凹下的纵横向直线，主要设计尺寸为线宽和线间距。采用Nd：YAG固体激光器，波长为l060nm，频率为3kHz，设定电流为10A、打标速度为l0mm/s来进行图案造型。研究中增加普通光滑表面(磨削表面)试样和点圆与网格造型的试样来进行摩擦试验比较。使用的摩擦试验设备为数显式万能摩擦磨损试验机MMW-1B，机油为润滑剂，在摩擦环上加载并进行平面弧线运动。
(2)参数优化试验：优选一种图形，改变图案几何参数，同时改变激光参数进行激光造型，再研究何种造型最有益摩擦磨损性能的提高。
2 试验结果与分析
2.1 点圆与网格图案磨损对比试验
文献已证明分布率在10％的造型一般情况下较其它分布率具有更好的摩擦学性能，以10％的分布率为参考标准，调整激光器使圆坑直径为50μm，间距设置为140μm。网格设计以间距100μm作初步研究。摩擦试验中把磨损量和摩擦因数作为主要研究对象，试验测试数据如表1所示。
表1 普通光滑表面、圆型和网格造型表面磨损试验结果对比
根据以上试验数据，再由摩擦试验机的摩擦因数计算式，计算出对应条件下的摩擦因数，结果如图1所示。
图1 3种表面形貌的摩擦因数对比
摩擦环的摩擦磨损试验表明：对试样表面进行激光微观造型后，能有效地减小摩擦，相对光滑试样磨损量下降了63％-74％；在微观造型图案选择时，试验研究表明表面分布率在10％左右时点圆造型具有减磨功能，而网格造型试样在重载时，其摩擦因数随载荷增加变化不大，说明其承载能力更好，具有更好的摩擦学性能。
2.2 不同网格形貌的磨损试验
对于网格的设计分突起网线和凹下网线的网格形式，这2种网格形式对应的表面就是凹下方块(其实即凹下菱形的图案)和突起方块纹理(激光烧蚀出线条)。前者由于激光光斑为微米级圆形，所以制造出精确的锐角图案较困难，故对网格的设计和进一步研究优化应主要对凹下网线的网格来进行，网格线的宽度、深度以及线间距是激光造型图案的主要参数。激光能量是决定标刻微坑的直径和深度的主要因素，所以研究网格线的宽度、深度的问题可以转化为选择激光能量的问题。为此，选择激光能量和网格线间距作为造型图案(微观形貌)设计指标(激光器电流与间距，如100μm 9A)。制造出4种不同参数的网格形貌来进行磨损试验，所得结果如表2所示，计算并绘出摩擦因数曲线，如图2所示。磨损试验中测试了其表面在摩擦前后的表面粗糙度，见表3。nextpage
表2 4种参数网格试验数据
图2 4种环形网格摩擦因数对比
表3 粗糙度值变化表
试验表明，激光加工工艺参数为10 A、网格间距为150μm时，激光标刻出的图案具有较好的抗磨损性能，磨损量最小；当压力超过250N后，其摩擦因数和200μm10 A试样的基本相等。另外表3说明表面光洁度高时(见未造型的光滑表面)在摩擦磨损试验后会被拉毛，而激光处理后表面在磨合一段时间后光洁度会得到提高，当达到正常磨损阶段粗糙度大多为Ra0.5μm。
2.3 不同参数造型的微观形貌比较
通过调整激光加工参数制造的图案，其微观形貌如图3所示。
图3 不同参数网格的形貌
从图3中网格形貌可以看到合适的激光加工参数可以得到清晰光洁、沟槽连续、分布均匀的表面质量，有利于油液的循环流动，从而有利于减小摩擦。
由于摩擦问题的复杂性，以上造型参数与相关性能研究还需深入，但本试验研究可为摩擦副的激光造型工艺提供参考。
3 结论
(1)试验对比了QT600材料光滑表面、圆形和网格形状的激光造型材料的摩擦磨损性能，发现网格造型图案有较好的抗磨损特性和承载性能。
(2)比较了不同激光加工参数和网格几何参数的激光造型表面的形貌和摩擦磨损特性，表明当激光加工参数为10A、网格间距为150μm时，激光造型表面的磨损量较小，而激光加工参数为10A、网格间距为200μm的激光造型表面有利油液流动、摩擦因数较小。
