[发明专利]一种非对称的复杂形状表面微织构的制备方法

说明书

本发明专利公开了一种复杂的非对称表面微织构的制备方法，过程包括：1)用计算机三维建模软件建立起具有复杂的非对称表面微织构的零件的三维模型；2)准备①金属粉末，②非金属材料；3)将三维模型导入到3D打印机中；4)设置3D打印机速度、层厚、温度、填充率等关键参数；5)将打印好的零件取出，进行表面处理；6)对表面处理后的机械零部件进行超声波清洗。本发明与激光加工、表面喷丸处理、反应离子刻蚀和机械加工等表面织构加工技术相比，也可以实现几十到几百微米的精度；与传统加工方法相比，可以较为精准的控制加工表面织构的形貌，工艺使用范围广，控制灵活，可加工复杂的非对称形貌的表面织构。

技术领域

本发明属于表面微织构制备方法技术领域，涉及一种非对称的复杂形状表面微织构的制备方法。

背景技术

在机械零部件、装备和系统中，其相互接触的表面间的摩擦磨损行为直接影响整个设备或系统的服役寿命、工作效率、承载能力和安全系数。据统计，约80％零件损坏和40％能量损失是由各种形式的摩擦磨损引起的，机械零部件每年因摩擦磨损直接造成的经济损失达数千亿元。传统摩擦学认为，相互接触的两个摩擦表面越光滑，摩擦磨损越小，但随着众多学者的深入研究，发现具有非光滑形态的纹理表面反而表现出更好的摩擦学性能。表面织构技术作为改善摩擦副表面摩擦学性能的一种有效手段已经被证实，进而被广泛应用在机械密封、缸套-活塞系统、轴承、刀具及模具等生产制造中。目前研究的表面织构形貌主要有方形凹坑、圆形凹坑、平行凹坑、交叉网状等，这些织构形貌都是规则的对称的表面织构，还有一些非对称的表面织构，即深度不对称的表面织构相比规则的对称的表面织构拥有更好的承载力以及减摩抗磨效果。

随着表面织构技术在机械领域得到广泛应用，表面织构的制备方法也越来越受到重视，目前主要的制备方法包括激光表面加工技术、表面激光喷丸、LIGA技术、压印压刻技术、反应离子刻蚀技术、电解质加工技术、电火花加工、电加工技术等。其中表面激光喷丸技术的控制困难，表面强化的应用较多；LIGA技术加工工程复杂；反应离子刻蚀技术在加工过程中需要辅助装置或特殊环境；压印技术工艺复杂且成本高；电火花加工技术消耗大、成本高；电子束刻蚀技术需要真空装置且成本高；机械刻蚀技术由于噪声和灰尘造成的污染大；激光表面加工技术虽然有加工速度快，应用材料范围广，精度高，对环境无污染以及优良的形状控制能力等优点，但无法表面织构的深度进行精确控制。

传统的表面织构加工技术存在许多局限，为解决目前复杂的非对称表面织构制备困难的难题，满足机械摩擦领域技术要求以及规模化的工程市场需求，基于此，本发明提出了一种可以制备复杂的非对称的表面织构加工方法，以满足应用之需。

发明内容

本发明是将计算机三维建模软件与3D打印机结合，通过建立复杂的三维模型，直接打印出具有复杂形貌表面织构的机械零部件。本发明的目的在于提供一种操作简便，成本低的表面织构制备方法，解决现有微织构复杂形状加工困难、成本高的问题，将进一步对非对称表面织构在摩擦领域提供理论支持以及实际工业中提供实践应用。

仿真结果和试验论证均发现，非对称表面织构相比对称表面织构拥有更好的润滑性能，并且与运动速度无关。非对称表面织构在润滑油膜承载力方向拥有更大油膜承载力，这无疑也将促进摩擦副间的减摩抗磨作用，提高摩擦副的使用效率和使用寿命。研究者经过仿真优化计算发现，非对称的楔形三角表面织构和非对称的楔形圆形表面织构相比对称的表面三角形织构和表面圆形织构具有更优秀的油膜承载力。

为达到上述目的，本发明的技术方案为一种非对称的复杂形状表面织构的制备方法，过程包括以下步骤：

1)首先用计算机三维建模软件Solidworks(AutoCAD、CATIA、UG、Pro/E等)建立起具有复杂的非对称表面微织构的零件的三维模型，将文件保存为STL或STEP格式；

2)准备①具有多边形等轴晶粒、球状晶粒或均匀不规则形状合成的金属粉末，该金属粉末必须拥有良好的物理性能和化学性能；②非金属材料通常指工程塑料和生物塑料、树脂和尼龙类材料；