微凹坑形狀對試件表面摩擦特性的影響*

于海武 袁思?xì)g 孫造 王曉雷

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016)

減小機械系統(tǒng)運動部件的摩擦磨損對提高其承載能力和服役壽命至關(guān)重要.近半個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們在減摩及耐磨材料、表面鍍層、潤滑油和減摩添加劑方面開展了大量研究，并取得了巨大進(jìn)展.但相對而言，摩擦副表面的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍是一個薄弱環(huán)節(jié)［1］.理論研究和大量的工程實踐表明，摩擦副表面并非越光滑越好，具有一定的表面粗糙度或紋理反而有利于潤滑油膜的形成，從而降低摩擦磨損.

近年來，表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)領(lǐng)域以其優(yōu)異的能夠減少摩擦、減小磨損和提高承載力等特性，受到了國內(nèi)外摩擦學(xué)工作者的廣泛關(guān)注［1-3］.目前，人們對表面織構(gòu)如何提高摩擦學(xué)性能的機理的認(rèn)識為:在富油潤滑條件或混合潤滑條件下，微坑或微溝槽可以充當(dāng)微小流體動壓潤滑軸承，從而產(chǎn)生附加流體動壓力［4］;在貧油潤滑條件下，微坑或微溝槽作為微儲油池向摩擦副表面提供潤滑油［5］;同時，微坑或微溝槽可以容納磨粒，從而降低由于磨粒產(chǎn)生的高磨損［6］.

表面織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是表面織構(gòu)技術(shù)的重要組成部分.近年來，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了大量的理論和試驗研究［1-3，7-9］.研究結(jié)果表明，選擇合適的表面織構(gòu)幾何參數(shù)(深度、直徑、面積率)可以使織構(gòu)化表面達(dá)到最優(yōu)的摩擦學(xué)性能.然而，這些研究還主要集中在單一的圓形微凹坑表面織構(gòu)上，對不同形狀的微凹坑表面織構(gòu)的研究還相對少見.文獻(xiàn)［10］中利用數(shù)值方法研究了具有不同形狀的微凹坑表面織構(gòu)對其摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同的微凹坑形狀對織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能具有不同的影響，在其所研究的幾種微凹坑形狀中，橢圓形微凹坑體現(xiàn)了最優(yōu)的潤滑性能.文中將利用往復(fù)式摩擦磨損試驗機，分別選取微凹坑形狀為圓形、正方形和橢圓形的3種表面織構(gòu)進(jìn)行研究，以期獲得微凹坑形狀對織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)的研究工作及工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗部分

1.1 試驗裝置與試件制備

試驗在自制往復(fù)式摩擦磨損試驗機上進(jìn)行，試驗機結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.該試驗機利用曲柄滑塊機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復(fù)運動.在試驗過程中，摩擦力由傳感器測得，并由多功能數(shù)據(jù)采集卡實時采集.

試件接觸條件如圖1(b)所示.上試件摩擦面在載荷作用下與下試件面接觸.上試件由夾具夾持固定，夾具限制了上試件在Z軸方向的轉(zhuǎn)動，并使得上試件與下試件的摩擦面能自動配合.下試件進(jìn)行往復(fù)運動，運動速度為v，往復(fù)行程為80mm.上下試件均采用硼銅合金鑄鐵材料，為保證材料的質(zhì)量，利用線切割方法取自真實發(fā)動機缸套，材料硬度為HB240～290.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

為研究微凹坑形狀對潤滑性能的影響，分別在上試件摩擦面上加工出由圓形、正方形和橢圓形微凹坑組成的點陣，加工流程為:(1)清潔試件表面;(2)利用甩膠機在試件表面涂覆光刻膠(負(fù)膠);(3)利用紫外光對涂覆光刻膠的表面進(jìn)行曝光;(4)利用顯影液去除未被曝光的光刻膠;(5)利用電解法去除材料;(6)去除光刻膠，得到具有織構(gòu)化表面的試件.通過上述方法可獲得具有不同微凹坑形狀的織構(gòu)化表面試件.沒有進(jìn)行加工的試件為無織構(gòu)試件，作為研究表面織構(gòu)潤滑性能的參照，其摩擦面的表面粗糙度Ra為0.4～0.5 μm.其它織構(gòu)化試件均采用與無織構(gòu)試件一樣的母試件制作.圖2-4所示為試件加工后的表面微凹坑陣列形貌及對應(yīng)的單個微凹坑的剖面.

1.2 試驗設(shè)計

圖2 圓形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.2 Topography of circular micro-dimple array and section profile of single dimple

圖3 正方形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.3 Topography of square micro-dimple array and section profile of single dimple

如表1所示，在固定單個微凹坑面積及深度的條件下，每種形狀的微凹坑分別安排了3或4種不同的表面織構(gòu)密度.試驗分別在200和400 N載荷條件下進(jìn)行，每種形狀微凹坑在同一面積率下對應(yīng)6 種轉(zhuǎn)速，分別為50、100、200、300、400 和500r/min，對應(yīng)的下試件往復(fù)運動速度方向垂直于橢圓形微凹坑的長軸或垂直于正方形微凹坑的兩個對邊.

圖4 橢圓形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.4 Topography of elliptic micro-dimple array and section profile of single dimple

表1 表面織構(gòu)特征Table 1 Features of surface texture

試驗均在富油條件下進(jìn)行，所選潤滑劑為長城牌柴油機油，其牌號為CD15W-40.實驗步驟為:(1)為保證富油條件，在上下試件間滴入充分的潤滑油;(2)利用砝碼在上試件上施加試驗載荷;(3)在相應(yīng)速度下跑合10min后每隔10ms記錄一次摩擦系數(shù)值，取整個記錄過程平均值作為該速度所對應(yīng)的摩擦系數(shù);(4)每種速度下重復(fù)試驗兩次，結(jié)果取平均值.

2 實驗結(jié)果與分析

由于往復(fù)運動過程中速度的大小和方向是隨時間變化的，所以在試驗過程中所測得的摩擦系數(shù)是呈周期性規(guī)律變化的.圖5所示為面積率 r為10.4%的圓形微凹坑織構(gòu)化表面在100r/min時，一個往復(fù)運動周期內(nèi)摩擦系數(shù)的變化曲線.為簡化研究，在后續(xù)的試驗中所取的摩擦系數(shù)為數(shù)據(jù)記錄時間段內(nèi)的平均摩擦系數(shù).其計算方法為:首先取記錄時間內(nèi)所有摩擦系數(shù)值的絕對值，然后對這些數(shù)值進(jìn)行平均化處理，它反映了一個往復(fù)運動周期內(nèi)摩擦系數(shù)的平均值.

圖5 一個往復(fù)運動周期內(nèi)的摩擦系數(shù)變化Fig.5 Change of friction coefficient in a reciprocating motion cycle

圖6所示為具有不同面積率r的圓形微凹坑織構(gòu)化表面在兩種載荷條件下的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖6中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，所有織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)均有所下降.無論有無織構(gòu)，摩擦系數(shù)隨速度的下降率幾乎都相同，顯示出對于所有表面，速度的影響程度沒有明顯區(qū)別.

圖6 圓形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦特性曲線Fig.6 Friction characteristic curves of surfaces textured by circular micro-dimples

由圖6還可以看出，在載荷為200 N時，與無織構(gòu)表面相比，微凹坑面積率為10.4%的表面在每種速度條件下的摩擦系數(shù)都相對較小，表現(xiàn)出了一定的減摩效果.在速度為500 r/min時，摩擦系數(shù)降低達(dá)11%.然而，當(dāng)載荷增大到400 N時，這種減摩效果明顯減弱，所有面積率下的織構(gòu)化表面的減摩及增摩效果都不明顯.

圖7所示為具有不同面積率r的正方形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖7中可以看出，在兩種載荷條件下，與無織構(gòu)表面相比，微凹坑面積率為10.4%和15.5%的表面都表現(xiàn)出了明顯的減摩效果，而以微凹坑面積率為15.5%的表面的減摩效果最佳，在載荷200 N、轉(zhuǎn)速400 r/min時，摩擦系數(shù)降低可達(dá)14.8%.而當(dāng)載荷為400 N時，兩種面積率的織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)降低程度都有所減弱.微凹坑面積率為22.9%的表面，無論哪種載荷條件，在所有速度條件下都具有一定的增加摩擦的效果.

圖7 正方形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦特性曲線Fig.7 Friction characteristic curves of surfaces textured by square micro-dimples

圖8所示為具有不同面積率r的橢圓形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.在載荷為200N時，圖8中顯示的3種微凹坑面積率下的表面與無織構(gòu)表面相比都具有一定的減摩效果，而微凹坑面積率為10.4%的表面的減摩效果表現(xiàn)最為明顯，在轉(zhuǎn)速為400 r/min時，摩擦系數(shù)減小達(dá)26.3%.隨著載荷增大到400 N，這種減摩效果仍然存在，但在程度上有所減弱.

圖8 橢圓形微凹坑織構(gòu)化表面摩擦特性曲線Fig.8 Friction characteristic curves of surfaces textured by elliptic micro-dimples

綜合圖6-8可以得出:在微凹坑面積及深度不變的情況下，無論哪種形狀的微凹坑表面織構(gòu)，都存在一個最優(yōu)的面積率使摩擦副的摩擦面達(dá)到最佳的減摩效果，且在兩種載荷條件下，這個最優(yōu)的面積率保持不變.

為進(jìn)一步探討微凹坑形狀對表面摩擦學(xué)性能的影響，選擇上述3種形狀下減摩效果最佳的面積率，將3種形狀凹坑的最優(yōu)減摩效果做對比.如圖9所示，縱坐標(biāo)所示減摩率為相應(yīng)速度下無織構(gòu)表面摩擦系數(shù)與織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)的差值與無織構(gòu)表面摩擦系數(shù)的比值.從圖9中可以看出，在兩種載荷條件下，橢圓形微凹坑表面織構(gòu)都表現(xiàn)出了最優(yōu)的減摩效果，其次為正方形微凹坑表面織構(gòu)，再次是圓形微凹坑表面織構(gòu).產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于在單凹坑面積相同的條件下，橢圓形微凹坑具有最寬的收斂楔，使得產(chǎn)生油膜壓力更加容易，從而減少摩擦面間的直接接觸.這說明，微凹坑形狀對表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能具有一定的影響，選擇合適的微凹坑形狀可以進(jìn)一步優(yōu)化表面的摩擦學(xué)性能.然而，隨著載荷的增大，每種形狀的微凹坑表面織構(gòu)的減摩效果都有所減弱，顯示出在高載荷條件下利用表面織構(gòu)降低摩擦的難度要高于低載荷條件.

圖9 3種形狀微凹坑的最優(yōu)減摩效果的比較Fig.9 Comparison of optimum friction reduction by micro-dimples with three different shapes

3 結(jié)論

文中分別研究了圓形、正方形和橢圓形微凹坑對表面織構(gòu)潤滑性能的影響，得到如下結(jié)論:

(1)在微凹坑面積及深度不變的情況下，每種形狀的微凹坑都能在某一面積率下使得表面摩擦系數(shù)最低，在本研究的范圍內(nèi)圓形微凹坑的最佳面積率為10.4%，正方形微凹坑的為15.5%，橢圓形微凹坑的為10.4%;

(2)不同的微凹坑形狀對表面的摩擦學(xué)性能具有很大的影響，在所研究的3種微凹坑形狀中，橢圓形微凹坑表現(xiàn)出了最優(yōu)的減摩效果，其次是正方形微凹坑，再次是圓形微凹坑.

(3)隨著載荷的增大，3種形狀的微凹坑的減摩效果都有所減弱，顯示出在高載荷條件下利用表面織構(gòu)降低摩擦的難度要高于低載荷條件.

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