激光微加工凹坑表面的表征及摩擦特性研究

李 兵， 胡兆穩(wěn)， 王 靜， 王 偉， 劉小君

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

激光微造型技術(shù)可精確控制加工機(jī)械零部件摩擦副表面，形成起到動(dòng)壓潤(rùn)滑、儲(chǔ)存潤(rùn)滑油以及收集磨屑作用的微觀幾何形貌，從而改善摩擦副表面的摩擦學(xué)特性和潤(rùn)滑效果［1］。研究人員對(duì)表面的激光微造型技術(shù)展開了大量的研究：文獻(xiàn)［2－3］研究了激光微造型缸套對(duì)柴油機(jī)的摩擦學(xué)性能、機(jī)油消耗率和密封性能的影響；文獻(xiàn)［4］研究了激光微造型的幾何參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響；文獻(xiàn)［5］對(duì)不同激光微造型圖案的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［6］在線接觸摩擦副下考察了激光微加工獲得規(guī)則凹坑表面形貌對(duì)摩擦特性的影響；文獻(xiàn)［7－8］研究了激光微造型凹坑面積占有率對(duì)表面的摩擦性能的影響；文獻(xiàn)［9－10］研究了激光微造型凹坑深度對(duì)表面的摩擦性能的影響。上述研究側(cè)重于激光微造型圖案的形狀分布和特征參數(shù)的尺寸優(yōu)化上，而表面形貌設(shè)計(jì)需要以面向功能的表面表征為基礎(chǔ)，表面表征參數(shù)與摩擦學(xué)特性之間的相關(guān)性研究能夠?qū)Ρ砻嫘蚊驳脑O(shè)計(jì)與控制提供很大的指導(dǎo)作用。文獻(xiàn)［11－12］對(duì)二維表征參數(shù)和摩擦學(xué)特性之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究。本文在線接觸滑滾條件下進(jìn)行了激光微造型試樣的摩擦實(shí)驗(yàn)，并對(duì)激光微造型表面進(jìn)行了三維表征，研究了微凹坑深徑比、面積占有率相同時(shí)，三維表面形貌參數(shù)的變化情況；探討了三維表面形貌表征參數(shù)和摩擦學(xué)特性的關(guān)系。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 摩擦試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為JPM－1型雙盤接觸疲勞磨損試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，主軸電機(jī)經(jīng)前軸帶動(dòng)下試樣1旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，通過變速箱后軸及掛輪3、4嚙合帶動(dòng)上試樣2旋轉(zhuǎn)。更換掛輪，上下試樣便會(huì)以不同的滑滾比相對(duì)滑滾運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)對(duì)彈簧加載系統(tǒng)施力實(shí)現(xiàn)載荷加載，主電機(jī)轉(zhuǎn)速由西門子MICROMASTER440型變頻器控制。扭矩傳感器5通過聯(lián)軸器和調(diào)整座連接固定于變速箱與主軸箱之間，測(cè)量下試樣的扭矩值。

摩擦系數(shù)計(jì)算公式為：

其中，M為摩擦力矩傳感器實(shí)測(cè)力矩；P為外界載荷；D下為下試樣直徑。本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃，潤(rùn)滑油選用L－HL46液壓油，實(shí)測(cè)40℃運(yùn)動(dòng)黏度γ＝41.5mm／s2。

圖1 JPM－1型雙盤疲勞磨損試驗(yàn)機(jī)原理示意圖

1.2 試樣的表面形貌設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)中用到的上下試件為完全相同的金屬圓盤，試樣尺寸為Φ60mm×20mm，材料選用彈性模量較高的40Cr，硬度為HRC40～50；并將試樣外圓周表面拋光至表面粗糙度為0.4μm，其尺寸精度和形位精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，故要求外圓周面的同軸度為0.005mm以內(nèi)。從文獻(xiàn)［8－9］可以發(fā)現(xiàn)，凹坑較淺時(shí)，有利于彈流潤(rùn)滑；凹坑面積占有率為5%～20%時(shí)，潤(rùn)滑效果較好。初步設(shè)計(jì)凹坑面積占有率為14%，凹坑深徑比為0.08。5個(gè)試樣的主要參數(shù)見表1所列。表1中，D為凹坑直徑，S為凹坑間距，H為凹坑深度。

表1 激光微加工控制制造參數(shù) μm

1.3 試件的表面微加工

試樣圓周表面微凹坑的加工采用YLP－F10激光打標(biāo)機(jī)，加工時(shí)把整個(gè)圓柱面沿著母線方向分割成若干個(gè)完全相同的圓弧曲面，將每個(gè)曲面近似等效為一個(gè)平面，每次僅加工一個(gè)圓弧曲面，然后旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，便可對(duì)整個(gè)圓周表面進(jìn)行激光微加工。激光輸出功率設(shè)為3W，激光波長(zhǎng)1.06μm，激光重復(fù)頻率20kHz，打標(biāo)速度設(shè)為250mm／s，打標(biāo)次數(shù)設(shè)置為3～12次；標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)置為每次發(fā)送80個(gè)脈沖。激光加工完成后，首先用粒度為600＃的金相砂紙沿微造型試樣的圓周方向打磨，然后使用粒度為1 200＃的金相砂紙?jiān)俅螔伖?，去除激光微加工產(chǎn)生的毛刺凸緣；最后所有試件均用丙酮超聲清洗10min。

1.4 試樣的表面三維掃描

在加工試件過程中，使用 Talyor－Hobson－6型輪廓儀和電子顯微鏡成像系統(tǒng)，測(cè)量凹坑的深度、直徑、間距，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整激光打標(biāo)機(jī)的參數(shù)，達(dá)到精確控制凹坑尺寸的目的。試件清理之后，使用Talysurf CCI Lite非接觸式三維光學(xué)輪廓儀對(duì)試樣進(jìn)行三維表面掃描，部分掃描圖像如圖2所示。

圖2 試樣D80表面形貌掃描圖像

采用Talysurf CCI Lite非接觸式三維光學(xué)輪廓儀測(cè)得ISO25178三維表征參數(shù)，見表2所列。

表2 激光微造型試樣表面三維表征參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三維表面形貌表征參數(shù)變化分析

規(guī)則激光微造型三維表征參數(shù)與凹坑直徑的關(guān)系如圖3所示。

圖3a為保持凹坑面積占有率和深徑比相同的條件下，表面高度算術(shù)平均偏差Sa與凹坑直徑關(guān)系圖，忽略測(cè)量誤差，總體來說，表面高度算術(shù)平均偏差Sa隨著凹坑直徑的增大而增大。圖3b為波峰極限高度Sxp與凹坑直徑關(guān)系圖，波峰極限高度Sxp就是指承載率分別為p＝50%和q＝97.5%對(duì)應(yīng)的承載面高度的差值。隨著凹坑直徑的增大，波峰極限高度Sxp變化的總體趨勢(shì)是增大的，并在凹坑直徑D＝110μm處出現(xiàn)一個(gè)波峰。圖3c為平均谷面積Sda與凹坑直徑關(guān)系圖，平均谷面積Sda的值隨著凹坑直徑的增大而先增大后減小，并在凹坑直徑D＝80～110μm處取極大值。圖3d為平均谷體積Sdv與凹坑直徑關(guān)系圖，平均谷體積Sdv隨著凹坑直徑的增大先增大后減小，并在凹坑直徑D＝110μm處達(dá)到峰值。

綜合圖3可見，凹坑面積占有率和深徑比相同的條件下，三維表征參數(shù)Sa、Sxp、Sda、Sdv的值和凹坑直徑具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖3 規(guī)則激光微造型三維表征參數(shù)與凹坑直徑關(guān)系

2.2 激光微造型表面摩擦特性分析

2.2.1 載荷的影響

保持下試樣轉(zhuǎn)速為400r／min，滑滾比為10%不變，依次按照800、1 600、2 400、4 000、5 600、7 200N的順序?qū)υ嚇蛹虞d，最大赫茲接觸壓力可根據(jù)赫茲接觸應(yīng)力公式算得，分別為：0.338 9、0.479 3、0.587 0、0.757 8、0.896 6、1.016 7GPa。5組激光微造型試樣摩擦系數(shù)隨載荷的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 載荷－摩擦系數(shù)關(guān)系

由圖4可見：五組不同凹坑直徑試樣的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)相同，均隨著載荷的增大而不斷減??；載荷較小時(shí)，摩擦系數(shù)減小幅度較大；當(dāng)載荷增大到5 600N之后，摩擦系數(shù)幾乎不再改變。這是因?yàn)槟Σ粮睂?shí)際接觸面積增大，潤(rùn)滑油黏度也增大，接觸區(qū)域面積的增大和潤(rùn)滑油黏度的增大都有利于形成潤(rùn)滑油膜。

2.2.2 轉(zhuǎn)速的影響

保持載荷為1 600N，滑滾比為30%不變，研究轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響。轉(zhuǎn)速逐級(jí)增加4次，每次增加200r／min，微造型試樣的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速－摩擦系數(shù)關(guān)系

由圖5可知：不同凹坑直徑微造型試樣的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加基本呈線性增大；轉(zhuǎn)速較小時(shí)，凹坑直徑大小對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響不明顯；轉(zhuǎn)速較大時(shí)，不同尺寸凹坑直徑的試樣的摩擦系數(shù)差別較大。這說明動(dòng)壓效果和轉(zhuǎn)速呈正比，轉(zhuǎn)速越高，不同直徑凹坑的摩擦特性差別越大。整個(gè)試驗(yàn)過程中，凹坑直徑D＝110μm試樣的摩擦系數(shù)較小。

2.2.3 滑滾比的影響

保持載荷為800N，轉(zhuǎn)速為200r／min不變，考察滑滾比對(duì)微造型試樣摩擦特性的影響，如圖6所示。由圖6可知：滑滾比為10%時(shí)，試樣D50摩擦系數(shù)較小，D170摩擦系數(shù)最大；滑滾比為20%時(shí)，不同試樣的摩擦系數(shù)差別不大，滑滾比為30%時(shí)，不同試樣的摩擦系數(shù)和滑滾比為10%試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)相反，凹坑直徑較小，摩擦系數(shù)較大；凹坑直徑較大，摩擦系數(shù)較小。

圖6 滑滾比－摩擦系數(shù)關(guān)系

2.2.4 凹坑直徑的影響

保持載荷為800N，滑滾比為30%不變，考察凹坑直徑的大小對(duì)微造型試樣摩擦特性的影響，如圖7所示。

圖7 凹坑直徑－摩擦系數(shù)關(guān)系

由圖7可知，凹坑直徑50μm＜D＜140μm，摩擦系數(shù)先減小后增大，并在凹坑直徑取80μm和110μm時(shí)，摩擦系數(shù)較小，此時(shí)，微造型試樣的摩擦學(xué)特性較好。這說明凹坑直徑取80μm＜D＜110μm時(shí)，微凹坑的動(dòng)壓潤(rùn)滑效果較好，能夠有效地增加線接觸彈流潤(rùn)滑的油膜厚度，可用來提高線接觸條件下的潤(rùn)滑效果。

2.2.5Sa的影響

表面高度算術(shù)平均偏差Sa和機(jī)械零部件的初始磨損量有關(guān)，保持載荷為800N，滑滾比為10%，Sa與摩擦系數(shù)關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，隨著Sa的增大，摩擦系數(shù)成一個(gè)傾斜的 W型，摩擦系數(shù)在Sa＝0.772μm 時(shí)最小。Sa＝0.845 3μm時(shí)，摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)再次發(fā)生改變，先減小，后增大。對(duì)照?qǐng)D3a，圖8具有相同的變化趨勢(shì)，說明Sa和微造型試樣的摩擦學(xué)特性具有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖8 Sa－摩擦系數(shù)關(guān)系圖

2.2.6Sxp的影響

Sxp表現(xiàn)了對(duì)表面的摩擦學(xué)性能起主要作用的區(qū)域的高度。保持載荷為800N，滑滾比為10%不變，Sxp－摩擦系數(shù)關(guān)系如圖9所示。

圖9 Sxp－摩擦系數(shù)關(guān)系

由圖9可知，Sxp＜2.233μm時(shí)，μ隨Sxp的增大而增大，隨后開始下降，至Sxp＝2.256μm拐點(diǎn)處，摩擦系數(shù)再次增大。Sxp＝2.256μm和凹坑直徑D＝110μm相對(duì)應(yīng)，故Sxp和微造型試樣的摩擦學(xué)特性具有一定的關(guān)聯(lián)性。

2.2.7Sda的影響

保持載荷為800N，滑滾比為30%時(shí)摩擦系數(shù)隨平均谷面積Sda的關(guān)系，如圖10所示。由圖10可知：隨著Sda增大，摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)明顯，先增大，后減??；Sda＝0.241 5mm2時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。對(duì)照?qǐng)D3c，兩者的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)相同，說明Sda與微造型試樣的摩擦學(xué)特性具有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖10 Sda－摩擦系數(shù)關(guān)系

2.2.8Sdv的影響

保持載荷為800N、滑滾比為30%時(shí)，摩擦系數(shù)隨Sdv值變化的趨勢(shì)，如圖11所示。由圖11可知，Sdv較小時(shí)，摩擦系數(shù)最大，然后摩擦系數(shù)隨著Sdv的增大而急劇減小，至Sdv＞1.12×10－7mm3后，摩擦系數(shù)幾乎保持不變。Sdv＝3.8×10－7mm3時(shí)，對(duì)應(yīng)著凹坑直徑D＝110μm的試樣，摩擦系數(shù)最??；說明平均谷體積Sdv較大時(shí)，摩擦副之間能夠容納較多的潤(rùn)滑油，生成較厚的潤(rùn)滑油膜，故潤(rùn)滑效果較好。Sdv與試樣的摩擦特性關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

圖11 Sdv－摩擦系數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和制造了5組凹坑面積占有率均為14%、深徑比均為0.08的微造型表面，并對(duì)其進(jìn)行了三維表征。在JPM－1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其摩擦特性進(jìn)行了研究，探討了表面形貌及其結(jié)構(gòu)特性對(duì)線接觸下的摩擦特性的影響，結(jié)論如下。

（1）不同微造型表面的試樣的摩擦系數(shù)隨著載荷或轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)相同。

（2）滑滾比對(duì)不同凹坑尺寸的試樣的影響不同，滑滾比較小時(shí)，摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)隨著凹坑直徑增大而增大；滑滾比較大時(shí)，結(jié)果則相反。

（3）得到特定工況下部分三維表征參數(shù)與摩擦特性之間的聯(lián)系，可為表征表面功能特性提供依據(jù)。

（4）線接觸滑滾條件下，凹坑直徑D＝110μm的試樣具有良好的減摩特性。

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