面接觸摩擦副交叉網(wǎng)紋表面形貌對摩擦特性的影響

劉仕冬， 王 靜， 胡兆穩(wěn)， 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）

表面形貌是指零件在加工過程中因諸多因素綜合作用而殘留于零件表面的各種不同形狀和尺寸的微觀幾何形態(tài)［1］，它不僅直接影響零件的潤滑性、耐磨性、耐腐蝕性、密封性等，而且對零件裝配后設(shè)備的整體工作性能、使用壽命、振動與噪聲有很大影響?，F(xiàn)今微造型表面形貌及其摩擦特性已成為研究人員對三維表面形貌的研究熱點(diǎn)。所謂微造型表面形貌就是對表面形貌進(jìn)行設(shè)計，使用激光、UV光刻、反應(yīng)離子蝕刻等微造型方法在零件表面上加工出一些微小的凹坑、網(wǎng)紋等結(jié)構(gòu)，這些微凹坑、網(wǎng)紋等結(jié)構(gòu)在零件工作時可以儲藏潤滑油、誘捕磨損顆粒、形成動壓潤滑，因而理論上能夠改善零件的摩擦特性。

對于微造型表面形貌的摩擦性能，研究人員分別從實(shí)驗(yàn)和理論2個方面展開了一些研究，有的研究成果已應(yīng)用到機(jī)械密封［2］、止推軸承［3］、發(fā)動機(jī)缸套－活塞環(huán)［4］、金屬成型［5－6］等工程應(yīng)用場合。文獻(xiàn)［7］研究了按一定間距規(guī)則排列的雙曲拋物面凹坑對表面潤滑效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)微造型規(guī)則凹坑尺寸適當(dāng)時，其潤滑效果比未造型的表面有較大提高；文獻(xiàn)［8］研究了多孔密封圈表面激光微造型對機(jī)械密封摩擦學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)多孔密封面激光微造型對改善機(jī)械密封摩擦學(xué)性能和提高密封壽命存在巨大的潛力，表明了激光微造型處理在密封行業(yè)的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)［9］對不同微細(xì)造型幾何形貌對潤滑性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了錐形、圓柱形、球冠形、三角形、六角形、正方形截面等表面微造型形貌對滑動表面摩擦學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)［10］對凹坑表面形貌在面接觸潤滑狀態(tài)下的減阻效果進(jìn)行研究，表明了在凹坑中有氣泡穩(wěn)定存在，并分析了氣泡對承載能力的影響；文獻(xiàn)［11］利用環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了線接觸情況下激光微加工圓形凹坑表面形貌對表面摩擦特性的影響。

由于微造型表面形貌的結(jié)構(gòu)對其摩擦特性的影響很復(fù)雜，相同的表面形貌微結(jié)構(gòu)在不同的條件下對摩擦特性的影響是不同的，因此，本文研究了面接觸情況下交叉網(wǎng)紋表面形貌對摩擦特性的影響，并對大載荷情況下表面發(fā)生塑性變形時，交叉網(wǎng)紋表面對摩擦特性的影響進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其原理示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

實(shí)驗(yàn)時，按圖1所示裝好實(shí)驗(yàn)裝置并加入15W／40CD潤滑油后，讓加載軸向上加載使上、下試件互相壓緊并達(dá)到設(shè)定的載荷，然后上試件在主軸的帶動下轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的摩擦力矩欲帶動裝有下試件的殼體在球軸承上轉(zhuǎn)動。但殼體被扭矩傳感器的銷釘和鋼絲繩圈限制住，從而測出摩擦力矩，再由摩擦力矩?fù)Q算出摩擦系數(shù)，摩擦溫升由溫度傳感器測出。

實(shí)驗(yàn)中的上試件的材料為45＃鋼，其圓環(huán)端面為摩擦面，粗糙度Ra＝0.8μm，圓環(huán)內(nèi)徑為22mm，外徑為30mm。下試件是在其表面上做表面微造型的試件，下試件及其表面微造型如圖2所示。下試件材料為純銅片，厚度為0.8mm，大小為40mm×40mm的正方形，其上網(wǎng)紋參數(shù)設(shè)定如下：網(wǎng) 紋 深 度H＝5.0、12.5μm；網(wǎng) 紋 寬 度B＝50μm；網(wǎng)紋間距S＝0、0.2 、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0mm；網(wǎng)紋交叉所成的角度取為90°。網(wǎng)紋間距為0表示沒有做交叉網(wǎng)紋微造型的下試件，這樣做是為了方便作出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖，以便進(jìn)一步分析。

圖2 下試件及其表面微造型

交叉網(wǎng)紋加工好后，采用1 000＃的金相砂紙磨去表面的金屬銅熔渣。為了一致性，沒有做微造型的銅片表面也要打磨。打磨過后下試件的粗糙度在1.46μm左右。圖3所示為網(wǎng)紋間距為0.2mm、網(wǎng)紋深約5.0μm的表面的二維輪廓圖。

在圖3中，H表示網(wǎng)紋深度；S表示網(wǎng)紋間距。每種參數(shù)組合制備3片下試件，即要重復(fù)做3次實(shí)驗(yàn)以保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次的平均值。

實(shí)驗(yàn)對上述情況下的摩擦系數(shù)和最終摩擦溫升進(jìn)行了測量，磨損量因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時間短只能定性說明。摩擦系數(shù)由測得的摩擦力矩?fù)Q算出來，其換算式如下：

由此得μ＝39 000M／（511F）。其中，μ為摩擦系數(shù)；σ為接觸面單位面積壓力；M為摩擦力矩；F為軸向載荷；r＝11mm、R＝15mm分別為上試件圓環(huán)端面的內(nèi)半徑和外半徑。

本文使用相對較硬的45＃鋼和相對較軟的純銅作摩擦副配對材料，考察面接觸油潤滑的條件下，交叉網(wǎng)紋表面和沒有做交叉網(wǎng)紋微造型表面的摩擦特性的差別，以及考察微造型參數(shù)對摩擦特性的影響，并考察了塑性變形情況下表面形貌對摩擦的影響?？疾斓闹笜?biāo)是摩擦系數(shù)和最終摩擦溫升，對磨損情況只做定性說明。

圖3 網(wǎng)紋間距0.2mm、網(wǎng)紋深約5μm的表面的二維輪廓圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 交叉網(wǎng)紋間距和深度對摩擦的影響

對網(wǎng)紋深約5.0μm和12.5μm，網(wǎng)紋間距為0、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm 的交叉網(wǎng)紋表面形貌在正壓力為0.46MPa和上試件平均線速度為1m／s的條件下，用上述方法進(jìn)行測量，每個試樣的測量時間為20min，每組網(wǎng)紋參數(shù)重復(fù)做3遍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)紋間距和深度對摩擦特性的影響

由圖4a網(wǎng)紋深約5.0μm的曲線可以看出，摩擦系數(shù)μ隨網(wǎng)紋間距的增大呈現(xiàn)先單調(diào)減小后增大的趨勢，并在間距為1.0mm時得到最小值。由圖4b網(wǎng)紋深約5.0μm的曲線可知，摩擦溫升也隨網(wǎng)紋間距的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但存在一些波動，并在網(wǎng)紋間距為0.6mm時出現(xiàn)一個低谷。以上結(jié)論表明了交叉網(wǎng)紋對改善表面的摩擦特性起到積極的作用，并且在網(wǎng)紋間距為1.0mm時得到最小的摩擦系數(shù)和較小的摩擦溫升。這主要是因?yàn)楸砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)的存在改善了接觸區(qū)的潤滑狀態(tài)，當(dāng)上試件轉(zhuǎn)動時存儲在網(wǎng)紋里的潤滑油將產(chǎn)生大量的微動壓潤滑區(qū)，而形成油膜使兩相互接觸表面的部分粗糙峰互相脫離，因而減小了摩擦系數(shù)和摩擦溫升。而沒有做交叉網(wǎng)紋的表面，潤滑油很難在接觸區(qū)里流通，惡化了接觸區(qū)的潤滑狀態(tài)，因而摩擦系數(shù)、摩擦溫升和磨損量均最大。但是，并不是網(wǎng)紋越密即間距越小摩擦特性越好，這是由于交叉網(wǎng)紋把銅表面劃分成了許多正方形小塊，在載荷作用下小塊上的實(shí)際比壓將很大，使小塊發(fā)生了塑性變形，而且網(wǎng)紋越密塑性變形越嚴(yán)重，這將影響到網(wǎng)紋里潤滑油的流動和分布以及網(wǎng)紋對磨損顆粒的捕獲，因而最初摩擦系數(shù)是隨著網(wǎng)紋間距的增大而減小的，摩擦溫升最初也有隨網(wǎng)紋間距的增大而減小的趨勢，但存在波動，表明影響摩擦溫升的因素更復(fù)雜。而網(wǎng)紋間距從1.2mm開始，摩擦系數(shù)和摩擦溫升開始上升，這是因?yàn)榇藭r塑性變形雖然減小了，但網(wǎng)紋間距的增大將使接觸區(qū)的動壓潤滑區(qū)大量減少，使?jié)櫥Ч儾?，所以摩擦系?shù)和摩擦溫升開始上升。因此，在塑性變形下，表面的摩擦特性是受塑性變形和交叉網(wǎng)紋參數(shù)共同影響的。

由圖4a網(wǎng)紋深約12.5μm的曲線可以看出，其摩擦系數(shù)也有隨網(wǎng)紋間距的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但存在一些波動，規(guī)律性不如網(wǎng)紋深約5.0μm的結(jié)果好；其所對應(yīng)的摩擦溫升沒有明顯的規(guī)律，如圖4b網(wǎng)紋深約12.5μm的曲線所示。從圖4a和圖4b還可以看出，2種網(wǎng)紋深度均在網(wǎng)紋間距為1.0mm時取得最小的摩擦系數(shù)，再次表明了1.0mm為最優(yōu)的網(wǎng)紋間距，但網(wǎng)紋深約12.5μm時摩擦系數(shù)和摩擦溫升普遍比網(wǎng)紋深約5.0μm的大。這是由于網(wǎng)紋深度越深動壓效果越不明顯，導(dǎo)致潤滑效果變差造成的。因而網(wǎng)紋深寬比為0.1時摩擦特性較好，對凹坑來說，也是在凹坑深徑比為0.1時摩擦特性最好。所以，在網(wǎng)紋正交情況下，最優(yōu)的微造型參數(shù)為網(wǎng)紋深約5.0μm、網(wǎng)紋寬度為50μm和網(wǎng)紋間距為1.0mm。

2.2 載荷對交叉網(wǎng)紋表面摩擦特性的影響

為探討載荷對交叉網(wǎng)紋表面摩擦特性的影響，對網(wǎng)紋深約5.0μm、間距為1.0mm的交叉網(wǎng)紋表面形貌，在正壓力為0.46、0.77、1.07、1.38、1.68、3.06MPa和上試件平均線速度為1m／s的條件下進(jìn)行測量，每個試樣的測量時間為20min，每組參數(shù)重復(fù)做3遍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 摩擦特性隨載荷的變化

由圖5a可以看出，當(dāng)載荷不大于1.68MPa時，摩擦系數(shù)隨載荷的變化波動較大，而載荷從1.68MPa開始，摩擦系數(shù)變得較穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)載荷不大于1.68MPa時，表面交叉網(wǎng)紋沒有被破壞，網(wǎng)紋對接觸區(qū)潤滑效果的改善作用仍然存在，但存在波動。而載荷大于1.68MPa后，接觸區(qū)的瞬時溫度很高，使銅表面微觀粗糙峰體被軟化而磨平，表面交叉網(wǎng)紋開始被破壞并發(fā)生嚴(yán)重的磨損，潤滑油也被燒焦，因而得到較大且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。這一點(diǎn)可以從圖6看出來，在載荷為3.06MPa時接觸區(qū)已發(fā)生明顯的塑性變形，且接觸區(qū)潤滑油被輕度燒焦，表明接觸區(qū)的瞬時溫度確實(shí)很高，足以軟化銅表面的微觀粗糙峰體。

圖5b則表明摩擦溫升隨著載荷的增大而增大，載荷達(dá)到3.06MPa后，摩擦溫升超過了122℃，再次表明接觸區(qū)的瞬時溫度確實(shí)很高。

因此，對于本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)材料來說，單位面積上的正壓力應(yīng)小于3.06MPa。

圖6 壓力為3.06MPa實(shí)驗(yàn)后的照片

2.3 速度對交叉網(wǎng)紋表面摩擦特性的影響

為探討接觸面相對速度對交叉網(wǎng)紋表面摩擦特性影響，對網(wǎng)紋間距為1.0mm、深約5.0μm的交叉網(wǎng)紋表面，在正壓力為1.68MPa、上試件平均線速度為0.25、0.5、1.0、1.5、2.0m／s的條件下進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)和摩擦溫升隨平均線速度變化的曲線，如圖7所示。

圖7 線速度對摩擦特性的影響

從圖7a可以看出，在油潤滑的情況下，隨著摩擦速度的提高摩擦系數(shù)有下降的趨勢，表明摩擦速度越高接觸區(qū)的動壓效果越好。但從平均線速度為0.5m／s開始，摩擦系數(shù)下降的趨勢變緩，說明單純地提高摩擦速度對減小摩擦系數(shù)意義不大，反而會使摩擦溫升上升得很快，見圖7b。

3 結(jié) 論

（1）在面接觸及油潤滑條件下，交叉網(wǎng)紋表面形貌對改善表面的摩擦特性存在積極的作用，而無交叉網(wǎng)紋微造型的表面的摩擦系數(shù)、摩擦溫升和磨損量均最大。最優(yōu)的網(wǎng)紋微造型參數(shù)為網(wǎng)紋深約5.0μm、網(wǎng)紋寬度50μm及網(wǎng)紋間距為1.0mm，與無微造型的相比，摩擦系數(shù)減小了39%。

（2）對于取最優(yōu)微造型參數(shù)的交叉網(wǎng)紋表面來說，在上述工況條件下，加在其上的單位面積正壓力應(yīng)小于3.06MPa，否則由于溫度升高，接觸區(qū)的潤滑油將被嚴(yán)重?zé)苟?，交叉網(wǎng)紋表面也因發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形而被破壞并發(fā)生嚴(yán)重的磨損。

（3）提高摩擦速度對減小摩擦系數(shù)有利，但減小的幅度很小，因而單純地提高摩擦速度對減小摩擦系數(shù)意義不大，反而會使摩擦溫度上升得更快。

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