激光微造型尺寸對滑動軸承表面摩擦特性的影響

權(quán)秀敏，　范培珍，　黃紅兵，　韓世萍

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機電工程學(xué)院， 安徽 六安 237158)

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激光微造型尺寸對滑動軸承表面摩擦特性的影響

權(quán)秀敏，范培珍，黃紅兵，韓世萍

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機電工程學(xué)院， 安徽 六安 237158)

為了研究表面微造型對滑動軸承摩擦特性的影響，設(shè)計和制造了4組表面微造型尺寸不同的滑動軸承軸頸表面形貌。使用三維光學(xué)輪廓儀對微造型試件表面形貌進行掃描及測量，采用ISO25178定義的表面形貌參數(shù)對軸頸表面形貌進行表征。采用改造的摩擦試驗機進行摩擦磨損試驗，研究了表面形貌參數(shù)與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：摩擦系數(shù)、摩擦副磨損量均隨著表面微造型尺寸的增大先減小后增大，在微造型尺寸為160 μm時最小。摩擦系數(shù)隨著表面偏態(tài)增大而增大，隨著表面谷處平均空體體積增大先減小后增大，隨著封閉山峰體積的增大先增大后減小。

微造型；滑動軸承；表面形貌參數(shù)；摩擦特性

滑動軸承是起著承受力和傳遞運動作用的重要機械元件，主要由軸頸和軸瓦構(gòu)成，被譽為機械裝備的“關(guān)節(jié)”。軸頸的表面性能對滑動軸承的可靠安全運行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而軸頸和軸瓦接觸表面間發(fā)生的摩擦磨損是其失效的主要原因，因而研究滑動軸承的摩擦接觸具有實際意義[1-2]。為降低表面的摩擦磨損，傳統(tǒng)途徑是通過改善表面的加工精度來改善，但對摩擦副表面間摩擦學(xué)性能的作用較為有限。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，表面工程技術(shù)成為了改善摩擦副摩擦學(xué)性能的重要途徑，激光表面微造型技術(shù)就是表面工程技術(shù)中的一種，它是在摩擦副表面通過激光加工技術(shù)加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案來降低摩擦磨損的方法，具有易控制、對環(huán)境無污染、加工質(zhì)量穩(wěn)定及應(yīng)用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點得到廣泛關(guān)注[3-8]。研究表明[9-14]：不同密度和不同深度的表面微造型減磨效果不同，表面微造型在改善摩擦副的摩擦學(xué)性能方面起到了積極的作用。然而，激光微造型表面的研究基本局限在微凹坑的形狀分布和特征參數(shù)的尺寸優(yōu)化上，但由于表面形貌的復(fù)雜性，表面形貌及與表面摩擦學(xué)特性的關(guān)系還有待進一步研究。本文通過控制微造型尺寸，采用激光技術(shù)制備了4組具有相同表面算術(shù)平均偏差Sa、深度及面積占有率的微造型試樣，研究了不同激光微造型尺寸的摩擦副表面的摩擦學(xué)特性，結(jié)合測量獲得的ISO25178三維表面表征參數(shù)[15](表面偏態(tài)Ssk、表面谷處平均空體體積Vvv和封閉山峰體積Shv)對表面形貌特性進行表征，探討ISO25178三維表面表征參數(shù)Ssk、Vvv和Shv與表面摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)性。

1　試驗材料與步驟

1.1試驗材料

試驗所用滑動軸承軸頸與軸瓦試件的基材均為45鋼，尺寸為Φ50 mm×35 mm，滑動軸承軸瓦里襯材料為Cu，試件表面原始粗糙度為0.4 μm，在HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計上測試軸頸表面的硬度為HRC 48-53。試驗所使用的潤滑油為L-HL46液壓油，滴油速度為0.5滴/s，其理化性能見表1，試驗環(huán)境溫度為20 ℃。

表1　潤滑油的理化性能

1.2表面紋理設(shè)計及加工

微造型在滑動軸承軸頸試件圓周表面被加工，軸頸圓周面沿母線方向分割成20個相同的圓弧曲面。微造型的形狀為三角形，所加工微造型成環(huán)形矩形陣列。為了分析表面形貌結(jié)構(gòu)特性，研究中采用保持三角形造型不變，通過調(diào)整微造型尺寸來保證試件在一定的取樣長度范圍內(nèi)具有相同的表面算術(shù)平均偏差Sa。微造型的參數(shù)及分布見表2和圖1。

表2　微造型的參數(shù)

圖1　微造型分布圖

試驗采用Nd：YAG YLP-F10激光打標(biāo)系統(tǒng)配合E-RSC-100標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)工作臺對軸頸表面進行微造型加工，激光器波長為1.06 μm，輸出功率為10.0 W，激光重復(fù)頻率為20～100 kHz。通過調(diào)節(jié)激光輸出功率、打標(biāo)次數(shù)、打標(biāo)速度來實現(xiàn)對微造型深度和形狀的精確控制。本次試驗中將激光輸出功率設(shè)為3.0 W，脈沖持續(xù)時間為100 ns，單脈沖能量為1 mJ，脈沖頻率為50 kHz。激光造型完成后，依次使用600#、1200#、1600#金相砂紙沿試件圓周方向打磨，去除微造型周圍堆積的廢除材料和毛刺。處理的過程中要借助HT-SURF10000型二維輪廓儀及電子顯微鏡對表面進行測量和觀察，直到微造型邊緣表面和基面在一個平面上。然后所有試件均用丙酮超聲清洗10 min。圖2所示為邊長160 μm的等邊三角形微造型表面的二維輪廓圖。

1.3摩擦磨損試驗

使用改裝的MPV-1500摩擦試驗機，對軸頸表面微造型的滑動軸承試件進行試驗。經(jīng)過改造，本試驗機具備了摩擦力矩、摩擦因數(shù)測量功能。軸頸和軸瓦相配套的滑動軸承為試件，如圖3所示。試件間的摩擦力通過與下試件連接的扭矩傳感器采集，信號經(jīng)串口卡轉(zhuǎn)換輸入計算機，從而獲得相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

(a) 打磨前　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 打磨后圖2　邊長160 μm等邊三角形微造型表面的二維輪廓圖

圖3　試件安裝位置圖

摩擦系數(shù)由式(1)算得：

(1)

其中：M′為摩擦力傳感器測量的摩擦力矩，單位N·m；W為試驗軸承載荷，單位N；r為試驗軸承半徑，單位mm；δ為滾子軸承靜摩擦系數(shù)；R為試驗軸承中心到滾子距離，單位mm。

本試驗中選用無微造型和激光微造型的5種滑動軸承軸頸作為造型試件，設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min，載荷分別取800、1 600、2 400、3 200、4 000 N進行試驗，每種載荷狀態(tài)持續(xù)5 min，記錄摩擦系數(shù)和磨損量。然后設(shè)定載荷為3 200 N，轉(zhuǎn)速分別取200、400、600、800、1 000 r/min進行試驗，每種轉(zhuǎn)速狀態(tài)持續(xù)5 min，記錄摩擦系數(shù)和磨損量。以上每組試驗均進行3次重復(fù)測量，取平均值作為測量結(jié)果。

1.4表面參數(shù)表征

建立表面形貌和表面摩擦特性關(guān)聯(lián)的方法是通過表面形貌表征參數(shù)來使表面形貌量化，ISO25178表面三維表征參數(shù)體系的建立為這一研究提供了可能，從而為研究表征參數(shù)和摩擦特性的關(guān)系提供基礎(chǔ)。本文使用Talysurf CCI Lite非接觸式三維光學(xué)輪廓儀對微造型試件表面形貌進行掃描及測量。每組試驗均進行3次重復(fù)測量，取平均值作為測量結(jié)果。

2　結(jié)果與討論

2.1摩擦特性

圖4是3 200 N載荷下不同尺寸表面微造型的摩擦系數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系圖。從圖中可以看到，旋轉(zhuǎn)開始后，摩擦副之間的油膜還沒有形成，摩擦副之間直接接觸摩擦，摩擦系數(shù)較大；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，潤滑油逐漸添充磨損副接觸面形成油膜，分開了摩擦副接觸面，動壓潤滑效果逐漸形成，摩擦系數(shù)逐漸降低。另外，表面微造型軸頸試樣的摩擦系數(shù)均小于未造型軸頸試樣，隨著微造型尺寸的增加，軸頸試樣的摩擦系數(shù)先減小后增加，并在微造型尺寸為160 μm時，摩擦系數(shù)最小，此時，微造型軸頸試樣的摩擦學(xué)特性最好。這意味著微造型尺寸取160 μm時，微造型形成的動壓潤滑效果最好，能夠有效地增加潤滑油的油膜厚度，可用來提高滑動軸承的潤滑效果。微造型尺寸太小，容納磨屑和有效存儲潤滑油并供應(yīng)周圍摩擦面的能力較弱，降低摩擦副摩擦系數(shù)的作用有限。微造型尺寸太大，容納磨屑和有效存儲潤滑油并供應(yīng)周圍摩擦面潤滑的能力增強，但尺寸太大，在一定載荷條件下，摩擦副的承載面積明顯減小，作用在單位面積油膜上的力劇增，為了抵抗這種變化，潤滑油膜厚度變薄，摩擦系數(shù)增加。

圖5是在旋轉(zhuǎn)速度600 r/min下不同尺寸表面微造型的摩擦系數(shù)與載荷之間的關(guān)系圖。從圖中可以看到，隨著載荷的快速增加，摩擦系數(shù)減小幅度較大；當(dāng)載荷增大到3 200 N之后，摩擦系數(shù)緩慢降低。這是因為系統(tǒng)摩擦力增加的幅度較慢，逐漸趨于平緩，摩擦系數(shù)在摩擦力與摩擦副法向載荷的綜合作用下表現(xiàn)出逐漸降低的過程。另外，摩擦副實際接觸面積增大，潤滑油粘度也增大，接觸區(qū)域面積的增大和潤滑油粘度的增大都有利于形成潤滑油膜。從圖中還可以看到，微造型試樣的摩擦系數(shù)均明顯低于未造型試樣，隨著微造型尺寸的增加，試樣的摩擦系數(shù)先減小后增大，因此，合適尺寸的微造型試樣表面能夠表現(xiàn)出良好的減摩優(yōu)勢。

圖4　旋轉(zhuǎn)速度-摩擦系數(shù)關(guān)系圖　　　　　　　　　圖5　載荷-摩擦系數(shù)關(guān)系圖

圖6為試件磨損量與微造型尺寸的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，微造型試件的磨損量均比未造型試件低。這是因為微造型的存在能夠儲存開始摩擦階段產(chǎn)生的磨屑以及潤滑油，減少了磨屑存在于磨損副之間造成三體摩擦，形成了潤滑膜，起到流體動壓潤滑作用，這說明合適尺寸的微造型表面對摩擦副磨損量的降低起到積極作用。另外微造型試件表面磨損量隨微造型尺寸增加，先降低后增大，微造型尺寸為160 μm的試件磨損量最小，與摩擦系數(shù)的變化一致。這是因為摩擦系數(shù)較小時，摩擦副接觸面的溫度較低，潤滑油的粘度較高，摩擦副之間油膜厚度較厚，形成了良好動壓潤滑效果，摩擦副接觸面的磨損量較低。摩擦系數(shù)較大時，摩擦副接觸面的溫度較高，潤滑油的粘度降低，摩擦副之間油膜厚度變薄，油膜形成的動壓潤滑效果減弱，摩擦副接觸面的磨損量增加。

2.2表面三維表征參數(shù)與摩擦的關(guān)系

圖7是在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min條件下摩擦副的摩擦系數(shù)與表面參數(shù)表面偏態(tài)Ssk的關(guān)系圖。從圖可看出，Ssk<0，意味著試樣表面上存在著谷占據(jù)主體地位的微造型凹坑，摩擦系數(shù)隨著Ssk的增大而增大，Ssk越小的微造型試樣表面的摩擦特性越好。這是因為Ssk越小時，摩擦副試樣表面上存在著較多的谷及少量的峰。另外，摩擦副表面存在大量占據(jù)主要優(yōu)勢的有序化微造型淺谷，有益于形成動壓潤滑油膜。

圖6　磨損量與微造型尺寸關(guān)系圖　　　　　　　　　圖7　Ssk-摩擦系數(shù)關(guān)系圖

圖8是在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min條件下摩擦副的摩擦系數(shù)與表面參數(shù)平均空體體積Vvv的關(guān)系圖。由圖中可以看出，摩擦系數(shù)隨著Vvv的增大先減小后增大，存在一個Vvv使摩擦系數(shù)最小。這是因為隨著Vvv的增大，平均材料的體積不斷減小，單位材料所承受的載荷不斷增大，但在Vvv較小時，空體中儲存的潤滑油量有限，單位材料所承受載荷的增加不足以使材料發(fā)生彈性變形，因而摩擦系數(shù)隨Vvv的增大而減?。划?dāng)Vvv較大時，單位材料所承受的載荷較大，材料發(fā)生了彈性變形從而擠出空體中的部分潤滑油降低了流體動壓力效果，阻礙了潤滑油膜的形成，使摩擦系數(shù)增大。

圖9是在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min條件下摩擦副的摩擦系數(shù)與表面參數(shù)封閉山谷體積Shv的關(guān)系圖。從圖中可以看到，摩擦系數(shù)隨Shv增加先增大后減小。當(dāng)Shv較小時，摩擦副接觸面上存在少量凸峰，接觸面上局部的接觸壓力明顯增大，接觸面被擠壓形成少量微小的凹坑或峰點及脫落，摩擦副表面間隙位置形成微量磨粒，降低了表面的摩擦學(xué)特性，因此，摩擦系數(shù)隨著Shv增大而增大，但當(dāng)Shv值超過5.964×10-6mm3時，摩擦副表面材料區(qū)承受的載荷減小，彈性變形量減小，減少了空體區(qū)內(nèi)被擠出的潤滑油量，促進動壓潤滑油膜厚度增加，改善了摩擦副表面的潤滑，因此，摩擦系數(shù)減小。

圖8　Vvv-摩擦系數(shù)關(guān)系圖　　　　　　　　　　　圖9　Shv-摩擦系數(shù)關(guān)系圖

3　結(jié)　論

(1)在3 200 N載荷及600 r/min的旋轉(zhuǎn)速度下，摩擦系數(shù)均隨著旋轉(zhuǎn)速度及載荷的增加而減??；

(2)隨著表面微造型尺寸從0 μm增加到200 μm，摩擦系數(shù)及摩擦副磨損量均先減小后增大，在表面微造型尺寸為160 μm時，摩擦系數(shù)、摩擦副磨損量均為最小值，說明此尺寸的表面微造型具有良好的減摩效果；

(3)表面形貌三維表征參數(shù)表面偏態(tài)Ssk、平均空體體積Vvv和封閉山谷體積Shv與摩擦系數(shù)均存在一定的相互關(guān)系，摩擦系數(shù)隨著Ssk增大而增大，隨著Vvv增大先減小后增大，隨著Shv的增大先增大后減小。

[2]KRUPKA I,HARTL M,ZIMMERMAN M,et al.Effect of surface texturing on elasto-hydrodynamically lubrieated contact under transient speed conditions[J].Tribology International,2011,44：1144-1150.

[3]李兵,劉焜,王靜,等.線接觸滑-滾條件下微凹坑表面摩擦特性[J].機械工程學(xué)報,2011,47(21):91-96.

[4]PETTERSSON U,JACOBSON S.Textured surfaces for improved lubrication at high pressure and low sliding speed of roller/piston in hydraulic motors[J].Tribology International,2007,40(2):355-359.

[5]ANDERSSON P,KOSKINEN J,VARJUS S,et al.Microlubrication effect by laser textured steel surface[J].Wear,2007,262(3/4):369-379.

[6]RAEYMAEKERS B,ETSION I,TALKE F E.A model for magnetic tape/guide friction reduction by laser surface texturing[J].Tribology Letters,2007,28(1):9-17.

[7]胡天昌,丁奇,胡麗天.激光表面織構(gòu)化對GCr15鋼摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2011,31(5):447-451.

[8]BRAUN D,GREINER C,SCHNEIDER J,et al.Efficiency of laser surface texturing in the reduction of friction under mixed lubrication[J].Tribology International,2014,77(6):142-147.

[9]董慧芳,劉焜,王偉,等.激光加工微凹坑軸表面對唇形密封泵吸及摩擦特性的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2012,32(2):126-132.

[10]李媛,劉小君,張彥,等.面接觸條件下織構(gòu)表面摩擦特性研究[J].機械工程學(xué)報,2012,48(19):109-115.

[11]SALANT R F.Soft elastohydrodynamic analysis of rotary lip seals[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,224：2637-2647.

[12]符永宏,楊巍,張華偉,等.激光微造型凸輪副的摩擦磨損[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(1):216-220.

[13]湯麗萍,劉瑩.表面微織構(gòu)對重載齒輪傳動摩擦性能的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,50(7):1009-1012.

[14]RYK G,ETSION I.Testing piston rings with partial laser surface texturing for friction reduction[J].Wear,2006,261(7/8):792-796.

[15]ISO/TS CD 25178-2-2006,Geometric product specifications(GPS)-surface texture：areal part 2：terms,Definition and surface texture parameters[S].Geneva：ISO,2007.

[責(zé)任編輯：謝 平]

Investigation of laser surface micro-texturing size on the tribological properties of sliding bearing

QUAN Xiu-min,FAN Pei-zhen,HUANG Hong-bing,HAN Shi-ping

(School of Automotive and Mechanical Electrical Engineering, Lu’an Vocation Technology College,Lu’an 237158, China)

In order to study the effect of surface micro-texturing on the tribological properties of the sliding bearing under the oil lubrication condition, four types of the specimens were designed and prepared which had the different micro-texturing size. The surfaces topography were measured by the surface profiler and characterized with the surface parameters defined in ISO25178. Friction experiments were conducted by the modified tribological tester. The correlations between the surface parameters and the friction coefficient were studied. The results showed that with the increase of surface micro-texturing size, the friction coefficient and the weight loss of friction pair were all first decreased and then increased, and were the smallest for the micro-texturing size of 160 μm. The friction coefficient was increased with the increase of the skewness of the surface height distribution, was first decreased then increased with the increase of the average void volume of the surface valley area, and was first increased then decreased with the increase of the average volume of the surface peak.

micro-texturing;sliding bearing;surface topography parameters;tribological properties

1673-2944(2016)05-0011-06

2016-05-24

2016-07-20

安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL144ZD)

權(quán)秀敏(1979—)，女，河北省石家莊市人，六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向為機械制造及自動化。

TH117.1

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