微結(jié)構(gòu)鋼球展開輪增摩降磨特性分析

趙彥玲　張經(jīng)緯　侯新新　潘承怡　孫蒙蒙

摘要：針對鋼球缺陷檢測過程中，鏡面鋼球打滑導(dǎo)致展開輪磨損這一問題，結(jié)合試驗(yàn)與有限元的方法，得到適合于展開輪的材料與微結(jié)構(gòu)。首先，應(yīng)用激光微造型技術(shù)在不同材料表面加工圓形凹坑微結(jié)構(gòu)，采用單因素法在M2000多功能磨擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滾滑復(fù)合干摩擦試驗(yàn)；結(jié)合試驗(yàn)工況建立基于Archard理論的微結(jié)構(gòu)磨損模型；最后通過仿真技術(shù)模擬試驗(yàn)優(yōu)選的材料在不同微結(jié)構(gòu)表面的磨損性能，進(jìn)而對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)果表明：在滾滑復(fù)合干摩擦工況下，圓形凹坑微結(jié)構(gòu)可以改善不同材料的摩擦磨損性能；利用磨損模型計(jì)算磨損系數(shù)能夠應(yīng)用于有限元中用以分析實(shí)際工況的磨損特性；優(yōu)選出T10A和45鋼在三角形和菱形微結(jié)構(gòu)表面下具有較好的耐磨性能。為輪系結(jié)構(gòu)耐磨材料及微結(jié)構(gòu)表面的選取提供理論參考。

關(guān)鍵詞：鋼球展開輪；微結(jié)構(gòu)；單因素試驗(yàn)；滾滑復(fù)合摩擦；磨損模型

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.002

中圖分類號： TH1171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）05-0008-06

Abstract：The problem of the unfolding wheel wear in the defect detection process caused by mirror ball slipping is solved by combining test and finite element method to obtain the materials and microstructures suitable for the unfolding wheel First， laser texturing technology is used to process circular pit microstructures on the surface of different materials Single factor analysis method is used to carry out rollingslipping compound friction test on M2000 multifunctional friction and wear tester； Combining test conditions， the wear model of microstructures is established based on the Archard theory； Finally， The wear characteristics of different microstructures on the test preferred materials are simulated by simulation， thereby optimizing the microstructures The results show that 1）under the rollingslipping compound friction condition， the friction and wear behavior of different materials can be improved by the circular pit microstructures； 2）The wear model can calculate the wear coefficient， which is used to analyze the wear properties in finite element under actual working conditions； 3）The optimized triangle and diamond microstructures on the surface of T10A and 45 steel can show good wear resistance The theoretical reference is provided for the selection of wear resistant material and microstructures surfaces of gear trains

Keywords：steel ball unfolding wheel； pit microstructure； single factor test； ollingslipping compound friction； wear model

0引言

展開輪是鋼球檢測機(jī)構(gòu)中的核心部件，通過摩擦傳遞力和運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)鋼球的全表面展開，鋼球與展開輪均為光滑表面，在展開過程中極易因打滑而導(dǎo)致鋼球無法全表面展開，同時(shí)展開輪長期受到摩擦磨損、局部重力載荷作用而致其失效，因此對展開輪接觸面增摩降磨特性的分析十分必要[1-3]。本文目的是研究在降低展開輪磨損程度的同時(shí)還要保證其在工作過程中具有足夠的摩擦力，而目前國內(nèi)外對材料在干摩擦條件下既增大摩擦系數(shù)又降低磨損程度的研究較少[4]。仿生學(xué)及有限元技術(shù)的發(fā)展為我們提供了新思路[5-7]，本文采用激光微造型技術(shù)在6種不同材料表面加工圓形凹坑微結(jié)構(gòu)，通過摩擦磨損試驗(yàn)來分析不同材料微結(jié)構(gòu)表面的增摩降磨特性，優(yōu)選適合于展開輪的材料。基于Archard磨損理論，提出相應(yīng)的磨損模型應(yīng)用于有限元中，通過模擬試驗(yàn)優(yōu)選的材料在不同凹坑形狀下的磨損性能，得到材料與凹坑形狀的最優(yōu)匹配。為展開輪耐磨材料及微結(jié)構(gòu)表面的選取提供理論參考。

1摩擦磨損試驗(yàn)

11接觸模型簡化

摩擦副的接觸方式按初始接觸狀態(tài)（未承載）可分為點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸。從圖1中可知鋼球與展開輪接觸方式為點(diǎn)接觸和面接觸，當(dāng)受到擠壓后，由于受到零件表面的彈性變形的作用，點(diǎn)接觸會演變成面接觸。為了方便試驗(yàn)以及使仿真更易收斂，本文在綜合考慮了摩擦副接觸運(yùn)動狀態(tài)后，最終將模型簡化為線接觸，代替面接觸，簡化的接觸模型如圖1所示。

12試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1244411990相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范，采用M2000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，圖2為試驗(yàn)機(jī)及試件裝夾部分。為避免對鋼球的二次污染，鋼球展開時(shí)不允許添加潤滑，故試驗(yàn)采用干摩擦形式。鋼球檢測過程中并非純滾動，展開輪工作面提供側(cè)翻運(yùn)動的自由度，使展開運(yùn)動形式為滾動兼滑動，根據(jù)鋼球與展開輪實(shí)際工況來確定試驗(yàn)?zāi)Σ聊p形式為滾滑復(fù)合摩擦磨損形式，滾動摩擦遠(yuǎn)多于滑動摩擦，根據(jù)現(xiàn)有做滾滑試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)具體方案：滑滾比定為01，上試件轉(zhuǎn)速定為180r/min，下試件200r/min。實(shí)際檢測中鋼球與展開輪接觸力僅為15～20N，現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程中振動較大，試驗(yàn)力過小難以保證測試精度，要得到較準(zhǔn)確的觀察量且為節(jié)省時(shí)間，采用放大法將試驗(yàn)載荷定為200N，以獲得更直觀的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)間為20 min，每組試驗(yàn)重復(fù)4次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

13試件材料及設(shè)計(jì)加工

由于尼龍、陶瓷等材料與鏡面鋼球接觸易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致展開輪無法將鋼球表面全展開，無法保證鋼球的檢測精度，因此選用鋼-鋼配副的摩擦形式來研究摩擦磨損性能。綜合考慮材料的成本及市面上獲取的難易程度選擇了6種試驗(yàn)材料，分別為T10A、GCr15、45鋼、40Cr、20Cr、Cr12MoV。

在結(jié)合了圓弧面上加工微結(jié)構(gòu)的難易程度后，本文選擇凹坑直徑為01mm的圓形微結(jié)構(gòu)布置于試件接觸面進(jìn)行試驗(yàn)，并與無微結(jié)構(gòu)試件試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。試件尺寸、粗糙度等相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

由于激光加工具有精度高、效率高、成本低且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，微結(jié)構(gòu)加工采用光纖激光打標(biāo)機(jī)加工試件試驗(yàn)面的微結(jié)構(gòu)，加工深度為005mm，微結(jié)構(gòu)其它的尺寸參數(shù)如圖4所示。

14微結(jié)構(gòu)參數(shù)測量

微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的測量采用VHX1000超景深數(shù)碼顯微鏡，該顯微鏡可進(jìn)行二維圖像測量及三維掃描成像，測量精度達(dá)到001μm。每組微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)隨機(jī)抽取兩個(gè)試件，每個(gè)試件隨機(jī)選擇3個(gè)凹坑位置，利用超景深二維圖像測量功能及3D掃描功能考察激光加工凹坑微結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，經(jīng)測量得到：激光加工凹坑微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)直徑φ、間距l(xiāng)及深度h的誤差均滿足設(shè)計(jì)要求，且一致性良好，可用來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，其中一組實(shí)測尺寸參數(shù)如圖5。

15試件結(jié)果分析

1）摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)是由試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)輸出的，此時(shí)的摩擦系數(shù)是由摩擦功計(jì)算的平均摩擦系數(shù)。本文選取了硬度和表面粗糙度基本相近的6種金屬材料作為實(shí)驗(yàn)對象，以穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)為觀察量，去除由于干摩擦系統(tǒng)振動導(dǎo)致輸出結(jié)果較大的點(diǎn)，得到滾滑復(fù)合干摩擦狀態(tài)下，材料微結(jié)構(gòu)與無微結(jié)構(gòu)表面摩擦性能的對比，如圖6所示。

從圖6對比可以看到，材料表面經(jīng)微結(jié)構(gòu)造型后摩擦性能皆有變化，與無微結(jié)構(gòu)試件相比，T10A、45鋼、40Cr、20Cr摩擦系數(shù)均增大，GCr15和Cr12MoV摩擦系數(shù)減小。以無微結(jié)構(gòu)試件摩擦系數(shù)為基準(zhǔn)，表面微結(jié)構(gòu)對T10A、20Cr、Cr12MoV三種材料的影響效果最明顯，變化率分別為325%、332%、276%，其中T10A和20Cr摩擦系數(shù)上升，Cr12MoV下降；對45鋼摩擦系數(shù)也有一定的提升效果，提升率為169%；但對GCr15及40Cr表面摩擦性能影響效果不明顯，其中GCr15摩擦系數(shù)下降78%，40Cr升高72%。

2）磨損量。

實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果中，下試件的磨損質(zhì)量均小于上試件，這是由于下試件相當(dāng)于鋼球材料，硬度高于上試件。根據(jù)試驗(yàn)前后每組配副分別稱量三次取質(zhì)量平均值，計(jì)算不同材料在有微結(jié)構(gòu)及無微結(jié)構(gòu)條件下滾滑復(fù)合干摩擦試驗(yàn)的磨損質(zhì)量及磨損率，計(jì)算結(jié)果如表1。

從表1中可以看到，除了20Cr外，其它帶有微結(jié)構(gòu)試件的磨損量均低于無微結(jié)構(gòu)試件，這表明在滾滑復(fù)合干摩擦條件下，表面微結(jié)構(gòu)可以改變材料表面的磨損特性，且針對不同材料影響效果不同。為更直觀的比較微結(jié)構(gòu)對不同材料磨損性能的影響，將各材料不同表面的磨損率參數(shù)繪制成折線圖對比分析，如圖7所示。

從圖7中可以看出，當(dāng)表面無微結(jié)構(gòu)時(shí)，磨損率由小到大分別為：Cr12MoV、45鋼、40Cr、20Cr、GCr15、T10A；當(dāng)表面布有微結(jié)構(gòu)時(shí)，磨損率由小到大分別為：45鋼、40Cr、T10A、GCr15、Cr12MoV、20Cr。磨損率越小耐磨性越好，其中T10A磨損率下降的最快，45鋼磨損率最低，不同材料微結(jié)構(gòu)表面磨損率具體增減情況見表2。

從表2中可以看到，與無微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果對比，不同材料微結(jié)構(gòu)表面磨損率均發(fā)生變化。微結(jié)構(gòu)對不同材料表面的磨損特性影響不同，除20Cr材料表面磨損率增大外，其它微結(jié)構(gòu)材料表面磨損率均不同程度的降低。

鋼球與展開輪摩擦副間的摩擦系數(shù)越大越能保證鋼球表面的全展開，同時(shí)增強(qiáng)材料的耐磨性可以直接提高展開輪的使用壽命。在摩擦系數(shù)上，表面微結(jié)構(gòu)對45鋼、T10A、20Cr的提升效果較為突出，尤其是20Cr，但提升后20Cr的摩擦系數(shù)仍小于45鋼及T10A；在耐磨性方面，除20Cr外，表面微結(jié)構(gòu)對其余5種材料的耐磨性均有所提高，其中T10A、GCr15及45鋼提高效果較好。通過試驗(yàn)方法考察六種金屬材料的摩擦磨損特性，得出適合于展開輪綜合性能的材料為T10A和45鋼。

2磨損模型的建立

Archard提出的粘著磨損模型認(rèn)為兩名義平滑表面的接觸發(fā)生在一些高的微凸體上，在局部集中應(yīng)力的作用下，接觸處發(fā)生塑性變形，其理論模型[8] 為

V=KPLH（1）

式中：V為體積磨損量；K為磨損系數(shù)；P為施加的載荷；L為滑動距離；H為基體硬度。

將Archard模型中體積磨損量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量磨損量，將式（1）兩邊同時(shí)乘以較軟材料的密度ρ，則有：

W=ρV=KρPLH（2）

式中，W為較軟材料，即試驗(yàn)中上試件的磨損質(zhì)量。

接觸摩擦過程中滑動距離L隨時(shí)間的增量L（t）可用式（3）計(jì)算：

L（t）=v1-v2·t（3）

其中：

v1=2πn1r1（4）

v2=2πn2r2（5）

式中，v1、v2分別為上、下試件的線速度；n1、n2分別為上、下試件的轉(zhuǎn)速；r1、r2分別為上、下試件的半徑，本試驗(yàn)中上、下試件半徑相等，即：

r1=r2=r（6）

將式（4）、（5）、（6）代入到（3）中得到：

L（t）=2π（n1-n2）rt（7）

將質(zhì)量磨損W隨時(shí)間的變量W（t）、磨損系數(shù)K隨時(shí)間的變量K（t）及式（7）代入到（2）中得到：

W（t）=2π（n1-n2）rK（t）PHρt（8）

繼而可推導(dǎo)出磨損系數(shù)K（t）

K（t）=W（t）H2π（n1-n2）rPρt（9）

3有限元仿真驗(yàn)證與優(yōu)選

利用數(shù)值模擬可以模擬不同材料微結(jié)構(gòu)表面的磨損性能。試驗(yàn)中由于加工條件的限制，只選取了圓形凹坑微結(jié)構(gòu)，且由于試驗(yàn)條件的限制，進(jìn)行大量試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，現(xiàn)利用磨損模型計(jì)算的磨損系數(shù)及有限元軟件，對所優(yōu)選的材料T10A及45鋼進(jìn)行不同微結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。仿真所選取微結(jié)構(gòu)形狀及尺寸參數(shù)如表3。

由圖10可以看出，當(dāng)凹坑面積為00314mm2時(shí)， T10A不同微結(jié)構(gòu)表面磨損量從小到大依次為：菱形，三角形，六邊形，八邊形，正方形，圓形；45鋼不同微結(jié)構(gòu)表面磨損量從小到大依次為：菱形，三角形，六邊形，八邊形，正方形，圓形。結(jié)合摩擦系數(shù)的增大與磨損量的降低情況，得出摩擦副材料與微結(jié)構(gòu)的匹配：T10A及45鋼表面為三角形和菱形微結(jié)構(gòu)時(shí)可以表現(xiàn)出較好的磨損特性。

4結(jié)論

在6種不同材料試件表面加工圓形凹坑微結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)摩擦磨損試驗(yàn)，與無微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)組對比，得出凹坑微結(jié)構(gòu)可以影響材料表面的摩擦磨損特性。并優(yōu)選出適合于展開輪的材料為T10A和45鋼。 基于Archard磨損模型，建立符合試驗(yàn)工況的磨損模型，可應(yīng)用實(shí)際工況計(jì)算磨損系數(shù)。結(jié)合不同微結(jié)構(gòu)表面試驗(yàn)及有限元仿真模擬驗(yàn)證，最終得到T10A和45鋼在三角形和菱形微結(jié)構(gòu)下表現(xiàn)出了較好的耐磨性能。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）