基于激光表面微織構(gòu)抑制導(dǎo)軌爬行的研究*

韓洪松，吳樹謙，吳國慶,朱維南

(1.南通大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前，我國機(jī)床在精度保持性和穩(wěn)定性方面與國外存在較大差距。作為機(jī)床的核心部件，導(dǎo)軌對(duì)機(jī)床的精度具有較大影響。金屬配副的滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、剛度高、承載能力大和吸振性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在重型機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。在低速重載工況下，導(dǎo)軌爬行嚴(yán)重影響了機(jī)床的穩(wěn)定性，降低了工件的加工質(zhì)量和縮短了導(dǎo)軌的使用壽命[1]。因此，需要研究導(dǎo)軌爬行的抑制。

現(xiàn)階段，導(dǎo)軌爬行的抑制常采用導(dǎo)軌貼塑的方法。但是，貼塑導(dǎo)軌存在易冷流、吸濕膨脹和導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)[2]。滾動(dòng)導(dǎo)軌可以有效的抑制爬行的產(chǎn)生，但是存在承載能力差、剛度低等缺點(diǎn)，不能用于重型機(jī)床。靜壓導(dǎo)軌可以完全消除爬行現(xiàn)象，但是存在加工精度高、裝配難度大，對(duì)應(yīng)用場合要求嚴(yán)格，使用成本高等缺點(diǎn)[3]。近年來，激光微織構(gòu)技術(shù)發(fā)展迅速，已應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸[4]，滑動(dòng)軸承[5]，凸輪機(jī)構(gòu)等[6]零部件中，經(jīng)過微織構(gòu)處理的摩擦副在動(dòng)壓潤滑、減摩減阻、磨損控制及摩擦穩(wěn)定性等方面具有重要作用。王澤等[7-8]證明了微凹坑具有儲(chǔ)存潤滑油的功能，改善摩擦副潤滑狀況、降低摩擦副的摩擦系數(shù)。Surya P Mishra和Auezhan Amanov等[9-10]指出激光微織構(gòu)后未拋光材料表面的微凸起可以改善摩擦磨損行為，具有減摩作用，研究表明高度為3.5μm的微凸起比3.8μm和4.2μm的微凸起能獲得更低的摩擦系數(shù)。J L Mo[11]的研究還表明表面微織構(gòu)可以有效降低摩擦副在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)幅值，降低摩擦副在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪音，提高摩擦副之間移動(dòng)穩(wěn)定性。

本文提出基于激光表面微織構(gòu)以抑制滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦副爬行的方法，基于實(shí)驗(yàn)研究，探究表面激光微織構(gòu)對(duì)提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抑制導(dǎo)軌爬行的機(jī)理，為機(jī)床導(dǎo)軌爬行的抑制和機(jī)床運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的提高提供新的思路。

1 導(dǎo)軌爬行的誘因分析

爬行現(xiàn)象的誘因是導(dǎo)軌副從靜止到運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的過程中摩擦力發(fā)生突降，動(dòng)、靜摩擦力不同。英國學(xué)者Bowden和Tabor認(rèn)為動(dòng)靜摩擦力不同的原因是實(shí)際滑動(dòng)表面是高低不同的峰谷狀型面，接觸時(shí)凸起部分相互咬合，并在很高的壓力下形成“結(jié)合面”(junction)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)“結(jié)合面”的周期性破壞產(chǎn)生爬行[12]。產(chǎn)生的“結(jié)合面”其實(shí)是一種黏著現(xiàn)象，降低黏著作用是抑制爬行的一種有效方法。文中提出在摩擦表面加工出微織構(gòu)的方法來降低黏著現(xiàn)象，從而抑制爬行并通過通過導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證微織構(gòu)對(duì)抑制爬行的有效性。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用Rtec多工能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MFT-5000, Rtec instruments, USA)，通過設(shè)置加載力和試樣轉(zhuǎn)速來模擬導(dǎo)軌低速重載工況，并使銷盤試樣模擬導(dǎo)軌面面接觸情況，進(jìn)行導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示。銷試樣為直徑25 mm的圓柱體，安裝在銷桿上。盤試樣為直徑70 mm、厚度6.35 mm的圓盤，安裝在油池里，油池安裝在主軸上。經(jīng)倒角后銷盤試樣接觸面為直徑24 mm的圓，兩個(gè)試樣的相對(duì)位置如圖1b所示。摩擦試驗(yàn)時(shí)銷試樣固定，盤試樣按程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

(a) Rtec多工能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu) (b)試樣安裝的相對(duì)位置圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及試樣

2.2 試樣表面微織構(gòu)形貌參數(shù)確定

盤試樣材料為45#鋼，硬度為29 HRC。銷試樣材料為HT200， 材料硬度為180 HBS。銷-盤試樣摩擦表面經(jīng)金相砂紙打磨使表面粗糙度達(dá)到Ra0.06。在盤試樣端面進(jìn)行激光微織構(gòu)，微織構(gòu)為微凹坑和微凸起。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套中間形成區(qū)的潤滑狀態(tài)與導(dǎo)軌潤滑狀態(tài)相似，參考該區(qū)域的微織構(gòu)形貌尺寸參數(shù)[14]，文中微凹坑的形貌參數(shù)設(shè)計(jì)為：面積占有率8 %、直徑65μm、深度5.5μm。微凸起的形貌參數(shù)設(shè)計(jì)為：面積占有率8 %、凸起直徑為65μm、凸起高度為3.5μm。其中微凹坑形貌使用ND:YAG固體激光器進(jìn)行制備，微凸起形貌使用SPI光纖激光器制備。盤試樣經(jīng)激光微凹坑織構(gòu)化后用金相砂紙磨去微凹坑周圍熔渣，然后進(jìn)行超聲波清洗，清洗后微凹坑試樣制備完成。使用激光微凸起織構(gòu)技術(shù)在盤試樣表面加工出有序排列的微凸起，織構(gòu)加工完成后試樣制備結(jié)束。

2.3 試樣形貌參數(shù)精確測定

使用三維共聚焦顯微鏡(Confocal microscope, Nanofocus, Germany)對(duì)激光微織構(gòu)形貌進(jìn)行檢測。圖2分別為普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣的三維掃描圖像，其中普通試樣表面粗糙度為Ra0.05，微凹坑和微凸起試樣的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 微織構(gòu)形貌參數(shù)

圖2 試樣表面的三維形貌圖

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

(1)磨合試樣：為了保證銷盤試樣緊密貼合，在盤試樣表面粘貼金相砂紙(1500#)，在50 N法向載荷和20 rpm的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行磨合30 min。

(2)開展導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)，在油池里加入15毫升30#機(jī)械油，試驗(yàn)過程中法向載荷設(shè)置為700 N，轉(zhuǎn)速以每30 s增加0.5轉(zhuǎn)的速率由0.5 rpm開始增加。普通試樣的臨界爬行速度比較大，逐步增加到的最大轉(zhuǎn)速為25 rpm，試驗(yàn)時(shí)間為1500 s。微凹坑和微凸起試樣的最大轉(zhuǎn)速設(shè)置為15.5 rpm，試驗(yàn)時(shí)間為960 s。

(3)導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，開展?jié)櫥陀土繉?duì)微織構(gòu)抑制爬行的的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的油量分別為0.3 ml、2 ml和15 ml，加載力和轉(zhuǎn)速與導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)一致。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性每組配副重復(fù)3次試驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 微織構(gòu)對(duì)臨界爬行速度和摩擦副滑動(dòng)穩(wěn)定性的影響

圖3a～圖3c分別為普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣與銷配副的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系圖， 圖3d為在0～30 s時(shí)三種試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)情況，圖中COF為摩擦系數(shù)簡寫。由圖3a～圖3c可知，普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣與銷配副產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象分別在在轉(zhuǎn)速超過24 rpm、10 rpm和2 rpm時(shí)消失，其對(duì)應(yīng)的臨界爬行速度分別為： 50.3 mm/s、20.9 mm/s、3.1 mm/s，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣降低了58 %和94 %。普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣摩擦副產(chǎn)生爬行時(shí)靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差的均值分別為：0.114、0.062、0.055，凹坑試樣和微凸起較普通試樣降低45%和51%。從圖3d中可以看出普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣摩擦副在導(dǎo)軌爬行模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前30s時(shí)的爬行周期分別為：11s、6s、4s。

(a) 普通試樣

(b)微凹坑試樣

(c) 微凸起試樣

(d)三種試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)情況圖3 起試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化圖

比較臨界爬行速度和靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差及爬行周期這三個(gè)參數(shù)，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣都明顯降低。上述數(shù)據(jù)表明：微造型形貌能有效降低臨界爬行速度和靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，可以抑制爬行，提高設(shè)備運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

微凹坑形貌在接觸壓力下，儲(chǔ)存在微凹坑內(nèi)的潤滑油會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)、靜壓效應(yīng)提高油膜的支撐作用。同時(shí)微凹坑還具有儲(chǔ)油、布油作用，降低滑動(dòng)接觸界面的黏著效應(yīng)，降低靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，抑制爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。微凸起形貌對(duì)抑制爬行的機(jī)理與微凹坑有所不同。從圖3d可以看出：對(duì)于降低臨界爬行速度和靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，微凸起形貌的效果明顯優(yōu)于微凹坑形貌，這說明微凸起形貌對(duì)降低滑動(dòng)接觸界面的黏著效應(yīng)的作用更明顯。原因是均勻有序分布的微凸起可以使滑動(dòng)接觸界面的面面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬鶆虻狞c(diǎn)接觸”，這些“均勻的點(diǎn)接觸”可以減小黏著效應(yīng)力，防止摩擦力發(fā)生突變，抑制滑動(dòng)摩擦副產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

3.2 潤滑油油量對(duì)微織構(gòu)抑制爬行的影響

圖4分別為普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣在油量分別為0.3ml、2ml和15ml時(shí)摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差Std與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖。從圖4a可知在0.3ml、2ml和15ml時(shí)普通試樣配副的摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方差平均值分別為：0.0433、0.0301和0.0262，微凹坑配副分別為：0.0282、0.0159和0.0140，微凸起配副分別為：0.0063、0.0067和0.0056。這三組數(shù)據(jù)反映出，油量變化對(duì)普通試樣和微凹坑試樣的爬行影響較大，在15ml油量下微凹坑抑制爬行效果最好，油量對(duì)微凸起試樣抑制爬行幾乎不產(chǎn)生影響。

從圖4a可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速超過5rpm時(shí)，0.3ml油量下的普通試樣的標(biāo)準(zhǔn)方差開始增大，這是因?yàn)槠胀ㄔ嚇幽Σ粮苯佑|面的潤滑油在旋轉(zhuǎn)和載荷的作用下容易被擠出，從而出現(xiàn)潤滑狀態(tài)從混合潤滑向邊界潤滑的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致摩擦副運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，而圖4b顯示0.3ml微凹坑試樣的標(biāo)準(zhǔn)方差整體處于下降趨勢，這是因?yàn)槲伎釉嚇拥哪Σ粮遍g存在均勻分布的微凹坑可以防止?jié)櫥捅粩D出。這說明微凹坑形貌可以改善摩擦副間的潤滑狀況，抑制爬行現(xiàn)象產(chǎn)生。從圖4c可以看出在三種潤滑油量下，微凸起試樣與銷配副的摩擦系數(shù)的標(biāo)注方差幾乎不發(fā)生變化，這說明潤滑油油量對(duì)微凸起形貌抑制摩擦副爬行不產(chǎn)生影響。

(a) 普通試樣

(b) 微凹坑試樣

(c)微凸起試樣

3.3 爬行磨損分析

圖5為普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣分別在上述兩種試驗(yàn)后的磨損形貌。從圖5a看出普通試樣的磨損面積較大且磨痕較深，在磨損面上還有一些黏著點(diǎn)，這是典型的磨粒磨損和黏著磨損特征，這表明普通試樣在爬行過程中黏著現(xiàn)象較為嚴(yán)重。從圖5b發(fā)現(xiàn)在微凹坑間的未造型區(qū)域有一道輕微的磨痕，未見黏著點(diǎn)，在微凹坑周圍未發(fā)生磨損，這說明在油潤滑下微凹坑內(nèi)可以產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑，提高油膜的支撐作用防止黏著磨損的產(chǎn)生。從圖5c中可以看出微凸起形貌的凸起部分受到了磨損，而未造型部分沒有發(fā)生磨損，這說明微凸起試樣與上試樣的接觸形式為“均勻的點(diǎn)接觸”，這種接觸形式可以有效地降低摩擦力中的黏著效應(yīng)力，防止摩擦力發(fā)生突變提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。經(jīng)測量磨損區(qū)域的微凸起高度較磨損前高度降低1.5～2.5μm左右。

圖5 爬行模擬實(shí)驗(yàn)后的試樣三維形貌

4 結(jié)論

本文經(jīng)過上述試驗(yàn)得出結(jié)論如下：

(1)對(duì)于臨界爬行速度，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣降低了58%和94%。對(duì)于靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差，凹坑試樣和微凸起較普通試樣降低了45%和51%。這表明微凹坑形貌樣和微凸起形貌可以降低滑動(dòng)導(dǎo)軌的臨界爬行速度，提高滑動(dòng)導(dǎo)軌的工作穩(wěn)定性。

(2)油量變化對(duì)普通試樣和微凹坑試樣的爬行影響較大，在15 ml油量下微凹坑抑制爬行效果最好，油量對(duì)微凸起抑制爬行的效果幾乎不產(chǎn)生影響。

(3)激光微織構(gòu)中的微凹坑形貌可以儲(chǔ)存潤滑油產(chǎn)生動(dòng)、靜壓效應(yīng)，降低滑動(dòng)摩擦副之間的黏著效應(yīng)，抑制爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)激光微織構(gòu)中的微凸起形貌使滑動(dòng)導(dǎo)軌之間的面面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬鶆虻狞c(diǎn)接觸”，從而降低摩擦副之間的黏著效應(yīng)抑制爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生。