交叉溝槽織構(gòu)潤滑減摩性能研究綜述

周子健　谷澤輝　陳晨

摘要：表面織構(gòu)化如今已經(jīng)越來越受人們重視，近幾年來，國內(nèi)外對表面織構(gòu)的研究日益深入，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的理論模型，應(yīng)用在各行各業(yè)并產(chǎn)生了巨大的效益。然而在某些場合非溝槽型織構(gòu)的有一定的局限性，而交叉溝槽可以很好地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本文從減摩機(jī)理、理論模型、數(shù)值分析及應(yīng)用三個(gè)方面綜述了交叉溝槽織構(gòu)潤滑減摩性能的研究進(jìn)展，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：交叉溝槽織構(gòu);理論模型;數(shù)值分析;綜述

前言

表面織構(gòu)化技術(shù)是一種通過在摩擦接觸表面上加工特殊圖案來改善摩擦接觸表面的承載能力并改善表面的摩擦學(xué)性能的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)最早是在2004年由Etison^[1]等的研究提出的。在摩擦過程中，表面織構(gòu)技術(shù)在儲(chǔ)油、磨粒捕獲和防止?jié)櫥蛔阋鸬目矫姘l(fā)揮著重要作用，因此，表面織構(gòu)化技術(shù)成為了如今摩擦學(xué)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一^[2-6]。

但是非溝槽織構(gòu)在一些特定場地有一定局限而且效果差強(qiáng)人意，于是近年來交叉溝槽微織構(gòu)技術(shù)收到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注^[7-11]。交叉溝槽微織構(gòu)技術(shù)最早是由韓國慶北國立大學(xué)的Young^[12]于2007年提出的，其利用光刻-電蝕技術(shù)在軸承鋼試樣上加工交叉微溝槽織構(gòu)利用銷盤試驗(yàn)機(jī)研究了溝槽織構(gòu)對不同交叉角下摩擦性能的影響。交叉溝槽織構(gòu)作為一種有效降低摩擦的手段能夠應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，然而如今關(guān)于交叉溝槽織構(gòu)化的理論和效果的研究很少出現(xiàn)，以至于許多交叉溝槽織構(gòu)的研究和應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

本文從減摩機(jī)理、理論模型、數(shù)值分析及應(yīng)用三個(gè)方面綜述交叉溝槽織構(gòu)潤滑減摩性能的研究進(jìn)展，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

1 交叉溝槽織構(gòu)的減摩機(jī)理

交叉溝槽織構(gòu)的減摩機(jī)理由Pettersson?U和Jacobson?S^[13]在2007年首次提出。2007年，韓國慶北國立大學(xué)的Young^[12]利用光刻-電蝕技術(shù)在軸承鋼試樣上加工交叉微溝槽織構(gòu)，利用銷盤試驗(yàn)機(jī)研究了溝槽織構(gòu)對不同交叉角下摩擦性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)135°交叉溝槽不僅在低速輕載具有較小的摩擦系數(shù)，而且在低速重載情況下相比其他角度仍具有相對較小的摩擦系數(shù)。之后Pettersson等人^[13]在硅片表面制造了一種特殊的用于表面織構(gòu)加工的工具，并在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面加工出不同間距的平行溝槽和交叉溝槽，通過建立一個(gè)自適應(yīng)磨擦試驗(yàn)機(jī)來模擬活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的摩擦狀態(tài)和停止時(shí)的摩擦狀態(tài)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)織構(gòu)表面摩擦系數(shù)介于拋光表面和未織構(gòu)表面之間，且交叉溝槽的摩擦系數(shù)相對而言較小;織構(gòu)表面摩擦系數(shù)的波動(dòng)相比未織構(gòu)表面和拋光表面都明顯減小，且交叉溝槽織構(gòu)摩擦系數(shù)的波動(dòng)最小。為此，Pettersson提出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）溝槽能儲(chǔ)存磨粒，減少摩擦副表面的塑性變形;（2）溝槽能為摩擦副之間提供潤滑油;（3）溝槽能“切割”摩擦副表面的變形，減小摩擦副之間的相對接觸面積，從而使摩擦副之間的塑性變形減小。使摩擦系數(shù)更穩(wěn)定。

2 交叉溝槽織構(gòu)的理論模型與數(shù)值分析

自2007年交叉溝槽織構(gòu)技術(shù)提出之后，Young^[12]通過反復(fù)試驗(yàn)來分析不同交叉角度下的溝槽織構(gòu)對摩擦性能的影響，并確定較好的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合Stribeck曲線分析，可以得出結(jié)論，135°交叉槽不僅在低速和輕載時(shí)具有小的摩擦系數(shù)，而且在低速重載情況下相比其他角度仍具有相對較小的摩擦系數(shù)。其后又有日本京都大學(xué)的Suh等人^[14]通過光刻法在工具鋼SKD11上加工交叉溝槽，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)交叉溝槽的交叉角度和深寬比對減小摩擦系數(shù)方面發(fā)揮著極大的作用，且交叉角在40度附近時(shí)摩擦系數(shù)最小。

之后，Organisciak^[15]等人對理論研究進(jìn)行了突破，建立了交叉溝槽的幾何模型，并推導(dǎo)出了貧油狀態(tài)下的雷諾方程和平衡方程，發(fā)現(xiàn)在溝槽區(qū)域內(nèi)壓力瞬間變小;同等條件下織構(gòu)表面的平均潤滑油膜厚度比未織構(gòu)的小，且隨著溝槽角度的增大而變小;標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)會(huì)隨著溝槽角度的增加而變大;較寬的溝槽和較近的槽間距能夠增加潤滑油膜厚度、減小摩擦系數(shù)、提高潤滑性能。袁思?xì)g等^[16]采用光刻及微細(xì)電解技術(shù)在一塊硼銅鑄鐵材料的表面加工出一排微小的溝槽。運(yùn)用FLUENT分析了摩擦副上油膜存在的壓力分布。陳平等^[17]利用有限元分析軟件對溝槽織構(gòu)進(jìn)行了模擬，并利用YLP-20激光加工系統(tǒng)對不銹鋼圓盤表面的溝槽織構(gòu)進(jìn)行了加工。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摩擦副的溝槽紋理的摩擦學(xué)性能得到改善，不同的溝槽布置形式對摩擦性能有很大影響。

雖然交叉溝槽織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)在經(jīng)過多年的不斷研究后已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是就目前的研究結(jié)果而言，仍然存在著以下兩點(diǎn)不足：

1）通過以上國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，以往的學(xué)者對溝槽每個(gè)參數(shù)相關(guān)性的理解并不完全，大多是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，只是在有限參數(shù)的情況下分析描述，已知的機(jī)制都是針對特殊角度溝槽模型。

2）目前，交叉溝道微織構(gòu)主要是單一尺寸、均勻分布的規(guī)則圖案，而對交叉溝槽各幾何參數(shù)之間的耦合作用研究比較少。

3 交叉溝槽織構(gòu)的應(yīng)用

韓國慶北國立大學(xué)的Young^[12]2007年最早利用光刻-電蝕技術(shù)在軸承鋼試樣上加工出交叉微溝槽織構(gòu)，通過反復(fù)試驗(yàn)研究了不同交叉角度下的溝槽織構(gòu)對摩擦性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)合Stribeck曲線得出135°交叉溝槽具有較小的摩擦系數(shù)。之后，易鑫鑫等^[18]采用銷-盤摩擦副接觸方法在流體潤滑下對軸承鋼表面交叉槽表面進(jìn)行90°和135°的摩擦試驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：a.溝槽和滑動(dòng)方向造成的摩擦系數(shù)會(huì)隨潤滑狀態(tài)的變化而產(chǎn)生波動(dòng);b.當(dāng)交叉溝槽的夾角為135°時(shí)，減摩效果最好，這與Young得到的結(jié)果基本一致。

經(jīng)過多年的理論探索，交叉溝槽織構(gòu)技術(shù)如今作為一種有效降低摩擦的手段能夠應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，其中在內(nèi)燃機(jī)缸套——活塞環(huán)、軸承和機(jī)械密封等流體潤滑狀態(tài)下表現(xiàn)突出。符永宏等^[19]選用了半導(dǎo)體泵浦YAG的固體激光器，在缸套內(nèi)的表面活塞運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)，加工出了夾角為135°的交叉溝槽。這種交叉溝槽微織構(gòu)的各項(xiàng)性能參數(shù)較為穩(wěn)定，缸套與活塞環(huán)之間的摩擦性能相較于珩磨網(wǎng)紋缸套要好。此外，有研究還發(fā)現(xiàn)，交叉溝槽織構(gòu)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更好的密封效果，而且能有效地降低摩擦因數(shù)，對設(shè)備起到較好的保護(hù)作用。比如鄧大松等^[20]就麻花鉆磨損嚴(yán)重問題，在麻花鉆切屑接觸區(qū)設(shè)計(jì)了溝槽微織構(gòu)，加工表面的微觀組織可以減少鉆頭的磨損，優(yōu)化麻花鉆前刀面的最高溫度分布，從而避免了最高溫度的集中。又有胡利鴻等^[21]在列車制動(dòng)盤的表面加工出了不同寬度的溝槽型織構(gòu)以及不同直徑與間距的圓形凹坑織構(gòu)后，通過對比試驗(yàn)研究了摩擦噪聲的大小。研究表明，溝槽型織構(gòu)和圓坑織構(gòu)都可以有效地降低摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲。

4 發(fā)展趨勢預(yù)測

雖然國內(nèi)外進(jìn)幾年來在交叉溝槽織構(gòu)潤滑減摩性能研究方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍存在著一些不足，比如目前所研究的交叉溝槽微織構(gòu)主要是單一尺寸和均勻分布的規(guī)則圖形，而對交叉溝槽各幾何參數(shù)之間的耦合作用研究比較少。另外，現(xiàn)今對交叉溝槽織構(gòu)的研究大多是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，且只是在有限參數(shù)的情況下分析描述。因此，今后對交叉溝槽織構(gòu)潤滑減摩性能可以從以下幾個(gè)方面展開深入研究。

1）為了使研究結(jié)果具有普遍性，必須著重研究交叉溝槽織構(gòu)的理論模型，另外，也要利用好計(jì)算機(jī)技術(shù)，做好對交叉溝槽型織構(gòu)仿真方面的研究。

2）注重對交叉溝槽各幾何參數(shù)之間的耦合作用的研究，如對交叉溝槽的不同寬度、深度、面積密度或截面形狀、方向、角度等對潤滑油膜厚度和摩擦因數(shù)的耦合影響就行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]ETSION?I?Improving?tribological?performance?of?mechanical?components?by?laser?surface?texturing[J]. Tribology?Letters，2004，17（4）：733-737.

[2]劉一靜，袁明超，王曉雷. 表面織構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)活塞/ 缸套摩擦性能的影響[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，55（6）：866-871.

[3] Wakuda?M，Yamauchi??Y，Kanzaki??S，et?al. Effect?of??surface?texturing?on?friction?reduction?between?ceramic?and?steel?materials?under?lubrication??sliding??contact[J]. Wear，2003，254（3-4）：356-363.

[4]Andersson?P，Koskinen??J，Varjus??S，et??al. Microlubrication??effect?by?laser-textured??steelsurfaces[J]. Wear，2007，262（3-4）：369-379.

[5] 汪家道，陳大融，孔憲梅. 規(guī)則凹坑表面形貌潤滑研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（1）：52-55.

[6]Pettersson??U，Jacobson?S?. Influence?of??surface?texture?on?boundary???lubricated???sliding???contacts?[J]. Tribology?International，2003，36（11）：857-864 .

[7]WANG?Z，ZHAO?Q，WANG?C，et?al. Modulation?of?dry?tribological?property?of?stainless?steel?by?femtosecond?laser?surface?texturing[J]. Applied?Physics?A，Materials?Science&Processing，2015，119（3）：1155-1163.

[8]KUMMEL?J，BRAUN?D，GIBMEIER?J，et?al. Study?on?micro?texturing?of?uncoated?cemented?carbide?cutting?tools?for?wear?improvement?and?built-up?edge?stabilisation[J]. Journal?of?Materials?Processing?Technology，2015，215：62-70.

[9]SIRIPURAM?R?B，STEPHENS?L?S?. Effect?of?deterministic?asperity?geometry?on?hydrodynamic?lubrication[J].Journal?of?tribology，2004，126（3）：527-534.

[10]SANTNER?E，KLAFFKE?D，MEINE?K，et?al. Demonstration?of?topography?modification?by?friction?processes?and?vice?versa[J]. Tribology?International，2006，39（5）：450-455.

[11]ETSION?I. State?of?the?art?in?laser?surface?texturing[J]. Journal?of?Tribology，2005，127（1）：248-253.

[12]Chae，Hun?Y?. Effect?of?Size?for?Micro-Scale?Dimples?on?Surface?under?Lubricated?Sliding?Contact[J]. Key?Engineering?Materials，2007，345-346：765-768.

[13]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.

[14]Suh?M?S，Chae?Y?H，Kim?S?S，et?al. Effect?of?geometrical?parameters?in?micro-grooved?crosshatch?pattern?under?lubricated?sliding?friction[J]. Tribology?International，2010，43（8）：1508-1517.

[15]Organisciak?M，Cavallaro?G，Lubrecht?A?A?. Variable?lubricant?supply?of?a?starved?hydrodynamic?linear?contact：Lubricant?lateral?flow?for?smooth?and?laser?textured?surfaces[J]. Proceedings?of?the?Institution?of?Mechanical?Engineers，Part?J：Journal?of?Engineering?Tribology，2007，221（3）：247-258.

[16]袁思?xì)g. 溝槽型表面織構(gòu)的摩擦特性研究[D].南京航空航天大學(xué)，2011.

[17]陳平，項(xiàng)欣，李俊玲等.溝槽型織構(gòu)摩擦學(xué)性能的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].材料工程，2016，44（6）：31-37.

[18]易鑫鑫，任靖日.滑動(dòng)方向和微米交叉凹槽夾角對軸承鋼表面摩擦特性的影響[J].潤滑與密封，2016，41（3）：81-85，100.

[19]符永宏，李新，張衛(wèi)平.珩磨缸孔測量系統(tǒng)的總體研發(fā)[J].機(jī)械制造，2016，54（5）：69-71，78.

[20]鄧大松，郭旭紅，張克棟.溝槽型表面微織構(gòu)麻花鉆的鉆削性能仿真[J].工具技術(shù)，2018，52（06）：71-76.

[21]胡利鴻，莫繼良，王東偉，陽江舟，陳光雄，朱旻昊.溝槽和圓坑織構(gòu)抑制摩擦尖叫噪聲研究[J].中國機(jī)械工程，2016，27（09）：1158-1164.