銅基石墨自潤(rùn)滑件的三維骨架設(shè)計(jì)與制備工藝參數(shù)研究

周雪琴

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?銅基石墨自潤(rùn)滑件具有摩擦系數(shù)低、磨損小等優(yōu)良性能。石墨顆粒在銅基體的分布會(huì)影響自潤(rùn)滑件的綜合性能，根據(jù)摩擦磨損理論，結(jié)合固體潤(rùn)滑劑嵌入軸承的方式，設(shè)計(jì)交錯(cuò)分布的石墨骨架結(jié)構(gòu)，通過(guò)正交試驗(yàn)確定分層厚度0.1mm、掃描速度1500mm/min、掃描間距0.1mm、激光功率20W的工藝參數(shù)，成功制備銅基石墨的三維石墨骨架。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?自潤(rùn)滑件;石墨骨架;激光燒結(jié);工藝參數(shù)

[中圖分類(lèi)號(hào)] ?TH117.2+1 ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2019）15-0029-03

銅基石墨自潤(rùn)滑件具有摩擦系數(shù)低、磨損小等優(yōu)良性能。石墨顆粒在銅基體的分布會(huì)影響自潤(rùn)滑件的綜合性能，如何實(shí)現(xiàn)石墨含量及其在銅基體中可控分布仍然是一個(gè)技術(shù)難題。本文通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)并制備三維石墨骨架，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨含量在銅基體的可控分布，為獲得綜合性能優(yōu)良的銅基石墨自潤(rùn)滑件提供可行條件。

一、三維石墨骨架的設(shè)計(jì)

根據(jù)固體潤(rùn)滑劑嵌入軸承的方式[1]，如圖1所示。其中，A為泛用型;B適用于微動(dòng)摩擦場(chǎng)合;C適用于軸固定而軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下;D則適用于軸作旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)時(shí)。在結(jié)構(gòu)上，嵌入的固體潤(rùn)滑劑在摩擦方向上都保持了一定的交疊，因?yàn)楣绦轁?rùn)滑劑不能流動(dòng)，交疊的排布能保證固體潤(rùn)滑劑在摩擦過(guò)程中形成覆蓋整個(gè)摩擦表面的轉(zhuǎn)移膜，達(dá)到潤(rùn)滑的效果，否則，在沒(méi)有潤(rùn)滑劑的部位會(huì)出現(xiàn)咬傷，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致軸承迅速失效。

固體自潤(rùn)滑件鑲嵌在金屬基體內(nèi)時(shí)，要按一定規(guī)律分布成若干圓柱，如圖2所示。所有鑲嵌孔沿運(yùn)動(dòng)方向交叉布置，在軸向或徑向（以運(yùn)動(dòng)方向而論）各孔之間應(yīng)有一定的切向重疊度ε，以保證軸承潤(rùn)滑劑覆蓋整個(gè)滑動(dòng)方向，形成完整的固體潤(rùn)滑膜[2]。

根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)石墨骨架底座尺寸為25mm×25mm×5mm，圓柱體設(shè)計(jì)尺寸為？椎4mm×5mm，圓柱分布方式采用圖1的B圖，在摩擦方向各圓柱之間的切向重疊度ε=1.25mm，為了減小圓柱底部的應(yīng)力集中，在圓柱底部增加R1mm的倒圓角，具體分布方式如圖3所示。

二、三維石墨骨架的快速制備

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光燒結(jié)設(shè)備：3D打印成型系統(tǒng)選用選擇性激光燒結(jié)快速成型機(jī)HKS500，由武漢華科三維科技有限公司提供;激光器為CO2氣體激光器，輸出功率最大能達(dá)到55W，最大光斑直徑為0.4mm，成型空間尺寸為500mm×500mm×400mm，分層厚度為0.05mm-0.25mm。后處理除塵裝置、鼓風(fēng)對(duì)流干燥箱均為3D打印成型系統(tǒng)的配套設(shè)備。

石墨3D打印原材料制備設(shè)備：振動(dòng)篩和不銹鋼干磨球磨機(jī)

（二）3D打印材料

石墨3D打印粉料由細(xì)鱗片石墨和熱固性酚醛樹(shù)脂粉末組成，按表1制作配方。

根據(jù)配方要求，使用振動(dòng)篩篩選石墨粉末，按比例稱取熱固性酚醛樹(shù)脂粉末，一起投入不銹鋼干磨球磨機(jī)中，并按1∶3的球料比放入適量鋼球，以45r/min的轉(zhuǎn)速混合5小時(shí)（分階段），獲得混合均勻的石墨/酚醛樹(shù)脂混合粉末原料將物料置于濕度低于40RH%的干燥環(huán)境（防止受潮）中備用。

三、三維石墨骨架選擇性激光燒結(jié)成形工藝

在選擇性激光燒結(jié)成型過(guò)程中，粉末所吸收的能量大小可用激光能量密度來(lái)描述，研究表明激光能量密度與激光功率P成正比，而與掃描間距L、掃描速度V成反比[3]，激光的能量密度E恰好能表達(dá)各個(gè)工藝參數(shù)之間的關(guān)系：E=fP/（LV）

上式中：E表示激光能量密度的大小，P為激光功率，V為掃描速度，L為掃描間距，f為修正系數(shù)，由具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境決定?？梢?jiàn)，激光功率P、掃描速度V、掃描間距L是影響成型質(zhì)量的主要可控的工藝參數(shù)。

由于石墨/酚醛樹(shù)脂混合粉末導(dǎo)熱性好，該混合粉末所吸收的能量除一部分散失到上方空氣中外，大部分激光能量以熱量形式通過(guò)傳導(dǎo)方式傳向周?chē)缮⒎勰惯@些粉末溫度升高，當(dāng)其溫度達(dá)到粉末結(jié)塊溫度時(shí)，便會(huì)在燒結(jié)件表面粘接一層非理想燒結(jié)層，從而形成次級(jí)燒結(jié)區(qū)，致使X、Y方向尺寸偏大;激光功率越大，能量密度越大，形成的次級(jí)燒結(jié)區(qū)越大，尺寸偏差也越大[4]。

為了能精確控制自潤(rùn)滑件中石墨的含量，必須要計(jì)算圓柱的設(shè)計(jì)尺寸與打印尺寸的比值。為此，實(shí)驗(yàn)中用0.1mm的分層厚度，采用正交試驗(yàn)研究了掃描間距L、激光功率P、掃描速度V對(duì)燒結(jié)件坯體尺寸精度的影響規(guī)律，各參數(shù)取值如表2所示。

每組試樣一次性燒結(jié)3個(gè)，采用游標(biāo)卡尺（精度為0.02mm）在同一高度測(cè)量燒結(jié)件坯體的直徑，取平均值并統(tǒng)計(jì)，用實(shí)測(cè)直徑減去基本尺寸求得尺寸偏差，再用尺寸偏差除以基本尺寸獲得尺寸相對(duì)誤差值。正交試驗(yàn)表及直徑測(cè)量結(jié)果如表3所示（見(jiàn)附表）。

四、正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)激光能量密度小于等于0.067J/mm2時(shí)，無(wú)法獲取結(jié)構(gòu)完整試樣（如圖4所示）;而當(dāng)激光能量密度大于0.167J/mm2時(shí)，試樣在X軸方向出現(xiàn)粘接或者“擾動(dòng)”（如圖5所示）。只有當(dāng)激光能量密度在0.075～0.150J/mm2范圍內(nèi)變化時(shí)，才能獲得結(jié)構(gòu)完整的試樣，且隨著激光能量密度的增加，試樣的相對(duì)誤差值也隨之增大。這是因?yàn)樵谑?酚醛樹(shù)脂混合粉末選擇性激光燒結(jié)成型過(guò)程中，當(dāng)激光能量密度偏低時(shí)，混合粉末所吸收的能量少，不足以使其中的酚醛樹(shù)脂粉末固化，導(dǎo)致層間連接強(qiáng)度不夠而無(wú)法獲取石墨成型件。隨著激光能量密度不斷增大，大部分酚醛樹(shù)脂粉末吸收足夠的能量得以固化，增加了層間連接強(qiáng)度，改善了成型工藝性。如果激光能量密度過(guò)大，石墨和酚醛樹(shù)脂粉末會(huì)部分燒失。

采用極差分析法對(duì)同一因素的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)值相加，得到該因素的K1、K2、K3值，求得K1、K2、K3中最大值與最小值之差為該因素的極差R，R值越大，說(shuō)明該因素在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的影響越大。

結(jié)合表4可知，影響試樣直徑相對(duì)誤差的主次因素為：激光功率>掃描間距>掃描速度。為保證試樣直徑相對(duì)誤差最小，應(yīng)選取A1B3C3工藝參數(shù)組合，即激光功率為15W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.2mm，即表3中的第九組參數(shù)。利用第九組參數(shù)打印出來(lái)的試樣圖片如圖6所示。

由圖6可知，利用第九組參數(shù)打印試件時(shí)，中間試件出現(xiàn)了比較明顯的次級(jí)燒結(jié)。也就是說(shuō)由表4確定的工藝參數(shù)并不是最佳的，之所以會(huì)出現(xiàn)這種比較矛盾的結(jié)果，是因?yàn)樵谥谱鞅?時(shí)，由于部分試樣取樣失敗以致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失所致。例如掃描間距為0.1mm的相對(duì)誤差數(shù)據(jù)有9組，而掃描間距為0.2mm的相對(duì)誤差數(shù)據(jù)只有5組，掃描間距為0.15mm的相對(duì)誤差數(shù)據(jù)有6組;激光功率和掃描速度的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)也是如此。

雖然由表4確定的工藝參數(shù)不是最佳的，但可以用來(lái)作參考。通過(guò)觀察表3可知，1、4、9組試樣的打印尺寸相同，均為5.7mm。通過(guò)對(duì)比三組試樣的圖片，如圖7所示，根據(jù)圖片可知，相比第四組和第九組，利用第一組參數(shù)打印的試樣出現(xiàn)了比較明顯的Z軸盈余;相比第一組和第四組，利用第九組參數(shù)打印的試樣出現(xiàn)了比較明顯的次級(jí)燒結(jié)區(qū)域，因此第四組參數(shù)比較合理。

綜上所述，選擇第四組參數(shù)進(jìn)行骨架的燒結(jié)制備。利用第4組參數(shù)打印的試樣圖片如圖8所示。將第4組參數(shù)作為本實(shí)驗(yàn)3D打印的工藝參數(shù)，如表5所示。

經(jīng)測(cè)量，打印出來(lái)的試樣的直徑在椎5.9mm～椎6.1mm之間取值，平均值為椎6mm。

五、結(jié)論

根據(jù)摩擦磨損理論，結(jié)合固體潤(rùn)滑劑嵌入軸承的方式，設(shè)計(jì)了交錯(cuò)分布的石墨骨架結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理分配3D打印材料中酚醛樹(shù)脂含量40wt%、酚醛樹(shù)脂粒徑75μm，通過(guò)正交試驗(yàn)確定分層厚度0.1mm、掃描速度1500mm/min、掃描間距0.1mm、激光功率20W的工藝參數(shù)，成功制備了銅基石墨的三維石墨骨架。

參考文獻(xiàn)：

[1]李同生.鑲嵌固體潤(rùn)滑劑軸承的研究與應(yīng)用[J].固體潤(rùn)滑，1989（2）：69-77.

[2]肖躍加，馬黎，陳國(guó)清.鑲嵌型固體自潤(rùn)滑軸承及其設(shè)計(jì)[J].鍛壓機(jī)械，1995（2）：22-25.

[3]吳海華，鄢俊能，李騰飛，等.石墨/酚醛樹(shù)脂混合粉末選擇性激光燒結(jié)成型精度實(shí)驗(yàn)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（8）.

編輯 馮永霞