不同織構(gòu)形式硬質(zhì)合金表面與木材徑切面的摩擦性能

李偉光，許亞東，冒旭東，張占寬

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2.南通躍通數(shù)控設(shè)備有限公司，江蘇 南通 226600；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

合理的微坑型微織構(gòu)已被證明具有改善木材與硬質(zhì)合金表面間的摩擦特性［1］，降低表面摩擦系數(shù)的作用。根據(jù)以往針對微織構(gòu)的研究可知，影響微織構(gòu)摩擦特性的因素主要包括織構(gòu)形式、織構(gòu)參數(shù)以及載荷等作用條件［2-5］。前期研究主要是針對微織構(gòu)在不同含水率情況下的減摩作用，主要考慮微凹坑織構(gòu)直徑、木材含水率以及作用載荷的影響［6-7］。但除微凹坑型織構(gòu)以外，目前還存在微凹槽型織構(gòu)和微網(wǎng)格型織構(gòu)等織構(gòu)形式［8］。木材作為一種黏彈性材料，在外力作用下會產(chǎn)生一定的彈性形變，其摩擦不僅來源于材料黏著和變形，還有一部分源自材料本身的彈性黏滯［9-10］。因此，相對于微織構(gòu)與硬質(zhì)金屬材料之間的摩擦而言，木材這種黏彈性材料與微織構(gòu)間摩擦特性的研究目前仍然比較局限，其作用效果和機理還有待更為深入的探索。其中，當(dāng)織構(gòu)表面與木材摩擦?xí)r，木材所受應(yīng)力的大小及其分布將對摩擦表面的破壞程度有較大影響，進(jìn)而影響接觸表面產(chǎn)生的摩擦力和摩擦系數(shù)。

基于此，筆者采用微凹坑型、微凹槽型和微網(wǎng)格型3 種不同織構(gòu)形式，在相同織構(gòu)面積占有率條件下，通過摩擦特性試驗，研究不同織構(gòu)形式對木材表面摩擦系數(shù)的影響，分析不同織構(gòu)作用機理，以期改善木材和硬質(zhì)合金表面間的摩擦特性，降低表面摩擦系數(shù)，尋找最佳織構(gòu)形式，為設(shè)計出更加合理的木材切削刀具表面織構(gòu)形式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取水曲柳（Fraxinusspp.）為木材試樣，將試樣在氣干棚干燥2 個月后，置于溫度20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中至水分平衡，含水率為12%，平均氣干密度為0.67 g/cm3，制成規(guī)格（長×寬×厚）35 mm×35 mm×3 mm 的徑切板。

金屬試樣材料為硬質(zhì)合金（牌號YG8），為直徑6 mm、高6 mm 的圓柱體，主要組成成分為WC 92%、Co 8%，密度為14.7 g/cm3。采用脈沖激光器在其表面分別加工出微坑型、凹槽型、網(wǎng)格型（90°，60°和30°）的織構(gòu)形式，其微觀形貌如圖1所示，織構(gòu)參數(shù)及代號如表1 所示。由于在試塊表面進(jìn)行激光微造型時，熔融殘留物會在微坑周邊產(chǎn)生毛刺，須予以清除。利用W7（05）金相砂紙去除毛刺，毛刺去除后利用超聲清洗器清洗試樣，清洗液為丙酮。

圖1 不同織構(gòu)的表面形貌Fig.1 Surface morphology of different micro?textures

表1 不同織構(gòu)的加工參數(shù)Table 1 Processing parameters of different textures

1.2 試驗方法

使用Retc 多功能摩擦試驗機（型號：MFT?5000）進(jìn)行摩擦特性試驗，金屬材料硬質(zhì)合金為上試樣，木材為下試樣，如圖2a 所示。上試樣固定在夾頭上，下試樣固定在托盤上，摩擦副接觸形式為面?面接觸，夾頭帶動上試樣可進(jìn)行往復(fù)運動。往復(fù)運動頻率2 Hz，往復(fù)運動行程10 mm，運動時間5 min，試驗載荷2 N，如圖2b 所示。試驗中始終保持摩擦運動方向與木材徑切面纖維方向平行。為盡量減小試驗誤差，不同織構(gòu)表面與木材摩擦的位置點平均分布在如圖2c 所示的試件表面。待摩擦系數(shù)基本保持穩(wěn)定后開始正式試驗，取整個行程摩擦系數(shù)的平均值作為最終的試驗結(jié)果。每組木材試件摩擦后，重新更換試件，重復(fù)3 次取平均值。

圖2 摩擦特性試驗Fig.2 Friction characteristic test

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

單次摩擦試驗不同表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦系數(shù)隨時間變化的原始曲線見圖3。由圖3 曲線可知，硬質(zhì)合金表面與木材接觸初期，摩擦系數(shù)較不穩(wěn)定，隨著摩擦進(jìn)一步進(jìn)行，摩擦系數(shù)逐漸穩(wěn)定，不同織構(gòu)形式表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)有所不同。

不同織構(gòu)形式產(chǎn)生的平均摩擦系數(shù)見圖4。由圖4 可以看出：B 型試樣（微坑）與木材產(chǎn)生的表面摩擦系數(shù)最小，為0.116；其次是C 型試樣（凹槽型），摩擦系數(shù)為0.182；A 型試樣（平面）產(chǎn)生的摩擦系數(shù)最大，為0.190。采用網(wǎng)格型織構(gòu)時，D1 型試樣（90°）與木材間產(chǎn)生的摩擦系數(shù)相對較大，為0.151，D2 型試樣（60°）次之，D3 型試樣（30°）最小。

圖3 單次試驗的摩擦系數(shù)原始曲線Fig.3 The original curve of the friction coefficient for single test

2.2 討論與分析

當(dāng)兩物體在一定的壓力作用下呈緊密接觸狀態(tài)時，由于物體表面并非完全光滑平面，隨著兩表面的相對移動，兩粗糙表面相互作用產(chǎn)生摩擦力（圖5）。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于木質(zhì)材料的羥基基團和金屬表面的氧化層形成氫鍵，此外還有范德華力作用在這一范圍內(nèi)［11］。其摩擦機理主要考慮部分就是兩粗糙峰接觸的黏結(jié)模型［9］，即接觸界面之間材料黏結(jié)的破壞和生成：接觸表面上的微凸體沿著外表面分布，兩接觸表面因范德華力作用或氫鍵作用使貼近的微凸體發(fā)生黏著接觸，產(chǎn)生黏結(jié)力，當(dāng)界面有相對運動時，表面微凸體之間的黏附力必然遭到破壞，接觸點的黏著部位產(chǎn)生剪切，形成一定的切向阻力。最薄弱的黏著點將被剪斷，斷口或位于微凸體接觸界面［12-13］，或位于某個微凸體中。接觸點被剪斷后，又迅速產(chǎn)生新的接觸點。這種使接觸表面黏結(jié)力遭到破壞所需要的最小力被定義為摩擦力［14］。這部分黏結(jié)摩擦力等于剪切應(yīng)力τ乘以實際接觸面積A［15］，即：Ff＝τA；而當(dāng)金屬表面存在織構(gòu)時，在一定壓力作用下的實際接觸面積減小，使得兩表面間的黏接作用降低，從而使摩擦系數(shù)變小。

圖4 不同織構(gòu)形式產(chǎn)生的平均摩擦系數(shù)Fig.4 Average friction coefficient produced by different textures

圖5 兩粗糙峰接觸的黏結(jié)模型Fig.5 Model of adhesion caused by the contact of two asperities

此外，由摩擦特性試驗結(jié)果可知，在相同織構(gòu)面積占有率的條件下，織構(gòu)的類型和表面形貌對硬質(zhì)合金試樣與木材表面的摩擦系數(shù)，會受到摩擦長度、凹槽微織構(gòu)寬度、微織構(gòu)角度等織構(gòu)參數(shù)的影響。

凹槽型微織構(gòu)摩擦示意圖見圖6。圖6 中：L為摩擦長度，d為凹槽微織構(gòu)寬度，α為微織構(gòu)角度，F(xiàn)為在摩擦區(qū)域內(nèi)滑動方向上的受力，S1為摩擦區(qū)域織構(gòu)面積［2］。則：摩擦區(qū)域織構(gòu)面積S1＝Ld；主制力Fr1＝F。

網(wǎng)格型微織構(gòu)摩擦示意圖見圖7。圖7 中：L為摩擦長度，d為微織構(gòu)寬度，α為微織構(gòu)角度，S2為微織構(gòu)的摩擦區(qū)域織構(gòu)面積。則：摩擦區(qū)域織構(gòu)面積S2＝Lw＝Ld/cosα；主制力Fr2＝Fsinα。

在相同的摩擦長度L、微織構(gòu)寬度d和受力F的情況下，比較以上兩種微織構(gòu)形式可知，S2＞S1，F(xiàn)r2＜Fr1。即網(wǎng)格型微織構(gòu)在摩擦區(qū)域織構(gòu)面積大于凹槽型織構(gòu)，而網(wǎng)格型微織構(gòu)產(chǎn)生的主制力小于凹槽型。當(dāng)微織構(gòu)與木材發(fā)生摩擦?xí)r，摩擦區(qū)域織構(gòu)面積越大說明兩者間實際接觸面積越小，且面積越大，捕捉磨屑和硬質(zhì)點間的能力越強。而主制動力越小，其產(chǎn)生的摩擦系數(shù)越小；α越小，其產(chǎn)生摩擦系數(shù)也越小。

圖6 凹槽型微織構(gòu)摩擦示意圖Fig.6 Friction diagram of the micro?groove texture

圖7 網(wǎng)格型微織構(gòu)摩擦示意圖Fig.7 Friction diagram of the micro?grid texture

微坑型微織構(gòu)摩擦示意圖見圖8。在摩擦的過程中，每個微坑相互獨立，與連續(xù)型的凹槽和網(wǎng)格型織構(gòu)相比，其為離散型，沿圓弧方向分布的制動力分量如圖8 右圖所示。圖中，從微坑圓弧外邊緣到弧頂制動力的分量逐漸變大，這種特征可有效減弱織構(gòu)表面與木材摩擦過程中產(chǎn)生的微沖擊，且微坑的存在同樣可以捕捉摩擦中產(chǎn)生的磨屑和木材中的硬質(zhì)點。

圖8 微坑型微織構(gòu)摩擦示意圖Fig.8 Friction diagram of the micro?pit texture

3 結(jié)論

1）通過摩擦特性試驗與理論分析相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，在相同織構(gòu)面積占有率條件下，不同類型織構(gòu)與木材摩擦產(chǎn)生的摩擦系數(shù)均小于平面摩擦的摩擦系數(shù)，其大小會受到摩擦長度、凹槽微織構(gòu)寬度、微織構(gòu)角度等織構(gòu)參數(shù)的影響。

2）當(dāng)微織構(gòu)與木材發(fā)生摩擦?xí)r，摩擦區(qū)域織構(gòu)面積越大說明兩者間實際接觸面積越小，且面積越大，捕捉磨屑和硬質(zhì)點的能力越強。而主制力越小，其產(chǎn)生的摩擦系數(shù)越小。在相同織構(gòu)面積占有率條件下，微坑型織構(gòu)產(chǎn)生的表面摩擦系數(shù)最小，為0.116；凹槽型織構(gòu)產(chǎn)生的表面摩擦系數(shù)最大，為0.182；網(wǎng)格型織構(gòu)隨著織構(gòu)角度的減小，其產(chǎn)生摩擦系數(shù)越小，摩擦系數(shù)值為0.134～0.151。