45% SiCp/Al復(fù)合材料的微動磨損試驗設(shè)計與驗證

陳 立，李志慧，陳國欽，夏振濤，彭效海，劉玉慶，邵紅亮

(1. 上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬復(fù)合材料與工程研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

45%SiCp/Al復(fù)合材料具有較高的比剛度、比強度[1]、熱穩(wěn)定性[2]和耐磨性等優(yōu)點，成為鋁合金、鈦合金的優(yōu)選替代材料，在航天國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如慣性儀表[3]、航天器精密結(jié)構(gòu)件[4-6]等。在某衛(wèi)星精密轉(zhuǎn)動軸系中，由于減重和提高系統(tǒng)固有頻率的要求，采用45%SiCp/Al復(fù)合材料的軸承座與TC4鈦合金的鎖軸機構(gòu)大面積壓緊接觸，產(chǎn)生摩擦力的方式保證運載發(fā)射階段軸系的鎖定。

以往摩擦學(xué)研究表明，承受機械振動、往復(fù)載荷或熱循環(huán)等工況的近似緊固的機械配合中存在微動摩擦，即接觸表面之間有微米量級振幅的周期性相對運動[7-8]，這種微動摩擦造成的零件表面損傷即稱為微動摩擦磨損。精密轉(zhuǎn)動軸系中軸承座和鎖軸機構(gòu)之間的摩擦副在運載發(fā)射階段為壓緊配合且承受振動載荷，滿足微動摩擦的發(fā)生條件，而一旦有磨損多余物進(jìn)入軸承，將導(dǎo)致軸承壽命降低，或摩擦力矩變化使得軸系控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低[9]。

國內(nèi)外針對微動磨損的研究涉及的材料主要為鈦合金、軸承鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維增強復(fù)合材料等[10-11]，多采用低頻往復(fù)式的微動摩擦磨損試驗機[12-14]對接觸載荷[15-16]、微動幅值[17]、表面粗糙度[18]等影響因素進(jìn)行試驗。而對于SiCp/Al復(fù)合材料的磨損性能研究多為宏觀大幅值相對運動下的[19-20]，針對該材料的微動摩擦磨損文獻(xiàn)報道極少。為了驗證45%SiCp/Al作為摩擦式鎖軸機構(gòu)軸承座的合理安全性，本研究試圖對45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金對偶材料之間在掃頻振動條件下的微動摩擦磨損及力傳遞特性進(jìn)行鑒定評估。區(qū)別于一般的單點定頻微動摩擦試驗，本文在調(diào)研分析微動摩擦磨損主要影響因素的基礎(chǔ)上，依據(jù)實際工況設(shè)計了等效運載發(fā)射振動的模擬試驗裝置，對45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金摩擦副進(jìn)行了掃頻振動試驗，并檢測了振后試件表面，以期對45%SiCp/Al復(fù)合材料在空間機構(gòu)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)計

1.1 微動磨損主要影響因素

文獻(xiàn)[10]研究了Si3N4和GCr15兩種摩擦配副材料在不同載荷下對TC4鈦合金的微動磨損行為影響。文獻(xiàn)[15-16]研究結(jié)果顯示接觸載荷對微動摩擦行為和磨損機理有顯著影響。文獻(xiàn)[13,17-18]的試驗結(jié)果顯示微動幅值、表面粗糙度及擺動頻率對摩擦系數(shù)及磨損率等有不同程度的影響，且干摩擦和水潤滑條件下磨損結(jié)果有很大區(qū)別。文獻(xiàn)[11]采用正交試驗方法，研究碳纖維增強材料和鈦合金摩擦副之間載荷、頻率、振幅、材料織構(gòu)、環(huán)境條件等因素對微動磨損行為的影響，結(jié)果顯示法向載荷、微動頻率、時間對磨損量的影響非常顯著，其中載荷大小對于磨損量的影響程度遠(yuǎn)高于其他因素。

因此，為保證試驗結(jié)果的可參考性，在試驗設(shè)計時需對上述影響因素包括接觸載荷、頻率、微動幅值、表面粗糙度、接觸狀態(tài)及環(huán)境條件等進(jìn)行綜合考慮和量化控制。

1.2 等效試驗設(shè)計

衛(wèi)星鎖軸機構(gòu)工作原理如圖1所示，在發(fā)射階段TC4壓環(huán)在驅(qū)動裝置的作用下與SiCp/Al軸承座緊密配合，形成摩擦式鎖定。在軌后TC4壓環(huán)在驅(qū)動裝置的作用下與SiCp/Al軸承座分離，進(jìn)而軸系解鎖。

圖1 鎖軸機構(gòu)原理圖

鎖軸機構(gòu)工作時TC4壓環(huán)與SiCp/Al軸承座之間為大面積柱面壓緊干摩擦的接觸形式，為方便測試檢測，本文采用兩個40 mm×40 mm×40 mm帶20 mm半徑圓弧的SiCp/Al塊夾持直徑40 mm的TC4鈦合金圓棒來模擬鎖軸機構(gòu)的壓緊接觸，在振動試驗時通過平口鉗施加夾持力模擬驅(qū)動裝置作用下摩擦副之間的接觸載荷。為保證接觸面的等效， SiCp/Al夾塊和TC4圓棒的摩擦副配合面的圓柱度等尺寸精度按IT6～8級加工，表面粗糙度按優(yōu)于Ra0.8進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證與實際產(chǎn)品狀態(tài)一致。在試驗時控制廠房的溫濕度，試驗前使用無水乙醇清洗試件并晾干，保證摩擦副之間無其他介質(zhì)，為干摩擦狀態(tài)。

振動頻率、幅值及振動時間根據(jù)運載發(fā)射條件確定。而常見的微動摩擦磨損試驗機[11]為通用化的單點定頻式，不能滿足本文的大面積接觸形式和掃頻試驗工況?；诂F(xiàn)有試驗條件，設(shè)計了如下方案：TC4圓棒通過轉(zhuǎn)接板與振動臺激振頭連接，兩個SiCp/Al塊通過平口鉗與TC4圓棒夾持，平口鉗通過工裝安裝在水平滑臺側(cè)邊，水平滑臺上安裝適當(dāng)?shù)呐渲啬M負(fù)載。等效試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

接觸載荷是微動磨損的主要影響因素。對實際工況下鎖緊機構(gòu)的接觸載荷仿真計算表明工作時鎖緊機構(gòu)的最大接觸應(yīng)力約為15.3 MPa，試件上接觸應(yīng)力達(dá)到15.3 MPa時，兩側(cè)夾塊壓緊載荷約4000 N，如圖3所示。所以試驗過程中平口鉗需施加夾持力4000 N。

圖3 試件夾緊力與接觸應(yīng)力仿真

2 夾持力標(biāo)定試驗

在掃頻振動試驗系統(tǒng)中，采用精密平口鉗對試件夾緊，其夾持力通過絲桿施加。在彈性變形范圍內(nèi)，絲杠的擰緊力矩與平口鉗夾持力成一一對應(yīng)關(guān)系。在兩個SiCp/Al夾塊上各粘貼一個雙向應(yīng)變片，分別通過電子萬能試驗機與平口鉗對試件進(jìn)行夾緊，應(yīng)變數(shù)值一致時則電子萬能試驗機所示壓力與平口鉗的夾持力相同。表1為標(biāo)定試驗所用設(shè)備及精度。

表1 夾持力標(biāo)定試驗設(shè)備清單Table 1 Equipment of holding force calibration test

經(jīng)試夾，確定電子萬能試驗機從1000 N開始，每遞增500 N記錄一次數(shù)據(jù)至6000 N。平口鉗夾持從擰緊力矩10 Nm開始，每遞增5 Nm記錄一次數(shù)據(jù)至30 Nm。圖4為試件分別在電子萬能試驗機和平口鉗上標(biāo)定時的狀態(tài)。

圖4 夾持力標(biāo)定試驗

圖5為電子萬能試驗機和平口鉗兩次標(biāo)定的夾持力結(jié)果。其中階梯狀為萬能試驗機加壓時應(yīng)變數(shù)值，每次遞增后持續(xù)60 s(第二次在2500 N處持續(xù)180 s，不影響標(biāo)定結(jié)果)，圖片左側(cè)為平口鉗分別施加25 Nm和30 Nm擰緊力矩時應(yīng)變片數(shù)值，遞增后持續(xù)10 s?？梢婋S著壓緊/夾持力的增大，微應(yīng)變增加并趨于平穩(wěn)。

圖5 夾持力標(biāo)定結(jié)果

在考慮應(yīng)變儀精度的前提下，比較夾持力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平口鉗施加擰緊力矩30 Nm與電子萬能試驗機施加4000 N壓力時所粘貼應(yīng)變片的數(shù)值基本一致，可認(rèn)為試件之間夾緊狀態(tài)相同，接觸應(yīng)力一致。

3 微動摩擦試驗

3.1 振動試驗條件

鎖軸機構(gòu)與軸承座之間微動摩擦方向為軸系的軸向，對應(yīng)衛(wèi)星整體的橫向，因此以該衛(wèi)星鑒定級[21]橫向正弦振動條件作為微動摩擦試驗的輸入，如表2所示。

掃頻振動試驗在D-1000振動臺進(jìn)行，在振動前使用經(jīng)夾持力標(biāo)定的平口鉗對試驗件進(jìn)行安裝緊

表2 衛(wèi)星鑒定級正弦振動試驗條件Table 2 Sinusoidal vibration experiment condition of satellite

固，并用力矩扳手對平口鉗施加30 Nm擰緊力矩。表3為微動摩擦試驗所用設(shè)備及精度。

表3 微動摩擦試驗設(shè)備儀器清單Table 3 Equipment and instrument of friction vibration test

振動試驗除驗證材料的微動摩擦磨損外，同時檢驗該摩擦式鎖定的力傳遞特性。按照實際工況等比確定最大振動輸入加速度1.3g，并在水平滑臺安裝等效配重模擬負(fù)載。

圖6 掃頻微動摩擦試驗

3.2 摩擦式鎖定的力傳遞特性

振動試驗時在試驗件兩側(cè)，即激振頭工裝(TC4鈦棒側(cè))與水平滑臺(SiCp/Al夾塊側(cè))分別粘貼加速度傳感器，激振頭上為輸入信號，滑臺上為控制信號，通過觀察輸入信號和控制信號之間的重合度判斷加速度載荷是否有效傳遞。

圖7 1.3g量級下滑臺與激振頭傳感器響應(yīng)曲線

整個試驗過程中SiCp/Al夾塊與TC4鈦棒之間未見松動和相對滑動。圖7為對數(shù)坐標(biāo)下的輸入與控制信號的加速度響應(yīng)曲線，可以看出在1.3g量級下60 Hz前控制信號與輸入信號基本重合，60 Hz后輸入信號漂移，原因為試驗頻率達(dá)到工裝的固有頻率產(chǎn)生的共振所致。試驗結(jié)果顯示，輸入加速度與通過摩擦副傳遞后的輸出加速度數(shù)值一致且沒有滯后，加速度載荷能有效傳遞，故這種摩擦式鎖定具有良好的力傳遞特性，即摩擦副結(jié)合面具有良好的切向接觸剛度。

在掃頻振動試驗后，在此鎖軸機構(gòu)所應(yīng)用的轉(zhuǎn)動機構(gòu)一階模態(tài)頻率40 Hz處，對試件進(jìn)行了2 min的定頻40 Hz/1.3g量級的耐久振動試驗。試驗時，控制信號和輸入信號加速度響應(yīng)曲線也基本重合。

4 復(fù)合材料表面振后檢測

本文所述的鎖軸機構(gòu)附近配置有滾動軸承，一旦有細(xì)小的顆粒進(jìn)入內(nèi)部，會加劇軸承的振動和噪聲水平進(jìn)而影響其疲勞壽命及摩擦力矩。因此在振動試驗前后均使用HIROX三維視頻顯微鏡觀測試驗件表面形貌，以判別45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金對偶材料的表面是否磨損。同時在試驗完成拆卸試驗件時，在下部墊白紙觀察是否有粉末顆粒。振動試驗前SiCp/Al夾塊表面某些部位已存在一些極細(xì)微劃痕，已存在的痕跡不作為發(fā)生磨損的判據(jù)，主要比較振動試驗前后是否出現(xiàn)新的磨痕。圖8和圖9分別列出45%SiCp/Al試件中部和邊緣典型位置的放大20倍的形貌。

圖8 夾塊1振前與振后表面形貌比較(20X)

圖9 夾塊2振前與振后表面形貌比較(20X)

除上述典型位置外，對SiCp/Al夾塊和鈦棒進(jìn)行全面檢測，對比試驗前后20倍顯微鏡下的表面形貌，均未觀察到新的磨痕，所墊白紙上也未見粉末顆粒，因此可以判斷兩種材料之間未發(fā)生微動摩擦磨損。

5 結(jié) 論

1)設(shè)計的掃頻微動摩擦磨損試驗方法和裝置實現(xiàn)了衛(wèi)星鎖軸機構(gòu)45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金摩擦副在運載發(fā)射階段受載工況的等效模擬。

2)45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金組成的大面積壓緊接觸的摩擦副具有良好的力傳遞特性，摩擦副結(jié)合面具有良好的切向接觸剛度。

3)在IT6～8級尺寸精度和優(yōu)于Ra0.8的表面粗糙度，以及接觸應(yīng)力約15.3 MPa的條件下，45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金組成的摩擦副經(jīng)歷衛(wèi)星鑒定級振動試驗條件和耐久試驗未出現(xiàn)微動摩擦磨損，表明該材料具有良好的抗微動磨損性能。