澆鑄尼龍摩擦磨損影響因素研究

何志輝，何 婷

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

離心澆鑄尼龍(MC nylon)是以己內(nèi)酰胺為主要原料，在常壓下將熔融的己內(nèi)酰胺單體(用強(qiáng)堿性物質(zhì)作催化劑)減壓脫水后，與助催化劑等混合均勻，直接注入一定溫度的模具中聚合成型。MC尼龍具有較高的力學(xué)性能、較好的自潤滑性能和減震降噪性能，被廣泛用于齒輪、軸承及滑塊等大型制品，廣泛應(yīng)用于港口機(jī)械、起重機(jī)械。

本文通過系統(tǒng)試驗(yàn)分析，研究了MC尼龍摩擦磨損性能的影響因素，以期為解決MC尼龍使用過程中的摩擦磨損問題提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

原材料為公司采購的澆筑尼龍滑塊，經(jīng)機(jī)加工制成試樣樣品，滑塊供應(yīng)商包括株洲時(shí)代、施瓦茨等。

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：UMT-3H 型，美國CETR。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 滑塊正交試驗(yàn)評價(jià)

影響摩擦的因數(shù)很多，包括摩擦副材料的性質(zhì)、環(huán)境氣氛、靜止接觸時(shí)間、載荷情況、摩擦副的剛度和彈性、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、溫度狀況、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質(zhì)，以及介質(zhì)的化學(xué)作用等。為綜合研究滑塊材料在整個(gè)工況環(huán)境中摩擦磨損性能變化，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究溫度、速度、法向載荷、潤滑條件等因子對滑塊材料摩擦磨損性能影響。設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)見表1。試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)方式為點(diǎn)接觸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，球直徑9.5mm，硬度39HRC。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因子水平表Table 1 L9(34) orthogonal experiment factor level table

2.2.2 滑塊單因素變量試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在美國CETR 產(chǎn)UMT-3H 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為消除其他因素對摩擦磨損性能影響，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可對比性，選擇在同一個(gè)程序中設(shè)置不同step 的方式，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?。試?yàn)中固定其他參數(shù)不變，改變不同step 之間的單一因素，進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用不銹鋼銷為對磨件，銷直徑6.5mm，選擇運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)半徑6mm。轉(zhuǎn)速、溫度、載荷連續(xù)可調(diào)。

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 磨損量分析

根據(jù)正交試驗(yàn)表，取施瓦茨的滑塊開展摩擦磨損試驗(yàn)。磨損量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 L9(34) orthogonal experimental result

表3 為因子的極差結(jié)果，圖1為因子效應(yīng)圖。從表3和圖1均可知，4個(gè)因素的主次影響順序?yàn)闇囟龋?潤滑條件＞ 法向載荷＞轉(zhuǎn)速，其中溫度取40℃，轉(zhuǎn)速取200r/min，法向載荷取50N，潤滑條件為特殊潤滑時(shí)，磨損量最小。 因?yàn)閞 的極差最小，所以把r 作為誤差考慮，進(jìn)行方差分析。表4為以磨損量為目標(biāo)值的方差分析結(jié)果。由表4可知，采用90%的信心水準(zhǔn)時(shí)，溫度和潤滑條件是顯著影響因素。

表3 因子極差結(jié)果Table 3 Factor range results

圖1 磨損量為目標(biāo)值的因子效應(yīng)圖Fig.1 Factor effect diagram of wear as target value

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

3.1.2 摩擦系數(shù)正交試驗(yàn)分析

以摩擦系數(shù)為對象進(jìn)行正交分析，表5為因子的極差結(jié)果，圖2為因子效應(yīng)圖。從表5和圖2均可知，4個(gè)因素的主次影響順序?yàn)闈櫥瑮l件＞轉(zhuǎn)速＞法向載荷＞溫度。但4個(gè)測試因素影響差異較小，這一試驗(yàn)結(jié)果與鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所的數(shù)據(jù)相吻合[1]。造成4個(gè)因素影響差異較小的原因包括兩個(gè)方面：(1)所選4個(gè)因子的交互作用較大，這一推測符合摩擦學(xué)經(jīng)典理論。(2)4 個(gè)因子水平選取步長差異較小，使得這4 個(gè)因子對目標(biāo)值的影響相差不大，因而不能真實(shí)反映因子的主次影響順序以及各個(gè)因子的最優(yōu)水平。因此，對摩擦性能的正交試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)審慎引用。為進(jìn)一步研究各因素對摩擦系數(shù)的影響，進(jìn)行單因素影響補(bǔ)充試驗(yàn)。

表5 因子極差結(jié)果Table 5 Factor range results

圖2 摩擦因子為目標(biāo)值的因子效應(yīng)圖Fig. 2 Factor effect diagram with friction factor as target value

3.2 摩擦系數(shù)影響因素分析

3.2.1 法向載荷的影響

為研究法向載荷對摩擦系數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，隨著法向載荷的線性增加，株洲時(shí)代試樣摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這一結(jié)論與孫世豪、Huchings等[2-5]的結(jié)果相吻合。而陳平、焦有威[6-7]的研究表明，摩擦力和接觸壓力之間的關(guān)系總體上滿足庫侖摩擦定律，但由于滑動(dòng)中表面結(jié)構(gòu)受力變形會(huì)引起接觸面積發(fā)生變化，當(dāng)接觸壓力在特定范圍內(nèi)變化時(shí)，摩擦力會(huì)隨著接觸壓力的增大而減小。陳平的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)載荷小于90N時(shí)，PA66以黏著磨損為主。載荷為90N時(shí)，PA66磨損形式為犁削磨損和黏著磨損。載荷為140 N時(shí)，PA66的磨損形式為黏著磨損并伴有膠合現(xiàn)象的產(chǎn)生。摩擦學(xué)粘著理論認(rèn)為摩擦力與實(shí)際接觸面積成正比，而實(shí)際接觸面積并不隨法向載荷的增加而線性變化，使得滑動(dòng)摩按系數(shù)隨著法向載荷的增加，而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

圖3 法向載荷對摩擦系數(shù)的影響Fig.3 Influence of normal load on friction coefficient

3.2.2 滑動(dòng)速度的影響

一般情況下，摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度增加而升高，越過一個(gè)極大值后，又隨滑動(dòng)速度的增加而減少?？死w爾斯基對各種材料在速度變化范圍為0.0034～25 m/s、壓力變化范圍為0.8～166 kPa 時(shí)的摩擦系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究后得出：當(dāng)速度增大時(shí)摩擦系數(shù)通過一個(gè)最大值[5],一般認(rèn)為滑動(dòng)速度對摩擦系數(shù)的影響，主要是摩擦引起溫度的變化所致?；瑒?dòng)速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質(zhì)和接觸狀況，因而摩擦系數(shù)必將隨之變化。圖4是株洲試樣摩擦系數(shù)隨速度的變化趨勢，從圖4可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，摩擦系數(shù)同比增加。在旋轉(zhuǎn)速度降低后，摩擦系數(shù)同步降低，這一結(jié)論與馬艷艷、孫永紅等[8-9]通過環(huán)塊式試驗(yàn)機(jī)獲得的結(jié)果相一致，如圖5所示。

圖4 法向載荷對摩擦系數(shù)的影響Fig.4 Influence of rotation speed on friction coefficient

圖5 速度對摩擦系數(shù)的影響Fig.5 Influence of velocity on friction coefficient

吳先明等[10]分析認(rèn)為機(jī)床導(dǎo)軌的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差異，可能是造成繼承滑動(dòng)副發(fā)生爬行的主要原因之一。我們認(rèn)為摩擦系數(shù)在臂架運(yùn)行過程中的突變是臂架抖動(dòng)的原因之一，摩擦系數(shù)速度依賴性，造成滑動(dòng)部件在不同運(yùn)動(dòng)速度下摩擦系數(shù)的差異，形成臂架滑動(dòng)副之間的自激震動(dòng)。在滑動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)過程中，由于摩擦系數(shù)隨著速度增加而增加，在較低速度時(shí)，滑動(dòng)部件有正的加速度，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長，速度增加，摩擦系數(shù)隨之增加，加速度逐漸變小，甚至成為負(fù)值，造成速度降低，構(gòu)成滑動(dòng)副之間自激震動(dòng)。焦有威[11]的研究表明但由于試樣數(shù)量限制和時(shí)間倉促，對此尚需進(jìn)行深入分析和論證。

3.2.3 溫度的影響

摩擦副相互滑動(dòng)時(shí)，溫度的變化使表面材料的性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)隨摩擦副工作條件的不同而變化，具體情況需用試驗(yàn)方法測定。

圖6 、圖7為同一試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)。圖6為溫度對8#試樣摩擦系數(shù)的影響曲線，從圖6可以看出，試驗(yàn)溫度從25℃升高到100℃過程中，摩擦系數(shù)沒有出現(xiàn)明顯變化。

圖6 溫度對摩擦系數(shù)的影響Fig.6 Effect of temperature on friction coefficient

圖7 為試驗(yàn)過程中Z 位移對試驗(yàn)溫度曲線，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從25℃升高到100℃過程中，Z向位移發(fā)生顯著變化。由于尼龍?jiān)嚇?.8MPa下熱變形溫度低于100℃，在150N載荷下試樣壓力約為5MPa，推斷Z向位移的突變可能是試樣發(fā)生了明顯的塑性變形導(dǎo)致的。

圖7 溫度對磨損深度的影響Fig .7 Effect of temperature on wear depth

3.2.4 運(yùn)動(dòng)方式的影響

為研究運(yùn)動(dòng)方式對高分子材料摩擦系數(shù)的影響，對比了往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果。兩種運(yùn)動(dòng)方式都采用點(diǎn)接觸、法向載荷為50N。試驗(yàn)對比結(jié)果如圖8所示，運(yùn)動(dòng)方式對摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)測試結(jié)果差異顯著，圖8數(shù)據(jù)顯示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)測試的摩擦系數(shù)比旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測試結(jié)果要高1倍左右。這與張紗等[11]的研究結(jié)果相一致，其研究認(rèn)為在往復(fù)扭動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式下，滑塊承受的主要是交變剪切應(yīng)力，造成摩擦副表面形成復(fù)雜褶皺形貌，且磨損過程中磨粒不易排出，摩擦熱不易散失。

圖8 運(yùn)動(dòng)方式對摩擦系數(shù)的影響Fig.8 Influence of motion mode on friction coefficient

3.2.5 試驗(yàn)時(shí)間的影響

摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系比較復(fù)雜。通常認(rèn)為試驗(yàn)對摩擦系數(shù)的影響與高分子材料的蠕變性能、摩擦熱積累、磨粒生成等多種因素相關(guān)。圖9為株洲滑塊試樣在測試過程中摩擦系數(shù)的變化。圖9說明，在測試進(jìn)行到5min時(shí)，摩擦系數(shù)進(jìn)入相對穩(wěn)定階段。在試驗(yàn)進(jìn)行到50min時(shí)，摩擦系數(shù)發(fā)生突變，從0.12增加到0.26，同時(shí)磨損深度z 從-0.03mm增加到-0.09mm，表明摩擦系數(shù)的突變可能與材料突然進(jìn)入的劇烈磨損期有關(guān)。試驗(yàn)進(jìn)行到100min時(shí)，摩擦系數(shù)再次進(jìn)入穩(wěn)定期，可能與磨損機(jī)理由粘著變成磨料磨損有關(guān)，圖10、圖11 為試驗(yàn)結(jié)束后試樣與摩擦副照片，從圖10、圖11 可以發(fā)現(xiàn)大量的磨粒、磨屑，與推測結(jié)論基本一致。這一結(jié)論與邱明等[12-13]的研究結(jié)果相一致，磨損機(jī)理的改變造成了摩擦系數(shù)的突變。

圖9 摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between friction coefficient and time

圖10 試驗(yàn)8h后圓柱銷照片F(xiàn)ig.10 Photo of cylindrical pin after 8h test

圖11 試驗(yàn)8h后7#滑塊照片F(xiàn)ig.11 Photo of 7# slide block after 8h test

4 結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)研究了滑塊材料的摩擦磨損性能，研究發(fā)現(xiàn)法向載荷、旋轉(zhuǎn)速度、溫度、潤滑條件對摩擦系數(shù)的影響差異不顯著，對磨損量的影響較為顯著。其中對磨損量影響順序?yàn)闇囟龋緷櫥瑮l件＞法向載荷＞旋轉(zhuǎn)速度。

(2)通過單因素變量試驗(yàn)研究了摩擦系數(shù)的影響因素。發(fā)現(xiàn)隨著法向載荷在30～80 N 線性增加時(shí)，摩擦系數(shù)呈先增加后降低趨勢。

(3)通過單因素變量試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)同步增加。摩擦系數(shù)的速度依賴性可能是造成臂架抖動(dòng)的原因之一。

(4)通過試驗(yàn)分析了不同運(yùn)動(dòng)方式下摩擦系數(shù)的差異，認(rèn)為不同運(yùn)動(dòng)方式下摩擦系數(shù)差異較顯著，缺乏對比性。