3D打印光敏樹(shù)脂表面楔形冠狀織構(gòu)的摩擦學(xué)性能

李昊，高朋，陳文剛，尹紅澤，吳華杰，魏璇

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224)

3D打印技術(shù)是快速成型制造技術(shù)的一種，其基本原理是依據(jù)三維數(shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)特定材料的逐層累積從而形成三維實(shí)體。其也被稱作增材制造技術(shù)[1-2]。3D打印可細(xì)分為六種不同的成型技術(shù)[3]，即：粘合噴射成型(3DP)技術(shù)、熔融層積成型(FDM)技術(shù)、立體光固化成型(SLA)技術(shù)、選區(qū)粉末激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)、選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)和分層實(shí)體制造(LOM)技術(shù)。其中，SLA技術(shù)打印出的試樣相較于其它打印方式而言，具有表面質(zhì)量好、精度高、較光滑的顯著優(yōu)勢(shì)。其常用材料為光敏樹(shù)脂，利用光敏樹(shù)脂的聚合反應(yīng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外光束沿著軌跡信息逐點(diǎn)掃描，在每一層固化完成后，工作臺(tái)下移一定距離，再次掃描并固化新的光敏樹(shù)脂，最終形成三維實(shí)體[4-6]。關(guān)于光敏樹(shù)脂的研究已有許多報(bào)道，例如：Lu等[7]使用水性聚氨酯(WPU)作為涂層材料來(lái)改善光敏樹(shù)脂的生物相容性，將WPU乳液涂在樹(shù)脂表面上，制備復(fù)合支架，結(jié)果表明，該復(fù)合支架具有光滑的親水表面，低細(xì)胞毒性，可使人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞快速增殖。Liu等[8]研發(fā)了用于牙科、具有抗菌功能的光敏樹(shù)脂，通過(guò)添加含Ag的埃洛石納米管進(jìn)行光固化3D打印，結(jié)果表明，該樣品的彎曲強(qiáng)度增加了25%，同時(shí)還具備優(yōu)良的抗菌能力。王世崇等[9]將改性碳纖維與光敏樹(shù)脂復(fù)合制備光敏樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合材料，大大增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能與韌性。韓艷陽(yáng)[10]利用丙烯酸-2-羥乙酯對(duì)勃姆石納米線進(jìn)行改性，改善其在樹(shù)脂中的分散性，添加到光敏樹(shù)脂中，提高了材料的彎曲強(qiáng)度。隨著光敏樹(shù)脂性能的改善，其應(yīng)用前景十分廣闊。

大量試驗(yàn)證明，材料表面織構(gòu)化技術(shù)是提高其使用壽命的有效物理改性手段，有利于減小材料表面的磨損，從而達(dá)到延長(zhǎng)材料使用壽命的目的。材料表面經(jīng)過(guò)形貌修飾，形成凹坑或溝槽，一方面可作為潤(rùn)滑油液的存儲(chǔ)器[11]，加速潤(rùn)滑油膜的形成，另一方面可作為磨屑的收集器，減小其對(duì)工件表面造成的二次磨損，同時(shí)因織構(gòu)化而產(chǎn)生的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑被認(rèn)為是織構(gòu)可以起到減摩作用的主要原因。隨著表面織構(gòu)技術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，織構(gòu)的加工方式也成為研究的重點(diǎn)。尹紅澤等[12]利用FDM技術(shù)在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料表面制備楔形三角織構(gòu)，得出非對(duì)稱織構(gòu)在減摩抗磨中具有方向性，這對(duì)單向運(yùn)動(dòng)部件的減摩抗磨提供了現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。但是利用SLA技術(shù)在光敏樹(shù)脂表面制備織構(gòu)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。筆者采用SLA技術(shù)在光敏樹(shù)脂表面制備楔形冠狀織構(gòu)，通過(guò)Fluent進(jìn)行流體力學(xué)仿真分析，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，改變?cè)囼?yàn)的轉(zhuǎn)速和載荷研究不同面積占有率織構(gòu)的減摩抗磨效果，最終獲取適用于不同工況的最佳織構(gòu)面積占有率參數(shù)，以期對(duì)表面織構(gòu)在光敏樹(shù)脂的應(yīng)用提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

光固化樹(shù)脂：C-UV9400A，東莞愛(ài)的合成材料科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

光固化3D打印機(jī)：Lite 600HD-A型，上海聯(lián)泰科技股份有限公司；

金相試樣磨拋機(jī)：PG-1S型，三思永恒科技(浙江)有限公司；

超聲波清洗機(jī)：SB25-12DTDS型，寧波新藝超聲設(shè)備有限公司；

MRTR多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)：MR-070型，濟(jì)南藍(lán)波試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

電子分析天平：FA324C型，上海衡際科學(xué)儀器有限公司；

體式顯微鏡：XTL-100型，濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司。

1.3 打印條件

設(shè)置打印條件為：層厚0.1 mm，波長(zhǎng)500 nm，曝光時(shí)間10 s，燈滅延遲3 s，抬升速度15 mm/min，回程速度 30 mm/min，打印尺寸 30 mm×30 mm×5 mm，室溫20℃。

1.4 試樣制備與前處理

將MRTR多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上裝夾所用圓柱銷在試樣表面上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所掃過(guò)的環(huán)形面積平均分為16份，每一份作為一個(gè)單元體，每一個(gè)單元體上設(shè)置一個(gè)楔形冠狀織構(gòu)，16個(gè)完全相同的楔形冠狀織構(gòu)呈環(huán)形分布，如圖1所示。

圖1 單元體劃分和楔形冠狀織構(gòu)示意圖

參考打印機(jī)精度設(shè)計(jì)織構(gòu)尺寸，預(yù)先假定織構(gòu)深徑比即織構(gòu)深度與織構(gòu)曲率半徑之比為0.5，不同織構(gòu)面積占有率(單個(gè)織構(gòu)面積與單元體面積的比值)對(duì)應(yīng)的織構(gòu)曲率半徑和織構(gòu)深度見(jiàn)表1。

表1 織構(gòu)參數(shù)

表面楔形冠狀織構(gòu)試樣通過(guò)三維建模軟件NX10.0建立織構(gòu)模型，如圖1b所示。將建立好的模型文件導(dǎo)入到光固化3D打印機(jī)中生成實(shí)體模型。模型制作完成后，由于打印過(guò)程中在材料表面會(huì)產(chǎn)生平行凹槽紋路(本身也屬于一種織構(gòu)，這是打印技術(shù)所決定的現(xiàn)象，無(wú)法在打印過(guò)程中消除)，如圖2a所示，只能通過(guò)表面拋光的方式將其對(duì)試驗(yàn)的影響降到最小。拋光時(shí)依次用規(guī)格為500#，600#，800#，1 000#，1 200#砂紙?jiān)诮鹣嘣嚇幽仚C(jī)上進(jìn)行粗拋光處理，再在1 500#砂紙上涂抹適量金剛石拋光膏進(jìn)行精拋處理來(lái)恢復(fù)表面光澤，拋光后的板材表面如圖2b所示。將精拋處理后的試樣放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，因?yàn)樵嚇颖旧砭哂幸欢ǖ奈?，所以選擇無(wú)水乙醇作為清洗液。每次清洗時(shí)間為15 min，清洗2～3次。清洗完成后的試樣自然風(fēng)干。

圖2 拋光前后的試樣表面

1.5 摩擦磨損試驗(yàn)

采用銷-盤(pán)摩擦副進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)方式為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上試樣采用材質(zhì)為軸承鋼的圓柱銷，其直徑為4 mm，長(zhǎng)度為15 mm。下試樣采用3D打印機(jī)制備的30 mm×30 mm×5 mm正方形板材，其材質(zhì)為C-UV9400A光敏樹(shù)脂。下試樣中，一部分上表面為光滑表面試樣，另一部分的上表面為3D打印一次成型時(shí)所制備的不同面積占有率的楔形冠狀織構(gòu)試樣。下試樣盤(pán)-銷接觸示意圖如圖3所示。

圖3 盤(pán)-銷接觸示意圖

使用MRTR多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)式摩擦試驗(yàn)，用以測(cè)定表面楔形冠狀織構(gòu)對(duì)光敏樹(shù)脂摩擦磨損性能的影響。試驗(yàn)中潤(rùn)滑劑選擇100號(hào)基礎(chǔ)油作為潤(rùn)滑油。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組，分別對(duì)應(yīng)6種不同工況，每組下設(shè)10種不同織構(gòu)面積占有率的試樣(表1)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)具體參數(shù)設(shè)置為：轉(zhuǎn)速分別為 100，200，300 r/min，載荷分別為5，20 N，摩擦?xí)r間為60 min，為了減少試驗(yàn)誤差，每次試驗(yàn)更換上試樣。試驗(yàn)中摩擦副表面處于富油狀態(tài)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速、載荷、織構(gòu)面積占有率探究光敏樹(shù)脂試樣材料的摩擦磨損特性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生，每隔10 s濾波采集一次，所有試驗(yàn)均在室溫（20℃）、相對(duì)濕度(70±15)%的大氣條件下進(jìn)行。為了后期方便觀察試樣的磨痕形貌，在試驗(yàn)前后分別用體式顯微鏡對(duì)織構(gòu)進(jìn)行觀察，拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌分析

織構(gòu)原本是與周圍板材相同的白色，但由于在顯微鏡的白光照射下，產(chǎn)生反光無(wú)法觀察凹坑形貌，所以對(duì)織構(gòu)進(jìn)行了染色處理?？棙?gòu)的局部放大圖和單個(gè)織構(gòu)放大圖如圖4所示。

圖4 試樣表面宏觀形貌圖

從圖4b可以看出，單個(gè)凹坑中可以觀察到條形紋理，這是由于SLA 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)所導(dǎo)致的。SLA技術(shù)的原理是利用UV光聚焦到液體樹(shù)脂的表面，使材料發(fā)生光聚合和光交聯(lián)反應(yīng)，固化成型。固化的過(guò)程是一個(gè)由點(diǎn)到線再由線到面的過(guò)程。周圍平面的紋理已在拋光時(shí)去除，而凹坑內(nèi)部無(wú)法拋磨到，所以紋理仍然存在。

2.2 仿真模擬分析

(1)仿真模型建立。

通過(guò)NX10建立如圖5a所示的盤(pán)-銷接觸示意圖，圖5a中虛圓圈標(biāo)注出的部分可進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化。通過(guò)CAD軟件為單個(gè)織構(gòu)建立密封空腔，對(duì)模型進(jìn)行前處理，處理后模型的截面示意圖如圖5b所示。將處理后的模型導(dǎo)入到Workbench-Mash中提取模型中的空腔，空腔的二維、三維模型示意圖如圖5c、圖5d所示。之后，利用提取出的空腔進(jìn)行Fluent流體仿真。

圖5 仿真模型示意圖

(2)邊界條件及材料設(shè)置。

仿真分析針對(duì)單個(gè)織構(gòu)展開(kāi)，設(shè)置大氣壓強(qiáng)為101 325 Pa，測(cè)量試驗(yàn)中上試樣圓柱銷旋轉(zhuǎn)半徑為9 mm，將轉(zhuǎn)速通過(guò)式(1)轉(zhuǎn)化為角速度，再將角速度與圓柱銷旋轉(zhuǎn)半徑相乘得到線速度，則轉(zhuǎn)速100，200，300 r/min 對(duì)應(yīng)的線速度分別為 0.094，0.188，0.282 m/s。

式中：ω——角速度；

n——轉(zhuǎn)速。

因?yàn)樵囼?yàn)中下試樣做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以將簡(jiǎn)化模型(圖5d)的下表面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面，將左、右壁面分別設(shè)置為流體的壓力入口及出口，其余壁面均設(shè)置為固定壁面，空腔中的流體設(shè)置為密度為801.4 kg/m3、動(dòng)力黏度為0.083 4 Pa·s的油液。

(3)楔形冠狀織構(gòu)對(duì)油膜承載力的影響。

在轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下。楔形冠狀織構(gòu)對(duì)對(duì)潤(rùn)滑油膜內(nèi)部壓力的影響如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速為100 r/min下油膜內(nèi)部壓力圖

從圖6可以看出，由于有織構(gòu)存在，在流體沿著速度方向流入凹坑時(shí)產(chǎn)生了負(fù)壓(圖中方框圈出區(qū)域)。在流體流出凹坑時(shí)產(chǎn)生了正壓(圖中圓形圈出區(qū)域)。兩側(cè)之間形成了流體動(dòng)壓效應(yīng)，這對(duì)于增大油膜壓力、提高油膜承載力、降低摩擦系數(shù)起著積極的作用。

(4)凹坑內(nèi)部壓力變化分析。

為了進(jìn)一步說(shuō)明油膜壓力變化的成因，沿油液流動(dòng)方向通過(guò)凹坑圓心做截面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以清楚地看到，凹坑內(nèi)部壓力呈現(xiàn)梯度變化，凹坑的左邊形成了一個(gè)發(fā)散楔，油壓從大氣壓強(qiáng)101 325 Pa下降至101 100 Pa。凹坑的右邊形成了一個(gè)收斂楔，油壓從大氣壓強(qiáng)101 325 Pa上升至101 600 Pa。發(fā)散楔中油壓下降了225 Pa，收斂楔中油壓上升了275 Pa。油壓的下降量低于油壓的升高量，這是因?yàn)闈?rùn)滑油在壓力降低時(shí)會(huì)發(fā)生空化，從而限制了負(fù)壓的范圍，最終使得相對(duì)滑動(dòng)的表面產(chǎn)生了額外的承載力[13]。同時(shí)在收斂楔的作用下形成了具有一定剛度的潤(rùn)滑油膜，使其承載能力提高[14]。

圖7 凹坑內(nèi)部壓力變化圖

(5)凹坑內(nèi)部液體流線分析。

楊國(guó)來(lái)等[15]在研究最適合浮杯泵織構(gòu)化配流副的球形凹坑時(shí)，進(jìn)行流體仿真分析，分析結(jié)果表明，油液在流經(jīng)凹坑時(shí)沿凹坑向下運(yùn)動(dòng)，在碰到凹坑壁面后，流體沿著壁面曲線的方向速度發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得在凹坑處形成渦流。凹坑內(nèi)部流線圖如圖8所示。由圖8可以看出，由于渦流的存在，在漩渦中心形成了一個(gè)低壓區(qū)，產(chǎn)生了很強(qiáng)的吸力，這對(duì)于吸附油液中的磨屑、減小二次磨損起到積極的作用。

圖8 凹坑內(nèi)部流線圖

(6)轉(zhuǎn)速對(duì)油膜承載力的影響。

不同轉(zhuǎn)速下油膜壓力的變化如圖9所示。由圖9可以看出，以大氣壓強(qiáng)101 325 Pa為參照，轉(zhuǎn)速分別為100，200，300 r/min時(shí)，最大壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)的差值分別為 238.758，360.094，482.055 Pa。由此可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，流體動(dòng)壓效應(yīng)提高，油膜的承載能力也隨之增大。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下油膜壓力的變化

2.3 織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響

在確定織構(gòu)深徑比為0.5條件下，對(duì)織構(gòu)的最佳面積占有率進(jìn)行研究。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了10種不同織構(gòu)面積占有率試樣，分別試驗(yàn)了其在6種不同工況下的摩擦學(xué)表現(xiàn)。

(1)載荷為5 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響。

在載荷為5 N條件下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響如圖10所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速時(shí)不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)(載荷為5 N)

由圖10可以看出，在載荷為5 N條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，織構(gòu)面積占有率為10%～50%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)均小于光滑表面試樣的摩擦系數(shù)，說(shuō)明所有織構(gòu)表面都能起到減小摩擦的效果。其中織構(gòu)面積占有率為25%和40%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)很接近。織構(gòu)面積占有率為35%時(shí)能起到最好的減摩效果，且減摩效果最明顯，摩擦系數(shù)只有0.02。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至200 r/min時(shí)，所有織構(gòu)面積占有率的試樣均能起到減摩效果，但織構(gòu)面積占有率為10%～35%時(shí)的減摩效果不明顯，當(dāng)織構(gòu)面積占有率為40%時(shí)，摩擦系數(shù)為0.11，相比于光滑表面試樣的0.21，摩擦系數(shù)下降了47.6%，減摩效果最明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高至300 r/min時(shí)，織構(gòu)面積占有率為20%和25%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)略高于光滑表面試樣的摩擦系數(shù)，無(wú)法起到減摩的效果，其它織構(gòu)面積占有率時(shí)均能起到一定的減摩效果。

在載荷為5 N、轉(zhuǎn)速為300 r/min條件下，不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線如圖11所示。

圖11 不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線(載荷為5 N，轉(zhuǎn)速為300 r/min)

由圖11可以看出，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，試樣的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)?？棙?gòu)面積占有率為10%時(shí)試樣的減摩效果最佳?？棙?gòu)面積占有率為35%時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)曲線十分平穩(wěn)，幾乎不產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦學(xué)特性，摩擦系數(shù)為0.125。

(2)載荷為20 N時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響。

在載荷為20 N條件下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響如圖12所示。

圖12 不同轉(zhuǎn)速時(shí)不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)(載荷為20 N)

由圖12可以看出，在載荷為20 N條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，織構(gòu)面積占有率為10%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)大于光滑表面試樣的摩擦系數(shù)，不能起到減摩效果，其余織構(gòu)面積占有率時(shí)均能起到減摩的效果，其中，織構(gòu)面積占有率為35%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)最小，具有最佳的減摩效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速增至200 r/min時(shí)，所有織構(gòu)面積占有率的試樣均能起到減摩效果，其中織構(gòu)面積占有率為30%與40%時(shí)試樣的減摩效果最好，且摩擦系數(shù)均在0.055附近，減摩效果相近。當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增至300 r/min時(shí)，織構(gòu)面積占有率為40%～50%時(shí)試樣的摩擦系數(shù)大于光滑無(wú)織構(gòu)表面試樣的摩擦系數(shù)，不能起到減摩效果，織構(gòu)面積占有率為10%～35%的試樣都具有減摩效果，其中織構(gòu)面積占有率為35%時(shí)試樣表現(xiàn)出最佳的減摩效果。

在載荷為20 N、轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下，不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線如圖13所示。

圖13 不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線(載荷為20 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min)

由圖13可以看出，光滑表面試樣摩擦系數(shù)波動(dòng)的劇烈程度大于最佳織構(gòu)面積占有率(30%，40%)所對(duì)應(yīng)的曲線，其余工況均有此現(xiàn)象。

在載荷為20 N、織構(gòu)面積占有率為35%條件下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線如圖14所示。

圖14 不同轉(zhuǎn)速時(shí)織構(gòu)面積占有率為35%的試樣的摩擦系數(shù)波動(dòng)曲線(載荷為20 N)

由圖14可以看出，低轉(zhuǎn)速時(shí)試樣的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較大，高轉(zhuǎn)速時(shí)試樣的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)要小得多。通過(guò)圖9仿真分析可以證明，動(dòng)壓大小與轉(zhuǎn)速高低呈正相關(guān)關(guān)系，動(dòng)壓越大，油膜剛性越好。轉(zhuǎn)速低時(shí)，動(dòng)壓較小，潤(rùn)滑油膜的剛性較差，潤(rùn)滑油膜容易產(chǎn)生破裂，使得上、下試樣產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的直接接觸，故摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。而轉(zhuǎn)速高時(shí)，動(dòng)壓較大，潤(rùn)滑油膜剛性較大，不易產(chǎn)生破裂，上、下試樣之間有油膜的隔絕，摩擦系數(shù)波動(dòng)較小。

(3)相同轉(zhuǎn)速、不同載荷下織構(gòu)面積占有率對(duì)試樣摩擦系數(shù)的影響。

在相同轉(zhuǎn)速、不同載荷條件下，不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)如圖15所示。

圖15 相同轉(zhuǎn)速、不同載荷時(shí)不同織構(gòu)面積占有率試樣的摩擦系數(shù)

由圖15可以看出，在相同轉(zhuǎn)速、不同載荷情況下，高載荷條件時(shí)試樣的摩擦系數(shù)普遍低于低載荷條件下的摩擦系數(shù)。這是因?yàn)檩d荷的提高使得油膜壓力增加，油膜厚度減小，進(jìn)而導(dǎo)致油膜承載能力得到提高。

從圖10、圖12和圖15可以得出，在轉(zhuǎn)速與載荷隨機(jī)組合的條件下，隨著織構(gòu)面積占有率的提高，試樣的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。說(shuō)明織構(gòu)面積占有率并非越大越好，這是因?yàn)椴煌霓D(zhuǎn)速和載荷存在著最佳的織構(gòu)面積占有率?？棙?gòu)面積占有率為35%時(shí)具有很寬的應(yīng)用范圍，可以滿足試驗(yàn)中大部分工況的減摩需求。

2.4 磨損形貌分析

試驗(yàn)前后，用電子分析天平分別對(duì)表面具有織構(gòu)和無(wú)織構(gòu)的試樣進(jìn)行稱重。因?yàn)樵囼?yàn)產(chǎn)生的磨損量大小在分析天平的誤差范圍之內(nèi)，說(shuō)明磨損量很小。在外觀形貌方面，所有試樣的磨損形貌從垂直角度都觀測(cè)不到磨損的存在，只有在較大載荷和較高轉(zhuǎn)速條件下，通過(guò)使用綠光源檢測(cè)燈才能檢測(cè)到。檢測(cè)時(shí)，使用綠光源檢測(cè)燈進(jìn)行照射，質(zhì)檢燈具有一定的探傷作用，可以較為清晰地觀察到試樣表面的情況。在載荷為20 N、轉(zhuǎn)速為300 r/min條件下，光滑表面和織構(gòu)化表面試樣的磨損形貌如圖16所示。

圖16 光滑表面和織構(gòu)化表面試樣磨損形貌

從圖16可以看出，光滑表面試樣有一圈很淺的磨痕存在，因磨痕太淺無(wú)法判斷其具體形貌，而具有織構(gòu)的表面試樣除了可以看到在進(jìn)行拋磨時(shí)的加工痕跡外，整個(gè)表面沒(méi)有明顯磨痕存在。對(duì)于光滑表面試樣而言，因?yàn)椴牧媳旧碛捕容^大，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備所能提供的載荷情況下，無(wú)法對(duì)其表面留下明顯的磨痕，所以磨痕很淺。而對(duì)于表面具有織構(gòu)的試樣而言，凹坑所存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油對(duì)試樣表面產(chǎn)生了“二次潤(rùn)滑”效應(yīng)，減小了磨損情況的發(fā)生，仿真結(jié)果表明，試樣表面產(chǎn)生了“流體動(dòng)壓”效應(yīng)，此效應(yīng)可以為油膜提供額外的承載力，減輕了試樣表面的摩擦力。所以幾乎看不到試驗(yàn)所留下的磨損痕跡。

3 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果表明，沿速度方向形成了流體動(dòng)壓效應(yīng)；而在織構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了渦流效應(yīng)，有利于磨屑的收集；轉(zhuǎn)速的提高可以增大油膜的承載力。

(2)摩擦試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳織構(gòu)面積占有率受載荷和轉(zhuǎn)速的影響。相同轉(zhuǎn)速下，高載荷工況的摩擦系數(shù)普遍低于低載荷工況?？棙?gòu)面積占有率為35%時(shí)可以滿足大部分工況要求。

(3)觀察織構(gòu)化光敏樹(shù)脂的磨損形貌，發(fā)現(xiàn)并無(wú)明顯的磨痕，說(shuō)明楔形冠狀織構(gòu)具有較好的承壓作用。

(4)通過(guò)3D打印SLA技術(shù)在光敏樹(shù)脂試樣表面制備楔形冠狀織構(gòu)，材料具有良好的減摩抗磨效果。