吳華杰,陳文剛,周曉菲,尹紅澤,王雨豪
(西南林業(yè)大學機械與交通學院,昆明 650224)
3D打印是一種通過逐點、逐線、逐面添加物料來構(gòu)成具有復雜結(jié)構(gòu)的三維零件的加工工藝,是一種新型的增材成型技術(shù)。3D打印初期只能用于快速成型制造,但隨著材料與技術(shù)的發(fā)展,其已經(jīng)步入了一個新的發(fā)展階段。隨著零件直接制造技術(shù)的不斷進步,3D打印制造技術(shù)突破了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的限制,從而實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化、高性能化和功能集成化,并且為機械結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)實現(xiàn)途徑[1-4]。3D打印技術(shù)包括熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實體制造(LOM)等。FDM技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和聚乳酸(PLA),其中ABS材料具有耐磨、剪切拉伸強度高、耐腐蝕等特點,可用于摩擦、醫(yī)療等領(lǐng)域。然而通過對ABS材料表面摩擦方面的研究發(fā)現(xiàn),由于增材成型過程中的物理變化導致其摩擦力發(fā)生改變,表面的減摩抗磨性能表現(xiàn)不盡如人意。Rosenzweig等[5]將3D打印的ABS材料作為支架應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的軟骨組織修復工程,以協(xié)助軟組織退化的患者,ABS支架能夠為組織工程提供機械穩(wěn)定性,然而在軟骨和體外診斷組織再生的應(yīng)用中,還應(yīng)當考慮改善力學性能。喬雯鈺等[6]以ABS為基體,以復合改性填料制備改性ABS絲材,對其力學性能展開研究,結(jié)果表明在ABS中添加不同材料,對ABS試樣的拉伸強度有一定影響,同時發(fā)生的物理變化也對材料流動性能有較大影響。馬賽賽等[7]對ABS材料的摩擦學性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)模壓成型方式相比,F(xiàn)DM工藝制備的ABS試樣具有較低的摩擦系數(shù),然而磨損量較高。ABS材料在摩擦領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,對于減少其摩擦系數(shù)、提高其耐磨性能的研究已成為熱點,同時也是其工業(yè)應(yīng)用的重要因素。
材料表面織構(gòu)化已被大量研究證明可以有效地降低摩擦副的磨損,能夠提高摩擦副的耐磨性,從而延長其使用壽命[8-10]。將材料表面加工成具有微孔或溝槽的材料,能夠捕捉容納磨屑,有效地抑制三體磨損。在相對低速重載條件下,表面織構(gòu)可以將潤滑油貯存到凹坑中,從而實現(xiàn)“二次潤滑”[11],并且在流體流動時,摩擦副表面的凹坑或溝槽會形成微小的收斂、發(fā)散楔,流體會因為摩擦副的相對運動產(chǎn)生流體動壓效應(yīng),從而提高了流體膜的承載力[12-13]。此外表面織構(gòu)也有利于改善材料自粘滑現(xiàn)象[14]。潘紹斌等[15]采用銷-盤試驗方法,建立了具有表面織構(gòu)的人工髖關(guān)節(jié)材料摩擦表面的數(shù)值模型,結(jié)果表明,表面織構(gòu)會對銷盤摩擦表面間的油膜壓力分布產(chǎn)生影響。尹紅澤等[16]采用FDM技術(shù),在ABS材料上制備楔形三角織構(gòu),結(jié)果表明,織構(gòu)在減小摩擦、耐磨損方面有明顯的方向性,為單軸移動零件的減摩、抗磨工作提供了實用的理論依據(jù)。李昊等[17]研究光敏樹脂表面楔形冠狀織構(gòu)的摩擦學性能,發(fā)現(xiàn)帶有織構(gòu)的試樣具有更低的摩擦系數(shù),當織構(gòu)面積占有率為35%時,試樣在大部分工況下具有最佳的減摩抗磨效果。然而目前表面織構(gòu)技術(shù)減摩抗磨的研究主要集中在金屬材料中,在其它材料方面也大多集中在理論上,而應(yīng)用于ABS方面的研究還比較稀缺,對ABS表面織構(gòu)的制備技術(shù)、基礎(chǔ)理論及成形微觀機理研究還沒有廣泛開展。筆者根據(jù)Reynolds方程的湍流平均運動方程,建立了具有潤滑條件下的織構(gòu)潤滑計算模型,利用3D打印FDM技術(shù),在ABS表面加工出長方形織構(gòu)圓周陣列,在摩擦磨損試驗機上進行回轉(zhuǎn)式摩擦試驗,從理論和試驗兩方面探究了不同轉(zhuǎn)速和載荷對ABS表面摩擦系數(shù)的影響,從而為3D打印ABS在摩擦場合等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù),為表面織構(gòu)在ABS等相似材料上的減摩抗磨特性研究提供參考。
回轉(zhuǎn)式摩擦試驗是以富潤滑油狀態(tài)下銷-盤平面對摩的轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ),以回轉(zhuǎn)式運動的平面摩擦副為研究對象。由于長方形凹坑織構(gòu)具有良好的各向同性性能,相比其它織構(gòu)在橫向和縱向上有著更大的接觸面積,更適合進行單元長寬比及深徑比方面的控制,因此選取長方形單凹坑織構(gòu)模型的控制單元為研究對象。
假設(shè)上試樣銷的表面光滑,而下試樣ABS表面呈長方形凹坑分布,銷的下表面以一定的速度v與ABS試樣上表面平行移動。將潤滑油流體域的水平面作為xoy坐標平面,將坐標z方向設(shè)置為潤滑油油膜厚度方向。每個織構(gòu)控制單元均為邊長L的正方形,微凹坑呈長為a、寬為b的長方形,兩摩擦副的間隙為h0,微凹坑深度為hp??紤]潤滑油油膜厚度的影響,長方形表面織構(gòu)在油潤滑條件下的物理模型如圖1所示。
圖1 兩摩擦副下長方形表面單織構(gòu)示意圖
提出表面織構(gòu)潤滑油膜輸出模型的假設(shè):在考慮流體密度和黏度情況下發(fā)生的空化現(xiàn)象,為方便計算,對于Navier-Stocks(N-S)方程[18]進行簡化,最終可以得到以下N-S方程形式為:
由此,可以得到對應(yīng)的Reynolds方程,如式(2)所示。
式(1)和式(2)中,p為油膜平均壓力;r為油膜半徑;θ為油膜間隙;μ為動態(tài)黏度,取決于局部壓強;u為通道內(nèi)的平均流體速度;z為控制區(qū)域的節(jié)點坐標;ρ為油膜密度;h為名義油膜厚度;ω為流體運動時的平均角速度;t為流體運動所用時間。式(2)假定潤滑劑為不可壓縮流體,且潤滑劑黏度為常數(shù),流體方程在切向方向(空間曲面上)成立,忽略法向壓差,忽略流體慣性力和慣性作用影響。
在求解三維流體流動時的Reynolds方程時,對于復雜行為流體中的流動,如潤滑油和ABS聚合物等的混合物溶液,需要用到Oldroyd-B流體的基準模型,其結(jié)果也被驗證并納入COMSOL模型庫中。長方形表面織構(gòu)的高hp與通道高度ho的縱橫比為1,需要將流體運動方程進行離散化求解,代入各值形成迭代方程再進行求解,由于該流體是聚合物在黏度為μs的牛頓流體溶劑中形成的潤滑油溶液,其總應(yīng)力應(yīng)表示為:
式(3)和式(4)中:I為自由度(本模型剛性自由度為3);S(u)是應(yīng)變率;u為u=(u,v)是流速向量;F是通道內(nèi)的其它應(yīng)力之和;μs為聚合物黏度;Tem為通道內(nèi)流體的對流時間,Te為Tem之和。
在求解時,邊界條件是控制方程有效解的前提,求解上述方程時,必須設(shè)置適當?shù)膲毫吔鐥l件,以保證其與實際工況相符。采用魏森伯格數(shù)Wi=0.05和雷諾數(shù)Re=1e-3進行求解。由于流動的對稱性,只需對通道和長方形凹坑的上半部分進行建模,在通道中心線處采用零法向流動和零切向總應(yīng)力的對稱條件,在通道壁和長方形凹坑壁表面,模型采用無滑移邊界條件。由于實驗過程在室溫條件下進行,對整個模型求解初值的參考壓力水平設(shè)置為Pref=101 325 Pa(一個標準大氣壓下),參考溫度Tref=293.15 K,入口處的邊界條件為完全展開的拋物線速度分布和相應(yīng)的額外應(yīng)力分量,取實驗設(shè)定轉(zhuǎn)速值300,200,100 r/min,轉(zhuǎn)換成流體流速為0.275,0.183,0.092 m/s,在計算時,取控制區(qū)域邊界的壓力為Po。
在凹坑處液體流動過程中由于有“氣穴”現(xiàn)象的存在,表面之間形成了附加的流體動壓力,因而引入Reynolds空化邊界條件,能夠在摩擦副相對運動時產(chǎn)生壓力變化,當油膜發(fā)生流體動壓潤滑時,出口處的油膜壓力設(shè)置為Po,壓力梯度置零,長方形的表面織構(gòu)參數(shù)和布置見表1。
表1 表面織構(gòu)的計算參數(shù)
通過Solidworks軟件為單個織構(gòu)建立密封空腔,模型將根據(jù)上述參數(shù)進行構(gòu)建,將建立好的模型導入COMSOL中建立流體流域,并設(shè)置流體流向,長方形織構(gòu)的二維、三維流體模型示意圖如圖2所示。運用有限差分法,在Reynolds方程的基礎(chǔ)上,運用COMSOL軟件對控制區(qū)域內(nèi)的流體軌跡進行了模擬,建立ABS材料表面織構(gòu)在全膜潤滑下的理論模型,分析不同流速對長方形表面織構(gòu)的油膜壓力影響,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,得出了達到最佳摩擦性能的最優(yōu)試驗參數(shù),為銷-盤實驗的設(shè)計提供依據(jù)。
圖2 長方形織構(gòu)在二維、三維流體模型上的油膜速度變化圖
不同流速下無織構(gòu)和織構(gòu)表面流體內(nèi)部的壓力變化如圖3所示。在織構(gòu)湍流模型中,存在著一部分流場,其中一部分流場的流體壓力很低,而被判定為液體質(zhì)量分數(shù)最低的一部分,也就是空穴的形成區(qū)域(即上述的空化現(xiàn)象),這主要是因為凹坑的“泵吸”效應(yīng),當流體經(jīng)過時,非凹坑區(qū)的潤滑油將向凹坑區(qū)流動,從而對凹坑流體的動壓潤滑產(chǎn)生影響。圖3a和圖3b是在流速0.092 m/s(轉(zhuǎn)速100 r/min)、載荷10 N條件下無織構(gòu)和長方形織構(gòu)表面油膜內(nèi)部壓力變化圖。對比兩圖可以看出,長方形織構(gòu)的存在使得潤滑油油膜內(nèi)部壓力梯度發(fā)生變化,無織構(gòu)的油膜壓力最高為17.41 Pa,長方形織構(gòu)中的壓力上升到21.51 Pa。圖3b的長方形凹坑表面織構(gòu)中,沿著速度方向,油膜壓力從入口處分散到凹坑,在長方形凹坑頂部兩個尖端形成收斂楔,長方形凹坑內(nèi)部流體分散形成發(fā)散楔,表面形成附加的流體動壓力,對提升表面油膜承載力、降低摩擦副間摩擦系數(shù)起著積極作用,也證明長方形織構(gòu)對油膜承載力有正向影響。
圖3 長方形織構(gòu)與無織構(gòu)光滑表面流體內(nèi)部壓力變化對比
當潤滑油由不同速度從入口流向出口時,由于“空穴”現(xiàn)象的影響,流體速度改變流體內(nèi)部空氣的局部壓強變化,導致流體的動壓力數(shù)值發(fā)生變化,因此速度對長方形織構(gòu)流體動壓潤滑效應(yīng)也有著較大的影響。選取長方形凹坑長a=1.8 mm,凹坑寬b=1.5 mm,凹坑深度hp=1 mm,研究潤滑油流動速度對長方形織構(gòu)流體動壓潤滑效應(yīng)的影響機制。圖3b、圖3c、圖3d是在載荷10 N的條件下,以0.092,0.183,0.275 m/s不同的流體速度進行仿真模擬得到的壓力變化情況。可以看出,當流體流速增大時,凹坑對表面的承載力產(chǎn)生了一定的影響,并在潤滑油的粘滯作用下壓力呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢。然而從圖3d與圖3b、圖3c數(shù)值模擬壓力值對比看出,在流速為0.275 m/s(轉(zhuǎn)速300 r/min)的微凹坑內(nèi)部的等高線最為密集且數(shù)值最大,流體動壓力最大達到60.02 Pa,由此能夠判斷得出其承載的流動壓強最大。
由以上分析得出,模型表面織構(gòu)的流體速度在一定程度上對流體動壓潤滑效果有影響,通過對長方形表面微織構(gòu)和無織構(gòu)光滑表面進行模擬分析,對比能夠看出在10 N載荷的條件下,不同流速下長方形微織構(gòu)的表面承載力均得到了提升,提升幅度從低到高依次是0.092,0.183,0.275 m/s,其中最大流體動壓力依次為21.51,42.55,60.02 Pa,由模型數(shù)值求解驗證得出,長方形織構(gòu)流體流速達到0.275 m/s(轉(zhuǎn)速300 r/min)時的表面承載力比流體流速在0.092 m/s(轉(zhuǎn)速100 r/min)時無織構(gòu)光滑表面承載力提升了約2.54倍。
ABS粒料:C-13-02,黑色,直徑1.75 mm,密度1.04 g/cm3,熔點240℃,熔體流動速率12 g/10 min,拉伸強度43 MPa,彎曲強度66 MPa,彎曲彈性模量1 177 MPa,吸水率0.3%,北京太爾時代科技有限公司。
線材擠出機:泰坦E3D V6型,深圳市啟龐科技有限公司;
3D打印機:UM架構(gòu)雙Z軸型,噴嘴直徑0.4 mm,精度為0.02 mm,打印范圍300 mm×300 mm×300 mm,自研;
金相試樣磨拋機:PG-1S型,三思永恒科技(浙江)有限公司;
超聲波清洗機:SB25-12DTDS型,寧波新藝超聲設(shè)備有限公司;
MRTR-1型多功能摩擦磨損試驗機:MR-070型,濟南藍波試驗設(shè)備有限公司;
電子分析天平:FA324C型,上海衡際科學儀器有限公司;
體式顯微鏡:XTL-100型,濟南恒旭試驗機技術(shù)有限公司。
在三維建模Solidworks軟件上建立長40 mm、寬40 mm、高5 mm的試樣模型,將模型導入切片軟件Simplify3D進行切片處理并在3D打印機上打印出實體。具體打印流程為:由絲材擠出機制備線寬直徑為1.75 mm的ABS絲材,然后將絲材送至加熱噴頭,經(jīng)過加熱、熔化,從擠出頭擠出粘結(jié)到工作平面,然后快速冷卻并凝固;每一層截面完成后,工作臺下降一層高度,再繼續(xù)進行下一層的造型,如此重復。打印過程中會產(chǎn)生平行線型凹槽,如圖4a所示,打印機設(shè)置層厚0.1 mm,填充率80%,打印速度40 mm/s,噴頭溫度240℃,打印時熱床溫度加熱至110℃左右。將打印出的ABS試樣表面依次使用320,800,1 200,1 500目的砂紙在金相試樣磨拋機上進行粗拋處理,將0.5 mm金相拋光膏加入到拋光布中,進行表面拋光處理,得到的表面如圖4b所示。
圖4 ABS試樣拋光前后表面對比
在MRTR-1型多功能摩擦磨損試驗機上進行富油摩擦試驗。采用銷-盤摩擦副,摩擦方式為回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)動,上試樣采用304圓柱銷,下試樣采用ABS材料,上試樣為直徑d=6 mm、高度h=12 mm的銷,下試樣表面為3D打印機制備的長方形織構(gòu)化ABS試樣,銷-盤接觸如圖5所示。試驗參數(shù)為:載荷5,10,20 N,轉(zhuǎn)速100,200,300 r/min,時間120 min。試驗數(shù)據(jù)由摩擦磨損試驗機測出,每隔10 s濾波采集一次。為避免試驗誤差,每次試驗結(jié)束后更換上試樣,試驗在室溫[(22±1)℃]、相對濕度為40%±5%的大氣條件下進行。試驗前后,用超聲波清洗機對ABS試樣進行超聲波清洗,清洗前將試樣放入燒杯中,將無水乙醇與水按1∶1的比例倒入燒杯中,清洗時間為15 min,最后將試樣烘干。利用體式顯微鏡觀察試樣磨損的表面形貌,并測量試樣磨損表面形貌參數(shù)。
圖5 盤-銷接觸示意圖
在確定織構(gòu)深徑比為0.56的條件下,同時以光滑的無織構(gòu)ABS的摩擦磨損試驗為參考,設(shè)計了6組實驗。主要探究了在5,10,20 N載荷下改變不同轉(zhuǎn)速(100,200,300 r/min)時長方形織構(gòu)化ABS試樣的摩擦性能。圖6給出的是5,10,20 N載荷條件下不同轉(zhuǎn)速對長方形織構(gòu)化ABS表面摩擦系數(shù)的影響結(jié)果。由圖6a看出,在5 N載荷的條件下,織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速變化基本呈正相關(guān)關(guān)系,隨著試驗時間延長,轉(zhuǎn)速100 r/min下的摩擦系數(shù)比200 r/min和300 r/min的都低,并且在試驗40 min左右從磨合磨損階段快速進入穩(wěn)定磨合階段,摩擦曲線波動較小。由圖6b看出,在載荷為10 N、轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下,長方形織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)相對最小,其次為200 r/min,摩擦系數(shù)最大為100 r/min,轉(zhuǎn)速變化與摩擦系數(shù)呈反比關(guān)系,試驗?zāi)Σ料禂?shù)結(jié)果與數(shù)值模擬仿真結(jié)果完全對應(yīng)。由圖6c看出,在20 N載荷的條件下,摩擦系數(shù)最小的為200 r/min,而100 r/min與300 r/min的摩擦系數(shù)較為接近,平均摩擦系數(shù)為0.936,0.938,差距并不明顯,此時長方形織構(gòu)化試樣在轉(zhuǎn)速200 r/min的減摩效果最好。
圖6 不同載荷下轉(zhuǎn)速為100,200,300 r/min時的織構(gòu)化ABS試樣摩擦系數(shù)對比
由圖6可知,在載荷分別為5,10,20 N時,長方形微織構(gòu)表面不同轉(zhuǎn)速對織構(gòu)化ABS試樣的摩擦狀態(tài)有較大影響。在5 N載荷下,100 r/min的試樣具有較小的摩擦系數(shù),轉(zhuǎn)速越高,ABS試樣摩擦副表面的摩擦系數(shù)越大,在低載條件下,兩對摩件接近量小,使得織構(gòu)化試樣表面沒有建立有效的潤滑油膜,織構(gòu)無法在高速情況下建立有效的潤滑油膜,高轉(zhuǎn)速可能使試樣的減摩抗磨特性變差。在10 N載荷下,通過圖3仿真結(jié)果證明,當載荷增大、轉(zhuǎn)速升高時,兩對摩件接近量增加,織構(gòu)表面會產(chǎn)生一層連續(xù)的油膜,使得兩摩擦副表面的直接接觸減少,并且由于織構(gòu)的存在,也減小了相對接觸面積,有利于產(chǎn)生流體動壓作用,提升油膜的承載能力,減小了摩擦力,尤其在載荷10 N、轉(zhuǎn)速300 r/min時,油膜潤滑性能顯著。當載荷達到20 N,轉(zhuǎn)速為100,300 r/min時,材料表面壓痕明顯、剝落嚴重,其原因是低轉(zhuǎn)速無法獲得油膜額外的承載力,不能有效地控制住摩擦狀態(tài),而高轉(zhuǎn)速會造成受力疊加,由于表面織構(gòu)提供的額外表面承載力有上限,這會嚴重破壞ABS材料表面;而轉(zhuǎn)速為200 r/min時,表面的磨屑和破壞程度較低,油膜承載力的提升狀態(tài)最優(yōu)。以上表明,在高載荷下,需要調(diào)整到合適的轉(zhuǎn)速才能體現(xiàn)良好的摩擦特性。因此,轉(zhuǎn)速的變化對織構(gòu)化試樣表面連續(xù)潤滑油膜的產(chǎn)生和表面承載力的提高有很大影響。
圖7主要探究在載荷10 N條件下不同轉(zhuǎn)速(100,200,300 r/min)時長方形織構(gòu)化試樣與光滑無織構(gòu)試樣表面摩擦特性的對比情況。由圖7可以看出,在轉(zhuǎn)速為100 r/min時,與無織構(gòu)試樣相比,織構(gòu)化試樣的平均摩擦系數(shù)降低了10.9%。在轉(zhuǎn)速為200 r/min時,與無織構(gòu)試樣相比,長方形織構(gòu)化試樣的平均摩擦系數(shù)下降了45.7%。在轉(zhuǎn)速為300 r/min的條件下,織構(gòu)化試樣的平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)試樣的更低,降幅達到58.1%。
圖7 載荷為10 N時不同轉(zhuǎn)速下織構(gòu)化與無織構(gòu)ABS試樣摩擦系數(shù)對比
由圖7可知,在載荷10 N、三種不同轉(zhuǎn)速條件下,長方形織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)試樣的低,織構(gòu)的存在能夠有效提升試樣表面承載力,說明在ABS試樣上制備長方形織構(gòu)具有良好的減摩效果。
主要探究了在100,200,300 r/min轉(zhuǎn)速下改變不同載荷(5,10,20 N)時長方形織構(gòu)化ABS材料的摩擦性能,對ABS材料表面織構(gòu)壓力是否能引發(fā)額外承載力的問題進行研究。圖8為在轉(zhuǎn)速相同條件下,改變不同載荷對織構(gòu)化ABS試樣摩擦特性的影響。由圖8a看出,在轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下,織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)與載荷的增長呈正比趨勢。由圖8b看出,在轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下,摩擦系數(shù)最小的載荷為5 N,10 N和20 N的摩擦系數(shù)較為接近,平均摩擦系數(shù)為0.0545,0.055,差距并不明顯,但在20 min以后,載荷為10 N的試樣出現(xiàn)摩擦系數(shù)上升趨勢,而載荷20 N的試樣在摩擦進行到50 min時摩擦系數(shù)下降。由圖8c看出,在轉(zhuǎn)速為300 r/min條件下,其中10 N的摩擦系數(shù)最小,平均摩擦系數(shù)為0.022,其次為5 N,最大為20 N,平均摩擦系數(shù)為0.938。
由圖8可知,在100,200,300 r/min三種不同轉(zhuǎn)速下,長方形織構(gòu)表面不同載荷對織構(gòu)化ABS試樣的摩擦狀態(tài)有一定影響。在100 r/min的低轉(zhuǎn)速下,載荷為5 N的試樣具有較小的摩擦系數(shù),而增加載荷會增大試樣的摩擦系數(shù),說明在低轉(zhuǎn)速時,織構(gòu)表面不能形成連續(xù)的流體動壓潤滑油膜,因此較高的載荷會加大試樣表面的接觸面積,使其摩擦系數(shù)增大。而在200 r/min轉(zhuǎn)速下,載荷為5 N的試樣仍然具有較小的摩擦系數(shù),載荷為10 N和20 N的試樣摩擦系數(shù)比載荷為5 N的試樣大,但是它們之間平均摩擦系數(shù)相差不大,說明當長方形織構(gòu)化試樣獲得較大轉(zhuǎn)動慣量時,能夠在表面形成一層潤滑油膜,但是此轉(zhuǎn)速下織構(gòu)對表面承載力的提升有限度,載荷為10 N和20 N的試樣摩擦系數(shù)高,并且在試驗時間將近80 min時,兩者的摩擦系數(shù)出現(xiàn)交叉。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因是載荷為20 N的試樣由于長時間重載摩擦,其摩擦面溫度升高引起熔化臨界狀態(tài),使得兩對摩件接近量增大,塑性形變減小,剪切時摩擦力減小,所以摩擦系數(shù)相對減??;載荷為10 N的試樣摩擦系數(shù)升高的原因可能是由于局部出現(xiàn)剝落層,從而導致試樣表面阻力升高,進而使得摩擦系數(shù)增大。在300 r/min更高轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)增大,在合適的載荷下,織構(gòu)表面形成連續(xù)的流體動壓潤滑油膜,獲得足夠的表面承載力,體現(xiàn)出良好的減摩效果,主要原因是長方形織構(gòu)對表面的承載力提升較大[19],能夠抵消載荷產(chǎn)生的一部分壓力,使得試樣在轉(zhuǎn)速300 r/min、載荷為10 N條件下的摩擦特性顯著,而高載高速對ABS材料表層的破壞力極大,因此載荷為20 N的試樣摩擦系數(shù)相對高很多,載荷為5 N的試樣摩擦系數(shù)也較高,其原因可能是,由于局部的油膜承載力較大,致使兩對摩試樣發(fā)生偏移,此時使得摩擦表面局部受壓增大,摩擦系數(shù)升高。相對于轉(zhuǎn)速,載荷的增大有助于形成流體動壓潤滑油膜,但是也會對ABS材料表面產(chǎn)生較大的破壞。當載荷較低時,對摩試樣的接近量較小,不能形成連續(xù)的潤滑油膜,而在20 N的高載荷時,由于織構(gòu)提供的額外表面承載力不足,對試樣表面破壞較為嚴重,使得產(chǎn)生更多的磨屑和更大的摩擦力。因此,在高轉(zhuǎn)速下,采用適中的載荷可以為長方形織構(gòu)提供連續(xù)的表面油膜壓力,進而提升其承載力。
圖8 不同轉(zhuǎn)速下載荷為5,10,20 N時的織構(gòu)化ABS試樣摩擦系數(shù)對比
圖9 主要探究在200 r/min條件下改變不同載荷(5,10,20 N)時長方形織構(gòu)化試樣與光滑無織構(gòu)試樣表面摩擦特性的對比情況,得出不同載荷條件下,ABS試樣在無織構(gòu)和織構(gòu)情況下的摩擦力變化。圖9a顯示了在轉(zhuǎn)速200 r/min和載荷5 N的情況下,織構(gòu)化試樣的平均摩擦系數(shù)比無織構(gòu)的平均摩擦系數(shù)高30.6%,從摩擦系數(shù)曲線上看,光滑無織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)在試驗時間內(nèi)處于磨合磨損階段,摩擦系數(shù)上下起伏波動較大。圖9b顯示,在轉(zhuǎn)速為200 r/min、載荷為10 N的條件下,織構(gòu)化試樣摩擦系數(shù)比無織構(gòu)試樣摩擦系數(shù)低。圖9c顯示,在轉(zhuǎn)速200 r/min及載荷20 N下的織構(gòu)化試樣摩擦系數(shù)比無織構(gòu)摩擦系數(shù)小,平均摩擦系數(shù)下降31.3%。
圖9 轉(zhuǎn)速為200 r/min時不同載荷下織構(gòu)化與無織構(gòu)ABS試樣摩擦系數(shù)對比
由圖9可知在轉(zhuǎn)速200 r/min、三種不同載荷條件下,在5 N低載荷時長方形織構(gòu)化試樣摩擦系數(shù)比無織構(gòu)的較高。這是因為,在低載荷時,織構(gòu)化試樣上的壓痕集中在一個點上,從而導致了載荷分布不均勻,摩擦力增大,并且界面為邊界潤滑,縱向油膜的壓力降低,兩對摩件接近量變大,產(chǎn)生較大剪切力,因此摩擦系數(shù)很大,而無織構(gòu)試樣的載荷分布較為均勻,雖然沒有長方形織構(gòu)提供額外的油膜承載力,但是由于負載較輕,產(chǎn)生的剪切力對ABS試樣表面的破壞還并不大。在10 N和20 N載荷時,長方形表面織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)試樣的低,織構(gòu)能夠有效提升試樣表面承載力,說明高載荷下長方形織構(gòu)具有良好的減摩性能,長方形凹坑能夠儲存潤滑油和磨屑,增加了油膜的壓力,使織構(gòu)表面產(chǎn)生了動壓潤滑,并在界面之間形成了一層潤滑油,提高了摩擦副的承載力,同時織構(gòu)的存在也使接觸面積減小,減小了直接接觸所帶來的粘附力,降低了摩擦力。
圖10是使用體式顯微鏡對長方形織構(gòu)化試樣與無織構(gòu)試樣的磨痕形貌進行觀察所得到的微觀照片。圖10a是在轉(zhuǎn)速200 r/min、載荷10 N條件下的光滑無織構(gòu)ABS試樣表面磨痕微觀照片,可以看出,無織構(gòu)試樣表面摩擦區(qū)域處中央有清晰的磨痕,磨痕區(qū)域表皮有剝落現(xiàn)象,分析表明主要是發(fā)生明顯的磨粒磨損,磨料在受力的作用下被壓進摩擦面,形成壓痕,使其塑性表面形成層狀或鱗片狀的剝落物。圖10b顯示在轉(zhuǎn)速100 r/min、載荷10 N條件下的長方形織構(gòu)化試樣摩擦磨損狀態(tài),可以看出,織構(gòu)中間發(fā)生較為明顯的黏著磨損機理,在織構(gòu)處內(nèi)部能夠清晰看到試樣的磨屑,分析原因可能是由于轉(zhuǎn)速低導致未能在表面形成一層潤滑油膜,并且試樣連接處的強度并不十分牢固,黏著節(jié)點的強度高于摩擦副中較軟材料的剪切強度,導致基體表面的摩擦加劇,使得摩擦系數(shù)升高。圖10c是在載荷10 N、轉(zhuǎn)速200 r/min下長方形織構(gòu)化試樣的磨損狀態(tài),在磨擦區(qū)域?qū)Ρ瓤梢钥吹?,織?gòu)處的磨痕比無織構(gòu)處的磨痕要少,說明表面織構(gòu)能夠提升表面承載力,減少磨損,可以看到在織構(gòu)旁邊有比較深的磨痕,并且有一處出現(xiàn)裂痕,這可能是應(yīng)力場變化發(fā)生的微觀疲勞現(xiàn)象,其主要發(fā)生在磨合階段,是非發(fā)展性的磨損。圖10d為在載荷10 N、轉(zhuǎn)速300 r/min下長方形織構(gòu)化試樣發(fā)生的磨損狀態(tài),可以看出,摩擦區(qū)域磨痕較淺,有輕微的磨粒磨損,與無織構(gòu)試樣相比較輕,織構(gòu)形狀完好,發(fā)生的摩擦磨損比較微小,使得試樣摩擦系數(shù)很小,具有良好的減摩抗磨效果。
圖10 不同載荷及轉(zhuǎn)速下長方形織構(gòu)化試樣與無織構(gòu)試樣的磨痕微觀形貌
(1)通過對長方形織構(gòu)表面和無織構(gòu)光滑表面進行模擬分析,發(fā)現(xiàn)長方形織構(gòu)的存在可以產(chǎn)生較好的楔形效應(yīng),會使織構(gòu)內(nèi)部的壓力梯度改變,沿流體速度方向,織構(gòu)內(nèi)部的壓力發(fā)散,織構(gòu)左、右兩端的壓力增大,從而導致流體形成了動壓效應(yīng),長方形微織構(gòu)表面承載力相比光滑無織構(gòu)提升了約2.54倍,織構(gòu)化的流體動壓潤滑效應(yīng)得到疊加。另外,表面織構(gòu)的流體速度對油膜承載能力有較大影響,提升幅度依次為0.092,0.183,0.275 m/s,數(shù)值模擬結(jié)果得出流速(轉(zhuǎn)速)的提升使織構(gòu)對應(yīng)位置上的油膜壓力呈現(xiàn)增長狀態(tài)。
(2)對長方形織構(gòu)化試樣和光滑無織構(gòu)試樣進行摩擦磨損試驗,對兩者摩擦性能進行了對比,除載荷5 N、轉(zhuǎn)速為200 r/min的對比組之外,其余摩擦條件下長方形織構(gòu)化試樣的摩擦系數(shù)均比無織構(gòu)試樣低,由此表明在ABS試樣上制備長方形織構(gòu)具有良好的減摩效果,說明長方形織構(gòu)的油膜內(nèi)部壓力對油膜承載力有較大提升,同時長方形表面織構(gòu)能夠引起ABS試樣表面的流體動壓潤滑效應(yīng)。
(3)對不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下的長方形織構(gòu)試樣摩擦性能進行了對比。在載荷為定值時,不同轉(zhuǎn)速對長方形織構(gòu)的摩擦系數(shù)影響較大,載荷為5 N時,轉(zhuǎn)速變化與摩擦系數(shù)基本呈正相關(guān)關(guān)系;載荷為10 N時,不同轉(zhuǎn)速(100,200,300 r/min)條件下的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合,轉(zhuǎn)速變化與摩擦系數(shù)呈反比關(guān)系;載荷為20 N時,高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)均高。當轉(zhuǎn)速相同、載荷為變量時,在100 r/min條件下尚不能形成流體動壓油膜,載荷越大,摩擦系數(shù)越大;在轉(zhuǎn)速200 r/min時在織構(gòu)化試樣表面形成潤滑油膜,載荷對摩擦系數(shù)的影響也發(fā)生不同變化;在轉(zhuǎn)速300 r/min時,由于高載荷和低載荷對ABS試樣表面產(chǎn)生不同的摩擦方式,使得摩擦系數(shù)增大。其中,載荷為10 N、轉(zhuǎn)速為300 r/min的長方形織構(gòu)試樣具有較好的減摩抗磨性能。
(4)對長方形織構(gòu)化試樣與無織構(gòu)試樣的磨痕形貌進行分析,發(fā)現(xiàn)無織構(gòu)ABS試樣在摩擦過程中會產(chǎn)生較為明顯的磨粒磨損機理,有大面積表皮剝落和較深的磨痕,長方形織構(gòu)試樣主要發(fā)生的摩擦機制為黏著磨損,受凹坑內(nèi)部油膜承載力影響,在載荷為10 N的條件下,轉(zhuǎn)速越高,發(fā)生的表面剝落現(xiàn)象和產(chǎn)生的磨痕就越少。