炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)配副時(shí)的摩擦磨損特性研究

黃昭明，王陶，王利，趙恒文

(1. 皖江工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車(chē)學(xué)院，安徽 宣城 242099)

裝備發(fā)展是實(shí)行國(guó)際戰(zhàn)略威懾和確保國(guó)內(nèi)安全穩(wěn)定的雙重需要。面對(duì)世界軍事發(fā)展新機(jī)遇,我國(guó)必須加強(qiáng)武器裝備發(fā)展的戰(zhàn)略指導(dǎo),確立國(guó)防建設(shè)中裝備發(fā)展的原則,堅(jiān)持軍事需求[1]。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用,應(yīng)與我國(guó)的裝備發(fā)展與國(guó)防建設(shè)總體戰(zhàn)略相符合。作為水戰(zhàn)、陸戰(zhàn)和空戰(zhàn)的重要武器裝備,機(jī)炮在我國(guó)國(guó)防事業(yè)中一直發(fā)揮著核心作用[2]?，F(xiàn)代機(jī)炮對(duì)高精度、高射速、自動(dòng)化和安全性等方面的性能提出了更高的要求,然而機(jī)炮服役期間,在周期性瞬態(tài)熱載荷和瞬態(tài)壓力載荷耦合下,彈膛系統(tǒng)中炮彈膛線和炮彈彈頭會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損,磨損會(huì)改變彈頭的飛行姿態(tài),降低彈頭命中精度和彈膛使用壽命[3]。機(jī)炮彈膛系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件常因在高載、高速等惡劣工況下工作產(chǎn)生嚴(yán)重磨損,彈膛的更換消耗了大量的軍費(fèi)開(kāi)支[4]。因此,研究彈膛與彈頭之間的摩擦磨損特性對(duì)提高武器射擊精度和使用壽命意義重大。

近年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)碳基和銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能進(jìn)行了相關(guān)研究。針對(duì)碳基復(fù)合材料,馬彪等[5]在高溫潤(rùn)滑條件下對(duì)兩種軸承鋼摩擦磨損性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;李奇穎等[6]在循環(huán)熱沖壓下對(duì)高熱導(dǎo)率模具鋼的摩擦磨損行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)銅基材料的摩擦磨損性能,王立全等[7]研究了摩擦條件對(duì)銅基材料摩擦磨損性能的影響;馮小亮等[8]研究了載荷和溫度對(duì)銅合金摩擦磨損性能的影響;任曉燕等[9]研究了銅基材料耐磨性能;尹延國(guó)等[10]研究了銅基軸承材料的摩擦學(xué)特性。

已公開(kāi)的研究資料表明,學(xué)者們研究了碳基復(fù)合材料鋼和銅基材料的摩擦磨損機(jī)理[11-13],然而針對(duì)炮鋼和黃銅摩擦磨損特性的研究鮮有報(bào)道。為此,本研究將使用炮鋼和黃銅分別加工制作成的銷(xiāo)和盤(pán)安裝于立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)盤(pán)銷(xiāo)摩擦副上,開(kāi)展摩擦磨損特性的影響因素實(shí)驗(yàn)研究。借助透反射鐵譜顯微鏡、高精度電子天平和超聲波清洗機(jī)等設(shè)備觀察不同試驗(yàn)力下炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)的摩擦系數(shù)和摩擦力矩、磨損量、磨面形貌的變化關(guān)系,為下一步開(kāi)展機(jī)炮彈膛系統(tǒng)摩擦磨損機(jī)理研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)主機(jī)是一款型號(hào)為MM-W1B的立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),該主機(jī)為立式結(jié)構(gòu),由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、各種摩擦副及專(zhuān)用夾具、油盒與加熱器、摩擦力矩測(cè)定系統(tǒng)、摩擦副下副盤(pán)升降系統(tǒng)、閉環(huán)控制彈簧式施力系統(tǒng)等組成,整機(jī)還包括操縱面板系統(tǒng)以及試驗(yàn)機(jī)電控柜等。

試驗(yàn)機(jī)摩擦副立式放置,分為上試樣與下試樣。上試樣裝于相應(yīng)的上試樣加持裝置后再裝入主軸下端的錐孔內(nèi)用拉桿擰緊,與主軸一起運(yùn)動(dòng)。下試樣裝于相應(yīng)的下試樣加持裝置及油盒內(nèi)再安裝在試驗(yàn)副盤(pán)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)下試樣固定,上試樣主軸以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸通過(guò)圓弧齒同步帶輪及同步帶由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速由交流伺服調(diào)速系統(tǒng)控制,在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可無(wú)級(jí)調(diào)速。在控制面板的鍵盤(pán)上設(shè)定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速,試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)數(shù)可累計(jì),試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和試驗(yàn)累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)在液晶顯示器上顯示。MM-W1B摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MM-W1B摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)主要參數(shù)

圖1為摩擦磨損實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu),MM-W1B摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)試樣后,同步將試驗(yàn)力、摩擦力矩、溫度、轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)傳給終端電腦并生成相關(guān)曲線。測(cè)試后,由FUYANG超聲波清洗機(jī)(最大清洗頻率40 kHZ)清洗掉附著在試樣磨損表面的碎屑,再應(yīng)用HZK-FA3005電子天平(精度±0.000 1 g)稱(chēng)重獲取試樣磨損量數(shù)據(jù),最后應(yīng)用YFX-4透反射鐵譜顯微鏡(放大倍數(shù)20/50/100/200/400/1 000)觀察金屬磨損表面的微觀形貌。

圖1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2為單銷(xiāo)-大環(huán)摩擦副裝配圖。為探索單銷(xiāo)-大環(huán)摩擦副在不同試驗(yàn)力下炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)的摩擦系數(shù)和摩擦力矩、磨損量、磨面形貌的變化關(guān)系,實(shí)驗(yàn)研究中選用三種常用軸向試驗(yàn)力10、50、90 N分別對(duì)三組炮鋼銷(xiāo)作為試樣銷(xiāo)4和黃銅盤(pán)作為大試環(huán)2的摩擦副進(jìn)行15 min的摩擦磨損測(cè)試。試驗(yàn)由終端電腦顯示摩擦系數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖、摩擦力矩-時(shí)間關(guān)系圖,用以研究其摩擦磨損特性;然后對(duì)試驗(yàn)完成后的每組試樣進(jìn)行5 min超聲波清洗和10次稱(chēng)重,并繪制磨損量-試驗(yàn)力關(guān)系圖,用以研究實(shí)驗(yàn)前后磨損規(guī)律;最后應(yīng)用透反射鐵譜顯微鏡以100、200、400倍三種放大倍數(shù)觀察三組摩擦副試樣磨面形貌的超微結(jié)構(gòu),用以分析磨損規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中炮鋼銷(xiāo)的材料是牌號(hào)為PCrNi3MoVA的超高強(qiáng)鋼,黃銅盤(pán)的材料是牌號(hào)為H96的黃銅,其中炮鋼銷(xiāo)材料的化學(xué)成分符合GJB 3783—1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

1.銷(xiāo)夾頭;2.大試環(huán);3.螺釘;4.試樣銷(xiāo)。

實(shí)驗(yàn)中單銷(xiāo)-大環(huán)摩擦副摩擦系數(shù)與摩擦力矩的關(guān)系式為

式中:u為摩擦系數(shù);T為試驗(yàn)機(jī)摩擦力矩,N·mm;P為試驗(yàn)機(jī)軸向試驗(yàn)力,N;R為大試環(huán)與試樣銷(xiāo)接觸點(diǎn)軌跡半徑,本試驗(yàn)機(jī)R=23.077 5 mm。

2 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)力對(duì)摩擦系數(shù)和摩擦力矩的影響

在MM-W1B摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上分別設(shè)定三種常用軸向試驗(yàn)力10、50、90 N依次對(duì)三組試樣進(jìn)行15 min摩擦磨損試驗(yàn),獲得不同試驗(yàn)力下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化(圖3)和不同試驗(yàn)力下摩擦力矩隨時(shí)間的變化(圖4)。

圖3 不同試驗(yàn)力下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化

圖4 不同試驗(yàn)力下摩擦力矩隨時(shí)間的變化

圖3中三種試驗(yàn)力下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增加而增加,然后逐漸趨向平穩(wěn),而且摩擦系數(shù)的波動(dòng)隨試驗(yàn)力的增大而減小。這是由于剛開(kāi)始銷(xiāo)為球面,接觸面積小,摩擦系數(shù)小,但銷(xiāo)盤(pán)磨合完成后便進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段,磨損率保持基本不變,摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定,所以試驗(yàn)力大小對(duì)摩擦系數(shù)波動(dòng)造成的影響較小。摩擦初期,觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)銷(xiāo)與盤(pán)的試驗(yàn)力在10 N上下波動(dòng)較大;50 N試驗(yàn)力下磨合階段摩擦系數(shù)波動(dòng)較大,穩(wěn)定磨合期摩擦系數(shù)波動(dòng)較小;當(dāng)試驗(yàn)力上升到90 N時(shí)磨合階段縮短,穩(wěn)定磨合期摩擦系數(shù)一致性較好。觀察穩(wěn)定磨合期,發(fā)現(xiàn)三種試驗(yàn)力下10 N的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線幾乎覆蓋了50 N的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,而50 N的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線又覆蓋了90 N的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)在300～900 s之間的600組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值發(fā)現(xiàn),10 N試驗(yàn)力下的平均摩擦系數(shù)為0.248 3,50 N試驗(yàn)力下的平均摩擦系數(shù)為0.263 2,90 N試驗(yàn)力下的平均摩擦系數(shù)為0.251 0。

由實(shí)驗(yàn)中單銷(xiāo)-大環(huán)摩擦副的摩擦系數(shù)與摩擦力矩的關(guān)系式可知,理論上T=uP/0.043 32,式中:T為摩擦力矩;μ為摩擦系數(shù);P為摩擦力。結(jié)合上述結(jié)論能夠解釋相同試驗(yàn)力下圖3與圖4中的曲線變化基本符合比例系數(shù)k=uP/0.043 32的比例關(guān)系,式中k為比例系數(shù),且圖4中三條摩擦力矩的變化曲線也基本符合三種試驗(yàn)力的比例關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)力對(duì)磨損量的影響

試驗(yàn)完成后,應(yīng)用FUYANG超聲波清洗機(jī)對(duì)每組試樣進(jìn)行5 min清洗,洗掉附著在試樣磨損表面的碎屑,然后對(duì)每組試樣進(jìn)行10次稱(chēng)重,繪制出不同試驗(yàn)力下試樣質(zhì)量的變化,如圖5所示。

圖5(b)為圖5(a)中炮鋼銷(xiāo)10次稱(chēng)重質(zhì)量變化的均值,由圖5(b)可以清晰地看出,試驗(yàn)前后三組試樣中炮鋼銷(xiāo)的質(zhì)量變化規(guī)律明顯,體現(xiàn)為在不同試驗(yàn)力下三組試樣中炮鋼銷(xiāo)的質(zhì)量均在增大,且增大幅度隨試驗(yàn)力的增大而減小,即其磨損量隨試驗(yàn)力的增大下降幅度在減小。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣炮鋼銷(xiāo)質(zhì)量均值分別增加了0.6、0.4、0.3 mg。

圖5(d)為圖5(c)中黃銅盤(pán)10次稱(chēng)重質(zhì)量變化的均值,由圖5(d)可以清晰地看出,試驗(yàn)前后三組試樣中黃銅盤(pán)的質(zhì)量變化規(guī)律明顯,體現(xiàn)為在不同試驗(yàn)力下三組試樣中黃銅盤(pán)的質(zhì)量均在減小,且減小幅度隨試驗(yàn)力的增大而增大,即其磨損量隨試驗(yàn)力的增大上升幅度在增大。1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣黃銅盤(pán)質(zhì)量均值分別減小了3.2、5.8、11.7 mg。

對(duì)比三組試樣中的炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)的磨損質(zhì)量發(fā)現(xiàn),炮鋼銷(xiāo)磨損量很小,而黃銅盤(pán)的磨損量較大,這是同于炮鋼銷(xiāo)硬度遠(yuǎn)大于黃銅盤(pán)的硬度造成的;炮鋼銷(xiāo)的磨損量不減反增,其原因可能是由于黃銅盤(pán)材質(zhì)較軟、磨損后粘附到了炮鋼銷(xiāo)的磨面上所致。一般來(lái)說(shuō),黃銅盤(pán)被磨損質(zhì)量是粘附到炮鋼銷(xiāo)上黃銅質(zhì)量和被超聲波清洗掉的黃銅碎屑質(zhì)量之和。

(a)炮鋼銷(xiāo)10次稱(chēng)重質(zhì)量的變化

2.3 試驗(yàn)力對(duì)磨面形貌的影響

應(yīng)用YFX-4透反射鐵譜顯微鏡,以100、200、400倍三種放大倍數(shù)分別觀察三組試樣磨面形貌的超微結(jié)構(gòu),用以分析其磨損規(guī)律。圖6是不同放大倍數(shù)下1號(hào)試樣的原始形貌,圖7是不同試驗(yàn)力和放大倍數(shù)下炮鋼銷(xiāo)的磨面形貌,圖8是不同試驗(yàn)力和放大倍數(shù)下黃銅盤(pán)的磨面形貌。

對(duì)比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn),炮鋼銷(xiāo)磨損后磨損表面附著有黃色物質(zhì),結(jié)合試驗(yàn)力對(duì)磨損量的影響分析結(jié)論可以推斷這種黃色物質(zhì)為銅,說(shuō)明發(fā)生了粘著磨損。對(duì)比圖7中炮鋼銷(xiāo)的各磨面形貌發(fā)現(xiàn),隨著試驗(yàn)力增加,炮鋼銷(xiāo)磨損后磨損表面附著的黃色物質(zhì)也在增加。試驗(yàn)力從10 N到50 N,炮鋼銷(xiāo)表面的黃色物質(zhì)增加較多;而試驗(yàn)力從50 N到90 N,炮鋼銷(xiāo)表面的黃色物質(zhì)增加較少。對(duì)比圖8中炮鋼銷(xiāo)的各磨面形貌發(fā)現(xiàn),隨著試驗(yàn)力的增加,黃銅盤(pán)上磨損溝道也隨著變寬變深,且試驗(yàn)力從10 N變化到50 N相對(duì)于試驗(yàn)力從50 N變化到90 N,黃銅盤(pán)上磨損溝道的寬度變化更多。試驗(yàn)力從10 N到50 N,磨損隨試驗(yàn)力的增加急劇增加,試驗(yàn)力超過(guò)50 N后磨損隨試驗(yàn)力增加而增加的速率減慢。

圖6 不同放大倍數(shù)下1號(hào)試樣的原始形貌

圖7 不同試驗(yàn)力和放大倍數(shù)下炮鋼銷(xiāo)的磨面形貌

圖8 不同試驗(yàn)力和放大倍數(shù)下黃銅盤(pán)的磨面形貌

3 結(jié)論

本研究綜合應(yīng)用MM-W1B摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、FUYANG超聲波清洗機(jī)、HZK-FA3005電子天平和YFX-4透反射鐵譜顯微鏡,研究了不同試驗(yàn)力下炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)配副后的摩擦磨損特性。主要結(jié)論如下:

1)根據(jù)不同試驗(yàn)力下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)合所統(tǒng)計(jì)600組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的摩擦系數(shù)均值(0.248 3、0.263 2和0.263 2),得出結(jié)論:摩擦系數(shù)與試驗(yàn)力相關(guān)。摩擦初期,試驗(yàn)力不同,摩擦系數(shù)也不同;穩(wěn)定磨合期,試驗(yàn)力對(duì)摩擦系數(shù)影響在減弱。根據(jù)不同試驗(yàn)力下摩擦力矩隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)合實(shí)驗(yàn)中單銷(xiāo)-大環(huán)摩擦副的摩擦系數(shù)與摩擦力矩的關(guān)系式,得出結(jié)論:三條摩擦力矩的變化曲線也基本符合三種試驗(yàn)力的比例關(guān)系,同時(shí)也說(shuō)明摩擦力和摩擦系數(shù)存在關(guān)聯(lián)。

2)不同試驗(yàn)力下,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣炮鋼銷(xiāo)質(zhì)量均值分別增加了0.6、0.4、0.3 mg,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣黃銅盤(pán)質(zhì)量均值分別減小了3.2、5.8 、11.7 mg。對(duì)比三組試樣中的炮鋼銷(xiāo)和黃銅盤(pán)的磨損質(zhì)量均值的變化,推斷得出:可能是由于黃銅盤(pán)材質(zhì)較軟,磨損后粘附到了炮鋼銷(xiāo)的磨面上所致。由于試驗(yàn)設(shè)備的短缺未能使用SEM-EDS進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)出黏著物的成分,所以此處以及相關(guān)結(jié)論均為推斷所得。

3)不同試驗(yàn)力下,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣黃銅盤(pán)質(zhì)量均值分別減小了3.2、5.8、11.7 mg。推斷得出:試驗(yàn)力隨磨損量的增加速率先增后減,這也進(jìn)一步反饋了對(duì)應(yīng)試驗(yàn)力下摩擦系數(shù)均值(0.248 3、0.263 2和0.263 2)的變化規(guī)律。