機(jī)械零件織構(gòu)化表面減摩性能研究進(jìn)展*

馬廉潔 韓智斌

(1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院 河北秦皇島 066004)

表面織構(gòu)是指采用一定的加工技術(shù)，在材料表面加工出凹坑、凹痕或凸包等規(guī)則的非光滑表面。織構(gòu)化表面對(duì)機(jī)器零件的使用性能，例如耐摩性、減阻降噪[1-2]、表面潤(rùn)濕特性[3-4]等，具有重要影響?？棙?gòu)化表面的減摩性能可由摩擦因數(shù)、表面粗糙度、力(如油膜力等)、溫度等參數(shù)進(jìn)行表征?？棙?gòu)化表面包含織構(gòu)形狀、織構(gòu)深度、織構(gòu)面積占有率等幾方面內(nèi)容，在相同工況下，不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)其減摩性能影響不同。合理地控制織構(gòu)表面參數(shù)是提高零件耐磨性和使用壽命的手段之一。然而，織構(gòu)化表面減摩性能受試驗(yàn)系統(tǒng)多種變量(如環(huán)境、摩擦副材料等)的影響，而這些變量影響的效果往往是非線性的，相輔相成且難以量化表示，所以，研究人員往往抓不住主要的織構(gòu)化表面減摩原因，對(duì)表面織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要依賴于前人的經(jīng)驗(yàn)。因此，探究織構(gòu)化表面減摩機(jī)制、進(jìn)行不同工況下織構(gòu)參數(shù)主要減摩作用的研究具有重要意義。

近十年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)織構(gòu)減摩理論及應(yīng)用實(shí)踐兩方面進(jìn)行了大量研究，研究領(lǐng)域逐漸從傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域(活塞環(huán)[5-6]、齒輪[7-8]、軸承[9-10]等)向動(dòng)力工程、生物工程、船舶工程、新能源等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展。所研究的織構(gòu)參數(shù)已由最初的單一凹坑、溝槽型向復(fù)合織構(gòu)及仿生織構(gòu)過渡。將仿生技術(shù)與織構(gòu)化表面相結(jié)合所誕生的仿生織構(gòu)，利用了自然環(huán)境對(duì)生物群體億萬年優(yōu)勝劣汰的優(yōu)選過程，對(duì)于織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要參考意義。因此，仿生織構(gòu)摩擦學(xué)逐漸成為表面工程新的熱點(diǎn)分支。然而，研究該技術(shù)的關(guān)鍵在于仿生輪廓的提取及其擬合精度。

但到目前為止，織構(gòu)減摩類的綜述性文獻(xiàn)不多且大都集中于刀具、葉片等機(jī)械零件的應(yīng)用，對(duì)織構(gòu)減摩機(jī)制總結(jié)不夠深入。本文作者首先總結(jié)了織構(gòu)化表面的減摩理論，然后對(duì)織構(gòu)參數(shù)的幾何設(shè)計(jì)及其加工方式進(jìn)行歸納，最后分析表面織構(gòu)近些年的發(fā)展概況并作簡(jiǎn)要評(píng)述，希望能為微織構(gòu)減摩理論的深入研究及在工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 表面織構(gòu)減摩理論的研究

在不同工況下，表面織構(gòu)的減摩機(jī)制各不相同。根據(jù)潤(rùn)滑油膜與摩擦副表面減摩性能的關(guān)系，摩擦工況可分為干摩擦、流體潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑和彈性潤(rùn)滑等，分別對(duì)各工況下的織構(gòu)減摩機(jī)制進(jìn)行深入研究，能夠科學(xué)地反映織構(gòu)參數(shù)與減摩機(jī)制之間的關(guān)系，明確該工況下起主要減摩作用的織構(gòu)參數(shù)。

1.1 干摩擦工況

干摩擦工況是指兩摩擦表面之間無任何潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，兩摩擦副表面的微小凸起部分直接接觸的工況。隨著各種新型減摩潤(rùn)滑材料的深入研究，盡管潤(rùn)滑劑的減摩性能有了很大的提升，但也暴露出了很多問題，如環(huán)境污染、表面質(zhì)量差、成本昂貴等?；谠撗芯勘尘埃槍?duì)干摩擦工況下試樣減摩性能的研究，逐漸成為重要的研究領(lǐng)域。

1.1.1 微織構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

研究表明，干摩擦運(yùn)動(dòng)不是連續(xù)穩(wěn)定的滑動(dòng)，而是一個(gè)物體相對(duì)于另一個(gè)物體的間歇運(yùn)動(dòng)，即階躍現(xiàn)象[11]。在干摩擦過程中，表面織構(gòu)會(huì)使得階躍現(xiàn)象更為顯著，從而使更多的磨屑推離兩摩擦副表面，平均摩擦因數(shù)降低，減緩了表面磨損程度[12]。劉衍聰?shù)萚13]指出溝槽織構(gòu)通過捕獲磨粒，可以有效地減少摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)中磨粒的磨損，但是織構(gòu)的存在同樣減少了接觸面積，使得接觸應(yīng)力急劇增大，紋理邊緣硬化帶對(duì)摩擦副的微切削作用越加明顯，黏著磨損現(xiàn)象更為嚴(yán)重；研究表明織構(gòu)的減摩作用與溝槽方向息息相關(guān)，當(dāng)面積占有率為17%、運(yùn)動(dòng)角度為60°時(shí)摩擦因數(shù)最小，減摩效果最佳。王斌等人[14]利用激光技術(shù)將不同材料的試樣表面織構(gòu)化，認(rèn)為在干摩擦條件下，織構(gòu)減摩的因素不僅是通過儲(chǔ)存磨粒實(shí)現(xiàn)，而且激光加工會(huì)使試樣材料產(chǎn)生熱影響區(qū)，容易在試樣表面形成一定厚度的硬質(zhì)層和過渡層，硬質(zhì)點(diǎn)不易被磨損，故對(duì)表面可以起到一定程度的保護(hù)作用，因此織構(gòu)化試樣具有較為穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。

1.1.2 微織構(gòu)對(duì)磨損率的影響

齊燁等人[15]認(rèn)為織構(gòu)化試樣在干摩擦條件下改變了試件的應(yīng)力分布，使接觸區(qū)形成高低應(yīng)力交替分布的局面；且由于織構(gòu)的存在，使得應(yīng)力集中點(diǎn)的位置在不斷發(fā)生變化，而無織構(gòu)試樣應(yīng)力集中點(diǎn)位置始終保持不變，故織構(gòu)化表面可以減小磨損率，緩解試件的磨損。李振東等[16]研究了激光織構(gòu)和碳基薄膜復(fù)合處理對(duì)鈦合金摩擦學(xué)性能的影響，指出在高接觸應(yīng)力的作用下，被磨損的石墨磨屑嵌入到織構(gòu)內(nèi)部，由于石墨的自潤(rùn)滑性能，抑制了摩擦副表面的磨損行為，因此織構(gòu)化碳基薄膜的磨損率較未織構(gòu)碳基薄膜降低了約60%。HE等[17]研究了織構(gòu)化DLC薄膜的減摩性能，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化表面接觸面積的減小會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力急劇增大，在滑動(dòng)過程中，凹坑織構(gòu)的尖銳邊緣不斷劃傷滑動(dòng)表面，“轉(zhuǎn)移膜”逐漸石墨化，有效地防止了兩摩擦副表面的直接接觸，降低了磨損率；其中在干摩擦工況下，面積占有率為52%的織構(gòu)化DLC薄膜具有最低的磨損率。

綜上所述，在干摩擦的條件下，兩摩擦副表面的凸起部位最先剝落并形成磨屑，若清理不及時(shí)，磨屑將隨摩擦副表面移動(dòng)，逐漸轉(zhuǎn)化為磨粒，在犁溝效應(yīng)的作用下破壞兩摩擦副的表面形貌，使工況進(jìn)一步惡化(其示意圖如圖1所示[18])。表面織構(gòu)在該工況下主要起到存儲(chǔ)磨屑，降低磨粒磨損的作用[19-20]。所以織構(gòu)的上表面面積是影響其減摩效果的關(guān)鍵因素(此外，減摩效果也與加工方式及溝槽設(shè)計(jì)方向等相關(guān))。隨著織構(gòu)直徑的增大，磨屑進(jìn)入織構(gòu)內(nèi)部概率越大，減小磨損的效果越好；但隨著織構(gòu)直徑增大，摩擦副之間的接觸面積也會(huì)隨之減小，磨損會(huì)愈加嚴(yán)重。因此，干摩擦條件下，微織構(gòu)減摩研究的關(guān)鍵在于尋找合適的織構(gòu)直徑，使得織構(gòu)存儲(chǔ)磨粒所帶來的減摩效果遠(yuǎn)大于由于摩擦副之間接觸面積減小而帶來的增摩效果。

圖1 織構(gòu)收集磨粒示意[18]

1.2 流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況是由于摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得潤(rùn)滑油被帶入摩擦副之間的楔形間隙而形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，即承載區(qū)油膜產(chǎn)生一定的壓力，當(dāng)油膜壓力與外載荷完全平衡時(shí)，此時(shí)的工況稱為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況。由于油膜的形成，完全避免了兩摩擦副的直接接觸，同時(shí)伴隨著空化現(xiàn)象[21-22]，提升了油膜承載力，從而具有良好的減摩性能。研究人員為探尋織構(gòu)參數(shù)對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)的影響，展開了大量的研究。

1.2.1 微織構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

姜亮等人[23]認(rèn)為在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況下，織構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，黏滯阻力隨之增大，平均摩擦因數(shù)減小；并指出不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)試樣減摩性能的影響顯著，小凹坑直徑的織構(gòu)試樣摩擦因數(shù)降幅約為66.7%，而大凹坑直徑的織構(gòu)由于間隙過大，潤(rùn)滑油供應(yīng)不充分，減摩效果不明顯，摩擦因數(shù)急劇增大。馮旭等人[24]指出在潤(rùn)滑工況下，每一個(gè)凹坑都是存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的“微油池”，隨著織構(gòu)內(nèi)部流體動(dòng)壓特性增強(qiáng)，摩擦副表面的摩擦因數(shù)降低，凹坑深徑比為0.053的織構(gòu)表面摩擦因數(shù)最低。

1.2.2 微織構(gòu)對(duì)磨損率的影響

孫建芳等[25]認(rèn)為，一方面織構(gòu)的存在可以增加油膜厚度，另一方面接觸應(yīng)力的增大使得織構(gòu)化表面更容易發(fā)生摩擦界面的摩擦物理化學(xué)反應(yīng)；在干摩擦條件下PFPE油在接觸應(yīng)力作用下，內(nèi)部斷鏈產(chǎn)生F原子，與摩擦副表面的Fe原子結(jié)合，生成耐磨性物質(zhì)FeF2，使得織構(gòu)化試樣的磨損率低于未織構(gòu)試樣；其中面積占有率為8.7%、凹坑直徑為200 μm的試樣磨損率最小，較未織構(gòu)試樣降低了30.6%。樸占鵬等[26]研究了納米流體與微織構(gòu)的耦合作用，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中，納米流體會(huì)在兩摩擦副表面之間形成一層保護(hù)膜，改善潤(rùn)滑狀態(tài)；與此同時(shí)納米流體中的納米粒子會(huì)起到一定的支撐作用，避免兩表面凸起的直接接觸，進(jìn)而降低磨損率；試驗(yàn)結(jié)果表明與織構(gòu)化試樣對(duì)磨的磨球磨損率降低了39.4%。

1.2.3 微織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜的影響

研究表明，表面織構(gòu)幾何參數(shù)[27-29]、工況參數(shù)[30]及分布方式等都會(huì)對(duì)其流體動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。由于負(fù)壓區(qū)的泵吸作用[31-32]，微凹坑之間的潤(rùn)滑油得以相互流動(dòng)，故每一個(gè)微凹坑都不是孤立的存在，凹坑與凹坑之間存在一定的協(xié)同作用(如圖2所示[33])。黃豐云等[34]認(rèn)為泵吸作用會(huì)使非凹坑區(qū)的潤(rùn)滑油向凹坑區(qū)流動(dòng)，從而影響區(qū)域油膜承載力；隨著控制單元增大，周圍區(qū)域流體受凹坑區(qū)域的影響亦逐漸增大，但由于泵吸作用產(chǎn)生的附加動(dòng)壓被不能產(chǎn)生動(dòng)壓的非凹坑區(qū)域平衡，油膜承載力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，所以表面織構(gòu)可以通過影響泵吸作用進(jìn)而影響流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。HAMILTON等[35]指出表面織構(gòu)可以為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩平行表面提供規(guī)律性收斂間隙，當(dāng)潤(rùn)滑劑進(jìn)入微凹坑，將在收斂間隙處產(chǎn)生油膜正壓力，在發(fā)散間隙處壓力降低，甚至出現(xiàn)油膜負(fù)壓；當(dāng)負(fù)壓達(dá)到某一極限值便會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象，從而使得凹坑區(qū)域內(nèi)部油膜壓力分布不均，具有一定的油膜承載力。此外，吳元博[36]認(rèn)為不同參數(shù)的織構(gòu)產(chǎn)生減摩作用的機(jī)制不同，而機(jī)制不同的原因取決于織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜的影響力，從而使油膜厚度及油膜完整性各不相同，以此影響其油膜力(流體動(dòng)壓效應(yīng))的大小。

圖2 流體動(dòng)力潤(rùn)滑系統(tǒng)示意[33]

綜上所述，在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑條件(滿足具有楔形間隙；潤(rùn)滑油從大口流入，小口流出并具有一定的黏度)下，每一個(gè)凹坑都相當(dāng)于一個(gè)微型的動(dòng)壓軸承，當(dāng)液體流過收斂間隙時(shí)將產(chǎn)生正壓，流經(jīng)發(fā)散間隙時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓。若凹坑深度太淺，無法儲(chǔ)存太多潤(rùn)滑油，可能導(dǎo)致油量不足無法滿足動(dòng)壓潤(rùn)滑條件；若凹坑深度太深，在油膜降壓區(qū)壓力下降會(huì)十分迅速，油膜厚度迅速增加，承載能力急速下降，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)出現(xiàn)干摩擦的情況，故單一凹坑具有更好的減摩效果的關(guān)鍵在于合適的凹坑深度。但單一凹坑無法決定油膜厚度及油膜承載力的大小，研究表明，凹坑之間的協(xié)同作用才是形成減摩油膜的關(guān)鍵[37]，并且該協(xié)同作用往往通過不同織構(gòu)面積占有率實(shí)現(xiàn)，所以減摩效果的好壞取決于油膜承載力及其完整性的大小。因此，凹坑面積占有率是在動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下決定減摩效果好壞的關(guān)鍵因素，凹坑深度可通過單個(gè)“動(dòng)壓軸承”壓力大小來影響其減摩性能，但影響程度遠(yuǎn)沒有凹坑面積占有率大。

1.3 邊界潤(rùn)滑工況

邊界潤(rùn)滑指由液體摩擦過渡到干摩擦過程之間的臨界狀態(tài)[38]。簡(jiǎn)言之，在該工況下，摩擦副是處于一種部分摩擦表面直接接觸的潤(rùn)滑狀態(tài)。重載、低速、潤(rùn)滑油黏度小極易形成該潤(rùn)滑狀態(tài)，該狀態(tài)下，摩擦副表面間存在一層厚度在0.1 μm以下的油膜，雖然不能防止摩擦副表面的接觸，但相較于干摩擦在一定程度上很好地減緩了表面的磨損狀況。

1.3.1 微織構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

慣性效應(yīng)[39]可以產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，進(jìn)而影響微織構(gòu)表面承載能力，織構(gòu)參數(shù)可決定慣性回流的強(qiáng)弱程度[40]。宋文濤等[41]指出條狀紋理與凹坑織構(gòu)之間存在協(xié)同作用，使二者慣性效應(yīng)相互疊加，獲得更高的承載力，因此條狀紋理試樣在穩(wěn)定磨損階段具有更低的摩擦因數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定磨損的時(shí)間更短。胡天昌等[42]認(rèn)為在邊界潤(rùn)滑工況下，表面織構(gòu)擴(kuò)大了流體動(dòng)壓現(xiàn)象的發(fā)生范圍，試驗(yàn)過程中潤(rùn)滑油不斷被擠出，補(bǔ)充到對(duì)偶表面形成連續(xù)油膜，降低了摩擦因數(shù)；其中凹坑直徑在研究工況下對(duì)試樣減摩性能影響顯著，凹坑直徑太小，潤(rùn)滑介質(zhì)浸潤(rùn)效果較差，不易形成油膜，凹坑直徑越大，面積占有率隨之增大，凹坑內(nèi)部流體動(dòng)壓效應(yīng)更加明顯，較易形成潤(rùn)滑油膜，摩擦因數(shù)更低。

1.3.2 微織構(gòu)對(duì)磨損率的影響

李亞軍等[43]研究了凹坑直徑對(duì)45鋼摩擦磨損特性的影響，試驗(yàn)表明磨損率隨凹坑直徑的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并認(rèn)為該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要?dú)w因于邊界潤(rùn)滑工況下復(fù)雜的減摩機(jī)制：在相同面積占有率條件下，凹坑直徑越小，數(shù)量越多，凹坑之間的間距越小，更容易形成連續(xù)的油膜，然而不易儲(chǔ)存磨屑；若凹坑直徑過大，雖不易形成油膜，但可以存儲(chǔ)更多的磨屑，減少磨粒磨損。XIONG等[44]認(rèn)為在邊界潤(rùn)滑工況下，由于流體的黏性流動(dòng)，表面織構(gòu)將潤(rùn)滑油引入摩擦副接觸區(qū)域，同時(shí)捕獲磨屑，從而降低磨損率；研究表明，面積占有率為7.9%～8.8%的試樣具有最低的磨損率，磨損率為5.2×10-7mm3/(N·m)。

1.3.3 微織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜的影響

為探究邊界潤(rùn)滑條件下，織構(gòu)對(duì)表面減摩性能的影響機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)潤(rùn)滑油膜展開了一系列研究。PETTERSSON和JACOBSON[45]指出該工況下，減摩的關(guān)鍵在于潤(rùn)滑油是否充分及其黏度的大小，表面織構(gòu)參數(shù)(形狀、紋理分布等)通過影響潤(rùn)滑油進(jìn)入其內(nèi)部難易程度進(jìn)而影響減摩性能。但該研究并未明確指出織構(gòu)參數(shù)如何影響其減摩效果。之后，LEI等[46]針對(duì)在邊界潤(rùn)滑工況下織構(gòu)化PTFE的防爬行現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)上下摩擦副在該工況下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，低速高壓會(huì)逐漸將光滑接觸表面的潤(rùn)滑油擠出，使得油膜厚度變窄，摩擦因數(shù)增加；而微凹坑可以不斷地向接觸面提供潤(rùn)滑油，逐漸實(shí)現(xiàn)“二次潤(rùn)滑”，使得摩擦因數(shù)迅速降低，且在該工況下，大面積占有率的凹坑具有更好的減摩性能。周劉勇等[47]指出邊界潤(rùn)滑工況下，微織構(gòu)只能形成局部的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，隨著摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，織構(gòu)內(nèi)部存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油被擠出，起到了連續(xù)潤(rùn)滑的效果，提高了摩擦副的承載力。該研究結(jié)果與項(xiàng)欣等人[48]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，在邊界潤(rùn)滑工況下，微織構(gòu)通過影響其內(nèi)部的局部流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)進(jìn)而影響其減摩性能，而產(chǎn)生局部流體動(dòng)壓效應(yīng)的關(guān)鍵在于潤(rùn)滑油的供應(yīng)是否充分及能否形成二次潤(rùn)滑。所以，微織構(gòu)數(shù)量成為邊界潤(rùn)滑工況下影響減摩效果的最主要因素，主要表現(xiàn)為織構(gòu)的數(shù)量增多，“儲(chǔ)油箱”增加，供油相對(duì)充足，則更容易滿足“二次潤(rùn)滑條件”；但與此同時(shí)，摩擦副的接觸面積有所減小，壓力增大，油膜承載力下降。因此，邊界潤(rùn)滑工況下，減摩效果的好壞主要取決于織構(gòu)數(shù)量增加產(chǎn)生的潤(rùn)滑效果和摩擦副接觸面積下降造成油膜承載力下降的綜合作用。除此之外，在邊界潤(rùn)滑條件下，凹坑深度對(duì)減摩效果也會(huì)有一定的影響，但不是主要影響因素，主要表現(xiàn)為若凹坑深度太深，潤(rùn)滑油不易被擠出，潤(rùn)滑油不能充分地供應(yīng)，所以極易造成干摩擦條件。

1.4 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況

彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是一種微觀的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，該工況下，摩擦副表面的彈性變形對(duì)油膜厚度的影響無法忽略。在一定條件下，點(diǎn)-線摩擦副中可以形成該工況，如滾動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、凸輪機(jī)構(gòu)等。為探究該工況下織構(gòu)對(duì)減摩性能的影響，研究人員展開了一系列研究。

1.4.1 微織構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響

楊笑等人[49]認(rèn)為該工況下，織構(gòu)形狀可以決定織構(gòu)內(nèi)部高壓區(qū)域和低壓區(qū)域的分布，并指出高壓區(qū)域越集中，低壓區(qū)域越發(fā)散，則會(huì)產(chǎn)生更大的流體動(dòng)壓力，摩擦因數(shù)更?。谎芯勘砻?，相較于圓形和正方形織構(gòu)，三角形織構(gòu)的摩擦因數(shù)最低。董幫源等[50]指出載荷、轉(zhuǎn)速、織構(gòu)直徑都會(huì)對(duì)40Cr鋼的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響，且影響規(guī)律不唯一；轉(zhuǎn)速的增大加強(qiáng)了內(nèi)部的動(dòng)壓效應(yīng)，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但在重載工況下，轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響范圍縮??；摩擦因數(shù)的波動(dòng)范圍受速度影響，直徑為20、80 μm的凹坑的摩擦因數(shù)最低，減摩效果明顯優(yōu)于光滑表面。DE LA GUERRA OCHOA等[51]利用光刻和化學(xué)刻蝕的方法加工織構(gòu)化表面，并進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究表明當(dāng)彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)接近于混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，織構(gòu)化表面的摩擦因數(shù)會(huì)有顯著的下降，下降幅度約為30%。

1.4.2 微織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜的影響

彈性變形[52]對(duì)潤(rùn)滑油膜具有重要的影響，考慮彈性變形后，最大油膜壓力、承載力以及溫度均明顯降低。盧憲玖等[53]采用多重網(wǎng)格法對(duì)光滑及織構(gòu)表面進(jìn)行橢球體-平面熱彈流潤(rùn)滑分析，研究表明溫度對(duì)表面織構(gòu)的彈性潤(rùn)滑性能影響很大，織構(gòu)化表面較光滑表面具有大的油膜厚度且滑滾比越大，織構(gòu)表面最小膜厚越小，最高溫度越大。蘇彬彬[54]指出彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況下，表面織構(gòu)能夠產(chǎn)生附加的流體動(dòng)壓力，且試樣表面可在此壓力下發(fā)生一定程度的變形，而變形反過來直接改變接觸區(qū)內(nèi)油膜厚度分布情況。YAGI和 SUGIMURA[55]通過數(shù)值研究了Rayleigh階梯軸承的彈流動(dòng)力學(xué)性能，表明200 nm的微小變形是形成彈性流體動(dòng)壓效應(yīng)的關(guān)鍵。該研究結(jié)果與蘇彬彬[54]的研究結(jié)果一致，揭示了彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況下微織構(gòu)的減摩機(jī)制，表明彈性變形會(huì)改變?cè)形⒖棙?gòu)幾何輪廓，在一定程度上扭曲收斂間隙的形狀，改變流體動(dòng)壓力的分布，進(jìn)而影響油膜的承載能力，如圖3所示[56]。

圖3 初始未變形彈性體模型(a)、最終變形彈性體模型(b)[56]

1.4.3 載荷及轉(zhuǎn)速對(duì)微織構(gòu)減摩性能的影響

織構(gòu)化彈流摩擦學(xué)試驗(yàn)表明，在彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下，織構(gòu)只有在低速輕載才會(huì)展現(xiàn)出較好的減摩性能，在高速重載條件下不僅不會(huì)減小摩擦因數(shù)，反而會(huì)出現(xiàn)增摩現(xiàn)象[57]。沈錦龍等[58]認(rèn)為彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況下的彈性變形會(huì)使織構(gòu)化接觸表面平坦化，載荷越大、轉(zhuǎn)速越小，表面平坦化現(xiàn)象愈加顯著，所以在該工況下，低速重載的織構(gòu)化表面設(shè)計(jì)必須考慮彈性變形所帶來的影響。YE等[59]指出轉(zhuǎn)速和載荷決定最小油膜厚度的大小，隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增大，織構(gòu)化表面的“集體凹痕效應(yīng)”增強(qiáng)，薄膜厚度增加；除此之外，轉(zhuǎn)速和載荷對(duì)油膜剛度、傾斜角、泄漏量等參數(shù)亦會(huì)產(chǎn)生一定的影響，最終影響機(jī)械零件的工作壽命。

綜上所述，彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑不同于一般的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，其關(guān)鍵在于彈性流體動(dòng)壓工況下不可忽略的彈性變形(與表面不平度處于相同的數(shù)量級(jí))。彈性變形影響了試樣表面的幾何輪廓形狀，使得產(chǎn)生動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)所必須的楔形油膜隨之改變，進(jìn)而影響流體動(dòng)壓力在織構(gòu)內(nèi)部的分布情況。所以，該工況下織構(gòu)減摩性能的研究，應(yīng)注重試樣材料選取(通過彈性模量影響形變)及載荷大小(可直接影響形變)對(duì)其產(chǎn)生的影響。

基于上述分析，表1總結(jié)了不同工況下表面織構(gòu)的減摩機(jī)制。

2 表面織構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)

理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明，表面織構(gòu)具有減小磨損、改善摩擦性能的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)不同織構(gòu)形狀、深度、位置分布以及排列方式等都會(huì)對(duì)減摩性能造成一定的影響，同一織構(gòu)類型下必定存在最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)使其具有最佳的減摩性能，但不同類型織構(gòu)的減摩機(jī)制在一定程度上也有所差異，探究不同織構(gòu)類型所產(chǎn)生的特有減摩性能具有重大意義。

2.1 單一織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 凹坑織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)

近年來，凹坑織構(gòu)作為簡(jiǎn)單織構(gòu)類型中的一種，研究人員對(duì)其展開了豐富的研究，但大多數(shù)研究主要集中于單個(gè)因素的分析，且對(duì)凹坑直徑、深度、面積占有率等織構(gòu)參數(shù)所得出的結(jié)論不一[60-63]。

凹坑直徑和凹坑深度是衡量織構(gòu)減摩性能好壞的重要參數(shù)，凹坑深度和凹坑直徑均對(duì)潤(rùn)滑油膜的形成起決定性作用，且二者之間存在一定的協(xié)同作用，使其減摩機(jī)制變得更為復(fù)雜。為探究其內(nèi)部減摩機(jī)制，GREINER等[64]從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，探究凹坑深度、直徑對(duì)黃銅表面摩擦學(xué)性能的影響，研究表明隨著凹坑深度增加，摩擦力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨著凹坑直徑增加，摩擦因數(shù)逐漸減小。這是由于在載荷作用下，表面出現(xiàn)接觸裂紋，隨著凹坑深度增加，有效剪切剛度減小、應(yīng)力集中，使得摩擦力增加，當(dāng)深度達(dá)到一定值后，應(yīng)力減小，靜摩擦力降低；隨凹坑直徑增大，斷裂閾值降低，使得摩擦因數(shù)減小。研究表明，凹坑形狀可以精確地控制摩擦因數(shù)[65-66]。研究人員深入研究了圓形、正方形、三角形、橢圓形及仿生凹坑形狀，然而尚未找出凹坑形狀參數(shù)與摩擦因數(shù)之間的規(guī)律。凹坑面積占有率亦是提高摩擦學(xué)性能重要影響因素之一，在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑工況下，對(duì)油膜承載力起決定性作用；在干摩擦工況下，凹坑面積占有率可增加磨屑進(jìn)入凹坑內(nèi)部的概率，進(jìn)而延遲磨損過程，減小磨損。閆彩等人[67]探究了微凹坑密度對(duì)缸套摩擦潤(rùn)滑性能的影響，試驗(yàn)表明只有5%～20%的面積占有率才可以起到改善摩擦學(xué)性能的作用，其中面積占有率為12%的凹坑試件減摩性能最佳；當(dāng)面積占有率增大到35%以上時(shí)，摩擦因數(shù)急劇增大，惡化了表面摩擦性能，故只有合理的面積占有率才能起到良好的減摩效果。

在摩擦磨損的過程中，凹坑織構(gòu)具有收集磨屑[68-70]，降低磨粒磨損的作用。普遍認(rèn)為，在潤(rùn)滑條件下，凹坑織構(gòu)主要是通過形成楔形油膜實(shí)現(xiàn)減摩，油膜力與所施加外載荷抵消，也可以認(rèn)為每一個(gè)微凹坑都相當(dāng)于一個(gè)微型流體動(dòng)壓軸承，在相互滑動(dòng)的過程中增強(qiáng)流體動(dòng)壓力，從而增大油膜力和油膜剛度。凹坑織構(gòu)在大多數(shù)工況下，都具有減摩作用，但在重載條件下所展現(xiàn)出的減摩規(guī)律不一，有待于進(jìn)一步研究?；谏衔姆治?，摩擦因數(shù)會(huì)隨著凹坑直徑的變大而減小，但過大或過小的凹坑直徑不利于油膜的形成，從而增大摩擦。所以，并不是所有的凹坑都能稱為織構(gòu)，受試樣尺寸以及環(huán)境等綜合因素的影響。只有合理的凹坑微織構(gòu)才會(huì)具有減摩效果，同時(shí)會(huì)降低摩擦區(qū)域的溫度。此外，相同面積占有率及深度的條件下，不同的凹坑分布布局對(duì)其摩擦磨損特性仍有很大的影響。

2.1.2 凹槽織構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)

凹槽型和凹坑型織構(gòu)是表面織構(gòu)的2種基本形式，但相較于凹坑織構(gòu)，凹槽織構(gòu)的研究理論相對(duì)不完善，所研究的織構(gòu)參數(shù)主要包括：凹槽角度、凹槽深度、凹槽寬度、凹槽邊長(zhǎng)、橫向槽間距、縱向槽間距等。相較于凹坑微織構(gòu)，凹槽織構(gòu)的織構(gòu)參數(shù)有所增加，且參數(shù)間協(xié)同作用更加顯著。

研究表明，凹槽織構(gòu)可以通過儲(chǔ)存磨粒，降低磨粒磨損；凹槽織構(gòu)表面磨損時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，極易使磨屑膠合，產(chǎn)生“硬相峰”，摩擦過程中率先接觸摩擦表面，起到很好的支撐作用，從而進(jìn)一步降低摩擦磨損[71]。麻凱等人[72]設(shè)計(jì)了一種雙螺紋凹槽織構(gòu)，研究表明合適深度的凹槽會(huì)增大油膜厚度，改善油膜潤(rùn)滑狀態(tài)，降低磨損；但不合適深度的凹槽反而會(huì)出現(xiàn)增磨的現(xiàn)象。由此可見，織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的界限，選擇合適的織構(gòu)參數(shù)意義重大，但上述文獻(xiàn)均未對(duì)此做出分析。之后，CHEN等[73]設(shè)計(jì)了方形、六邊形微凹槽，提出凹槽減摩性能可從流體動(dòng)壓效應(yīng)和潤(rùn)滑油供應(yīng)兩方面進(jìn)行分析，進(jìn)行紋理表面設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮凹槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向；另外，在干摩擦條件下，出現(xiàn)三角形溝槽摩擦因數(shù)普遍大于未織構(gòu)試樣的現(xiàn)象，但作者未對(duì)此給出合理的解釋。王沫陽等[74]通過激光加工出不同間距和夾角的微凹槽織構(gòu)，并在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明凹槽夾角對(duì)摩擦因數(shù)的影響取決于載荷的大小，在給定載荷下，存在最優(yōu)的夾角使摩擦因數(shù)最小，亦存在最優(yōu)的槽間距使得平均摩擦因數(shù)最小，但與凹槽夾角不同的是間距不再受載荷影響。該研究結(jié)果恰恰解釋了CHEN等[73]在研究過程中所出現(xiàn)的問題，同時(shí)驗(yàn)證了該文獻(xiàn)的結(jié)果。常鐵等人[75]通過化學(xué)刻蝕技術(shù)在缸套表面加工出3種不同傾斜角的凹槽織構(gòu)，試驗(yàn)表明不同傾斜角凹槽織構(gòu)減摩效果不同，在輕載條件下，部分凹槽會(huì)增大磨損。該文獻(xiàn)結(jié)論與前述文獻(xiàn)保持一致，即凹槽織構(gòu)的減摩效果與潤(rùn)滑油的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向息息相關(guān)，盲目進(jìn)行溝槽織構(gòu)的設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致摩擦因數(shù)急劇增大，遠(yuǎn)大于未織構(gòu)試樣，原因可能在于不合適的溝槽增大了試樣表面粗糙度，且不合適的溝槽方向使?jié)櫥脱乜棙?gòu)方向發(fā)生了一定程度的泄漏，阻礙流體動(dòng)壓效應(yīng)，破壞油膜的形成。

溝槽織構(gòu)設(shè)計(jì)不同于凹坑織構(gòu)，部分試驗(yàn)結(jié)果表明合理織構(gòu)參數(shù)的凹槽織構(gòu)減摩效果普遍高于凹坑織構(gòu)，但不合適的凹槽織構(gòu)極易出現(xiàn)增磨現(xiàn)象，該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于溝槽織構(gòu)夾角的設(shè)計(jì)?；谏衔姆治隹芍?，織構(gòu)與潤(rùn)滑油流向的夾角對(duì)織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)有很大的影響(見圖4[76])，一般認(rèn)為，垂直于運(yùn)動(dòng)方向的凹槽能夠降低啟動(dòng)速度，更容易滿足流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的條件，表現(xiàn)出更好的動(dòng)壓潤(rùn)滑性能。

圖4 不同夾角的溝槽[76]

2.2 復(fù)合織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

隨著對(duì)織構(gòu)技術(shù)的研究深入，織構(gòu)化表面的設(shè)計(jì)成為新興趨勢(shì)，復(fù)合織構(gòu)在此背景下誕生，目前主要分為2種：一種是混合型織構(gòu)，指在同一試樣表面加工不同位置、不同幾何特征的多種織構(gòu)；另一種為重疊型織構(gòu)，指首先在某一特定織構(gòu)區(qū)域加工某種織構(gòu)，后在相同位置按照相同的織構(gòu)參數(shù)加工多種織構(gòu)。目前，對(duì)復(fù)合織構(gòu)的研究較少，不夠深入。

2.2.1 混合型織構(gòu)

CHEN等[77]通過JFO空化邊界，建立了數(shù)學(xué)模型，研究了復(fù)合織構(gòu)的流體動(dòng)壓特性及凹坑織構(gòu)和凹槽織構(gòu)之間的耦合效應(yīng)，研究表明在不同壓力和轉(zhuǎn)速下，復(fù)合織構(gòu)具有更好的摩擦學(xué)性能；通過比較Stribeck曲線，發(fā)現(xiàn)復(fù)合織構(gòu)具有更低且穩(wěn)定的摩擦扭矩。尹必峰等[78]為改善缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦磨損性能，建立了織構(gòu)化缸套-活塞環(huán)混合潤(rùn)滑理論計(jì)算模型，設(shè)計(jì)槽腔和交叉溝槽2種混合型復(fù)合織構(gòu)，研究表明，復(fù)合織構(gòu)在上止點(diǎn)處通過協(xié)同疊加形成局部高壓油膜，在中部區(qū)域通過復(fù)合織構(gòu)的協(xié)同作用有效地彌補(bǔ)了空化區(qū)域油膜壓力的衰減，使得有效承載區(qū)域進(jìn)一步延展；摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合織構(gòu)相較于未織構(gòu)試樣，摩擦因數(shù)降低了48.1%。

2.2.2 重疊型織構(gòu)

曾繁鏗等[79]利用激光銑削工藝，成功實(shí)現(xiàn)凹坑-球凸重疊型復(fù)合織構(gòu)，利用球凸在圓凹坑中的二次動(dòng)壓效應(yīng)，增強(qiáng)減摩效果，結(jié)果表明凹坑-球凸復(fù)合織構(gòu)摩擦因數(shù)較單一圓凹坑微織構(gòu)下降40%。原因可能是合適的凸起高度增強(qiáng)了凹坑內(nèi)部的動(dòng)壓效應(yīng)，減少了二體磨損。但該研究未明確合理織構(gòu)參數(shù)界限，有待于進(jìn)一步研究。部分學(xué)者設(shè)計(jì)了多種不同類型的復(fù)合織構(gòu)。如圖5所示[80]，研究結(jié)果表明，復(fù)合織構(gòu)主要通過外織構(gòu)的深度以及摩擦副間隙的大小關(guān)系影響其動(dòng)壓潤(rùn)滑性能；且內(nèi)織構(gòu)分布于潤(rùn)滑介質(zhì)流入的一側(cè)，對(duì)復(fù)合織構(gòu)動(dòng)壓潤(rùn)滑特性的提升最大[81-83]。內(nèi)織構(gòu)分布位置的不同所起到的不同減摩效果，將對(duì)重疊型復(fù)合織構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

圖5 復(fù)合織構(gòu)基本類型[80]

研究一致表明，與單一織構(gòu)類型相比，復(fù)合織構(gòu)的承載能力顯著提高；相較于前者，壓力分布更加合理，表面動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)更好。復(fù)合織構(gòu)主要是通過影響重疊型外織構(gòu)深度、內(nèi)織構(gòu)位置以及混合型復(fù)合織構(gòu)之間的協(xié)同作用，彌補(bǔ)油膜力的衰減，以此增大流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，增大減摩效果。但目前針對(duì)復(fù)合織構(gòu)的研究相對(duì)較少，尚未得出系統(tǒng)性的結(jié)論，以上所提出的減摩理論也有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。然而，由于復(fù)合織構(gòu)對(duì)改善摩擦磨損具有明顯的優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必成為未來發(fā)展的主流趨勢(shì)。

2.3 仿生微織構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

自然界生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，在其體表進(jìn)化出了不同的體表結(jié)構(gòu)，如鯊魚皮的鱗凸結(jié)構(gòu)、鳥類的流線型羽毛等。各種生物在進(jìn)化的過程中，已對(duì)數(shù)以萬計(jì)的各種減阻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自然篩選，所以研究人員可以利用仿生學(xué)的方法來尋找答案，仿生摩擦學(xué)也隨之誕生。而仿生微織構(gòu)作為仿生摩擦學(xué)的一個(gè)主要分支，受到研究人員的廣泛關(guān)注。

如圖6所示，仿生微織構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)織構(gòu)形狀而言，目前主要分為兩類[84]：一類是在進(jìn)行選定生物輪廓提取之后，進(jìn)行簡(jiǎn)化和模擬得到簡(jiǎn)單且有規(guī)律的圖形后再進(jìn)行加工；另一類是通過數(shù)據(jù)擬合等方法處理圖形，保留原始圖形的基本特征。2種設(shè)計(jì)方法各有利弊，前者仿生輪廓提取簡(jiǎn)單，易于加工，但目前缺乏簡(jiǎn)化輪廓的理論支撐，簡(jiǎn)化后的輪廓能否保持其原有特性尚未可知；后者雖然能盡最大可能保留其原有的減阻特性，但圖形過于復(fù)雜，以樣條曲線為主，目前針對(duì)樣條曲線的加工手段尚不完善，不易進(jìn)行加工。

圖6 仿生微結(jié)構(gòu)[84]

研究表明，仿生織構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)潤(rùn)滑水膜的鋪展和輸運(yùn)，有利于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)的形成。相對(duì)于無織構(gòu)試樣，仿生織構(gòu)化試樣最大水膜壓力更大，摩擦因數(shù)更小，減摩性能更好[85-86]。HUANG等[87]利用響應(yīng)面法優(yōu)化了仿生六邊形結(jié)構(gòu)，研究表明織構(gòu)化表面的油膜與基體結(jié)合更加緊密，潤(rùn)滑油均勻分散在摩擦副表面，形成厚度約為2.4 μm的油膜，平均摩擦因數(shù)降低了20.82%，摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度降低了54.35%。李俊玲等[88]自行設(shè)計(jì)葫蘆形微凹坑，并利用皮秒激光系統(tǒng)對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，結(jié)果表明葫蘆形微凹坑的摩擦因數(shù)明顯低于圓形凹坑試樣及無織構(gòu)光滑試樣，在潤(rùn)滑液流動(dòng)方向上，織構(gòu)形狀的收斂區(qū)間可對(duì)流體動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。倪敬等人[89]采用激光加工技術(shù)在拉刀后刀面加工仿雨滴形微織構(gòu)，并建立雨滴織構(gòu)減摩潤(rùn)滑分析模型，試驗(yàn)表明仿雨滴織構(gòu)可以加快潤(rùn)滑液的流動(dòng)速度，減小流動(dòng)阻力，可大幅度提高加工效率和加工精度，減緩刀具磨損。上述文獻(xiàn)的結(jié)果均再次驗(yàn)證了仿生微織構(gòu)優(yōu)越的減摩性能。

研究普遍認(rèn)為，仿生織構(gòu)內(nèi)部更易形成流體動(dòng)壓效應(yīng)，具有更好的減摩性能。仿生織構(gòu)來源于生物，生物適應(yīng)環(huán)境的影響因素多種多樣，某些特征相互影響，生物自身分泌的活性物質(zhì)使得織構(gòu)仿生設(shè)計(jì)須綜合考慮生物學(xué)、材料力學(xué)及流體力學(xué)等多方面的耦合因素。然而，目前仿生織構(gòu)設(shè)計(jì)僅是從幾何結(jié)構(gòu)入手，必然失去了一部分功效。為彌補(bǔ)失去的功效，部分學(xué)者開始將仿生織構(gòu)與涂層減摩等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，研究二者之間的減摩協(xié)同作用[90-92]。目前研究有所進(jìn)展，但其協(xié)同作用尚不明顯，仍以織構(gòu)化表面減摩為主，協(xié)同作用為輔，有待于深一步的研究。

3 表面織構(gòu)的加工

隨著織構(gòu)技術(shù)在航空航天、醫(yī)療康復(fù)、水下機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，人們進(jìn)行了大量的研究。但如何將織構(gòu)有效精準(zhǔn)地加工到工件表面上，成為了研究的關(guān)鍵性問題。評(píng)價(jià)一種加工方式的優(yōu)劣，取決于織構(gòu)加工質(zhì)量、加工效率和加工成本等因素。目前，表面織構(gòu)加工技術(shù)可以分為兩大類：傳統(tǒng)加工技術(shù)和激光加工技術(shù)。激光加工是當(dāng)下表面織構(gòu)加工技術(shù)的主流，具有精度高、誤差小等特點(diǎn)，但受加工材料熔點(diǎn)的限制并會(huì)在已加工表面上產(chǎn)生一定的熱影響區(qū)，且無法控制加工深度；傳統(tǒng)加工技術(shù)相較于激光加工而言精度低、累計(jì)誤差大且無法避免，易受銑刀直徑、材料特性的限制，但加工表面相對(duì)而言較為光滑平整，加工深度在一定范圍內(nèi)可以控制。

3.1 傳統(tǒng)加工技術(shù)

傳統(tǒng)的織構(gòu)加工技術(shù)主要包括化學(xué)刻蝕技術(shù)、電解加工技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、機(jī)械壓刻技術(shù)、噴丸技術(shù)等。

化學(xué)刻蝕技術(shù)是指利用化學(xué)試劑與刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料去除的一種加工技術(shù)，該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)、均勻性好，但刻蝕圖形保真較差，刻蝕線寬不易控制。曹磊等人[93]利用化學(xué)刻蝕的方法，在45鋼表面刻蝕表面紋理，摩擦滑動(dòng)試驗(yàn)表明，在整個(gè)滑動(dòng)期內(nèi)刻蝕表面均具有低而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，展現(xiàn)出良好的摩擦性能。

電解加工是利用電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法，該方法表面加工質(zhì)量較好，可用于加工薄壁和易變形的零件，但該方法的加工穩(wěn)定性及加工精度不高。李凱凱[94]利用電解加工技術(shù)，在缸套表面加工出幾種不同面積占有率的織構(gòu)類型，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)面積占有率為10%左右時(shí)減摩性能更顯著。

超聲加工是指游離于液體中的磨粒在超聲振動(dòng)作用下不斷撞擊被加工表面，實(shí)現(xiàn)工件材料表面逐漸破碎的一種加工技術(shù)。該技術(shù)不受材料導(dǎo)電性大小的影響，加工表面熱影響小，但受材料硬度的限制，硬度越大的材料越難加工。陶國(guó)燦[95]利用超聲振動(dòng)輔助銑削系統(tǒng)在試樣表面加工出魚鱗狀表面，發(fā)現(xiàn)該表面在干摩擦或乏油摩擦條件下均具有較好的減摩性能。

數(shù)控加工是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法，起源于航空工業(yè)的需要。該方法加工效率高，重復(fù)精度高，但設(shè)備昂貴，加工成本較高。CHO和PARK[96]利用數(shù)控加工技術(shù)在聚甲醛表面加工出微織構(gòu)，試驗(yàn)表明織構(gòu)面積占有率為10%時(shí)其摩擦因數(shù)最低。

氣膜屏蔽微細(xì)電解加工技術(shù)[97]是在電解噴射的基礎(chǔ)上利用氣液兩相噴嘴，使得電解液從進(jìn)液口進(jìn)入連通工具電極與工件。該技術(shù)可使材料均勻去除，電解液更新速度快，加工質(zhì)量高，使用該方法可實(shí)現(xiàn)小直徑、大深徑比織構(gòu)的加工，且加工輪廓清晰，雜散腐蝕少，加工表面粗糙度低。童文俊等[98]利用氣膜屏蔽微細(xì)電解加工方法在金屬平面副上加工出不同陣列形貌的微織構(gòu)，研究表明該加工方法加工出的凹槽織構(gòu)邊緣點(diǎn)較為光滑，摩擦磨損后，凹槽邊緣幾乎沒有雜散點(diǎn)蝕坑，與原始工件光滑度保持一致且大大提高了表面的摩擦性能。

噴丸是一種廣泛使用的材料表面冷加工方法，可實(shí)現(xiàn)表面清理、光潔度加工、成形、校正和機(jī)械強(qiáng)化等多種功能，具有操作簡(jiǎn)單、耗能少、效率高、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)[99]。周建忠等[100]對(duì)鎂合金表面進(jìn)行噴丸處理，結(jié)果表明噴丸周圍未發(fā)現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，凹坑深度隨噴丸次數(shù)增加呈現(xiàn)先增大后趨于飽和的趨勢(shì)，并且噴丸技術(shù)能夠提高表面耐腐蝕性，噴丸間距越小，抗腐蝕性能越好。

化學(xué)刻蝕技術(shù)和機(jī)械壓刻技術(shù)加工精度較高，但往往需要一些輔助設(shè)備，且加工周期長(zhǎng)，不適用于大規(guī)模零件的加工；電解加工技術(shù)、表面噴丸技術(shù)以及數(shù)控加工技術(shù)不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備，加工周期相對(duì)較短，但加工精度較低，無法指定深度進(jìn)行加工，加工誤差較大且無法避免。如以數(shù)控加工技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行加工時(shí)，需要對(duì)刀多次，每次對(duì)刀誤差在50～150 μm，誤差累積較大且對(duì)銑刀直徑及其剛度均有特殊要求，操作不當(dāng)極易崩刃。故傳統(tǒng)加工技術(shù)不受加工試樣熔點(diǎn)的限制，一般用于加工形狀相對(duì)簡(jiǎn)單、加工精度不高的表面織構(gòu)。

3.2 激光刻蝕技術(shù)

激光刻蝕[101]是一種新興的表面織構(gòu)加工技術(shù)，相較于傳統(tǒng)加工技術(shù)，具有加工精度高、加工效率高、無污染等特點(diǎn)，逐漸成為主要的織構(gòu)加工方式之一[68，102-104]。蘇永生等[105]利用光纖激光器，在硬質(zhì)合金刀具表面加工出微溝槽及圓形凹坑織構(gòu)，并分析了激光輸出功率、脈沖頻率及離焦量等參數(shù)對(duì)微織構(gòu)形貌和質(zhì)量的影響，結(jié)果表明隨著激光平均輸出功率和頻率的增加，織構(gòu)溝槽寬度和凹坑直徑隨之增大。何江濤[106]利用飛秒激光技術(shù)在軸承鋼表面加工微織構(gòu)，計(jì)算得到飛秒激光閾值，通過織構(gòu)深度與脈沖參數(shù)之間的關(guān)系曲線，分析了激光重復(fù)頻率、激光掃描速度及掃描次數(shù)對(duì)微溝槽加工的影響，研究表明只有合適的激光參數(shù)才會(huì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量溝槽的加工。XING等[107]利用納秒激光在陶瓷表面加工微織構(gòu)，同時(shí)研究了不同激光工藝參數(shù)對(duì)微織構(gòu)特征及幾何形狀的影響，研究表明織構(gòu)深度隨激光功率的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，隨掃描速度的增加而降低，原因可能是單位面積能量累積的增加以及激光重疊的減少。劉強(qiáng)憲[108]對(duì)脈沖激光表面燒蝕微織構(gòu)的工藝及激光器系統(tǒng)進(jìn)行了一系列研究，對(duì)激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出功率、激光脈沖寬度和輸出光斑進(jìn)行了分析和測(cè)量，結(jié)果表明隨著激光能量密度的增加，微凹坑直徑呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系增加，凹坑深度呈現(xiàn)先增大，后減小最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。劉澤宇等[109]研究了光纖激光功率、頻率、掃描速度和掃描次數(shù)對(duì)陶瓷表面織構(gòu)質(zhì)量的影響，得出合理的激光頻率范圍為60～80 kHz，合理的激光掃描次數(shù)范圍為1～2 次，合理的激光掃描速度范圍為50～100 mm/s，合理的激光功率為4 W以下。

基于上述分析，表2給出了不同加工方式加工質(zhì)量對(duì)比。

表2 不同加工方式加工質(zhì)量對(duì)比

激光刻蝕技術(shù)是通過高光束質(zhì)量的小功率激光聚焦于極小的焦點(diǎn)上，該焦點(diǎn)具有極高的能量密度，使得材料瞬間蒸發(fā)，從而起到材料去除的作用。所以，激光加工的關(guān)鍵在于激光焦點(diǎn)高能量密度所產(chǎn)生的高溫能否達(dá)到材料熔點(diǎn)，部分激光器(如CO2激光器)由于自身性能差，無法加工高熔點(diǎn)試樣(石墨等)。激光加工微織構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要夾具，減少了一類加工誤差，且基本不受圖形輪廓(樣條曲線擬合圖形除外)的限制，精度高，可進(jìn)行微納加工，但無法指定加工深度，且加工寬度受激光加工熱影響區(qū)的影響，出現(xiàn)大小不一的現(xiàn)象。除此之外，激光加工微織構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量的熔渣，儲(chǔ)存于凹坑內(nèi)部，不易進(jìn)行清洗，容易影響研究人員的判斷。由于激光加工去除材料依賴于激光束的燒蝕，因而激光束的掃描間距會(huì)決定加工表面的平整度。一般來說，掃描間距越小、激光加工時(shí)間越長(zhǎng)，表面形貌越好；掃描間距越大、激光加工時(shí)間越短，表面形貌越差，且極易形成條紋狀表面。

4 結(jié)論與展望

文中從不同工況下織構(gòu)的減摩性能出發(fā)，探究其減摩機(jī)制的異同，并分析了相同織構(gòu)參數(shù)在不同工況條件下對(duì)機(jī)械零件減摩性能的影響程度，總結(jié)了不同類型織構(gòu)的減摩理論，最后對(duì)當(dāng)下織構(gòu)加工方式優(yōu)劣進(jìn)行了分析。表面微織構(gòu)今后的研究工作可聚焦于以下幾點(diǎn)：

(1)凹槽織構(gòu)、復(fù)合織構(gòu)的減摩機(jī)制尚不完全明確，其研究不夠成熟，還需開展更為深入的織構(gòu)理論和試驗(yàn)研究。

(2)表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是仿生織構(gòu)和復(fù)合織構(gòu)的設(shè)計(jì)，缺乏設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和指導(dǎo)依據(jù)，大部分的織構(gòu)設(shè)計(jì)都是依賴于研究人員的經(jīng)驗(yàn)。

(3)表面織構(gòu)摩擦學(xué)的研究主要針對(duì)某種特殊的工況進(jìn)行，對(duì)不同工況下織構(gòu)減摩性能之間聯(lián)系的研究很少，且缺乏對(duì)強(qiáng)腐蝕性、真空、重載低速等極端工況的研究。

(4)并不是所有的織構(gòu)都有良好的減摩性能，只有合理的織構(gòu)參數(shù)才會(huì)起到減摩作用，且必然存在最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)使得其摩擦磨損性能最好。多數(shù)研究進(jìn)行了織構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選，而對(duì)減摩織構(gòu)參數(shù)的界限及其影響因素的研究有待深入。

(5)隨著涂層減摩技術(shù)和新型潤(rùn)滑劑的迅速發(fā)展，為表面織構(gòu)的減摩研究開辟了巨大的發(fā)展空間。幾種減摩技術(shù)和表面織構(gòu)之間的協(xié)同作用將是接下來表面織構(gòu)摩擦學(xué)的研究熱點(diǎn)。