微織構(gòu)對(duì)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副摩擦磨損特性影響的研究*

馬岢欣 鄧建新 包一琛 王軍燕 田潤(rùn)洲 王明遠(yuǎn)

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061）

V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌是一種常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)元件，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中，其良好的剛性使之可承受大負(fù)載和沖擊力，且具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性能，能夠確保導(dǎo)軌副平穩(wěn)和高精度運(yùn)動(dòng)。但在設(shè)備使用過(guò)程中，導(dǎo)軌副接觸表面間的磨損不可避免，這會(huì)降低導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和精確性、增加噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重的磨損還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)軌失效從而縮短設(shè)備使用壽命，并有相關(guān)研究表明，表面磨損會(huì)加劇導(dǎo)軌副爬行現(xiàn)象[1-2]。因此，研究V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦行為，對(duì)提高能源利用率，改善其摩擦磨損特性和提高使用壽命具有非常重要的意義。

通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌材料選擇、表面處理和潤(rùn)滑機(jī)制的研究和優(yōu)化，可以顯著降低導(dǎo)軌磨損的速度，先進(jìn)的涂層技術(shù)[3]、表面改性[4]和微織構(gòu)方法[5-6]等新型技術(shù)為保持導(dǎo)軌表面的耐磨性和低摩擦性提供了增強(qiáng)措施，有效延長(zhǎng)了導(dǎo)軌的使用壽命。近年來(lái)，微納米表面織構(gòu)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，其中電火花加工[7]、電解加工[8]和電子束加工[9]等方法被廣泛應(yīng)用。激光加工技術(shù)[10]以其高質(zhì)量光束、高效低成本、穩(wěn)定安全、精密可靠等優(yōu)點(diǎn)成為表面微織構(gòu)處理的有效方法，其加工出的微小凹凸結(jié)構(gòu)可減少接觸面積，降低摩擦系數(shù)，提高潤(rùn)濕性能，廣泛應(yīng)用于軸承[11-13]、刀具[14-15]和活塞[16]等相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)械零件中。

在導(dǎo)軌表面微織構(gòu)的研究中，Nakano M 等[17]在潤(rùn)滑條件下進(jìn)行銷-盤法摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)平行溝槽、網(wǎng)狀溝槽以及圓形凹坑等微織構(gòu)的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，圓形凹坑較其他微織構(gòu)能夠有效地減小表面摩擦。Pang Z B 等[18]采用激光器在鑄鐵導(dǎo)軌上制備了微織構(gòu)進(jìn)行摩擦磨損研究，該研究結(jié)果表明如采用特定形式的仿生耦合單元可以顯著提高鑄鐵導(dǎo)軌的耐磨性能。王浩等[19]利用激光加工技術(shù)，在GCr15 軸承鋼上制備出了4 種織構(gòu)：凸起微織構(gòu)、帶有熔覆堆疊的圓坑微織構(gòu)、圓坑微織構(gòu)以及溝槽微織構(gòu)，并以臨界速度為評(píng)估指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)臨界速度越小微織構(gòu)對(duì)爬行抑制作用越好，導(dǎo)軌表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能。Zhang H F 等[20]在灰鑄鐵導(dǎo)軌表面制備出了網(wǎng)格、凹坑以及二者復(fù)合的微織構(gòu)，并在乏油條件下展開(kāi)了摩擦學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)磨損形貌和導(dǎo)軌表面的應(yīng)力展開(kāi)了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種微織構(gòu)耦合作用時(shí)，能夠更好地改善灰鑄鐵導(dǎo)軌的摩擦學(xué)性能。

針對(duì)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸面間的摩擦磨損問(wèn)題，以45 #鋼-40 鉻V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌為研究對(duì)象，在導(dǎo)軌上、下接觸面分別制備直線和橢圓微織構(gòu)，在乏油條件下通過(guò)自制導(dǎo)軌往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展面面接觸線性往復(fù)摩擦試驗(yàn)，研究微織構(gòu)對(duì)45#鋼-40 鉻V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦性能的影響，并從不同微織構(gòu)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)和對(duì)改善V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面接觸應(yīng)力分布情況等方面分析試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌試樣選擇常見(jiàn)的鋼質(zhì)材料，上導(dǎo)軌為45 #鋼，尺寸100 mm×25 mm×25 mm，表面淬硬至40±5 HRC；下導(dǎo)軌為40 鉻，尺寸30 mm×25 mm×25 mm，表面淬硬至45±5 HRC。導(dǎo)軌材料性能見(jiàn)表1。在導(dǎo)軌織構(gòu)化前，依次使用400目、800目、1 200 目的砂紙逐級(jí)打磨使表面無(wú)明顯劃痕和缺陷。然后將其浸泡在重油清潔劑LJ-926 溶液中進(jìn)行超聲波清洗15 min，去除殘留的磨粒，隨后重復(fù)干燥操作后將導(dǎo)軌試件放入防潮箱中以備使用?？棙?gòu)化前的Ra 參數(shù)值為0.35±0.05 μm，V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副實(shí)物圖

表1 導(dǎo)軌材料化學(xué)性質(zhì)

1.2 微織構(gòu)表面的設(shè)計(jì)與制備

微織構(gòu)形狀設(shè)計(jì)為直線和橢圓，如圖2 所示，利用激光波長(zhǎng)為1 064 nm 的Nd : YAG 激光器設(shè)備，選取相同的激光加工參數(shù)對(duì)45#鋼和40 鉻V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面進(jìn)行加工，具體加工參數(shù)：掃描功率為4 W，掃描速度為2 mm/s，掃描頻率為290 kHz，掃描間距為3 μm，掃描次數(shù)1 次。制備過(guò)程如圖3所示。

圖2 微織構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3 微織構(gòu)的制備

圖4 所示為不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的命名。無(wú)織構(gòu)、直線和橢圓微織構(gòu)分別命名為NS、ZS 和TS，無(wú)織構(gòu)、僅在上導(dǎo)軌加工微織構(gòu)、僅在下導(dǎo)軌加工微織構(gòu)和上下導(dǎo)軌均織構(gòu)化的V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副分別命名為W、U、D、UD，如U-ZS 為僅在上導(dǎo)軌接觸表面加工直線微織構(gòu)的V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副。

圖4 不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的命名

1.3 摩擦試驗(yàn)

圖5 所示為自行搭建的導(dǎo)軌往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)。在室溫22 ℃，相對(duì)濕度40% 的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前向?qū)к壉砻嫣峁?.1 mL 的46 號(hào)抗磨液壓油（L-G 46），其參數(shù)見(jiàn)表2，以保證油液進(jìn)入微織構(gòu)并均勻分布，向上導(dǎo)軌提供相對(duì)低的壓力進(jìn)行預(yù)滑動(dòng)5 min，隨后將多余的油液擦拭干凈確保為混合潤(rùn)滑條件。滑動(dòng)速度設(shè)置為5 mm/s 法向載荷設(shè)置為1 200 N，往復(fù)行程長(zhǎng)度為60 mm。試驗(yàn)對(duì)比研究了不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌在混合潤(rùn)滑狀態(tài)下的相同載荷和滑動(dòng)速度的摩擦性能，不同情況進(jìn)行5 次試驗(yàn)，取后3 次測(cè)試結(jié)果的平均數(shù)作為有效結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 導(dǎo)軌往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)局部實(shí)物圖

表2 潤(rùn)滑油參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面形貌

激光加工后V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面的微織構(gòu)周圍會(huì)出現(xiàn)毛邊和熔覆堆積[21]，底部還會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。為解決織構(gòu)周圍毛邊和熔覆層的堆積，使用1 200目的砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行再次打磨，然后將導(dǎo)軌試件浸入濃度為95% 的酒精溶液中超聲清洗15 min后進(jìn)行烘干處理。通過(guò)共聚焦顯微鏡對(duì)織構(gòu)化導(dǎo)軌副的表面形貌進(jìn)行測(cè)試，如圖6 和圖7 所示。V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面的ZS 的寬度為70±5 μm，深度為25±5 μm，截面呈現(xiàn)三角形形狀，ZS 間距為500±5 μm，平均面密度約為20.51%，TS 的長(zhǎng)半軸為400±20 μm，短半軸為280±20 μm，深度為15±5 μm，截面呈現(xiàn)梯形形狀，TS 間距為500±5 μm，平均面密度約為40.96%。

圖6 共聚焦顯微鏡下織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌表面局部形貌

圖7 共聚焦顯微鏡下單個(gè)微織構(gòu)形貌尺寸

2.2 微織構(gòu)的流體動(dòng)壓效應(yīng)的仿真

假設(shè)微織構(gòu)處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，根據(jù)已制備出的微織構(gòu)尺寸和截面形狀建立模型進(jìn)行仿真，采用簡(jiǎn)化后的Navier-Stokes 方程，獲得流體在微織構(gòu)區(qū)域的壓力大小。根據(jù)實(shí)際仿真需求對(duì)微織構(gòu)區(qū)域的流體進(jìn)行以下假設(shè)：潤(rùn)滑劑的性能不隨外界環(huán)境改變且液體流動(dòng)狀態(tài)為層流；上導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)潤(rùn)滑劑運(yùn)動(dòng)，兩者速度相同且無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；在膜厚方向上，壓力梯度為0 且不考慮體積力的變化。根據(jù)以上假設(shè)建立微織構(gòu)潤(rùn)滑區(qū)域潤(rùn)滑劑的流場(chǎng)模型，微織構(gòu)周期且規(guī)則地排列在導(dǎo)軌表面即選取連續(xù)的兩個(gè)微織構(gòu)區(qū)域進(jìn)行模擬仿真。

圖8 所示為ZS 和TS 的仿真模型，其中潤(rùn)滑劑厚度為H，微織構(gòu)深度為h，ZS 寬度用l表示，TS分別用l1 和l2 表示，微織構(gòu)間距用L表示，將其導(dǎo)入Fluent 中采用Mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，前處理中要合理控制網(wǎng)格的疏密程度來(lái)保證計(jì)算效率和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于需要詳細(xì)分析微織構(gòu)潤(rùn)滑區(qū)域的流體對(duì)模型上壁面的流體動(dòng)壓力，在靠近模型上壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。設(shè)定流體模型為k-ε 標(biāo)準(zhǔn)模型；上、下壁面均使用無(wú)滑移邊界；上壁面設(shè)置為沿x軸正向的勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為v且方向與溝槽方向垂直，下壁面固定不動(dòng)并設(shè)置有微結(jié)構(gòu)，左、右壁面分別為流場(chǎng)的入口和出口且均設(shè)置為周期性邊界，用來(lái)模擬流體流經(jīng)大小相等、規(guī)則排列的微織構(gòu)區(qū)域。選擇Half-Sommerfeld 邊界條件進(jìn)行計(jì)算，將潤(rùn)滑劑厚度設(shè)置為25 μm，運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為5 mm/s，微織構(gòu)尺寸與上述實(shí)際尺寸保持一致，采用的流體材料為潤(rùn)滑油其動(dòng)力黏度η=0.11 Pa·s，密度為0.84 g/cm3，最后檢查設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖8 仿真模型

如圖9 所示，具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩摩擦副表面存在收斂間隙能夠形成壓力油膜，從而產(chǎn)生流體動(dòng)壓承載力[22-23]。當(dāng)潤(rùn)滑劑進(jìn)入摩擦副表面的微織構(gòu)區(qū)域時(shí)會(huì)改變潤(rùn)滑劑的流動(dòng)方式，在收斂間隙處會(huì)產(chǎn)生正向的潤(rùn)滑膜壓力，在發(fā)散間隙處壓力逐漸降低出現(xiàn)負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓達(dá)到某一臨界值時(shí)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象[24]，正是潤(rùn)滑劑在接觸區(qū)域內(nèi)形成的不均勻壓力分布的情況，可以降低導(dǎo)軌副接觸面的有效接觸應(yīng)力提高表面承載力從而降低磨損減小摩擦。

圖9 流體動(dòng)壓效應(yīng)原理圖

圖10 所示為ZS 和TS 的流體壓力分布云圖，觀察發(fā)現(xiàn)，兩種微織構(gòu)流場(chǎng)壓力分布相似，都是在進(jìn)入微織構(gòu)區(qū)域處為負(fù)壓，離開(kāi)時(shí)為正壓，使得流體產(chǎn)生靜增壓從而增大導(dǎo)軌副間承載能力，證明ZS 和TS 都可以產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)。圖11 所示為上壁面的壓力變化曲線，壓力大小與通道的高度呈負(fù)相關(guān)， TS 產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)的能力要遠(yuǎn)大于ZS。

圖10 不同微織構(gòu)的流體壓力分布

圖11 壓力變化曲線

2.3 微織構(gòu)對(duì)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸應(yīng)力的仿真

接觸應(yīng)力是描述V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸表面間相互作用力的重要參數(shù)，它能夠反映接觸表面的壓力和摩擦力的大小，因此借助ANSYS Workbench 仿真軟件計(jì)算導(dǎo)軌副表面的應(yīng)力分布來(lái)對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。圖12 所示為V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副等效應(yīng)力的仿真模型。在上、下導(dǎo)軌副表面設(shè)置微織構(gòu)，ZS 的寬度設(shè)置為70 μm，TS 長(zhǎng)半軸設(shè)置為400 μm，短半軸設(shè)置為200 μm，深度均設(shè)置為20 μm，微織構(gòu)間距均為500 μm；導(dǎo)軌副材料都設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，密度為7.85 g/cm3，楊氏模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3；將上導(dǎo)軌接觸表面和下導(dǎo)軌接觸表面分別設(shè)置為接觸面和目標(biāo)面，界面處理設(shè)置為接觸調(diào)整，接觸方式為摩擦接觸且摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2；對(duì)具有微織構(gòu)的表面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理以提高計(jì)算精度；向上導(dǎo)軌施加2 MPa 的法向壓力并對(duì)下導(dǎo)軌設(shè)置固定約束，最后進(jìn)行有限元模型的求解。

圖12 V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副等效應(yīng)力仿真模型

圖13 和表3 分別為不同導(dǎo)軌副的等效應(yīng)力云圖和接觸面的接觸應(yīng)力平均值。U-TS 上導(dǎo)軌接觸面的接觸應(yīng)力平均值較W-NS 上導(dǎo)軌表面下降16.15%，D-TS 下導(dǎo)軌接觸面的接觸應(yīng)力平均值較W-NS 下降了94.17%；UD-TS 導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力平均值較W-NS 均有所下降，UD-ZS 導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力平均值較W-NS 均有所增大。在低速重載的條件下，織構(gòu)化表面的接觸應(yīng)力平均值的減小能夠改善應(yīng)力分布情況，起到延長(zhǎng)導(dǎo)軌壽命并對(duì)最終的潤(rùn)滑效果起較大的作用。

圖13 不同V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的等效應(yīng)力

表3 V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面接觸應(yīng)力的平均值

2.4 微織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖14 為不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)曲線和平均摩擦系數(shù)。試驗(yàn)0～10 min 為V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的磨合階段，此期間導(dǎo)軌表面的潤(rùn)滑效果較差、摩擦系數(shù)較高。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，導(dǎo)軌副表面經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度摩擦后變得較光滑、機(jī)械接觸有所降低，使得兩表面能更好配合后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。試驗(yàn)20～65 min 為穩(wěn)定磨損階段，不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副的表面摩擦系數(shù)均小于W-NS，其中下導(dǎo)軌接觸面織構(gòu)化導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)整體較低且DTS 減摩效果最好。上、下接觸面均織構(gòu)化的導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較高水平，在30～65 min UD-TS呈現(xiàn)出較為優(yōu)異的減摩效果。圖14d 為穩(wěn)定磨損階段的不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副平均摩擦系數(shù)，與W-NS 相比D-TS 呈現(xiàn)出最好的減摩擦效果，平均摩擦系數(shù)為0.196，減小了31.7% 左右；UD-TS也呈現(xiàn)出較好效果，平均摩擦系數(shù)為0.222，減小了22.6%左右。

圖14 V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)

2.5 織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面磨損形貌

圖15 所示為法向載荷為1 200 N （等效壓強(qiáng)2 MPa） ，滑動(dòng)速度為5 mm/s，相互摩擦65 min 后的部分V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副磨損表面的SEM 圖。從圖中可以看出，不同V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副在滑動(dòng)方向上均形成明顯的犁溝與磨痕，其中W-NS 上導(dǎo)軌接觸面磨損嚴(yán)重，清晰可見(jiàn)大量的犁溝與刮擦；U-ZS 上導(dǎo)軌接觸面磨損較輕，微織構(gòu)初始紋理的凸峰基本被磨平，微織構(gòu)內(nèi)部充滿磨屑或粘結(jié)物； D-TS 下導(dǎo)軌接觸面磨損較小，微織構(gòu)形貌清晰完整，這表明當(dāng)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副下接觸面加工有TS 時(shí)，可以改善導(dǎo)軌副間的磨粒磨損[25-26]；UD-ZS 下導(dǎo)軌接觸面形貌被嚴(yán)重破壞并可清晰觀察到大的犁溝和磨痕，局部微織構(gòu)已經(jīng)消失。綜上，進(jìn)一步證明TS 可以有效減少導(dǎo)軌副接觸面的磨損。

圖15 部分V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副磨損表面的SEM 圖

2.6 微織構(gòu)對(duì)降低V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)的結(jié)果分析

在磨合階段的試件表面粗糙度較高，微織構(gòu)與試件的摩擦效果相關(guān)性較低，在穩(wěn)定磨損階的DTS 的TS 體積大、覆蓋范圍廣，激光作用產(chǎn)生的熔覆層形成的突起部分成為前端摩擦面并承擔(dān)大部分載荷，微織構(gòu)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的潤(rùn)滑油即使在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中也不會(huì)被刮走，具有較強(qiáng)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的能力。在實(shí)際工況中，當(dāng)摩擦表面潤(rùn)滑油耗盡時(shí)，微織構(gòu)內(nèi)部的潤(rùn)滑油能夠及時(shí)補(bǔ)充避免發(fā)生干摩擦的發(fā)生，從而改善潤(rùn)滑條件。根據(jù)仿真結(jié)果和摩擦系數(shù)顯示，TS 產(chǎn)生了更好的流體動(dòng)壓效應(yīng)，D-TS 下表面的接觸應(yīng)力平均值大幅度降低，平均摩擦系數(shù)最小。

D-ZS 平均摩擦系數(shù)相比D-TS 有所增加，ZS織構(gòu)化接觸表面未能形成穩(wěn)定的承載潤(rùn)滑油膜使得流體動(dòng)壓效應(yīng)并不明顯，ZS 能提供較小的流體動(dòng)壓效應(yīng)并降低織構(gòu)化表面的接觸應(yīng)力平均值，改善導(dǎo)軌接觸表面應(yīng)力分布情況，綜合ZS 體積較小，其儲(chǔ)存潤(rùn)滑油和磨粒能力有限導(dǎo)致減摩效果一般。

U-ZS 和U-TS 平均摩擦系數(shù)較大，ZS 和TS 雖能夠提供一定的流體動(dòng)壓效應(yīng)并改善接觸表面的應(yīng)力分布，但上導(dǎo)軌的織構(gòu)化面積僅為D-ZS 和D-TS下導(dǎo)軌的1/3，微織構(gòu)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的能力較弱， 摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較高水平。

如圖16 所示，當(dāng)兩個(gè)微織構(gòu)相互作用時(shí)，微織構(gòu)邊緣會(huì)發(fā)生變形導(dǎo)致固體材料發(fā)生咬合接觸，織構(gòu)邊緣的凸起區(qū)和熱影響區(qū)可能會(huì)加重負(fù)面影響，導(dǎo)致摩擦試驗(yàn)前期的UD-TS 導(dǎo)軌副摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較高水平。隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，高強(qiáng)度變形或被消除的同時(shí)微織構(gòu)的相互作用也會(huì)減弱，因此導(dǎo)軌副表面配合得更好呈現(xiàn)出較好的減摩抗磨效果。

圖16 相對(duì)滑動(dòng)時(shí)雙側(cè)微織構(gòu)咬合接觸示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

利用激光加工方法，在V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌上、下接觸面分別制備直線和橢圓微織構(gòu)，在自制導(dǎo)軌往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行直線往復(fù)摩擦試驗(yàn)，并采用有限元仿真方法，驗(yàn)證了直線和橢圓微織構(gòu)能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，得到微織構(gòu)對(duì)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表面接觸應(yīng)力的影響，結(jié)合上述內(nèi)容得出結(jié)論：

（1）從理論上分析了流體動(dòng)壓效應(yīng)，基于NS 方程設(shè)計(jì)并建立了微織構(gòu)潤(rùn)滑區(qū)域的仿真模型，發(fā)現(xiàn)流體在進(jìn)入微織構(gòu)區(qū)域處因存在楔形間隙產(chǎn)生負(fù)壓，離開(kāi)微織構(gòu)處因間隙的減小產(chǎn)生正壓，使得流體產(chǎn)生靜增壓產(chǎn)生了流體動(dòng)壓效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)截面為三角形的直線微織構(gòu)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)不明顯，截面為梯形的橢圓微織構(gòu)具有更好的流體動(dòng)壓效應(yīng)。

（2） 利用 ANSYS Workbench 仿真軟件對(duì)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)單側(cè)織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力平均值相比無(wú)織構(gòu)導(dǎo)軌均有所下降，這能夠有效改善導(dǎo)軌副表面的應(yīng)力分布情況、延長(zhǎng)導(dǎo)軌壽命并對(duì)最終的潤(rùn)滑效果起著較大的作用。

（3） 在穩(wěn)定磨損期，不同織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)均有所減小，與無(wú)織構(gòu)V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，單側(cè)織構(gòu)化V 型滑動(dòng)導(dǎo)軌副表現(xiàn)出明顯的減磨效果，其中僅在下導(dǎo)軌接觸面制備橢圓微織構(gòu)的導(dǎo)軌副減摩抗磨效果最好，平均摩擦系數(shù)減小了31.7%。其原因是橢圓微織構(gòu)能更好地儲(chǔ)存、供應(yīng)潤(rùn)滑油并儲(chǔ)存摩擦過(guò)程產(chǎn)生的磨屑，產(chǎn)生較大的流體動(dòng)壓效應(yīng)并很大程度上改善導(dǎo)軌副表面應(yīng)力分布情況。