于海武 袁思?xì)g 孫造 王曉雷

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016)

減小機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦磨損對(duì)提高其承載能力和服役壽命至關(guān)重要.近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們?cè)跍p摩及耐磨材料、表面鍍層、潤(rùn)滑油和減摩添加劑方面開(kāi)展了大量研究，并取得了巨大進(jìn)展.但相對(duì)而言，摩擦副表面的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)［1］.理論研究和大量的工程實(shí)踐表明，摩擦副表面并非越光滑越好，具有一定的表面粗糙度或紋理反而有利于潤(rùn)滑油膜的形成，從而降低摩擦磨損.

近年來(lái)，表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)領(lǐng)域以其優(yōu)異的能夠減少摩擦、減小磨損和提高承載力等特性，受到了國(guó)內(nèi)外摩擦學(xué)工作者的廣泛關(guān)注［1-3］.目前，人們對(duì)表面織構(gòu)如何提高摩擦學(xué)性能的機(jī)理的認(rèn)識(shí)為:在富油潤(rùn)滑條件或混合潤(rùn)滑條件下，微坑或微溝槽可以充當(dāng)微小流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，從而產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力［4］;在貧油潤(rùn)滑條件下，微坑或微溝槽作為微儲(chǔ)油池向摩擦副表面提供潤(rùn)滑油［5］;同時(shí)，微坑或微溝槽可以容納磨粒，從而降低由于磨粒產(chǎn)生的高磨損［6］.

表面織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是表面織構(gòu)技術(shù)的重要組成部分.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究［1-3，7-9］.研究結(jié)果表明，選擇合適的表面織構(gòu)幾何參數(shù)(深度、直徑、面積率)可以使織構(gòu)化表面達(dá)到最優(yōu)的摩擦學(xué)性能.然而，這些研究還主要集中在單一的圓形微凹坑表面織構(gòu)上，對(duì)不同形狀的微凹坑表面織構(gòu)的研究還相對(duì)少見(jiàn).文獻(xiàn)［10］中利用數(shù)值方法研究了具有不同形狀的微凹坑表面織構(gòu)對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同的微凹坑形狀對(duì)織構(gòu)化表面的摩擦學(xué)性能具有不同的影響，在其所研究的幾種微凹坑形狀中，橢圓形微凹坑體現(xiàn)了最優(yōu)的潤(rùn)滑性能.文中將利用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分別選取微凹坑形狀為圓形、正方形和橢圓形的3種表面織構(gòu)進(jìn)行研究，以期獲得微凹坑形狀對(duì)織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)的研究工作及工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與試件制備

試驗(yàn)在自制往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.該試驗(yàn)機(jī)利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng).在試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦力由傳感器測(cè)得，并由多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集.

試件接觸條件如圖1(b)所示.上試件摩擦面在載荷作用下與下試件面接觸.上試件由夾具夾持固定，夾具限制了上試件在Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，并使得上試件與下試件的摩擦面能自動(dòng)配合.下試件進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為v，往復(fù)行程為80mm.上下試件均采用硼銅合金鑄鐵材料，為保證材料的質(zhì)量，利用線切割方法取自真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，材料硬度為HB240～290.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

為研究微凹坑形狀對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，分別在上試件摩擦面上加工出由圓形、正方形和橢圓形微凹坑組成的點(diǎn)陣，加工流程為:(1)清潔試件表面;(2)利用甩膠機(jī)在試件表面涂覆光刻膠(負(fù)膠);(3)利用紫外光對(duì)涂覆光刻膠的表面進(jìn)行曝光;(4)利用顯影液去除未被曝光的光刻膠;(5)利用電解法去除材料;(6)去除光刻膠，得到具有織構(gòu)化表面的試件.通過(guò)上述方法可獲得具有不同微凹坑形狀的織構(gòu)化表面試件.沒(méi)有進(jìn)行加工的試件為無(wú)織構(gòu)試件，作為研究表面織構(gòu)潤(rùn)滑性能的參照，其摩擦面的表面粗糙度Ra為0.4～0.5 μm.其它織構(gòu)化試件均采用與無(wú)織構(gòu)試件一樣的母試件制作.圖2-4所示為試件加工后的表面微凹坑陣列形貌及對(duì)應(yīng)的單個(gè)微凹坑的剖面.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 圓形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.2 Topography of circular micro-dimple array and section profile of single dimple

圖3 正方形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.3 Topography of square micro-dimple array and section profile of single dimple

如表1所示，在固定單個(gè)微凹坑面積及深度的條件下，每種形狀的微凹坑分別安排了3或4種不同的表面織構(gòu)密度.試驗(yàn)分別在200和400 N載荷條件下進(jìn)行，每種形狀微凹坑在同一面積率下對(duì)應(yīng)6 種轉(zhuǎn)速，分別為50、100、200、300、400 和500r/min，對(duì)應(yīng)的下試件往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度方向垂直于橢圓形微凹坑的長(zhǎng)軸或垂直于正方形微凹坑的兩個(gè)對(duì)邊.

圖4 橢圓形微凹坑陣列及單坑剖面輪廓圖Fig.4 Topography of elliptic micro-dimple array and section profile of single dimple

表1 表面織構(gòu)特征Table 1 Features of surface texture

試驗(yàn)均在富油條件下進(jìn)行，所選潤(rùn)滑劑為長(zhǎng)城牌柴油機(jī)油，其牌號(hào)為CD15W-40.實(shí)驗(yàn)步驟為:(1)為保證富油條件，在上下試件間滴入充分的潤(rùn)滑油;(2)利用砝碼在上試件上施加試驗(yàn)載荷;(3)在相應(yīng)速度下跑合10min后每隔10ms記錄一次摩擦系數(shù)值，取整個(gè)記錄過(guò)程平均值作為該速度所對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù);(4)每種速度下重復(fù)試驗(yàn)兩次，結(jié)果取平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的大小和方向是隨時(shí)間變化的，所以在試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的摩擦系數(shù)是呈周期性規(guī)律變化的.圖5所示為面積率 r為10.4%的圓形微凹坑織構(gòu)化表面在100r/min時(shí)，一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)摩擦系數(shù)的變化曲線.為簡(jiǎn)化研究，在后續(xù)的試驗(yàn)中所取的摩擦系數(shù)為數(shù)據(jù)記錄時(shí)間段內(nèi)的平均摩擦系數(shù).其計(jì)算方法為:首先取記錄時(shí)間內(nèi)所有摩擦系數(shù)值的絕對(duì)值，然后對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行平均化處理，它反映了一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)摩擦系數(shù)的平均值.

圖5 一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的摩擦系數(shù)變化Fig.5 Change of friction coefficient in a reciprocating motion cycle

圖6所示為具有不同面積率r的圓形微凹坑織構(gòu)化表面在兩種載荷條件下的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖6中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，所有織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)均有所下降.無(wú)論有無(wú)織構(gòu)，摩擦系數(shù)隨速度的下降率幾乎都相同，顯示出對(duì)于所有表面，速度的影響程度沒(méi)有明顯區(qū)別.

圖6 圓形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦特性曲線Fig.6 Friction characteristic curves of surfaces textured by circular micro-dimples

由圖6還可以看出，在載荷為200 N時(shí)，與無(wú)織構(gòu)表面相比，微凹坑面積率為10.4%的表面在每種速度條件下的摩擦系數(shù)都相對(duì)較小，表現(xiàn)出了一定的減摩效果.在速度為500 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)降低達(dá)11%.然而，當(dāng)載荷增大到400 N時(shí)，這種減摩效果明顯減弱，所有面積率下的織構(gòu)化表面的減摩及增摩效果都不明顯.

圖7所示為具有不同面積率r的正方形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖7中可以看出，在兩種載荷條件下，與無(wú)織構(gòu)表面相比，微凹坑面積率為10.4%和15.5%的表面都表現(xiàn)出了明顯的減摩效果，而以微凹坑面積率為15.5%的表面的減摩效果最佳，在載荷200 N、轉(zhuǎn)速400 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)降低可達(dá)14.8%.而當(dāng)載荷為400 N時(shí)，兩種面積率的織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)降低程度都有所減弱.微凹坑面積率為22.9%的表面，無(wú)論哪種載荷條件，在所有速度條件下都具有一定的增加摩擦的效果.

圖7 正方形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦特性曲線Fig.7 Friction characteristic curves of surfaces textured by square micro-dimples

圖8所示為具有不同面積率r的橢圓形微凹坑織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線.在載荷為200N時(shí)，圖8中顯示的3種微凹坑面積率下的表面與無(wú)織構(gòu)表面相比都具有一定的減摩效果，而微凹坑面積率為10.4%的表面的減摩效果表現(xiàn)最為明顯，在轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，摩擦系數(shù)減小達(dá)26.3%.隨著載荷增大到400 N，這種減摩效果仍然存在，但在程度上有所減弱.

圖8 橢圓形微凹坑織構(gòu)化表面摩擦特性曲線Fig.8 Friction characteristic curves of surfaces textured by elliptic micro-dimples

綜合圖6-8可以得出:在微凹坑面積及深度不變的情況下，無(wú)論哪種形狀的微凹坑表面織構(gòu)，都存在一個(gè)最優(yōu)的面積率使摩擦副的摩擦面達(dá)到最佳的減摩效果，且在兩種載荷條件下，這個(gè)最優(yōu)的面積率保持不變.

為進(jìn)一步探討微凹坑形狀對(duì)表面摩擦學(xué)性能的影響，選擇上述3種形狀下減摩效果最佳的面積率，將3種形狀凹坑的最優(yōu)減摩效果做對(duì)比.如圖9所示，縱坐標(biāo)所示減摩率為相應(yīng)速度下無(wú)織構(gòu)表面摩擦系數(shù)與織構(gòu)化表面摩擦系數(shù)的差值與無(wú)織構(gòu)表面摩擦系數(shù)的比值.從圖9中可以看出，在兩種載荷條件下，橢圓形微凹坑表面織構(gòu)都表現(xiàn)出了最優(yōu)的減摩效果，其次為正方形微凹坑表面織構(gòu)，再次是圓形微凹坑表面織構(gòu).產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于在單凹坑面積相同的條件下，橢圓形微凹坑具有最寬的收斂楔，使得產(chǎn)生油膜壓力更加容易，從而減少摩擦面間的直接接觸.這說(shuō)明，微凹坑形狀對(duì)表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能具有一定的影響，選擇合適的微凹坑形狀可以進(jìn)一步優(yōu)化表面的摩擦學(xué)性能.然而，隨著載荷的增大，每種形狀的微凹坑表面織構(gòu)的減摩效果都有所減弱，顯示出在高載荷條件下利用表面織構(gòu)降低摩擦的難度要高于低載荷條件.

圖9 3種形狀微凹坑的最優(yōu)減摩效果的比較Fig.9 Comparison of optimum friction reduction by micro-dimples with three different shapes

3 結(jié)論

文中分別研究了圓形、正方形和橢圓形微凹坑對(duì)表面織構(gòu)潤(rùn)滑性能的影響，得到如下結(jié)論:

(1)在微凹坑面積及深度不變的情況下，每種形狀的微凹坑都能在某一面積率下使得表面摩擦系數(shù)最低，在本研究的范圍內(nèi)圓形微凹坑的最佳面積率為10.4%，正方形微凹坑的為15.5%，橢圓形微凹坑的為10.4%;

(2)不同的微凹坑形狀對(duì)表面的摩擦學(xué)性能具有很大的影響，在所研究的3種微凹坑形狀中，橢圓形微凹坑表現(xiàn)出了最優(yōu)的減摩效果，其次是正方形微凹坑，再次是圓形微凹坑.

(3)隨著載荷的增大，3種形狀的微凹坑的減摩效果都有所減弱，顯示出在高載荷條件下利用表面織構(gòu)降低摩擦的難度要高于低載荷條件.

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