陳　平，項(xiàng)　欣，李俊玲，邵天敏，劉光磊

(1 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2 清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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溝槽型織構(gòu)摩擦學(xué)性能的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

陳平1，項(xiàng)欣1，李俊玲1，邵天敏2，劉光磊1

(1 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2 清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

為研究溝槽型織構(gòu)角度及排布形式對(duì)接觸表面摩擦學(xué)性能的影響，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)不同角度及排布形式的溝槽型織構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，利用YLP-20型激光加工系統(tǒng)在不銹鋼圓盤(pán)表面加工溝槽型織構(gòu)，并利用UMT-2摩擦磨損儀在旋轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：溝槽型織構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，加工有織構(gòu)的摩擦副其摩擦學(xué)性能得到改善，且不同角度及排布形式的溝槽型織構(gòu)對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能影響不同，即當(dāng)摩擦速率小于300r/min 時(shí)0°平行織構(gòu)的摩擦因數(shù)較?。荒Σ了俾蚀笥?00r/min時(shí)90°平行織構(gòu)有更好的減摩能力，故應(yīng)用中要根據(jù)不同工況條件選擇不同排布形式的溝槽型織構(gòu)。

溝槽型織構(gòu)；排布形式；數(shù)值模擬；油潤(rùn)滑；摩擦因數(shù)

減少機(jī)械零件的摩擦磨損，提高材料表面的摩擦學(xué)性能，一直是摩擦學(xué)工作者的重點(diǎn)研究課題[1-3]。合理的表面織構(gòu)化技術(shù)以其降低摩擦、減少磨損、儲(chǔ)油存屑等特性，成為改善接觸表面摩擦學(xué)性能的有效手段[4-7]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凹坑型表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能研究占大多數(shù)[8-11]，對(duì)溝槽型表面織構(gòu)的研究相對(duì)較少，且近年來(lái)的研究多集中于溝槽尺寸、橫縱向分布及噪聲等方面。陳平等[12]的研究表明溝槽型織構(gòu)的存在導(dǎo)致了摩擦因數(shù)的波動(dòng)。Suh等[13]研究發(fā)現(xiàn)，減少溝槽面積率、增加滑動(dòng)長(zhǎng)度可減少磨損。Yuan等[14]的研究表明垂直于滑動(dòng)方向的溝槽型織構(gòu)表面在低接觸壓力下具有較好的減磨能力。Shi等[15]研究發(fā)現(xiàn)，增加溝槽數(shù)量、減少溝槽幾何尺寸可以提高油膜承載能力。ALI等[16]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究證明，長(zhǎng)度小于赫茲接觸直徑的橫向淺溝槽有利于增加油膜厚度。Biboulet等[17]通過(guò)模擬分析，證實(shí)交叉織構(gòu)的存在有利于減小阻力并提高活塞環(huán)的氣密性。尹必峰等[18]通過(guò)在缸套表面加工溝槽型織構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，該織構(gòu)可以有效地改善缸套-活塞環(huán)間的潤(rùn)滑狀態(tài)。王正國(guó)等[19]的研究也表明溝槽尺寸及分布對(duì)摩擦噪聲有重要影響?？紤]到對(duì)多角度(運(yùn)動(dòng)方向與溝槽的夾角)分布及交叉排布的溝槽型織構(gòu)改善接觸表面摩擦學(xué)性能的研究較少，研究手段多以實(shí)驗(yàn)為主，本工作針對(duì)不同角度及排布形式的溝槽型織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響開(kāi)展數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，利用UMT-2摩擦磨損儀進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果為溝槽型表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能的進(jìn)一步探索和研究提供參考依據(jù)。

1　溝槽型表面織構(gòu)的模擬

考慮到溝槽型織構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方向所成角度不同可能對(duì)織構(gòu)的減摩效果不同，作者通過(guò)有限元軟件模擬了不同角度的平行溝槽型織構(gòu)。圖1為溝槽型織構(gòu)數(shù)值模擬單元，其中與潤(rùn)滑液流動(dòng)方向平行的平面設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界，與潤(rùn)滑液流動(dòng)方向垂直的平面設(shè)定為周期邊界，上下面設(shè)定為壁面。圖1中各參數(shù)分別為：油膜厚度h0，溝槽深度h，織構(gòu)單元的邊長(zhǎng)L0，溝槽寬度W。模擬計(jì)算時(shí)，選取潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度0.1Pa·s，摩擦副上下表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率1m/s，根據(jù)Half-Sommerfeld邊界條件，通過(guò)比較正壓區(qū)的平均壓力大小來(lái)比較織構(gòu)的承載能力，衡量流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)下溝槽型織構(gòu)改善接觸表面摩擦學(xué)性能的程度。

圖1　溝槽型織構(gòu)單元模型Fig.1　The cell model of grooved texture

1.1不同角度下平行織構(gòu)的承載力

圖2給出4種角度(運(yùn)動(dòng)方向與溝槽的夾角)的平行溝槽幾何模型和壓力分布圖。從圖2可以看出，不同角度的溝槽型織構(gòu)對(duì)摩擦副表面壓力的影響不同。當(dāng)角度為0°和90°時(shí)，正負(fù)壓區(qū)的壓力對(duì)稱(chēng)分布，當(dāng)角度為30°和60°時(shí)，其壓力分布沿溝槽方向呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榭棙?gòu)表面的相對(duì)速率既有垂直于溝槽方向分量，也有平行于溝槽方向分量。

圖2　不同角度平行織構(gòu)壓力分布圖(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°Fig.2　The pressure distribution of parallel texture with different angles(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°

圖3　不同角度平行織構(gòu)正壓區(qū)平均壓強(qiáng)Fig.3　The average pressure of parallel texture with different angles in the positive pressure areas

圖3給出了不同角度時(shí)，正壓區(qū)的平均壓強(qiáng)(即壓力值)大小，可以看出當(dāng)角度為0°，即溝槽方向與運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí)，溝槽型織構(gòu)幾乎不能產(chǎn)生有效正壓力。隨著偏移角度增大，正壓力逐漸增大。當(dāng)角度為90°，即織構(gòu)方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，有效正壓力最大，達(dá)到了16500Pa左右，可提供最大油膜承載力。當(dāng)溝槽方向與運(yùn)動(dòng)方向所成角度為0°～90°時(shí)，織構(gòu)提供的承載力介于最小與最大值之間。

1.2不同角度下交叉織構(gòu)的承載力

針對(duì)圖2及圖3所示的模擬結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[17],將0°和90°平行溝槽型織構(gòu)進(jìn)行組合、30°和60°平行溝槽型織構(gòu)進(jìn)行組合，建立了如表2所示的交叉織構(gòu)幾何模型，并在條件不變的情況下對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別得到了0°(垂直)和30°交叉溝槽的壓力分布圖(圖4)。從圖4中可以看出，當(dāng)交叉溝槽角度為0°時(shí)，正負(fù)壓區(qū)呈對(duì)稱(chēng)分布，但是在溝槽處，壓力變化梯度很??；當(dāng)角度為30°時(shí)，由于其速率有平行于和垂直于溝槽方向分量，其壓力分布形式相當(dāng)于表1中30°和60°平行溝槽型織構(gòu)壓力分布圖的組合。

圖4　不同角度交叉織構(gòu)壓力分布圖(a)0°；(b)30°Fig.4　The pressure distribution of cross texture with different angles(a)0°；(b)30°

圖5給出了0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)正壓區(qū)的平均壓強(qiáng)(即壓力值)大小，可以發(fā)現(xiàn)0°時(shí)的壓強(qiáng)值比30°時(shí)的壓強(qiáng)值稍大?？傮w來(lái)說(shuō)角度對(duì)交叉溝槽型織構(gòu)的影響沒(méi)有其對(duì)平行溝槽型織構(gòu)的影響大，其中90°平行溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生了最大的承載力，而0°平行溝槽型織構(gòu)則產(chǎn)生了最小的承載力，0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生的承載力大小相差不多。

圖5　不同角度交叉織構(gòu)正壓區(qū)平均壓強(qiáng)Fig.5　The average pressure of cross texture with different angles in the positive pressure areas

2　實(shí)驗(yàn)

2.1試樣加工

上試樣選取尺寸為φ8.0mm×13mm的不銹鋼圓柱銷(xiāo)，對(duì)其表面進(jìn)行拋光處理，表面粗糙度Ra約為0.450μm。下試樣選取尺寸為φ70mm×4mm的不銹鋼圓盤(pán)，使用全自動(dòng)維氏顯微硬度計(jì)測(cè)得其硬度279～306HV。利用YLP-20型激光加工系統(tǒng)對(duì)下試樣進(jìn)行不同織構(gòu)的加工，激光器功率0.3W，填充線間距0.005mm，溝槽間距約400μm，加工次數(shù)為2次，共加工了4種不同角度及排布形式的溝槽織構(gòu)，分別為0°平行溝槽、90°平行溝槽、0°交叉溝槽、30°交叉溝槽(圖6)。

圖6　溝槽型織構(gòu)示意圖及其放大圖(a)0°平行溝槽；(b)90°平行溝槽；(c)0°交叉溝槽；(d)30°交叉溝槽Fig.6　Schematic and enlarge images of grooved textures(a)0° parallel groove；(b)90° parallel groove；(c)0° cross groove；(d)30° cross groove

在激光加工織構(gòu)的過(guò)程中，可能使織構(gòu)邊緣產(chǎn)生鐵屑及毛刺，增加下試樣表面的粗糙度，從而影響織構(gòu)對(duì)接觸表面間潤(rùn)滑性能影響的判斷，故實(shí)驗(yàn)前用機(jī)械拋光機(jī)對(duì)下試樣進(jìn)行拋光，以去除下試樣表面的鐵屑和毛刺。另外，為了保證上下試樣為面接觸，實(shí)驗(yàn)前選取數(shù)目分別為3000目和7000目的砂紙代替下試樣，對(duì)上試樣進(jìn)行打磨和拋光，防止由于上試樣安裝過(guò)程中出現(xiàn)小范圍傾斜造成上試樣與下試樣只有較小面積發(fā)生接觸。打磨和拋光的過(guò)程載荷1N，速率500r/min，分別運(yùn)行30min。

2.2摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前所有試樣均依次在丙酮和酒精中各超聲清洗10min，用吹風(fēng)機(jī)吹干。旋轉(zhuǎn)摩擦實(shí)驗(yàn)在UMT-2摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，下試樣選取加工溝槽織構(gòu)的不銹鋼圓盤(pán)，并選取未加工織構(gòu)的試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在室溫下(20℃，相對(duì)濕度41%)考察摩擦副在充分潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能。潤(rùn)滑油選用長(zhǎng)城牌汽油機(jī)油SE15W-40，旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得其黏度為20℃下0.293Pa·s,25℃下0.230Pa·s，實(shí)驗(yàn)前在各試樣表面滴兩滴潤(rùn)滑油，其體積約為2.5×10-5mL，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不再滴加潤(rùn)滑油。傳感器規(guī)格500g，載荷1N，轉(zhuǎn)速為100，200，300，400，500r/min，旋轉(zhuǎn)半徑約25mm，對(duì)應(yīng)線速率分別約為0.25，0.5，0.75，1，1.25m·s-1，各速率下均運(yùn)行3min。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值。

3　結(jié)果與分析

圖7為溝槽型表面織構(gòu)試樣的三維形貌圖和二維形貌圖，可以看出，溝槽的深度約5μm，且邊緣較為平整，表面粗糙度Ra約為0.1μm。

圖7　溝槽型表面織構(gòu)試樣形貌圖(a)3D形貌圖；(b)2D深度形貌圖Fig.7　The profiles of grooved surface texture samples(a)3D profile；(b)2D profile of depth

無(wú)織構(gòu)試樣和溝槽型織構(gòu)試樣在不同速率下的平均摩擦因數(shù)如圖8所示。可以看出，整個(gè)速率范圍內(nèi)織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)始終小于無(wú)織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)，當(dāng)速率低于300r/min時(shí)，0°平行溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)相對(duì)較小，但當(dāng)速率大于300r/min后，90°溝槽型平行織構(gòu)的摩擦因數(shù)開(kāi)始低于其他幾種織構(gòu)表面，這可能是因?yàn)?°平行溝槽型織構(gòu)不易產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)[18]，其主要減磨機(jī)理是補(bǔ)給潤(rùn)滑，雖然運(yùn)動(dòng)方向與溝槽方向一致可使?jié)櫥土鲃?dòng)比較順暢[14]，但隨速率增加，溝槽內(nèi)部分潤(rùn)滑油被甩出接觸區(qū)域，補(bǔ)給潤(rùn)滑減弱，故其摩擦因數(shù)相對(duì)增大。而90°平行溝槽型織構(gòu)可產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，且隨速率增加流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng)，織構(gòu)可提供更大的額外承載力，故速率大于300r/min后其摩擦因數(shù)相對(duì)較小。整個(gè)速率范圍內(nèi)，0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)相差不多，低速時(shí)略高于0°和90°平行溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)，速率大于400r/min后開(kāi)始低于0°平行溝槽型織構(gòu)，這可能是由于速率越大其潤(rùn)滑油的流動(dòng)性和在摩擦副接觸表面儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的能力越好，但是否其他角度的交叉溝槽具有相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及具體的機(jī)理分析還有待進(jìn)一步研究。

圖8　不同溝槽型織構(gòu)平均摩擦因數(shù)曲線Fig.8　The average friction coefficient curves of different grooved textures

圖9為各試樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的平均摩擦因數(shù)。從圖9中可以明顯看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，90°平行溝槽型織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)最小，與之前數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合；無(wú)織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)最大，說(shuō)明溝槽型織構(gòu)改善了試樣摩擦學(xué)性能，減小了試樣的摩擦因數(shù)。結(jié)合圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加工溝槽型表面織構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同工況條件下織構(gòu)不同角度與排布形式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行選擇[15]：速率較小時(shí)，0°平行溝槽型織構(gòu)有較好的減摩能力，當(dāng)速率大于300r/min并繼續(xù)增加時(shí)，90°平行溝槽型織構(gòu)可以提供更好的摩擦學(xué)性能。

圖9　不同溝槽型織構(gòu)平均摩擦因數(shù)Fig.9　The average friction coefficient of different grooved textures

圖10為試樣表面磨痕圖，其中圖10(a)，(c)為無(wú)織構(gòu)表面，圖10(b)，(d)為90°平行溝槽型織構(gòu)表面。從圖10(a)，(c)中可以看出，無(wú)織構(gòu)表面存在較多磨屑和明顯的磨痕，這可能是由于磨粒磨損產(chǎn)生微觀切削所致；而圖10(b)，(d)中加工了溝槽型織構(gòu)的試樣表面沒(méi)有明顯的磨痕，部分磨屑處于溝槽內(nèi)或溝槽邊緣，這說(shuō)明溝槽型織構(gòu)有容納磨屑的能力，有效抑制了磨屑對(duì)表面的傷害，避免了如無(wú)織構(gòu)表面一樣的磨痕出現(xiàn)，這對(duì)于提高機(jī)械零件表面質(zhì)量和使用壽命是有益的。另外，對(duì)溝槽型織構(gòu)試樣表面進(jìn)行了小范圍的化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示溝槽內(nèi)檢測(cè)到鈣、鎂等潤(rùn)滑油的化學(xué)成分，證明溝槽型織構(gòu)具有存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的能力，驗(yàn)證了溝槽型織構(gòu)儲(chǔ)油存屑，減少磨損，改善摩擦副摩擦學(xué)性能的積極作用[20]。

圖10　試樣表面磨痕圖(a),(c)無(wú)織構(gòu)試樣；(b),(d)90°溝槽型試樣Fig.10　The SEM graphics of grinding marks of samples(a),(c)none-textured sample；(b),(d)90° grooved sample

4　結(jié)論

(1)在溝槽型織構(gòu)的數(shù)值模擬中，90°平行溝槽型織構(gòu)顯示出最好的摩擦學(xué)性能，0°平行溝槽型織構(gòu)則產(chǎn)生了最小的承載力，0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生的承載力大小相差不多。

(2)在載荷1 N，滑動(dòng)速率0.25～1.25m·s-1的實(shí)驗(yàn)研究中，無(wú)織構(gòu)試樣摩擦因數(shù)始終最大；速率小于300r/min時(shí)0°平行溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)較?。凰俾蚀笥?00r/min時(shí)90°平行溝槽型織構(gòu)摩擦因數(shù)較小; 0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)始終較大。整個(gè)滑動(dòng)速率下90°平行溝槽型織構(gòu)的平均摩擦因數(shù)相對(duì)最小。

(3)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，溝槽型織構(gòu)表面可有效改善摩擦副表面的摩擦磨損性能，且織構(gòu)角度和排布形式不同對(duì)試樣表面摩擦學(xué)性能的影響不同，應(yīng)根據(jù)不同工況條件選擇不同織構(gòu)。多角度交叉溝槽型織構(gòu)的摩擦學(xué)性能還有待進(jìn)一步研究。

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Experimental and Numerical Investigation on Tribological Performance of Grooved Texture

CHEN Ping1,XIANG Xin1,LI Jun-ling1,SHAO Tian-min2,LIU Guang-lei1

(1 School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China；2 State Key Laboratory of Tribology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

In order to study the influence of the angle and arrangement forms of micro-grooves on the tribological performance of the contact surface, the finite element analysis software was used to simulate the grooved textures with different angles and arrangements. The YLP-20 laser processing system was used to process grooved texture on stainless steel disk surfaces, and the Tribometer (UMT-2) was also used to conduct tribological test under the condition of rotation. The results show that the numerical simulation values are basically consistent with experimental results of grooved textures, and the tribological performance of the friction pairs with textures is also improved. The grooved textures with different angles and arrangement forms have different influence on tribological performance of friction pairs. When the friction velocity is less than 300r/min, the parallel texture with 0° has smaller friction coefficients. While the friction velocity is larger than 300r/min, the parallel texture with 90° has a better ability of reducing friction. Therefore, different grooved textures should be chosen according to operation conditions.

grooved texture; arrangement form; numerical simulation; oil lubrication; friction coefficient

陳平(1973-)，女，副教授，博士，研究方向：表面織構(gòu)及其摩擦學(xué)效應(yīng)，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(100083)，E-mail:chenp@ustb.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.005

TH117.1

A

1001-4381(2016)06-0031-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(FRF-BR-15-037A)

2015-07-01;

2015-12-23