解　挺,　江　凱,　丁　亞

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

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PEEK摩擦磨損動態(tài)過程的模擬研究

解挺,江凱,丁亞

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

文章選用聚醚醚酮/灰鑄鐵(PEEK/HT250)摩擦副為研究對象,利用數(shù)值模擬方法,將基于離散元法(discrete element method,DEM)思想開發(fā)的二維顆粒流程序(particle follow code in two dimensions,PFC2D)應用于PEEK摩擦磨損動態(tài)過程的模擬研究,以探討PEEK摩擦過程中摩擦界面的動態(tài)演變規(guī)律。模擬結(jié)果表明:在摩擦的初始階段,發(fā)生在摩擦界面的轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)和磨損顆粒數(shù)均急劇增加,材料磨損率較大;摩擦過程中,在HT250表面會產(chǎn)生一層轉(zhuǎn)移顆粒層,即轉(zhuǎn)移膜,隨著轉(zhuǎn)移膜的形成與完整,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,材料磨損率逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，即轉(zhuǎn)移膜的形成和穩(wěn)定對于摩擦過程的穩(wěn)定具有決定性作用；在研究的參數(shù)范圍內(nèi),隨著載荷的增加,PEEK轉(zhuǎn)移和磨損顆粒數(shù)均增加;在相等行程下,隨著滑動速度的增加,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)減小而磨損顆粒數(shù)增加。

聚醚醚酮;轉(zhuǎn)移膜;磨損;離散元法;模擬

聚醚醚酮(PEEK)是聚合物中一種性能優(yōu)異、環(huán)保無毒的特種工程塑料,具有優(yōu)異的自潤滑減摩耐磨性能,常被制作成各種耐磨零部件,可以在無潤滑、高溫、潮濕及腐蝕等惡劣環(huán)境下取代傳統(tǒng)金屬材料,已在工程機械、汽車、航空航天及醫(yī)療器械等領(lǐng)域被廣泛應用[1-3]。關(guān)于PEEK摩擦磨損性能的研究一直受到高度關(guān)注[4-8],大多研究是采用實驗的方法對PEEK的摩擦磨損性能進行測試分析。實驗方法研究摩擦磨損主要是在模擬的特定工況條件下,了解經(jīng)過一段時間摩擦后材料或零件的狀況,盡管現(xiàn)在的在線檢測技術(shù)可以動態(tài)記錄摩擦系數(shù),但對于磨損來說實驗研究往往只能反映磨損過程的初始和結(jié)束2種狀態(tài),關(guān)于磨損機理的實驗分析都是基于磨損的最終狀態(tài)加以推測分析的。而磨損過程是時變漸進的動態(tài)問題,很難借助實驗觀察其全過程的動態(tài)變化。因此,近年來數(shù)值模擬已成為摩擦磨損過程分析的重要輔助手段,能夠定性和定量地描述摩擦磨損過程的動態(tài)變化規(guī)律,同時也成為當前摩擦學研究的熱點。文獻[9]建立了銷-盤摩擦磨損實驗的數(shù)值仿真模型,并開發(fā)了仿真計算的計算機程序,通過改變材料和實驗的輸入?yún)?shù)(銷的結(jié)構(gòu)、實驗時間、載荷、試盤或砂紙?zhí)匦缘?,可以計算磨損體積和對應的磨損表面形貌參數(shù);文獻[10]利用有限元分析軟件ANSYS開發(fā)了關(guān)于缸套-活塞環(huán)邊界摩擦磨損實驗的仿真軟件,該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的錄入、摩擦副表面的接觸應力的有限元分析、邊界磨損中磨損量的仿真;文獻[11]對凸輪挺柱摩擦副建立了有限元數(shù)值模型,重點研究了表面形貌對其摩擦磨損性能的影響,并利用C語言程序?qū)崿F(xiàn)了對磨損量的計算;文獻[12]利用離散元法(discrete element method，DEM)直觀地對表面形貌相互作用進行了模擬研究,模擬結(jié)果表明理想粗糙表面和剛性光滑平面相互作用后,表面粗糙度減小,且隨著接觸表面法向接近量的增加,磨損加劇;文獻[13]利用離散元法來模擬摩擦磨損過程中第三體的動態(tài)形成過程,研究發(fā)現(xiàn)第三體的黏著性越強,則摩擦表面的第三體越厚,可以有效地降低材料的磨損。由于離散元在處理固體材料斷裂、變形和累積損傷方面具有優(yōu)勢，而摩擦磨損過程正是材料受力變形、斷裂的一種特殊情況，同時摩擦過程中,摩擦副間實際接觸只發(fā)生在部分微凸體上,具有離散性質(zhì)[14],所以用DEM更適合模擬摩擦磨損過程。

本文將基于DEM開發(fā)的二維顆粒流程序 (particle follow code in two dimensions,PFC2D)[15]引入到PEEK摩擦磨損動態(tài)過程的研究中,用數(shù)值模擬的方法,從微觀層面上再現(xiàn)了PEEK摩擦界面的動態(tài)演變規(guī)律,以期為PEEK摩擦學性能的優(yōu)化提供一些有益的參考。

1　PFC2D簡介

PFC2D是通過DEM來模擬球形顆粒介質(zhì)的運動及相互作用。顆?？梢源聿牧现械膫€體顆粒,也可以代表黏結(jié)在一起的固體材料,當黏結(jié)以漸進的方式破壞時,意味著材料發(fā)生破壞。利用DEM對離散材料進行模擬分析,可以得到任意時刻顆粒物質(zhì)的復雜行為信息。PFC2D程序中顆粒單元運動遵循牛頓第二定律,單元間的接觸遵循力和位移法則,程序的計算過程就是不斷地重復對每個單元使用運動方程和對每個接觸使用力和位移法則。PFC2D具體計算流程如圖1所示。

圖1　PFC2D計算流程

2　數(shù)值模型的建立及參數(shù)選取

2.1數(shù)值模型的建立

本文以聚醚醚酮/灰鑄鐵(PEEK/HT250)摩擦副為模擬對象,上試樣為PEEK材料,由2 445個半徑為0.15 μm的淺橙色球形顆粒隨機分布在一個20 μm×10 μm的矩形盒內(nèi);下試樣為HT250,由100個半徑為1.5 μm的黑色球形顆粒組成,其尺寸為75 μm×12 μm。對上試樣PEEK施加一個大小為3 MPa豎直向下的壓應力,由于載荷只能加載在顆粒體邊界上,故在PEEK材料上方設置一層無變形的剛性顆粒體邊界顆粒層作為加載梁;對下試樣施加一個大小為0.15 m/s的速度,使其做往復勻速直線運動。摩擦副的具體數(shù)值模型如圖2所示。

圖2　PEEK/HT250摩擦系統(tǒng)數(shù)值模型

2.2模型細觀參數(shù)的選取

數(shù)值模擬參數(shù)選擇的準確與否直接關(guān)系模擬結(jié)果的真實性。利用PFC2D中的雙軸實驗[16-17],采用逆向模擬、反復試算的方法,使PEEK材料應力應變的數(shù)值模擬曲線與其物理實驗曲線近似擬合,以此獲得PEEK細觀特性參數(shù),下試樣HT250細觀參數(shù)是根據(jù)PFC2D軟件手冊中的計算公式求得。PEEK和HT250細觀參數(shù)見表1所列。

表1　PEEK細觀參數(shù)和HT250細觀參數(shù)

2.3轉(zhuǎn)移顆粒和磨損顆粒的定義

在摩擦過程中,PEEK基體在摩擦剪切力和法向壓力的雙重作用下,靠近摩擦界面的顆粒單元之間的連接鍵會逐漸發(fā)生斷裂,顆粒會從PEEK基體脫落,脫落下來的這部分顆粒稱之為磨損顆粒,即材料的磨損量;磨損顆粒中的一部分在一定條件下會與對偶件HT250顆粒單元之間建立新的連接鍵,“吸附”在HT250表面,形成轉(zhuǎn)移膜,把這部分顆粒定義為轉(zhuǎn)移顆粒。

3　模擬結(jié)果及分析

3.1PEEK摩擦磨損動態(tài)變化過程

3.1.1摩擦磨損過程模擬

不同時步下PEEK/HT250摩擦磨損模擬圖如圖3所示。由圖3可以看出,隨著時步的增加,上試樣PEEK的磨損顆粒數(shù)逐漸增加,表現(xiàn)為其體積逐漸減小;同時向下試樣HT250表面轉(zhuǎn)移的顆粒數(shù)也逐漸增加,表現(xiàn)為“吸附”在HT250表面的顆粒逐漸增加。當下試樣的運動方向發(fā)生變化時,原本與下試樣建立起連接鍵的轉(zhuǎn)移顆粒在上試樣的剪切擠壓作用下,一部分和下試樣顆粒間建立的連接鍵會重新斷裂,原來的轉(zhuǎn)移顆粒會重新變成磨損顆粒,進而被當做磨屑排出摩擦界面；而新形成的“空缺”又會被新的顆粒所替代。這也證實了轉(zhuǎn)移膜的形成是一個不斷黏著轉(zhuǎn)移并伴有局部脫落與再修復的動態(tài)過程[18]。

圖3　不同時步下PEEK/HT250摩擦磨損模擬圖

3.1.2摩擦轉(zhuǎn)移、磨損、磨損率的變化

PEEK摩擦磨損過程中,轉(zhuǎn)移、磨損顆粒數(shù)、材料磨損率隨時步的變化如圖4所示。從圖4可以看出,在摩擦的初始階段,隨著時步的增加,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)和磨損顆粒數(shù)均快速增加;一段時間后(約4×106時步),轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)變化趨于穩(wěn)定,磨損顆粒數(shù)增速變緩。分析認為,由于在摩擦的初始階段(磨合期),摩擦是PEEK和HT250的直接接觸,摩擦大部分發(fā)生在接觸峰點上,接觸應力比較大,同時摩擦副本身表面粗糙度較大,造成了PEEK基體顆粒較容易脫落,磨損顆粒數(shù)急劇增加。在摩擦的初始階段,HT250表面的“空缺”很多,表面粗糙對磨損顆粒具有一定的留集作用,從PEEK基體脫落的磨損顆粒更容易在HT250表面建立起新的連接鍵,形成轉(zhuǎn)移膜，這是在摩擦的初始階段轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)急劇增加的原因。一段時間后,HT250表面基本被轉(zhuǎn)移顆粒所“占據(jù)”,即使有部分轉(zhuǎn)移顆粒在上試樣的剪切擠壓作用下從下試樣表面脫落,重新變成磨損顆粒,但所形成的“空缺”也會被新的轉(zhuǎn)移顆粒迅速補上。所以隨著摩擦的進一步進行,在HT250表面會形成一層均勻且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。此時的摩擦界面不再是PEEK和HT250直接的滑動接觸,而是轉(zhuǎn)化為PEEK和PEEK的滑動接觸,由于PEEK具有較低的摩擦系數(shù)和自潤滑作用,而且此時轉(zhuǎn)移膜形成得更加完整、充分,從而減小了摩擦,造成磨損顆粒數(shù)減小,表現(xiàn)為隨著時步的增加,磨損顆粒數(shù)增速,即磨損率逐漸減緩。圖4中磨損率=顆粒數(shù)/(時步×10-5)。

圖4　轉(zhuǎn)移、磨損顆粒、磨損率隨時步的變化

3.2載荷對轉(zhuǎn)移、磨損顆粒的影響

在相同滑動速度(0.15 m/s)和不同載荷時，轉(zhuǎn)移顆粒、磨損顆粒隨時步的變化曲線如圖5所示。

圖5　不同載荷下PEEK材料轉(zhuǎn)移和磨損顆粒數(shù)

由圖5可以看出,摩擦初始時,較大載荷對應著較多的轉(zhuǎn)移顆粒,磨損顆粒數(shù)曲線在低載荷時上升速率更快;轉(zhuǎn)移顆粒、磨損顆粒數(shù)均呈增加趨勢,說明在一定范圍內(nèi),載荷越大,PEEK與對偶件形成的轉(zhuǎn)移膜越完整、充分,磨損量也越大。但是當載荷由4 MPa增加到5 MPa時,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)的增幅不再明顯,這是因為在較高的載荷下,摩擦界面黏著和壓潰現(xiàn)象更加明顯,兩者共同作用會讓轉(zhuǎn)移顆粒頻繁地出現(xiàn)局部脫落和補充的現(xiàn)象。磨損量隨載荷的增加而增加是因為當載荷較大時,PEEK顆粒間連接鍵更容易斷裂,從而更容易從基體脫落,造成磨損量的增加。

3.3速度對轉(zhuǎn)移、磨損顆粒的影響

相同載荷(3 MPa)、相等行程、不同速度下,轉(zhuǎn)移、磨損顆粒數(shù)隨滑動距離的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同速度下PEEK材料轉(zhuǎn)移和磨損顆粒數(shù)

由圖6a可知,滑動距離較短時,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)均隨著滑動距離的增加而快速增加,說明在摩擦初始階段,轉(zhuǎn)移膜生成速度較快。此外,不同的速度對轉(zhuǎn)移膜形成的影響不一樣,較低速度對應著較高的轉(zhuǎn)移顆粒,較低速度下反而有利于轉(zhuǎn)移膜的生成,這是因為較高速度下磨損下來的PEEK顆粒具有明顯的速度跟隨性,跟隨速度較大,相對來說不易在HT250表面形成轉(zhuǎn)移膜。由圖6b可以看出,隨著相對滑動速度的增加,磨損顆粒數(shù)增多。

4　結(jié)　　論

本文利用PFC2D二維顆粒流程序成功地對PEEK/HT250滑動摩擦副的摩擦磨損動態(tài)過程進行了數(shù)值模擬,從微觀層面上定量地展示了摩擦轉(zhuǎn)移、磨損的動態(tài)變化規(guī)律,并探討了載荷、速度對PEEK摩擦磨損的影響。通過模擬分析得出如下結(jié)論。

(1) 在摩擦的初始階段,PEEK轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)急劇增加,一段時間后,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)趨于穩(wěn)定,在對偶件表面形成較完整的轉(zhuǎn)移膜。

(2) 在摩擦的初始階段,材料磨損率比較大;隨著轉(zhuǎn)移膜的不斷形成,材料磨損率減小,當轉(zhuǎn)移膜達到動態(tài)穩(wěn)定后,材料的磨損率趨于一個較小的穩(wěn)定值。

(3) 在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi),隨著載荷的增加,PEEK轉(zhuǎn)移、磨損顆粒數(shù)均增加;在相等行程下,隨著滑動速度的增加,轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)減小、磨損顆粒數(shù)增加。

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(責任編輯胡亞敏)

Simulation of dynamic process of friction and wear of PEEK

XIE Ting,JIANG Kai,DING Ya

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, the software of the particle flow code in two dimensions(PFC2D) developed by discrete element method(DEM) was employed to simulate the dynamic process of friction and wear of PEEK sliding against HT250.The dynamic evolution rules of the friction interface of PEEK during friction were investigated.The simulation results showed that in the initial stage of friction, the number of transferred particles and worn particles in the friction interfaces increased sharply, and the wear rate was high.The transferred particle layer, namely the transfer film, was formed on the HT250 surface during friction.As the formation of a complete transfer film, the number of the transferred particles gradually tended to be stable.Correspondingly, the wear rate gradually decreased and tended to be stable.The simulation results indicated that the formation and stabilization of the transfer film played a decisive role in the stabilization of the friction process.In the simulation, with the increase of load, the transferred particles and worn particles increased simultaneously; with the increase of sliding speed in a certain sliding distance, the transferred particles decreased, but the worn particles increased.Key words:polyetheretherketone(PEEK); transfer film; wear; discrete element method(DEM); simulation

2015-03-27；

2015-04-15

國家自然科學基金資助項目(51275144)

解挺(1963-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.003

TH117.1

A

1003-5060(2016)08-1017-05