□ 錢振華

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院 浙江湖州 313000

1 研究背景

關(guān)節(jié)軸承作為一種球面滑動(dòng)軸承，因承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)低速擺動(dòng)和一定角度范圍內(nèi)的傾斜運(yùn)動(dòng)，在航空航天、軍工機(jī)械、載重汽車和工程機(jī)械等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。關(guān)節(jié)軸承在工作時(shí)，內(nèi)圈外球面和外圈內(nèi)球面會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在潤(rùn)滑條件不佳、重載等工況下，其內(nèi)外圈表面的摩擦因數(shù)會(huì)增大，磨損會(huì)加劇，往往直接導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承失效。因此，開(kāi)展關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈表面處理技術(shù)的研究，對(duì)于改善關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑條件、提高摩擦學(xué)性能、延長(zhǎng)使用壽命等具有重要意義。

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈工作表面處理的技術(shù)主要有表面改性技術(shù)、表面鍍層技術(shù)和表面激光微織構(gòu)技術(shù)等。文獻(xiàn)［1］采用二硫化鉬與石墨作為固體潤(rùn)滑劑，采用無(wú)機(jī)磷酸鹽作為膠粘劑，在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈工作表面上進(jìn)行了粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層的表面改性處理，使關(guān)節(jié)軸承的摩擦學(xué)性能得到了明顯改善。文獻(xiàn)［2］開(kāi)展了鍍銀膜軸承在多種潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦性能研究，得出在中低轉(zhuǎn)速下，鍍銀膜軸承在液體潤(rùn)滑劑復(fù)合潤(rùn)滑下的磨損性能遠(yuǎn)優(yōu)于干摩擦?xí)r磨損性能的結(jié)論。文獻(xiàn)［3］使用激光打標(biāo)機(jī)在向心關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈工作表面進(jìn)行了激光微織構(gòu)，并將二硫化鉬鋰基潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑，在疲勞磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了摩擦性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)激光微織構(gòu)技術(shù)處理的關(guān)節(jié)軸承滑動(dòng)摩擦因數(shù)可減小40%以上。文獻(xiàn)［4-5］分別介紹了一種帶有表面凹坑激光微織構(gòu)和一種帶有交叉網(wǎng)紋激光微織構(gòu)的關(guān)節(jié)軸承，為關(guān)節(jié)軸承的激光微織構(gòu)加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)指明了方向。與表面改性技術(shù)和表面鍍層技術(shù)相比，激光微織構(gòu)技術(shù)具有加工速度快、能源消耗低、環(huán)境污染小、無(wú)需消耗額外材料等優(yōu)點(diǎn)，是關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈工作表面處理的理想手段。

2 激光微織構(gòu)減磨原理

所謂激光微織構(gòu)技術(shù)，是指利用高能脈沖激光束，在工件工作表面上加工出與潤(rùn)滑性能要求相匹配，成一定規(guī)律排列，并具有一定密度、直徑、寬度、深度的凹坑和凹槽等形狀的微織構(gòu)（圖1），以達(dá)到提高工件摩擦學(xué)性能、延長(zhǎng)工件使用壽命的目的［6］。激光微織構(gòu)技術(shù)由于不受工件材料限制，因此應(yīng)用范圍較為廣泛，機(jī)械部件中常見(jiàn)的摩擦副，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、活塞環(huán)、端面機(jī)械密封環(huán)、滑動(dòng)軸承等均可成為激光微織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象。

▲圖1 微織構(gòu)

關(guān)節(jié)軸承一般工作在低速、重載工況下，其內(nèi)外圈工作表面之間的潤(rùn)滑油較少，油膜厚度較薄，大多數(shù)情況下工作在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的內(nèi)外圈之間可以看成是許多小的干摩擦區(qū)和流體潤(rùn)滑區(qū)的組合，內(nèi)外圈的接觸狀態(tài)不斷變化，接觸表面的干摩擦區(qū)域和流體潤(rùn)滑區(qū)域也隨之不斷變化［7］。

在干摩擦狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈工作表面材料會(huì)在摩擦力的作用下以磨粒的形式掉落在工作表面之間，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈工作表面間加速磨損。采用激光微織構(gòu)技術(shù)在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈工作表面上加工出微織構(gòu)，可以存儲(chǔ)因摩擦產(chǎn)生的微小磨粒，減輕工作表面的磨粒磨損，與此同時(shí)，表面微織構(gòu)能存儲(chǔ)一部分潤(rùn)滑油，可以為關(guān)節(jié)軸承工作表面提供潤(rùn)滑，減少干摩擦區(qū)的產(chǎn)生。

在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)下，液體內(nèi)部的黏滯阻力使關(guān)節(jié)軸承工作表面每層油膜之間都存在速度梯度。當(dāng)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，表面微織構(gòu)內(nèi)部存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油被帶出，對(duì)關(guān)節(jié)軸承工作表面產(chǎn)生一個(gè)附加的支撐力。此時(shí)的表面微織構(gòu)類似于一個(gè)個(gè)微小的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，從而產(chǎn)生額外的流體動(dòng)壓承載力［8-9］。關(guān)節(jié)軸承表面激光微織構(gòu)減磨原理如圖2所示。

▲圖2 關(guān)節(jié)軸承表面激光微織構(gòu)減磨原理

3 激光微織構(gòu)設(shè)備

用于關(guān)節(jié)軸承工作表面激光微織構(gòu)的設(shè)備主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器、增量脈沖編碼器、聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)、四自由度工作臺(tái)等組成，如圖3所示。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)裝四軸運(yùn)動(dòng)控制卡和高速數(shù)字量輸入輸出卡。

▲圖3 關(guān)節(jié)軸承工作表面激光微織構(gòu)設(shè)備組成

聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)控制的二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器，具有聚焦半徑小、響應(yīng)速度快、脈沖寬度窄、峰值功率高、可控制輸出單脈沖激光的特點(diǎn)，適合用于關(guān)節(jié)軸承工作表面的激光微織構(gòu)。二極管泵浦固體摻釹釔鋁石榴石激光器具體參數(shù)為：輸出波長(zhǎng)532 nm，輸出功率 3 W，重復(fù)頻率1 kHz～50 kHz，1 kHz脈沖寬度不大于70 ns。聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)為BJHZQ2750A型，其中心頻率為27 MHz，調(diào)制脈沖上升、下降沿不大于200 ns，射頻關(guān)斷時(shí)間為2～15 μs。激光輸出后，經(jīng)過(guò)外部光路系統(tǒng)傳輸，再由激光頭聚焦照射到工件表面。此外，在外部光路上設(shè)置了電荷耦合器件攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)，可對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

四自由度工作臺(tái)是整個(gè)激光微織構(gòu)系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由X軸、Y軸、Z軸的滾珠絲杠組及其伺服系統(tǒng)，以及θ軸伺服系統(tǒng)組成。通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的四軸運(yùn)動(dòng)控制卡向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，控制X軸、Y軸、Z軸的直線運(yùn)動(dòng)和θ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在激光微織構(gòu)過(guò)程中，關(guān)節(jié)軸承繞θ軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，XY平面移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光頭與關(guān)節(jié)軸承微織構(gòu)表面的距離，且激光頭可沿Z軸作升降運(yùn)動(dòng)。

4 激光微織構(gòu)工藝試驗(yàn)

研究表明，不同的激光微織構(gòu)表面形貌參數(shù)對(duì)摩擦副摩擦性能的影響存在明顯差異。汪家道等［10］研究了在油潤(rùn)滑條件下規(guī)則微凹坑激光微織構(gòu)表面形貌對(duì)三銷環(huán)摩擦性能的影響，當(dāng)規(guī)則微凹坑尺寸在一定范圍內(nèi)時(shí)，能明顯改善摩擦副表面潤(rùn)滑情況。劉東雷等［11］開(kāi)展了多種規(guī)則激光微織構(gòu)表面摩擦特性的試驗(yàn)研究，對(duì)于摩擦因數(shù)的影響，四種規(guī)則表面微織構(gòu)形貌從優(yōu)至劣依次為凹坑、網(wǎng)紋、斷紋、光滑。劉小君等［12］研究了在脂潤(rùn)滑條件下表面微織構(gòu)對(duì)關(guān)節(jié)軸承工作表面摩擦性能的影響，當(dāng)微凹坑面積占有率約為20%、深度為8～9 μm時(shí)，關(guān)節(jié)軸承工作表面的摩擦學(xué)性能較好，而特別深的微凹坑反而不利于關(guān)節(jié)軸承工作表面摩擦性能的改善。

關(guān)節(jié)軸承工作表面的激光微織構(gòu)技術(shù)目前還處于研究試驗(yàn)階段，試驗(yàn)對(duì)象主要集中在推力關(guān)節(jié)軸承和向心關(guān)節(jié)軸承，如圖4、圖5所示。激光微織構(gòu)的形式有微凹坑、微凹槽、交叉微網(wǎng)紋等。在關(guān)節(jié)軸承激光微織構(gòu)工藝的選用上，宜采用同點(diǎn)間隔多次激光微織構(gòu)工藝。與同點(diǎn)連續(xù)多次激光微織構(gòu)工藝相比，同點(diǎn)間隔多次激光微織構(gòu)工藝能最大限度降低激光加工產(chǎn)生的負(fù)面熱效應(yīng)，且多脈沖作用對(duì)微織構(gòu)內(nèi)部形貌具有平滑作用，同時(shí)在保證單個(gè)脈沖材料去除率的前提下，提高了激光加工高質(zhì)量微織構(gòu)的總效率［13］。

在二極管泵浦電流為22.8 A、重復(fù)頻率為10 kHz的條件下，采用波長(zhǎng)為532 nm的脈沖激光在推力關(guān)節(jié)軸承外圈工作表面上進(jìn)行單脈沖同點(diǎn)間隔五次微凹坑織構(gòu)，加工過(guò)程中以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體吹向加工區(qū)域，用于清除熔渣和防止金屬受熱氧化。采用WYKO NT1100型三維表面輪廓儀對(duì)加工試樣進(jìn)行了表面形貌測(cè)量，得到的微凹坑織構(gòu)形貌如圖6所示。由圖6可以看出，微凹坑的深度為 8.3 μm，直徑約為 60 μm，內(nèi)部較為光滑，加工質(zhì)量較好。另一方面，微凹坑的周圍存在一定殘?jiān)?，這主要是由于軸承材料在激光脈沖作用下氣化不完全而重新凝固所形成，后期可采用拋光和超聲清洗的方法加以去除。

▲圖4 推力關(guān)節(jié)軸承工作表面微凹坑織構(gòu)

▲圖5 向心關(guān)節(jié)軸承工作表面交叉微凹槽織構(gòu)

在二極管泵浦電流為22.8 A、重復(fù)頻率為10 kHz、重疊度為90%的條件下，在向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈工作表面上加工的微凹槽織構(gòu)形貌如圖7所示。由圖7可以看出，微凹槽的深度為11.1 μm，寬度約為80 μm。由于微凹槽加工時(shí)是按照微凹坑以一定重疊度排列而形成的，在重疊度較高的情況下，激光脈沖對(duì)材料具有反復(fù)氣化、熔融的作用，導(dǎo)致微凹槽寬度與微凹坑直徑相比有一定增大，且深度也有加深。

▲圖6 微凹坑織構(gòu)形貌

▲圖7 微凹槽織構(gòu)形貌

5 結(jié)論

關(guān)節(jié)軸承表面采用激光微織構(gòu)，一方面微織構(gòu)可以存儲(chǔ)因摩擦產(chǎn)生的微小磨粒，減輕關(guān)節(jié)軸承工作表面的磨粒磨損；另一方面微織構(gòu)可以存儲(chǔ)一部分潤(rùn)滑油，為關(guān)節(jié)軸承工作表面提供潤(rùn)滑。采用激光微織構(gòu)設(shè)備，分別在推力關(guān)節(jié)軸承外圈工作表面和向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈工作表面進(jìn)行了微凹坑和微凹槽的激光微織構(gòu)工藝試驗(yàn)，并用表面輪廓儀對(duì)試樣進(jìn)行了表面形貌測(cè)量，得到了加工質(zhì)量較好的表面形貌。

當(dāng)然，經(jīng)過(guò)激光微織構(gòu)表面處理的關(guān)節(jié)軸承，其摩擦學(xué)性能還有待理論和實(shí)踐證明。