織構(gòu)化表面在機(jī)械摩擦配副中的應(yīng)用

織構(gòu)化表面在機(jī)械摩擦配副中的應(yīng)用

0微納結(jié)構(gòu)表面織構(gòu)化自半個(gè)世紀(jì)以來，抗摩材料、表面涂層和潤(rùn)滑劑添加劑被廣泛應(yīng)用于機(jī)器承受表面的摩擦學(xué)特性。然而，隨著機(jī)械系統(tǒng)摩擦學(xué)特性改善要求的不斷提高，機(jī)械支承表面形貌設(shè)計(jì)成為了系統(tǒng)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。人們?cè)?jīng)憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為光滑表面具有較低的摩擦力和磨損，反之，非光滑表面會(huì)帶來較大的摩擦力和磨損。但隨著制造技術(shù)和相關(guān)理論的發(fā)展，相關(guān)研究證明具有一定粗糙度或紋理的表面可以減小粘著摩擦力、防止膠合并改善潤(rùn)滑，從而得到更好的摩擦學(xué)特性通過主動(dòng)設(shè)計(jì)和制造，獲得按一定規(guī)則排布的表面微納結(jié)構(gòu)，即在表面加工出具有微納尺寸和排列的圖案陣列，從而獲得特定功能的表面，稱之為織構(gòu)化表面一般而言，由表面織構(gòu)相對(duì)于金屬基體表面的位置，可以簡(jiǎn)單地將其分為凹形織構(gòu)和凸形織構(gòu)兩種形式。凹形織構(gòu)可以通過如激光燒融、沖壓、腐蝕等傳統(tǒng)或先進(jìn)制造方法，快速低成本地減材加工制造。凸形織構(gòu)則既可以通過增材制造也可以通過去除量較大的減材制造的方法加工，其制造成本較高。因此，凹形織構(gòu)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。如圖1所示，典型凹形織構(gòu)分別應(yīng)用于人造關(guān)節(jié)、機(jī)床刀具上。相比于凸形織構(gòu)，凹形織構(gòu)可以形成半封閉的空間，從而可以更有效地儲(chǔ)存潤(rùn)滑油、磨屑、磨粒等。然而儲(chǔ)存的磨屑、磨?？赡軙?huì)沉積于凹形織構(gòu)內(nèi)部，從而在某種程度上減小了凹形織構(gòu)的作用。對(duì)于凸形織構(gòu)，潤(rùn)滑劑的流動(dòng)會(huì)較為容易地將凸形織構(gòu)表面的磨屑、磨粒帶走，從而減小了類似于凹形織構(gòu)的沉積作用?？傮w而言，盡管凹形織構(gòu)可能造成一定的磨屑、磨粒積累，但它具有易于制造，儲(chǔ)存潤(rùn)滑油、磨屑和磨粒作用更為顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，凹形織構(gòu)的研究和應(yīng)用更為廣泛。本文探討的織構(gòu)化表面以凹形織構(gòu)為主。相關(guān)研究者從不同的角度探討了凹形織構(gòu)表面對(duì)于摩擦學(xué)特性改善作用的機(jī)理。當(dāng)前為廣泛接受的機(jī)理主要有：(1)微流體動(dòng)壓作用當(dāng)前關(guān)于織構(gòu)化表面的設(shè)計(jì)研究主要分為試驗(yàn)研究和理論研究。早期的織構(gòu)設(shè)計(jì)往往集中于試驗(yàn)研究，通過不斷試錯(cuò)，選擇適合自己配副結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行工況的織構(gòu)設(shè)計(jì)。這種試驗(yàn)試錯(cuò)的方法低效且不經(jīng)濟(jì)。近年來，織構(gòu)的設(shè)計(jì)從試驗(yàn)試錯(cuò)階段逐步走向理論優(yōu)化階段。通過建立織構(gòu)潤(rùn)滑模型，預(yù)測(cè)不同織構(gòu)設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑效果，從而更有效地選擇和優(yōu)化織構(gòu)的尺寸參數(shù)、形狀和排布。上述織構(gòu)研究發(fā)展過程在本文后續(xù)的第2、3、4節(jié)都有所體現(xiàn)。1織構(gòu)表面微凸體的接觸和擠壓作用如第0節(jié)所述，盡管織構(gòu)的潤(rùn)滑改善作用具有多種機(jī)理，然而這些機(jī)理往往在不同工況下起到的作用效果不盡相同。在早期的研究中，織構(gòu)潤(rùn)滑模型往往基于Reynolds方程，將織構(gòu)群看作一個(gè)個(gè)微型階梯軸承，其作用在于提高系統(tǒng)流體動(dòng)壓效應(yīng)，從而改善摩擦學(xué)行為。由于Reynolds方程僅僅適合于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)，這些模型的基本假設(shè)為厚油膜(膜厚比λ>3)，而表面微凸體的接觸和擠壓作用往往被忽略。典型的研究有：ETSION等近年來，織構(gòu)在混合潤(rùn)滑條件下(1<λ<3)的作用越來越多地得到了重視，這是因?yàn)闄C(jī)械摩擦配副在低速重載條件下或者啟停階段容易出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，從而導(dǎo)致失效。此時(shí)摩擦表面很難形成足夠的流體動(dòng)壓力，表面微凸體的接觸會(huì)承載一部分載荷，并在接觸界面發(fā)生磨損。此外，油膜厚度較小時(shí)，微凸體對(duì)系統(tǒng)的流體動(dòng)壓效應(yīng)影響顯著，相關(guān)研究最具影響的是PATIR和CHENG的平均流量Reynolds方程織構(gòu)潤(rùn)滑模型的不斷發(fā)展為織構(gòu)化表面理論設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論工具。研究者根據(jù)自己的潤(rùn)滑工況條件和材料性質(zhì)對(duì)織構(gòu)的形狀、尺寸和排布進(jìn)行了研究和優(yōu)化，如第2、3、4章。盡管這些研究的結(jié)果不盡相同，但這些研究大體上勾勒出了織構(gòu)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和準(zhǔn)則。2織構(gòu)形狀的優(yōu)化隨著加工制造技術(shù)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出如激光加工、光刻、腐蝕等很多先進(jìn)制造技術(shù)近年來，一些研究嘗試對(duì)織構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化，得到了一系列最優(yōu)的織構(gòu)不規(guī)則形狀，這些優(yōu)化形狀具有更為優(yōu)良的摩擦性性能。SHEN和KHONSARI盡管當(dāng)前很多研究對(duì)比了多種織構(gòu)形狀，甚至對(duì)不規(guī)則織構(gòu)形狀進(jìn)行了優(yōu)化。但實(shí)際上圓坑織構(gòu)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，加工制造成本低、較為方便，并且其摩擦學(xué)特性(特別是在低速重載工況下3織構(gòu)化表面織構(gòu)參數(shù)如第2節(jié)所述，由于圓坑織構(gòu)的易于加工制造和相對(duì)優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，該織構(gòu)形式得到相關(guān)研究者廣泛應(yīng)用盡管以上研究針對(duì)的織構(gòu)化表面的材料、工況各不相同，采用的研究方法也有很大區(qū)別，最終得到的織構(gòu)參數(shù)也不完全一致。但從總體上看，上述研究基本給出表面織構(gòu)具有的較優(yōu)摩擦學(xué)性能的幾何參數(shù)范圍：直徑為幾百微米、深度為幾微米到幾十微米、深徑比為0.001～0.020、表面占比5%～15%。4表面織構(gòu)設(shè)計(jì)除了形狀和尺寸之外，織構(gòu)排布也對(duì)系統(tǒng)摩擦學(xué)行為有顯著影響。當(dāng)前研究多采用典型的正方、交錯(cuò)、輻射點(diǎn)陣織構(gòu)排布以上研究討論了織構(gòu)不同排布的影響，但卻很少涉及應(yīng)用到具體的摩擦配副。對(duì)于滑動(dòng)軸承、機(jī)械密封等摩擦配副表面，織構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)域往往并不一定要覆蓋整個(gè)摩擦表面，而是采用局部(部分)織構(gòu)化設(shè)計(jì)。典型的研究有：MARIAN目前來看，織構(gòu)排布的設(shè)計(jì)研究還未達(dá)成一致結(jié)論，各個(gè)研究強(qiáng)調(diào)的排布形式和參數(shù)不盡相同，也缺少描述和表征織構(gòu)排布的參數(shù)。然而對(duì)于具體的摩擦配副如軸承，當(dāng)前研究已有較為一致的優(yōu)化結(jié)果，這些研究一般認(rèn)為將織構(gòu)設(shè)計(jì)在軸承收斂區(qū)入口處會(huì)得到較好的潤(rùn)滑改善作用。5表面織構(gòu)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)織構(gòu)化技術(shù)及其摩擦學(xué)設(shè)計(jì)在近年來得到了廣泛的研究，并逐步應(yīng)用于機(jī)械摩擦配副表面，以減小摩擦磨損，延長(zhǎng)壽命。20年來大量的研究和探索基本勾勒出了織構(gòu)化表面設(shè)計(jì)的形式和參數(shù)，研究也從早期的試錯(cuò)法向更為精細(xì)的形狀排布優(yōu)化發(fā)展。然而，以下幾個(gè)方面仍面臨著重大的挑戰(zhàn)。(1)當(dāng)前織構(gòu)潤(rùn)滑模型主要是考慮微凸體接觸和流體動(dòng)壓效應(yīng)，幾乎沒有針對(duì)織構(gòu)“二次潤(rùn)滑效應(yīng)”和磨粒儲(chǔ)存的數(shù)值模型研究。(2)織構(gòu)在不同工況條件下的潤(rùn)滑機(jī)理及其“負(fù)作用”仍沒有非常明確的解釋，需要更深入地探討。(3)針對(duì)不同摩擦配副的不同材料和工況的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)雖然有一定的規(guī)范和準(zhǔn)則，但具體參數(shù)仍然需要大量試