表面粗糙度對激光微織構化表面摩擦學性能的影響

表面粗糙度對激光微織構化表面摩擦學性能的影響

據統(tǒng)計，世界上大約50%的能源消耗在各種形式的摩擦中，減少摩擦有助于提高能源利用率，這是一個非常重要的問題。起初,人們通過提高表面的加工精度以達到減少表面摩擦的目的,然而隨著研究的不斷深入,發(fā)現在機械部件表面加工一定形貌的微織構,可顯著改善其摩擦潤滑性能在上述試驗研究中,研究人員在試樣預處理的時候,盡可能降低織構化表面的粗糙度,將其視為光滑表面,從而忽視粗糙度的影響。但是,當潤滑油膜的平均膜厚和表面粗糙度在同一數量級時,表面粗糙度對流體動力潤滑的影響不應該被忽略基于此目的,本文作者首先改變粗糙度值進行摩擦磨損實驗研究,了解不同粗糙表面的摩擦潤滑性能。然后,通過正交試驗設計,選取不同的粗糙度值以及微凹坑織構參數進行摩擦試驗,通過繪制Stribeck曲線,以探討表面粗糙度和表面織構參數對摩擦副表面摩擦性能的影響規(guī)律。1試驗設計1.1實習準備試驗上試樣為451.2試驗計劃1.2.1試驗結果與分析在MMW-1A摩擦磨損試驗機上進行摩擦試驗,不同粗糙度值的下試樣表面如圖1所示。每組摩擦副在載荷為50N(壓力為0.4MPa)進行摩擦試驗,試驗中將摩擦副浸在潤滑油中,以保證達到富油潤滑條件。試驗中用到的潤滑油為30號通用型機械潤滑油,在室溫下,30號通用型機械潤滑油的運動黏度約為29mm圖2示出了當下試樣接觸表面粗糙度為Ra=0.15μm,轉速為100r/min時的摩擦因數隨時間變化的曲線?？梢钥闯?摩擦副在運行5min之后,摩擦因數基本趨于穩(wěn)定,基于此,每組摩擦副在不同轉速下均持續(xù)運行5min。后續(xù)的結果分析都是基于每組試驗的平均摩擦因數來展開的。1.2.2表面光滑試驗1.2.2.坑面積電阻率對表面性能的影響試驗主要考察在富油潤滑的情況下,初始表面粗糙度值、微凹坑深度、微凹坑面積占有率對摩擦副表面的摩擦性能的影響,分別用A、B、C表示這3個因素。這3個因素可以取相應的水平,并可以組合成很多組合,但是考慮到試樣的準備和試驗結果的后續(xù)處理,選擇3水平,因素水平表如表2所示。1.2.2.2.試驗計劃試驗中,按照試驗數較少原則,選用L9(31.2.2.微凹坑織構的尺寸試驗利用二極管泵浦ND∶YAG激光器及“單脈沖同點間隔多次”的方法在不同粗糙度表面上加工出具有規(guī)律分布的微凹坑形貌。激光重復頻率為1.6kHz,泵浦電流為18.4A,具體微凹坑織構的尺寸及分布如表4所示。當凹坑深度h將加工完成的下試樣裝夾在MMW-1A摩擦磨損試驗機上進行摩擦試驗,試驗工況為:在富油潤滑條件下,載荷為50N(壓力為0.4MPa),轉速分別為50、100、200、400、600r/min。上述每組試樣都是從最低速度開始,每個轉速下持續(xù)運轉5min后增加一次,達到最大速度為止。2結果與分析2.1粗糙度對未織構表面摩擦因數的影響根據運動速度、單位面積法向載荷、潤滑劑黏度三參數與摩擦因數μ之間的關系可以繪制成Stribeck曲線,當載荷和黏度一定時,速度與摩擦因數的關系曲線與Stribeck曲線相似。圖5示出了根據每組試樣所對應的試驗結果繪制的Stribeck曲線。可以看出,隨著速度的增大進入混合潤滑區(qū)域,接觸表面粗糙度值越大,對應的摩擦因數越小。就表面粗糙度較大(Ra=0.55μm)的下試樣所對應的Stribeck曲線而言,摩擦因數更快地達到谷底,這說明在粗糙度值比較大的表面,邊界潤滑很快會轉變?yōu)榛旌蠞櫥７治銎湓蛑饕窃诨旌蠞櫥瑓^(qū)域中,未織構粗糙表面上摩擦力的形成主要是靠微凸體接觸,粗糙表面上存在的凹凸體或凹槽,可以起到存儲潤滑油或者磨粒的作用,從而提高摩擦副表面的摩擦潤滑性能。從圖中還可以看出,Ra=0.55μm的表面處于谷底范圍大于其他粗糙表面,這是因為在流體潤滑區(qū)域,表面粗糙度的影響就變得微弱,在相同的操作條件下,越粗糙的表面需要更長的時間,去達到可以忽略表面粗糙度的階段,從而使得混合潤滑區(qū)域寬度變大。2.2粗糙度表面織構化圖6分別對比了初始粗糙度在同一區(qū)間的織構化表面和未織構表面的Stribeck曲線。從圖6(a)可以明確地看出,當表面粗糙度值較小時,隨著速度的增大,織構化的粗糙表面與未織構的粗糙表面的摩擦因數都在減小,但織構化表面比未織構表面更早進入混合潤滑狀態(tài)。同時,從圖中可以看出存在合適的微凹坑織構,能夠顯著提高粗糙表面的摩擦性能。同樣在圖6(b)、(c)中,織構化粗糙表面的摩擦因數隨速度增大而減小,但是幅度不是很明顯。對比圖6(a)、(b)、(c)可以看出,在粗糙度值較小的表面,微凹坑織構減摩的作用比較明顯。這可能是因為當織構化粗糙表面的初始粗糙度值過大,抑制了微凹坑的流體動壓效應,從而導致表面摩擦潤滑性能變差。2.3a極差值對結果的影響基于前面試驗結果得到的Stribeck曲線,選擇混合潤滑狀態(tài)下,各個織構化粗糙表面的摩擦因數,即最小摩擦因數作為一個試驗數。具體分析結果如表5所示。用直觀分析法對試驗結果進行探討,通過表5中的試驗數據結果可以看出1號試驗摩擦因數值最小,A極差值對應著試驗因素對試驗結果指標的影響程度,差值越大,該因素對結果影響越大。試驗據極差可以得到在混合潤滑狀態(tài)下,加工參數對于摩擦副表面摩擦性能影響的重要程度為:表面初始粗糙度最為重要,其次是微凹坑的面積率,最后是深度,同時3種試驗因素之間的交互作用也不可忽略。3表面粗糙度和微凹坑織構化(1)在混合潤滑區(qū)域,表面粗糙度對摩擦性能的影響最為明顯,存在一個最佳的粗糙度值使得摩擦表面的摩擦因數達到最小。這是因為粗糙表面存在的凹凸體或凹槽起到了凹坑或凹槽織構的作用,大大提高了摩擦副表面的摩擦性能。(2)在特定的工況下,存在合適的微凹坑幾何參數與表面初始粗糙度值組合,使得織構化粗糙表面的摩擦性能達到最優(yōu)。當織構化粗糙表面的初始粗糙度值過大時,則將會抑制微凹坑織構