表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用

表面織構(gòu)技術(shù)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)的可靠性對(duì)于提高承受能力和服務(wù)年限非常重要。減少摩擦，提高能源利用率一直是摩擦手工人追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的摩擦學(xué)認(rèn)為,兩相互接觸的表面越光滑摩擦學(xué)性能越優(yōu)。但是,近年來的大量研究證明,表面并非越光滑摩擦學(xué)性能就越好,具有一定形貌的表面反而表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)特性。在摩擦副表面進(jìn)行造型的表面織構(gòu)技術(shù)由于能改善摩擦學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。表面織構(gòu),就是在摩擦副表面上加工出具有一定形貌的微凹坑或微凹槽,已被證明是提高表面摩擦學(xué)性能的有效手段。表面造型技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬盤、推力軸承、機(jī)械密封、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等諸多方面也得到了成功的應(yīng)用。1.1表面織構(gòu)加工技術(shù)表面織構(gòu)形態(tài)特征的種類較多,目前研究的表面織構(gòu)類型主要包括:正六邊形微凸體、方形凸體、圓形凹坑、方形凹坑、平行凹槽、交叉網(wǎng)狀凹槽等,如圖1所示。其中以研究凹坑和凹槽為主,對(duì)凸體形貌的研究較少。隨著科技的發(fā)展,表面織構(gòu)的加工技術(shù)也越來越多,主要包括:激光表面造型技術(shù)(LST)、表面噴丸處理技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(RIE)、LIGA技術(shù)、電火花加工技術(shù)、超聲波加工技術(shù)、光刻技術(shù)、電子束刻蝕和壓刻技術(shù)等。噴丸處理對(duì)環(huán)境污染較大且精度不高;反應(yīng)離子刻蝕需要借助輔助裝置;LIGA技術(shù)加工成本高;電火花加工速度慢;超聲波加工凹坑形貌分布不能靈活設(shè)置且凹坑直徑過大;電子束和光刻技術(shù)的成本較高;激光表面造型技術(shù)由于加工速度快、可以在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行且因?qū)Νh(huán)境無污染、制作簡單無需掩膜、加工成本較低、加工方便、效率高、應(yīng)用范圍廣等而得到了廣泛的使用。1.2載摩嘴唇和油液雙膜載力的作用在流體潤滑下,每一個(gè)凹坑都相當(dāng)于一個(gè)流體動(dòng)壓潤滑軸承,在摩擦副相互運(yùn)動(dòng)過程中,增強(qiáng)了流體動(dòng)壓力,促進(jìn)摩擦副表面形成流體動(dòng)壓潤滑,進(jìn)而提高摩擦副表面的承載力和潤滑油膜剛度,實(shí)現(xiàn)減摩耐磨的作用,如圖2所示。在邊界潤滑下,隨著表面的磨損和變形,凹坑的體積縮小導(dǎo)致凹坑中存儲(chǔ)的油液流出,形成擠壓膜;在相對(duì)滑動(dòng)過程中,存儲(chǔ)在凹坑中的潤滑油在摩擦力的作用下流出凹坑,起到對(duì)周圍表面的潤滑作用。在干摩擦下,表面織構(gòu)能夠起到儲(chǔ)存和容納磨屑的作用,減少由于磨屑的犁溝作用而產(chǎn)生的高摩擦磨損,如圖3所示。此外,表面織構(gòu)能夠減少摩擦副表面間的實(shí)際接觸面積,減少固體表面的直接接觸,減少表面間的粘著,達(dá)到降低摩擦、減小磨損的目的。2表面織物結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損性能的影響2.1接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目前進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置主要包括:球-盤式接觸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),球-盤式接觸往復(fù)運(yùn)動(dòng),銷-盤接觸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),銷-盤接觸往復(fù)運(yùn)動(dòng),活塞環(huán)-缸套往復(fù)運(yùn)動(dòng),以及面-面接觸平面往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。其中以銷-盤試驗(yàn)最為廣泛。2.2不同的參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響大量的研究表明,表面織構(gòu)在改善摩擦磨損性能方面能起到積極的影響,但是它會(huì)受到織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、表面粗糙度、速度、載荷等因素的影響。2.2.1織構(gòu)化的影響不同的織構(gòu)分布對(duì)摩擦學(xué)性能有不一樣的效果。Etsion等的實(shí)驗(yàn)研究表明,對(duì)平行止推軸承表面進(jìn)行部分激光造型有利于增加油膜厚度以及減小摩擦。馬晨波等的研究表明:富油條件下,上、下試件單表面織構(gòu)均能減小摩擦因數(shù),且上試件單表面織構(gòu)更有效;乏油條件下,下試件單表面織構(gòu)減小摩擦因數(shù),而上試件單表面織構(gòu)卻增大摩擦因數(shù);雙表面織構(gòu)在不同的潤滑條件下均不能減小摩擦因數(shù)。Costa等的研究表明:富油條件下,低面積率的圓形凹坑織構(gòu)無法提高表面的摩擦學(xué)性能;較高織構(gòu)密度的條狀溝槽(約為25%),垂直于運(yùn)動(dòng)方向時(shí)的摩擦因數(shù)大大減小,平行于運(yùn)動(dòng)方向時(shí)的摩擦因數(shù)不僅增大,且耐磨性差。于海武等對(duì)凹坑分布形式(如圖5所示)對(duì)織構(gòu)潤滑性能影響的研究表明,每個(gè)凹坑壓力的產(chǎn)生不是孤立的,它受到周圍凹坑的影響,在實(shí)驗(yàn)的條件下,存在一個(gè)最優(yōu)的角度α=70°,使得量綱一平均壓力Pav最大。朱華等人對(duì)變密度圓凹坑在往復(fù)運(yùn)動(dòng)下減摩作用的研究結(jié)果表明,中間區(qū)域?yàn)榈兔芏取啥藶楦呙芏鹊目棙?gòu)相比均勻分布時(shí)具有更好的減摩效果,反之則會(huì)得到相反的效果。2.2.2動(dòng)壓潤滑的影響織構(gòu)的形狀對(duì)摩擦磨損性能有重要的影響。Shinkarenko等對(duì)光滑的橡膠表面和激光造型的硬質(zhì)表面在流體潤滑下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:存在最優(yōu)的織構(gòu)面積密度和深徑比使得承載力最大,且減小了摩擦力。韓中領(lǐng)等對(duì)凹坑表面形貌在面接觸潤滑狀態(tài)下的減阻研究表明,在面接觸潤滑條件下,從乏油潤滑到全膜潤滑的過程中,當(dāng)凹坑深度和摩擦副間距大小相當(dāng)時(shí)(如圖6所示),摩擦阻力最小。Siripuram等對(duì)截面形狀分別為圓形、正方形、菱形、正六邊形以及正三角形的微凸體和微凹坑對(duì)動(dòng)壓潤滑的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:在深度不變的情況下,摩擦因數(shù)對(duì)截面形狀不敏感,但是對(duì)截面大小很敏感;泄漏率對(duì)截面形狀和截面大小都很敏感。Zum等對(duì)網(wǎng)狀溝槽和微凹坑的摩擦學(xué)性能進(jìn)行的研究表明,網(wǎng)狀溝槽具有更大的摩擦因數(shù)和更小的油膜厚度。2.2.3粗糙度的影響黃平等人研究了表面粗糙度對(duì)線接觸低彈性模量彈流潤滑性能的影響,結(jié)果表明:在小波數(shù)區(qū),粗糙度的峰高、波長和相位的變化對(duì)潤滑各特征膜厚的影響十分明顯,隨著粗糙度的波數(shù)增大,粗糙度的影響趨于穩(wěn)定;粗糙度峰高是使膜厚均值和幅值增加的根本因素,且膜厚均值和幅值基本上等于粗糙度幅值。王順等人的實(shí)驗(yàn)研究表明,表面粗糙度幅值在混合潤滑時(shí)對(duì)摩擦力的影響較大,且隨速度增加而增強(qiáng),邊界潤滑時(shí)影響很小。馬國亮等對(duì)不同粗糙度條件下硅橡膠表面織構(gòu)潤滑特性的研究表明,在較低的滑動(dòng)速度下,表面織構(gòu)會(huì)增大光滑PDMS試樣的摩擦因數(shù),但是會(huì)降低粗糙PDMS試樣的摩擦因數(shù);當(dāng)摩擦副處于混合潤滑時(shí),粗糙度并非越小越好,而是具有一個(gè)最優(yōu)粗糙度的范圍。2.2.4摩擦學(xué)性能分析速度和載荷也是重要的影響因素。Kovalchenkor等的結(jié)果表明:在較低滑動(dòng)速度下,隨著速度的增加,各鋼盤的摩擦因數(shù)都減小,表面織構(gòu)增加了油膜厚度,所以織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)明顯低于未織構(gòu)化鋼盤,但高密度織構(gòu)化鋼盤因?yàn)楸砻娲植诙鹊脑黾臃炊鼓Σ烈驍?shù)增大;在較高滑動(dòng)速度下,摩擦副表面都進(jìn)入完全流體潤滑狀態(tài),織構(gòu)化鋼盤和未織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)相差不大;織構(gòu)化鋼盤在高速、高載和高黏度潤滑油下有更好的摩擦學(xué)性能。呂文斐等的研究表明,在Hersey數(shù)較小時(shí),紋理表面試樣的摩擦因數(shù)不如光滑表面試樣,隨著潤滑劑黏度、運(yùn)行速度的增大和載荷的減小,紋理的引入才能提高材料的摩擦學(xué)性能。王順等人的研究表明,在彈流潤滑下,摩擦因數(shù)隨著速度降低而減小;在混合潤滑下,摩擦因數(shù)隨著速度降低而增大;在邊界潤滑下,摩擦因數(shù)隨速度降低變化很小并趨于某一定值。3摩擦學(xué)性能研究主要考慮和提高表面織構(gòu)目前對(duì)表面織構(gòu)的研究成果主要包括:(1)在干摩擦條件下,表面織構(gòu)能夠容納磨屑、減少犁溝,提高摩擦副的耐磨性;在有潤滑劑的條件下,有利于形成流體動(dòng)壓潤滑,起到提高表面承載力、耐磨性以及降低摩擦因數(shù)的作用。(2)織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、表面粗糙度、速度、載荷等對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能有很大的影響。(3)表面凹坑或凹槽可以儲(chǔ)存潤滑油,縮短形成潤滑油膜的時(shí)間,提高潤滑油膜的穩(wěn)定性,從而減少磨損、降低摩擦因數(shù)。從國內(nèi)外研究表面織構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看,已取得了豐碩的成果,但是缺乏系統(tǒng)性和綜合性,還需在以下幾方面進(jìn)行深入的研究和突破:(1)深入系統(tǒng)