溝槽型織構(gòu)表面接觸表面摩擦學(xué)性能研究

減少機(jī)械零件的摩擦磨損，提高材料表面的摩擦性，一直是摩擦師的研究重點(diǎn)。1平行溝槽型織構(gòu)模擬考慮到溝槽型織構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方向所成角度不同可能對(duì)織構(gòu)的減摩效果不同,作者通過(guò)有限元軟件模擬了不同角度的平行溝槽型織構(gòu)。圖1為溝槽型織構(gòu)數(shù)值模擬單元,其中與潤(rùn)滑液流動(dòng)方向平行的平面設(shè)定為對(duì)稱邊界,與潤(rùn)滑液流動(dòng)方向垂直的平面設(shè)定為周期邊界,上下面設(shè)定為壁面。圖1中各參數(shù)分別為:油膜厚度h1.1不同角度下,織構(gòu)表面的壓力分布隨溝槽方向的變化圖2給出4種角度(運(yùn)動(dòng)方向與溝槽的夾角)的平行溝槽幾何模型和壓力分布圖。從圖2可以看出,不同角度的溝槽型織構(gòu)對(duì)摩擦副表面壓力的影響不同。當(dāng)角度為0°和90°時(shí),正負(fù)壓區(qū)的壓力對(duì)稱分布,當(dāng)角度為30°和60°時(shí),其壓力分布沿溝槽方向呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì),這是因?yàn)榭棙?gòu)表面的相對(duì)速率既有垂直于溝槽方向分量,也有平行于溝槽方向分量。圖3給出了不同角度時(shí),正壓區(qū)的平均壓強(qiáng)(即壓力值)大小,可以看出當(dāng)角度為0°,即溝槽方向與運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí),溝槽型織構(gòu)幾乎不能產(chǎn)生有效正壓力。隨著偏移角度增大,正壓力逐漸增大。當(dāng)角度為90°,即織構(gòu)方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí),有效正壓力最大,達(dá)到了16500Pa左右,可提供最大油膜承載力。當(dāng)溝槽方向與運(yùn)動(dòng)方向所成角度為0°~90°時(shí),織構(gòu)提供的承載力介于最小與最大值之間。1.2和30交叉溝槽型織構(gòu)正壓區(qū)的壓力分布針對(duì)圖2及圖3所示的模擬結(jié)果,根據(jù)文獻(xiàn)[17],將0°和90°平行溝槽型織構(gòu)進(jìn)行組合、30°和60°平行溝槽型織構(gòu)進(jìn)行組合,建立了如表2所示的交叉織構(gòu)幾何模型,并在條件不變的情況下對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,分別得到了0°(垂直)和30°交叉溝槽的壓力分布圖(圖4)。從圖4中可以看出,當(dāng)交叉溝槽角度為0°時(shí),正負(fù)壓區(qū)呈對(duì)稱分布,但是在溝槽處,壓力變化梯度很小;當(dāng)角度為30°時(shí),由于其速率有平行于和垂直于溝槽方向分量,其壓力分布形式相當(dāng)于表1中30°和60°平行溝槽型織構(gòu)壓力分布圖的組合。圖5給出了0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)正壓區(qū)的平均壓強(qiáng)(即壓力值)大小,可以發(fā)現(xiàn)0°時(shí)的壓強(qiáng)值比30°時(shí)的壓強(qiáng)值稍大?？傮w來(lái)說(shuō)角度對(duì)交叉溝槽型織構(gòu)的影響沒(méi)有其對(duì)平行溝槽型織構(gòu)的影響大,其中90°平行溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生了最大的承載力,而0°平行溝槽型織構(gòu)則產(chǎn)生了最小的承載力,0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生的承載力大小相差不多。2實(shí)驗(yàn)2.1機(jī)械拋光機(jī)研磨上試樣選取尺寸為ue7888.0mm×13mm的不銹鋼圓柱銷,對(duì)其表面進(jìn)行拋光處理,表面粗糙度R在激光加工織構(gòu)的過(guò)程中,可能使織構(gòu)邊緣產(chǎn)生鐵屑及毛刺,增加下試樣表面的粗糙度,從而影響織構(gòu)對(duì)接觸表面間潤(rùn)滑性能影響的判斷,故實(shí)驗(yàn)前用機(jī)械拋光機(jī)對(duì)下試樣進(jìn)行拋光,以去除下試樣表面的鐵屑和毛刺。另外,為了保證上下試樣為面接觸,實(shí)驗(yàn)前選取數(shù)目分別為3000目和7000目的砂紙代替下試樣,對(duì)上試樣進(jìn)行打磨和拋光,防止由于上試樣安裝過(guò)程中出現(xiàn)小范圍傾斜造成上試樣與下試樣只有較小面積發(fā)生接觸。打磨和拋光的過(guò)程載荷1N,速率500r/min,分別運(yùn)行30min。2.2摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)前所有試樣均依次在丙酮和酒精中各超聲清洗10min,用吹風(fēng)機(jī)吹干。旋轉(zhuǎn)摩擦實(shí)驗(yàn)在UMT-2摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,下試樣選取加工溝槽織構(gòu)的不銹鋼圓盤,并選取未加工織構(gòu)的試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),在室溫下(20℃,相對(duì)濕度41%)考察摩擦副在充分潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能。潤(rùn)滑油選用長(zhǎng)城牌汽油機(jī)油SE15W-40,旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得其黏度為20℃下0.293Pa·s,25℃下0.230Pa·s,實(shí)驗(yàn)前在各試樣表面滴兩滴潤(rùn)滑油,其體積約為2.5×103溝槽型表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能圖7為溝槽型表面織構(gòu)試樣的三維形貌圖和二維形貌圖,可以看出,溝槽的深度約5μm,且邊緣較為平整,表面粗糙度R無(wú)織構(gòu)試樣和溝槽型織構(gòu)試樣在不同速率下的平均摩擦因數(shù)如圖8所示。可以看出,整個(gè)速率范圍內(nèi)織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù)始終小于無(wú)織構(gòu)試樣的摩擦因數(shù),當(dāng)速率低于300r/min時(shí),0°平行溝槽型織構(gòu)的摩擦因數(shù)相對(duì)較小,但當(dāng)速率大于300r/min后,90°溝槽型平行織構(gòu)的摩擦因數(shù)開(kāi)始低于其他幾種織構(gòu)表面,這可能是因?yàn)?°平行溝槽型織構(gòu)不易產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)圖9為各試樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的平均摩擦因數(shù)。從圖9中可以明顯看出,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,90°平行溝槽型織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)最小,與之前數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合;無(wú)織構(gòu)試樣的平均摩擦因數(shù)最大,說(shuō)明溝槽型織構(gòu)改善了試樣摩擦學(xué)性能,減小了試樣的摩擦因數(shù)。結(jié)合圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,加工溝槽型表面織構(gòu)時(shí),應(yīng)根據(jù)不同工況條件下織構(gòu)不同角度與排布形式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行選擇圖10為試樣表面磨痕圖,其中圖10(a),(c)為無(wú)織構(gòu)表面,圖10(b),(d)為90°平行溝槽型織構(gòu)表面。從圖10(a),(c)中可以看出,無(wú)織構(gòu)表面存在較多磨屑和明顯的磨痕,這可能是由于磨粒磨損產(chǎn)生微觀切削所致;而圖10(b),(d)中加工了溝槽型織構(gòu)的試樣表面沒(méi)有明顯的磨痕,部分磨屑處于溝槽內(nèi)或溝槽邊緣,這說(shuō)明溝槽型織構(gòu)有容納磨屑的能力,有效抑制了磨屑對(duì)表面的傷害,避免了如無(wú)織構(gòu)表面一樣的磨痕出現(xiàn),這對(duì)于提高機(jī)械零件表面質(zhì)量和使用壽命是有益的。另外,對(duì)溝槽型織構(gòu)試樣表面進(jìn)行了小范圍的化學(xué)成分分析,結(jié)果顯示溝槽內(nèi)檢測(cè)到鈣、鎂等潤(rùn)滑油的化學(xué)成分,證明溝槽型織構(gòu)具有存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的能力,驗(yàn)證了溝槽型織構(gòu)儲(chǔ)油存屑,減少磨損,改善摩擦副摩擦學(xué)性能的積極作用4溝槽型表面織構(gòu)的載力和滑動(dòng)速率(1)在溝槽型織構(gòu)的數(shù)值模擬中,90°平行溝槽型織構(gòu)顯示出最好的摩擦學(xué)性能,0°平行溝槽型織構(gòu)則產(chǎn)生了最小的承載力,0°和30°交叉溝槽型織構(gòu)產(chǎn)生的承載力大小相差不多。(2)在載荷1N,滑動(dòng)