圓凹坑-球凸復(fù)合織構(gòu)激光銑削加工工藝研究

表面織物結(jié)構(gòu)是改善表面摩擦學(xué)特性的重要方法之一。常用的表面織構(gòu)類(lèi)型主要包括溝槽織構(gòu)、圓凹坑織構(gòu)、橢圓凹坑織構(gòu)等，其中圓凹坑織構(gòu)具有動(dòng)壓效應(yīng)好、應(yīng)力集中小、潤(rùn)滑油不易流失、各向摩擦學(xué)特性一致等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用更廣泛最近，Gui等鑒于此，本文將球凸加到圓凹坑內(nèi)形成一種圓凹坑-球凸復(fù)合的新型表面織構(gòu)，利用球凸在圓凹坑內(nèi)產(chǎn)生二次動(dòng)壓，進(jìn)一步提升圓凹坑織構(gòu)的摩擦學(xué)性能。相比圓凹坑織構(gòu)，復(fù)合織構(gòu)具有更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其加工存在一定難度。本文探討了激光掃描路徑、單脈沖能量和光斑間距對(duì)加工深度和表面形貌的影響，以?xún)?yōu)化激光銑削加工參數(shù)。加工了具有不同球凸高度的復(fù)合織構(gòu)，與圓凹坑織構(gòu)和光滑表面對(duì)比，分析球凸對(duì)圓凹坑織構(gòu)摩擦磨損特性的影響。1圓凹洞-球凸復(fù)合織物結(jié)構(gòu)及摩擦試驗(yàn)方法1.1次動(dòng)壓效應(yīng)的增強(qiáng)圓凹坑可產(chǎn)生較大的流體動(dòng)壓力，收集磨粒，儲(chǔ)存潤(rùn)滑油并防止流失，同時(shí)在相同織構(gòu)面積下與接觸面的應(yīng)力集中最小。因此綜合優(yōu)勢(shì)明顯，適用于不同工況下摩擦副表面的減摩和抗磨。球凸織構(gòu)同樣具有較好的動(dòng)壓效應(yīng)，在特定工況下甚至優(yōu)于圓凹坑織構(gòu)，但是存在應(yīng)力集中和潤(rùn)滑油易流失的問(wèn)題，特別是在潤(rùn)滑膜厚度較小時(shí)（沖擊載荷或啟停階段）易導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。若將球凸加入圓凹坑內(nèi)，則可使球凸在圓凹坑內(nèi)產(chǎn)生二次動(dòng)壓，進(jìn)一步增強(qiáng)圓凹坑織構(gòu)的摩擦學(xué)性能。因此，本文設(shè)計(jì)的圓凹坑-球凸復(fù)合織構(gòu)截面輪廓如圖1(a）所示，球凸的回轉(zhuǎn)中心與圓凹坑相同。球凸底部直徑96μm、圓凹坑直徑200μm、深度20μm。球凸高度為研究變量，分別取0、10、15、20μm。將圓凹坑的截面形狀設(shè)置為等腰梯形，以保證加入球凸后圓凹坑的深度不變。復(fù)合織構(gòu)的分布如圖1(b）所示，密度為10%，排布為正六邊形。1.2織構(gòu)盤(pán)和試驗(yàn)盤(pán)制備采用銷(xiāo)-盤(pán)面接觸試驗(yàn)研究球凸對(duì)圓凹坑織構(gòu)摩擦學(xué)性能的影響。上試樣為光滑銷(xiāo)，材料為QT450-10球墨鑄鐵，尺寸準(zhǔn)3.0mm×20.0mm，粗糙度Ra0.8μm；下試樣為光滑或織構(gòu)化盤(pán)，材料GCr15軸承鋼，尺寸準(zhǔn)35.0mm×6.6mm，粗糙度Ra0.05μm?？棙?gòu)盤(pán)激光加工后，使用4000目砂紙打磨去除凹坑邊緣毛刺，在無(wú)水乙醇中超聲清洗15min后迅速吹干，使用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量織構(gòu)深度和形貌。試驗(yàn)條件為摩擦半徑10mm、載荷200N、轉(zhuǎn)速200r/min、試驗(yàn)時(shí)間2h。試驗(yàn)開(kāi)始前在試樣盤(pán)上固定位置滴加50μL聚α烯烴（PAO6），試驗(yàn)開(kāi)始后不再滴油。試驗(yàn)結(jié)束后，采用超景深顯微鏡觀察試樣盤(pán)的表面磨損形貌。2復(fù)合織構(gòu)的加工采用納秒激光逐層銑削方法加工圓凹坑-球凸復(fù)合織構(gòu)。在激光銑削加工中保證加工形貌可預(yù)測(cè)的前提是單層燒蝕的深度均勻，但是由于光斑能量分布不均勻和材料重鑄的原因，激光加工區(qū)域的材料去除一般是不均勻的。對(duì)于圓凹坑，可通過(guò)表征單個(gè)凹坑的平均深度或最大深度來(lái)降低形貌誤差影響。對(duì)于復(fù)合織構(gòu)，需要通過(guò)控制每層燒蝕材料去除的區(qū)域和深度來(lái)控制球凸的截面輪廓，若每層燒蝕的深度不均勻，則必然導(dǎo)致織構(gòu)形貌難以控制，加工誤差大。因此，需要研究激光掃描路徑、單脈沖能量和光斑間距對(duì)織構(gòu)深度和表面形貌的影響，獲得實(shí)現(xiàn)均勻材料去除的銑削參數(shù)，以減小加工的復(fù)合織構(gòu)實(shí)際形貌與設(shè)計(jì)的誤差。2.1b路徑下圓凹坑深度和厚度分布本節(jié)在單脈沖能量17μJ、光斑間距2μm、分層數(shù)28層的條件下，研究不同掃描路徑對(duì)織構(gòu)形貌的影響。圖2表示不同的激光掃描路徑。A是往復(fù)水平線掃描、B是往復(fù)垂直線掃描、C是變角度直線掃描（每層掃描完成進(jìn)行下一層掃描時(shí)路徑方向旋轉(zhuǎn)45°）、D是由外到內(nèi)的螺旋線掃描。不同掃描路徑下的圓凹坑形貌如圖3所示?？煽闯觯珹掃描路徑下圓凹坑中間存在明顯的方形凸起，在凸起的下方凹坑深度較淺，而凸起左右和上方凹坑深度較深，加工深度極不均勻。圓凹坑深度由下到上增加的原因是激光加工圓凹坑下方時(shí)，光斑邊緣對(duì)圓凹坑上方待加工材料起預(yù)熱作用，且越靠近上方區(qū)域預(yù)熱次數(shù)越多，溫度越高，導(dǎo)致加工深度越大。由于高溫下材料飛濺和堆積嚴(yán)重，且圓凹坑上方的中間加工面積比兩邊大，因此出現(xiàn)中間方形凸起。B路徑下形貌與A類(lèi)似，進(jìn)一步證明深度分布的差異是掃描方向不同導(dǎo)致的。C路徑下底部形貌較A和B平坦，原因是在前后兩層掃描中路徑方向旋轉(zhuǎn)45°，底部形貌變化也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，多次旋轉(zhuǎn)路徑加工后形成的底部較平坦。D路徑下深度分布呈“V”字形，這與螺旋線外側(cè)光斑重疊率始終小于螺旋線內(nèi)側(cè)導(dǎo)致能量分布由邊緣到中間逐漸增加有關(guān)。圓凹坑邊緣由于重疊率較低，能量始終無(wú)法達(dá)到材料燒蝕閾值，因此實(shí)際直徑比設(shè)計(jì)的小。為保證材料去除的均勻性，復(fù)合織構(gòu)的加工應(yīng)選用變角度直線掃描路徑。2.2預(yù)熱加工區(qū)域的影響本節(jié)在變角度直線掃描路徑和28分層數(shù)下，研究激光單脈沖能量和光斑間距對(duì)深度和表面形貌的影響。在單脈沖能量10～40μJ，光斑間距在1～6μm時(shí)，圓凹坑深度的變化如圖4所示?？煽闯觯S光斑間距增大和單脈沖能量減小，凹坑深度逐漸下降，且下降的幅度逐漸減小，這與激光能量難以達(dá)到材料的燒蝕閾值有關(guān)。在大間距和低能量脈沖作用下，光斑經(jīng)過(guò)時(shí)表層材料吸收的能量不足以達(dá)到氣化溫度，材料只發(fā)生熔化。在光斑經(jīng)過(guò)后，熔化材料的能量會(huì)向周?chē)牧蟼鬟f而溫度迅速下降重新凝固，造成能量損耗。實(shí)現(xiàn)材料的去除需要多次地預(yù)熱待加工區(qū)域，使吸收的能量達(dá)到材料的燒蝕閾值。間距越大，脈沖能量越低，需要的預(yù)熱次數(shù)更多，預(yù)熱時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致能量向加工區(qū)域周?chē)牧蟼鬟f導(dǎo)致的損耗增加，因此深度變化逐漸趨于平緩。圖5為單脈沖能量和光斑間距對(duì)底部形貌的影響。選取織構(gòu)深度接近20μm的4組參數(shù)分析單脈沖能量和光斑間距對(duì)底部形貌的影響?？砂l(fā)現(xiàn)，4組參數(shù)下織構(gòu)的底部形貌均呈中間略微不規(guī)則凸出的特征，不同單脈沖能量下底部輪廓的最大高度差相差較小，而不同光斑間距下的差別較大。在激光掃描中，由于低能量的光斑邊緣對(duì)待加工區(qū)域的預(yù)熱作用，必然導(dǎo)致掃描后的凹坑深度不均勻，多次改變掃描路徑方向雖然可在一定程度上降低不均勻性，但是無(wú)法徹底消除相關(guān)的因素，因此凹坑必然呈中間略突的特征。光斑間距不變，單脈沖能量增加時(shí)，光斑經(jīng)過(guò)加工區(qū)域不同位置的時(shí)刻不變只是輸出的能量增大，整體上不同位置吸收的能量成比例增加，因此，加工后凹坑的深度增加但是底部高度差不變。在激光頻率固定時(shí)，光斑間距與掃描速度有關(guān)，激光達(dá)到掃描速度需要經(jīng)過(guò)加速過(guò)程，因此存在加速段光斑較密集，能量密度較大的問(wèn)題。在單脈沖能量不變，光斑間距增大時(shí)，織構(gòu)邊緣與中間接收能量差異越大，因此材料去除不均勻更明顯。然而，光斑間距過(guò)小，將導(dǎo)致織構(gòu)深度顯著增加，分層數(shù)減小，形貌擬合程度下降。為保證加工精度，單脈沖能量和光斑間距應(yīng)分別設(shè)置為23μJ和2μm。2.3圓形非加工區(qū)域利用變角度直線掃描路徑，在單脈沖能量23μJ和光斑間距2μm條件下，調(diào)整分層數(shù)便可以精確控制深度。球凸的加工可通過(guò)在掃描路徑中設(shè)置不同直徑的圓形非加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。不同球凸高度的復(fù)合織構(gòu)激光銑削形貌如圖6所示，虛線表示理想輪廓?？棙?gòu)側(cè)面的輪廓與理想輪廓擬合較好，織構(gòu)底部和球凸的輪廓?jiǎng)t存在一定的加工誤差。原因一方面是激光掃描直線若經(jīng)過(guò)球凸會(huì)中斷，所以激光加速段能量密度過(guò)大會(huì)影響實(shí)際燒蝕范圍和深度；另一方面是加工過(guò)程中飛濺材料在球凸上堆積導(dǎo)致輪廓改變。整體上，實(shí)際與設(shè)計(jì)輪廓的誤差較小，證明單層材料的均勻去除可保證激光銑削加工輪廓與設(shè)計(jì)相符。3摩擦學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果與分析3.1表面織構(gòu)化的影響圖7為光滑、圓凹坑和復(fù)合織構(gòu)表面試驗(yàn)過(guò)程的摩擦系數(shù)變化。可看出，光滑表面的摩擦系數(shù)在初始階段較穩(wěn)定，在30min后逐漸上升到0.7左右且出現(xiàn)較大波動(dòng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的平均摩擦系數(shù)是0.0670。在試驗(yàn)中，摩擦副的光滑表面之間逐漸磨合貼緊，導(dǎo)致潤(rùn)滑油難以進(jìn)入接觸界面，表面粗糙峰直接接觸，二體磨損加劇，因此摩擦系數(shù)較大，甚至出現(xiàn)急劇上升和劇烈波動(dòng)的情況。圓凹坑織構(gòu)表面摩擦系數(shù)較光滑表面小且穩(wěn)定，平均摩擦系數(shù)為0.0420，較光滑表面下降37.3%，說(shuō)明圓凹坑織構(gòu)可以產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力，增大膜厚，降低摩擦系數(shù)。在試驗(yàn)前30min，復(fù)合織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)較圓凹坑織構(gòu)表面的小，且隨著球凸高度增大，減摩性能增強(qiáng)。在試驗(yàn)30min后，球凸高度10μm的復(fù)合織構(gòu)表面摩擦系數(shù)上升到超過(guò)圓凹坑織構(gòu)的；并在70min后再次上升到與光滑表面相當(dāng)，其試驗(yàn)過(guò)程的平均摩擦系數(shù)較圓凹坑織構(gòu)的大22.6%。而球凸高度15、20μm的復(fù)合織構(gòu)表面摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)且前者的下降速度更快。這可能是前者的摩擦系數(shù)較大，在摩擦熱和剪切作用下試樣銷(xiāo)表面的石墨析出較多，因此摩擦系數(shù)下降更快。球凸高度15、20μm的復(fù)合織構(gòu)表面摩擦系數(shù)較圓凹坑織構(gòu)表面的分別下降36.7%和41.0%，證明適當(dāng)高度的球凸可產(chǎn)生二次動(dòng)壓，增大圓凹坑織構(gòu)產(chǎn)生的附加動(dòng)壓力。3.2接觸界面分析試樣盤(pán)的磨損形貌如圖8所示。由圖8(a）可知，光滑表面的磨痕兩側(cè)存在大量的深犁溝，這是試驗(yàn)過(guò)程中接觸界面產(chǎn)生的金屬磨損顆粒難以及時(shí)排出導(dǎo)致的；中間存在嚴(yán)重的材料粘著，原因是試樣銷(xiāo)中間部分與試樣盤(pán)的接觸面積更大，在接觸表面磨合貼緊后干摩擦更劇烈，溫度升高更快，因此接觸表面發(fā)生冷焊和材料剝落。由圖8(b）可知，圓凹坑織構(gòu)表面存在均勻分布的石墨，證明存在接觸表面粗糙峰的直接接觸導(dǎo)致的二體磨損；織構(gòu)內(nèi)無(wú)明顯的磨粒堆積，磨損較輕微，證明圓凹坑可以有效降低磨損。由圖8(c）可知，球凸高度10μm的復(fù)合織構(gòu)表面存在犁溝，織構(gòu)內(nèi)存在大量的磨粒，表面磨損較嚴(yán)重，原因可能是球凸高度過(guò)低，織構(gòu)內(nèi)的金屬磨粒易在潤(rùn)滑流體作用下通過(guò)球凸重新回到接觸界面加重磨損。由圖8(d）可知，球凸高度20μm的復(fù)合織構(gòu)表面無(wú)明顯黑色石墨，織構(gòu)內(nèi)未見(jiàn)磨粒，表面無(wú)明顯磨損痕跡，可以推斷動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)占主導(dǎo)。對(duì)比圖8(b）、（d）可推斷，合適高度的球凸可增強(qiáng)圓凹坑織構(gòu)的動(dòng)壓效應(yīng)，產(chǎn)生更大的膜厚，從而減小二體磨損。4圓凹坑-球凸復(fù)合織構(gòu)的特點(diǎn)(1）為進(jìn)一步提升圓凹坑織構(gòu)表面的摩擦學(xué)性能，提出一種圓凹坑-球