基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展_王素华

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展王素华,吴新跃海军工程大学摘要:表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。

本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。

关键词:表面织构技术;摩擦学性能;应用中图分类号:TG174.4;TH117文献标志码:AResearch on Applications of Surface Texturing Based on TribologyWang Suhua,Wu XinyueAbstract:Surface texturing has generate controlled opti mal shapes and locations of micro-dimples,that could i mprove the overall tri bological performance.The geometrical parameters and techniques of surface texture were introduced.The applications of surface texturin g like mechanical parts,material processi ng,magnetic storage and friction braking were reviewed.Some potential researches on surface texturing were put forward.Keywords:surface texturing;triblogical properties;application1引言摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一,据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损引起,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失[1]。

因此摩擦磨损问题越来越引起人们的重视。

在表面摩擦学性能的研究中,表面织构技术在改善表面摩擦磨损性能方面起到了积极的作用,在机械部件、材料加工、磁性存储器等方面的研究已取得了一定的成果。

2表面织构2.1表面织构几何参数所谓表面织构(Surface Texturing),又称表面微造型,是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵[2]。

表面织构的几何参数主要包括几何形状、深度和形貌分布。

常见的几何形状有圆形、矩形、六边形的凹坑、平行或成网状分布的槽形。

分布包括织构在表面的位置、分布的几何形状以及微细形貌的密度。

在所有参数中,织构尺寸和深度的比值对摩擦性能的影响较大,织构不同的分布方式对摩擦性能也有重要影响。

2.2表面织构加工方法在表面织构技术的发展过程中,出现了各种各样的方法,目前普遍使用的有激光表面织构技术(LST)[3]、LIGA技术[4]、反应离子蚀刻技术(RIE)[5]、压刻技术[2]、数控振动机械加工技术[6]和电解加工技术[7]等。

激光表面织构技术(LST)是利用纳秒或飞秒激光在工件表面加工一定形状和分布的微细形貌的过程。

该技术以其制造加工速度快,对环境无污染以及优良的形状、尺寸控制能力被认为是表面织构领域颇为成功的织构方法之一[3]。

目前我国对于表面织构的加工多采用激光织构技术。

LIGA和RIE技术均是由应用于微机电系统(ME MS)或集成电路(IC)的微制造技术发展而成,其本质是将掩膜上的图形转移到工件表面上的技术。

两种技术均可加工多种表面形状,精度较高,但加工过程比较复杂,成本较高[4,5]。

压刻技术是指利用纳米压痕仪的金刚石压头或其他各种硬度较高的工具,通过压刻工艺,在零件表面制造规则排列的各种微观形状。

加工的表面微观形状由压印工具表面的形貌决定。

试验结果证明,该方法能够有效地在零件表面加工出所设计的表面织构[2]。

数控振动加工技术是将被加工工件装在数控机床主轴上,加工装置沿轴向和径向进给,并利用工具头上低频振动在工件表面加工微坑的技术。

该技术方法简单,效率较高[6]。

电解加工是利用金属在电解液中可发生阳极溶解的原理去除多余材料,将零件加工成形的制造技术,具有生产效率高、工序简单、加工质量好、工具阴收稿日期:2011年5月极没有消耗等优点[7]。

3表面织构的应用3.1表面织构在机械部件方面的应用表面织构改善摩擦副摩擦学性能的研究开始于机械密封,目前主要是对机械密封、滑动轴承、活塞环和缸套等部件的研究,其作用是增加膜厚、提高承载能力、降低摩擦因数;对于储油槽,表面织构为边界润滑或混合润滑时的表面提供润滑;对于储屑槽,表面织构可减小磨损。

以色列的Etsion I.[8-10]及其合作者在激光织构端面机械密封方面做了大量的工作,首先利用理论模型在机械密封静环表面加工不同直径、深度和间距的球形微坑,考察其对密封性能的影响。

其后在表面全部激光织构,通过试验与光滑表面的密封比较,在运行3个月后,光滑的密封面可看到磨损痕迹,而经过织构的机械密封表面丝毫无损。

随后的研究着重于采取表面局部织构提高密封性能。

我国学者于新奇、彭旭东等人在表面织构改善密封性能方面也做了大量的工作。

于新奇[11,12]考察了球形表面织构对密封开启力、液膜刚度、摩擦扭矩和端面温升等方面的影响。

彭旭东[13]研究了矩形面、椭圆面、球缺面和抛物面等4种不同型面微孔的几何结构参数对端面开启力、液膜刚度和摩擦扭矩等的影响,给出了最大液膜刚度条件下微孔的最优面积密度和最优深径比。

结果表明,矩形型面织构拥有最佳的综合性能。

Brizmer V.[14]利用理论模型比较了推力轴承全面织构和局部织构的承载能力。

局部织构时,微坑密度无最佳值。

承载能力随微坑密度的增加而增加。

全面织构时密度分布最佳值为0.13。

局部织构可提高轴承的承载能力,相当于阶梯轴承。

Stephens L.S.[4]利用LIGA技术在推力轴承表面制造六角形凸台,通过摩擦试验表明全膜润滑条件下摩擦因数降低了14%-22%。

建立的理论模型表明合理设计织构参数可减小摩擦因数60%。

王晓雷[5]模拟推力轴承的条件,在SiC表面利用RIE技术织构阵列的微坑,考察微坑对从动压润滑向混合润滑转变时临界载荷的影响。

结果表明最佳织构参数可将承载能力提高2倍。

Pettersson U.[15]在活塞表面利用雕刻技术加工了不同间距的平行槽和网状槽,并与光滑表面进行比较。

试验表明,最初光滑表面试样摩擦因数较高,在1000个循环后摩擦因数相差不大,但织构表面摩擦波动幅度显著较小。

袁明超[7]取活塞环与缸套的片断,通过电解加工技术,在活塞环试件表面加工出规则分布的微米级凹坑阵列。

通过实验探究该凹坑阵列对活塞环/缸套摩擦性能的影响。

结果表明,表面织构的直径以及深度是提高活塞摩擦性能的两个重要参数。

而在不同面积密度下,各个深度的织构表现出不同的摩擦学性能。

随着面积密度变化,具有最优减摩效果的深度也不同。

符永宏[16]模拟内燃机凸轮/滚轮工况条件,考察了多种激光织构形貌试样表面的摩擦磨损特性。

试验表明:与光滑试样相比,激光织构试样表面的耐磨性和抗擦伤性得到提高。

在线接触油润滑条件下,表面凹坑对润滑的减摩效果明显,而凹槽效果相反。

凹坑深度和断续槽的斜度各有一个最佳值,深度或斜度在这个最佳点附近,减摩效果最好。

王玉洁[17]和吕尤[18]分别在齿轮上面激光加工凹坑和网状槽织构,采用齿轮台架负荷运转试验法进行齿轮疲劳强度试验。

结果表明两种织构的齿轮抗疲劳性能均明显优于普通形态齿轮。

3.2表面织构在材料加工方面的应用(1)刀具制造刀具磨损主要发生在切削刀具的前刀面和后刀面上,前刀面磨损主要是切屑在前刀面上滑动引起,由于摩擦高温和高压作用,使前刀面上靠近切削刃处磨出月牙洼,后刀面磨损则是由工件新加工的表面与后刀面摩擦引起。

张远志[19]最早在2000年提出了在车刀上磨出减摩槽、降低切削力的方法。

实验表明当减摩槽参数一定,进给量增大到一定量时,减摩槽能减少刀)屑之间紧密接触区的面积,从而减小摩擦力,达到降低切削力的效果。

木夏本俊之[20]在DLC涂层刀具表面(前面)设计出具有微槽形状的切削刀具,使切削液既能在槽部良好地保持下来,又容易从外部流入。

实验表明:刀具回转角为105b时,前刀面的摩擦因数由普通DLC刀具的0164降至0157,同时通过在刀具表面加工微槽形状,刀具表面因切削液带来的良好润滑性能基本上保持稳定,进而可以减少切削力。

Kawase gi N.[21]通过飞秒激光在前刀面上分别加工了与切屑流动方向垂直和平行的槽,并在少量润滑情况下考察了切削铝合金的能力。

结果表明,在转速较高时,微槽减小了切屑与前刀面的摩擦,从而减小了切削力。

该效应与织构的方向有密切的关系,织构垂直于切屑方向的效果好于平行方向。

Shuting L.[22]在刀具上分别加工了直径为70L m和200L m的孔,在干切削、带切削液(前两者不带微孔)、微池带润滑油和微池固体润滑四种方式下切削加工,考察刀)屑接触长度和切屑形貌。

通过试验和有限元分析发现,在刀具上加工微孔不影响刀具的机械强度,并可减小切削力10%-30%,刀)屑接触长度减小30%。

宋文龙[23]通过在前刀面月牙洼磨损区域加工装填MoS2固体润滑剂的微孔,制备了YG8微池润滑刀具。

通过对45钢进行的干切削试验发现,微池刀具前刀面小孔中的润滑剂受热膨胀及切屑摩擦挤压作用析出,在前刀面表面拖覆形成固体润滑层。

润滑剂直接渗入到刀)屑接触区域,从而起到减摩润滑作用,改善刀具基体减摩抗磨性能。

(2)金属成形常见的金属成形包括了锻造、轧制、拉拔、挤压等工艺。

受到金属摩擦的影响,冲头和模具在磨损后精度容易受到影响,利用表面织构技术可以提高冲头和模具的耐磨性能。

Geiger M.[24]利用激光在冷锻模具表面加工不同面积密度的微坑,并通过镦粗试验与非织构、涂层模具表面进行比较。

他发现,微坑面积密度为10%时可提高寿命145%,密度为20%时可提高寿命169%,这说明激光织构单独提高了模具的寿命,而不是激光处理引起材料的变化起作用。

Costal H. L.[25]利用光化学技术在模具表面加工了微坑和凹槽,在油润滑状态下拉拔不锈钢工件,测量摩擦力和观察变形钢丝表面,发现摩擦性能显著受到织构形状及与拉伸方向是否一致的影响。

面积密度较小的微坑并不能提高模具的摩擦性能,而面积密度较大的凹槽(约为25%)可提高摩擦性能,其中垂直于拉伸方向的凹槽可作为润滑油的存储器,产生微弹流润滑,显著减小摩擦。

Yuanjie Wu[26]在冷锻模具表面分别织构凹坑和凹槽,并进行了铝环和钢板冷锻试验。