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:A

Research on Applications of Surface Texturing Based on Tribology

Wang Suhua,Wu Xinyue

Abstract: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;application

1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。结果表明激光织构可控制界面摩擦,防止油膜破裂。不管使用哪种润滑剂,织构均可减小摩擦因数,在无润滑时,摩擦因数主要与接触面积有关。一般条件下,摩擦因数为1.0,而带有粗和细织构的表面由于接触面积减小,摩擦因数降到0.5和0.4。杨卓娟等人[27]利用数控激光刻花机分别对定径辊和挤压辊加工凹坑式和网格状非光滑形态,并进行现场试验。结果表明其与相同材料、相同架次的轧辊相比,非光滑表面轧辊表面磨损较小,耐磨性能显著提高,使用寿命提高2倍左右。

3.3表面织构在磁存储设备方面的应用

硬盘驱动器是目前常用的一种磁存储设备,其存储和读取是通过磁头与高速旋转的磁盘之间的相对运动来实现的。为了提高磁盘的存储密度,就要求磁头与磁盘之间尽可能靠近,磁头飞行高度低于几纳米,此时磁头与磁盘容易发生接触,造成磁头和磁盘破损,数据出现丢失现象。因此,对磁头承载面结构优化设计,保证磁头工作时的动静态性能具有重要的意义。目前,部分学者采用表面织构的方式提高磁头和磁盘的动力学特性。

Taga wa N.[28]利用数学模型分别在双轨滑块磁头的滑轨表面建立横向和纵向的矩形凹槽,考察了表面织构对气膜动态特性的影响。结果表明横向织构在三种振动模式下均可有效提高气膜阻尼系数,但对气膜刚度无影响,而纵向织构无此效应。合理设计横向织构的间距和深度可有效提高气膜阻尼。Zhou L.[29]采用离子束溅射和磁控溅射技术在磁头滑块表面加工/岛形0织构,通过飞行高度的测量和激光)多普勒干涉仪比较织构表面和光滑表面的/飞行能力0,利用椭圆偏振光谱仪考察润滑剂的重新分布现象。结果表明,与光滑滑块相比,带有织构的滑块飞行高度受速度影响很小,同时在/近接触0条件下振动和润滑剂的损耗都有所降低。

Suh A.Y.[30]通过比较几种常用表面织构方法,采用/预先0织构方法在不改变滑块表面原始粗糙度的条件下减小接触面积和/粗化0表面,并通过试验考察了低飞行高度(<5nm)条件下织构对界面粘着力和摩擦力的影响。结果表明/预先0织构可有效减小界面之间的粘着和摩擦,随后的准动态模型模拟也证实了该结果。Tonder K.[31]利用数值模型分析了锯形、正弦形、矩形凹槽织构对滑块承载能力和刚度的影响,提出在普通的平行滑块出口区织构横向凹槽、入口区织构纵向凹槽可得到以下的性能:产生与现在常用滑块相近的承载能力,可获得与飞行高度相对应的刚度,且织构容易制造。

Murthy A.N.[32]建立了大努森数下织构对空气轴承滑块影响的数值模型。首先在与磁盘平行的滑块表面织构,研究织构位置、尺寸和密度对压力的影响,获得最佳参数;然后在带倾角的多轨式磁头中间滑块表面织构,考察了稳态下实际滑块的飞行特性。结果表明织构对滑块的影响与倾角有关,如果倾角小于临界角,表面织构会提高承载能力。相反地,当倾角大于临界角时,表面织构降低了临界倾角上的承载能力。通过动力学分析同时发现表面织构可提

高飞行高度、气膜刚度和阻尼。采用表面织构的方法还可用于磁带的设计上,如在磁带导向装置上采用激光表面织构可有效促进空气轴承的形成,减小摩擦因数[33]。

3.4表面织构在摩擦制动方面的应用

对大部分摩擦副来讲,要求减小摩擦因数,提高减摩耐磨性能,而在某些方面(如刹车制动等)则需增加摩擦性能,合理选择表面织构同样可以提高摩擦性能。宋起飞[34]模仿动物体表形态,在试样表面通过激光雕刻出有规则分布的凹坑以及条纹等表面织构,在摩擦磨损试验机研究了带表面织构材料的摩擦磨损性能。结果表明:带表面织构材料的耐磨性较光滑表面提高1倍以上,摩擦因数提高66%以上;当表面织构硬度越高、直径越大、间距越小时,其耐磨性能越好,摩擦因数越大。

山东重汽公司车队的现场试验发现:在运行5个月后,实验开始时初装的两只普通制动毂已失效,表面织构的制动毂仍正常,表明其寿命提高50%[35]。陈旭[36]仿效螽斯及树蛙足垫的微观结构,在丁苯橡胶表面加工出与其相似的表面形态,并利用摩擦试验平台,对所加工的橡胶试样进行摩擦试验,结果表明带织构橡胶表面具有较强的摩擦或附着性能。该工作对汽车轮胎胎纹的设计具有实际意义。

4结语

本文主要阐述了表面织构在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,表明合理的设计织构参数可以有效改善摩擦学性能。目前,表面织构技术在工业领域的发展较快,但还存在许多不足。未来应着重从以下几方面开展对表面织构的研究:

(1)对表面织构的研究主要基于理论和实验室研究,因此大部分为模拟条件,应用到实际设备上的研究尚少,应加强实际运行环境下表面织构的研究。

(2)目前大部分的研究着眼于全面润滑方式,应将润滑油的添加剂技术、表面涂层技术和表面织构技术有机结合起来,提高材料在贫油润滑或高速运转条件下的摩擦性能。

(3)激光织构技术由于其优异的性能应用范围广泛,但其表面形状主要为球状,应加强对激光织构技术的机理研究,在表面加工出不同类型的形状,同时应加强激光织构对材料组织和性能影响的研究。

(4)表面织构技术目前主要应用在工业领域,应加强在医学等其他领域的研究;同时应有效地发展各种精度较高、成本较低、加工容易的表面织构技术。

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第一作者:王素华,博士研究生,讲师,海军工程大学船舶与动力学院,430033武汉市

First Author:Wang Suhua,Doctoral Candidate,Lecturer,Co-l lege of Naval Architecture and Power,Naval University of Engineer-ing,Wuhan430033,China

20年内我国机械制造业将由大到强

在日前召开的2011年中国机械工程学会年会开幕式上,全国人大常委会副委员长路甬祥表示我国机械制造业既面临其他新兴发展中国家的低中端竞争,又面临美国等发达国家重振先进制造业的压力,它将迎来新的发展战略机遇和挑战。

路甬祥认为,在信息化时代,机械制造仍是国家发展的基础性、战略性支柱产业。提升自主创新能力,发展先进制造产业,实现由制造大国向制造强国的跨越,为发展方式转变、产业结构调整、战略性新兴产业提供先进装备;为提升国际竞争力和可持续发展能力,保障国家安全提供有力支撑,其战略意义毋庸置疑。

路甬祥对未来20年装备制造技术和产业发展进行了展望。为了应对资源环境压力和全球竞争合作的要求,随着知识文明时代人类发展理念的进化和科学技术的创新,制造技术和产业也将发生重大变革。中国机械工程学会组织编写的5中国机械工程技术路线图6,科学地预测了未来20年机械工程技术的发展趋势是绿色、智能、超常、融合和服务。未来10-20年是我国实现由制造大国向制造强国转变的关键时期。为了实现这一目标,应当大力推进制造产业优化升级,夯实产业基础,大力培育新兴产业,做大做强优势产业,提升自主创新能力,整合区域资源配置。该5路线图6中提出的实现制造强国之路的关键要素是创新、人才、体系、机制和开放。在体现创新方面,必须要重视原始创新,没有原创突破,难以在全球竞争中引领世界市场。必须注重集成创新,提高先进制造技术的系统集成能力。

路甬祥说,与中部崛起的整体进程同步,湖北省装备制造业在创新中求发展,涌现出武重机床、华中数控等一批具有自主知识产权、核心技术和竞争力的装备制造企业。近年来,湖北省积极布局战略性新兴产业,高端装备制造成为新增长点。太阳能电池、节能设备、风电设备、高端激光器及成套设备等均处于国内领先,比肩国际。武汉造船、武桥重工等企业实现较快增长。以/武汉0、/荆宜0、/襄十0(即武汉城市圈、荆州和宜昌、襄樊和十堰)三大装备制造业集聚区为代表的产业集群,已成为全国重要的先进装备制造业基地。装备制造在湖北工业中的占比达30%以上,地位十分重要。在实现制造业的升级、跨越发展中,湖北完全可以继续发挥优势,在中部崛起中发挥骨干作用,率先实现制造业由大到强的转变。