脂潤滑條件下微凹坑表面的摩擦特性研究

李 媛， 劉小君， 王 靜， 胡兆穩

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

脂潤滑條件下微凹坑表面的摩擦特性研究

李 媛， 劉小君， 王 靜， 胡兆穩

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

文章為了探討脂潤滑條件下激光加工微凹坑表面的摩擦特性，設計并制造了5組不同的表面，其微凹坑直徑、間距相同，但深度不同，在HDM20端面摩擦磨損試驗機上，采用脂潤滑，在不同載荷、轉速等工況條件下進行了一系列的面接觸摩擦磨損實驗，并分析了表面形貌對摩擦特性的影響。結果表明，面接觸脂潤滑條件下，不同微凹坑深度的表面微觀結構特性對摩擦系數的影響顯著，適當的凹坑深度可以改善表面的摩擦特性和溫度特性，凹坑太深或太淺均不利于改善摩擦副的摩擦特性。

微凹坑表面；面接觸；脂潤滑；摩擦特性

摩擦是引起機械零件磨損和導致機器失效的主要原因之一，近年來的研究表明，表面形貌直接影響零件的摩擦特性。

為了尋求有效的耐磨減摩方法，文獻［1－3］已開始致力于表面形貌對摩擦特性影響的研究。文獻［4］在脂潤滑條件下，進行了鑄鐵與GCr 15鋼的抗擦傷性能研究，其中鑄鐵上激光加工有3種不同的微結構。文獻［5］在面接觸乏油條件下，進行了4種不同深度的正方形凹坑的灰鑄鐵材料摩擦磨損試驗研究。文獻［6］在浸油狀態下，以45鋼－銅配副進行摩擦磨損試驗，考察了不同磨損階段的磨粒群分形維數的分布，并對各表征參數與摩擦力的關聯性進行了對比分析。文獻［7］在油潤滑條件下，采用已進行微造型處理的鋼板和另一較軟金屬為配對摩擦副，進行了滑動摩擦試驗，研究了粗糙度參數對摩擦系數的影響。文獻［8］研究了表面激光微造型的鋼環的磨料磨損性能，分析了在滴油潤滑和油盒潤滑2種試驗條件的試驗。文獻［9］研究了面接觸油潤滑條件下激光加工交叉網紋表面對摩擦特性的影響。

關于面接觸脂潤滑條件下，表面形貌對摩擦特性影響的研究還鮮見報道。本文通過在自行研制的HDM20型端面摩擦磨損試驗機上進行摩擦學試驗，研究了脂潤滑條件下，關于微凹坑深度、載荷、速度等對面接觸條件下表面摩擦特性的影響。

1 實驗方法

1.1 摩擦試驗裝置

本研究采用的試驗裝置為自行研制的HDM20型端面摩擦磨損試驗機，其原理示意如圖1所示。試驗時，按圖示裝夾好試件并加入潤滑劑后加載，使上、下試件互相壓緊并達到設定的載荷，然后上試件在主軸的帶動下轉動，開始進行試驗。表面間摩擦力矩通過由銷釘固定在殼體上的力矩傳感器測出，摩擦系數可由摩擦力矩換算得出，摩擦溫升由溫度傳感器測算得出。

圖1 試驗裝置原理示意圖

摩擦系數與摩擦力矩換算為：

其中，μ為摩擦系數；σ為接觸面單位面積壓力；M為摩擦力矩；r為上試件圓環端面的內半徑；R為試件圓環端面的外半徑。

1.2 試件表面形貌的設計

試驗中采用的上試件材料為經過淬火處理的45＃鋼，硬度約HRC55。其圓環端面為摩擦面，原始粗糙度Ra＝0.4μm，內徑為22mm，外徑為30mm，且圓環端面上激光加工有微凹坑。下試件為45＃鋼圓盤，其硬度約HRC25，粗糙度Ra＝0.4μm，厚度為5mm。直徑為55mm。在上試件圓環端面上設計并制造了5組不同凹坑深度的微凹坑結構，凹坑直徑為110μm，凹坑間距為184μm×184μm，5組試件 H5、H10、H15、H20、H25的凹坑深度分別為5、10、15、20、25μm。

1.3 試件表面激光加工

使用YLP－F10光纖激光打標機進行表面激光加工，激光輸出功率≤10W，激光波長為1.06μm，激光重復頻率為20～100kHz。凹坑形狀可在機器自身所帶的軟件中通過繪圖的的方法控制，凹坑深度可通過調節激光輸出功率、打標速度和打標次數來控制。經過多次嘗試總結，確定本次表面激光加工輸出功率為3～4W，打標速度為240～250mm／s，打標次數2～8次。

參數設定完成后，依據凹坑參數在機器自帶的軟件中繪制圖案，并在上試件圓環端面上加工出凹坑；接著使用金相砂紙進行打磨，使凹坑邊緣表面與基面一致；最后所有試件均使用超聲波清洗10min。

激光加工完成后的微凹坑表面用Talysurf CCI Lite非接觸式三維光學輪廓儀對其進行三維測量。圖2所示為試件H5的三維形貌圖。

圖2 試件H5的三維形貌圖

試件H5的部分三維表面表征參數如下：

1.4 摩擦試驗方法

本試驗環境溫度為15℃，潤滑劑選用2＃鋰基脂（滴點為175℃、工作錐入度為26.5～29.5mm），試件包括未激光造型的表面共6組，先在上試件圓環端面平均速率為1.0m／s、載荷為300N的條件下分別進行試驗，試驗持續時間為20min。待穩定后設定上試件圓環端面平均速率為1.0m／s，載荷取值分別為100、150、200、250、300、350N，每種載荷狀態持續時間為5min，測得不同載荷下的摩擦系數值。然后設定載荷為300N，試件圓環端面平均速率分別取0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50m／s，每種速度狀態持續時間為5min，測得不同速度條件下的摩擦系數值。

以上每組試驗均進行了3次重復試驗，實驗結果表明有較好的可重復性。

2 微凹坑表面摩擦特性分析

2.1 載荷的影響

在鋼對鋼面接觸摩擦副脂潤滑的情況下，當上試件圓環端面平均速率為1.0m／s時，5個具有不同凹坑深度的表面微凹坑試件在不同載荷下摩擦系數的變化情況，如圖3所示。

圖3 載荷－摩擦系數關系

可以看出，此條件下不同微凹坑深度的表面微觀結構對摩擦系數的影響非常顯著，試件H15的表面微觀結構在上述載荷條件下都具有較小的摩擦系數。試件H25、H20、H10和H5的表面摩擦系數隨載荷的增大呈下降的趨勢，但下降的幅度存在很大差別。試件H20、H10和H5的表面摩擦系數在載荷大于250N以后變化不明顯，這可能是隨著載荷的增大潤滑脂的潤滑性能得到提高，有利于形成潤滑膜。因此，多數試件的摩擦系數隨載荷增大有減小趨勢，至于H5獨特的變化暫無法解釋。

2.2 速度的影響

圖4所示為在鋼對鋼面接觸摩擦副脂潤滑的情況下，載荷為300N時，5個不同深度的微凹坑表面試件在不同上試件圓環端面平均速率條件下摩擦系數的變化情況。由圖4可以看出，此條件下不同微凹坑深度的表面微觀結構特性對摩擦系數的影響顯著，在不同速率條件下，試件H15的表面摩擦系數最小，試件H5、H15和H25的摩擦系數隨著上試件圓環端面平均速率的增大而減小。試件H10的摩擦系數在不同速率條件下變化不顯著，隨著速度的增大，試件H20的摩擦系數變化總趨勢是下降的。這說明隨著速度的增大接觸區潤滑劑擾流作用加強，有利于潤滑膜的產生，因而隨速度的增加，多數試件的摩擦系數有減小趨勢。

圖4 速度－摩擦系數關系

2.3 微凹坑深度的影響

圖5所示為鋼對鋼面接觸摩擦副脂潤滑的情況下，載荷為300N、上試件圓環端面平均速率為1.0m／s時摩擦系數及溫升隨凹坑深度的變化。

圖5 凹坑深度－摩擦系數關系

由圖5可以看出，此條件下不同微凹坑深度的表面微觀結構對摩擦系數的影響顯著，試件H10和試件H15的表面微觀結構的溫升及摩擦系數都與未造型的相差，但是試件H10的表面微觀結構摩擦系數與未造型的相差幅度較小。試件H5、試件H20和試件H25的表面微觀結構摩擦系數和溫升均不比未造型低。在此條件下，試件H15的表面微觀結構的摩擦系數最小，具有較好的摩擦及溫度特性。由此可知，適當的凹坑深度可以改善面接觸摩擦副的摩擦特性，此處的最優凹坑深度為15μm，凹坑太深或太淺均不利于改善摩擦副的摩擦特性。

3 結 論

（1）在面接觸脂潤滑條件下，不同微凹坑深度的表面微觀結構特性對摩擦系數的影響顯著，且在速度一定、載荷變化的條件下，比在載荷一定、速度變化的條件下更顯著。

（2）在面接觸脂潤滑條件下，除試件 H15外，其他試件的摩擦系數隨載荷的增大呈下降趨勢，試件H5、H15和H25的摩擦系數隨著速度的增大而減小。

（3）在本試驗的速度和載荷條件下，最優凹坑深度為15μm，此時的摩擦系數最小，溫升較小，凹坑太深或太淺均不利于改善摩擦副的摩擦特性。

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［3］Costa H L，Hutchings I M.Effects of die surface patterning on lubrication in strip drawing ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（3）：1175－1180.

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Investigation of tribological properties of concave surfaces under grease lubrication

LI Yuan， LIU Xiao－jun， WANG Jing， HU Zhao－wen
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to discuss the tribological properties of the laser－textured concave surfaces under grease lubrication，five specimens of different surfaces which had the same concave diameter，spacing and different concave depths were designed and manufactured.A series of face－to－face tribological tests under different loads and velocities with grease lubrication were conducted on a HDM20face－toface contact tribotester.The effect of surface topography on tribological properties was investigated.The results show that under face－to－face contact and grease lubrication，the influence of the surface topography with different concave depths on the friction coefficient is obvious.Appropriate concave depth can improve the tribological properties and temperature characteristics，but too deep or too shallow concave is not helpful to improve the tribological properties.

concave surface；face－to－face contact；grease lubrication；tribological property

TH117.1

A

1003－5060（2012）11－1444－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.002

2012－04－11；

2012－05－02

國家自然科學基金資助項目（51075113）

李 媛（1986－），女，河南新鄉人，合肥工業大學碩士生；

劉小君（1965－），女，山西祁縣人，博士，合肥工業大學教授，碩士生導師.

（責任編輯 呂 杰）