激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究

康獻民，王 林，楊國防，王建生

（五邑大學機電工程學院，江門529020）

激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究

康獻民，王 林，楊國防，王建生

（五邑大學機電工程學院，江門529020）

為了研究非配合摩擦副工件不同表面形貌對表面摩擦性能的影響，根據非配合摩擦副的摩擦特性，采用連續激光加工方法，在試件表面上加工出網狀分布的凹坑形貌以形成環形凸起形貌，將凹坑直徑、加工區域占有率、平均深度等參量作為分析變量，對試樣進行了表面形貌檢測與摩擦磨損測試。結果表明，表面摩擦系數隨著凹坑深度的增加而增大，達到增摩效果，微結構區域面積占有率對摩擦系數的影響不是很明顯。

激光技術；激光微造型；非配合摩擦副；環形凸起；增摩

引 言

在實際應用中，滑動摩擦副有兩種不同的關系，即配合關系摩擦副與非配合關系摩擦副。對于配合關系的摩擦副（如活塞與氣缸之間的摩擦）而言，研究的主要目的是減少相互之間的摩擦作用以提高使用壽命［1］。對于非配合關系的摩擦副（諸如拉伸模具與軋輥等表面接觸條件）而言，其摩擦在一定的條件下起到促進工作的作用［2-3］，比如在拉伸模具中，凸模與工件內壁之間的摩擦、凸模圓角與工件之間的摩擦使毛坯緊壓在凸模上，使拉伸變得更容易，屬于有益摩擦力［4-5］，再如軋制設備中的軋輥表面與板之間的作用也有類似的作用。對這個問題的研究目前主要以激光毛化加工的形式進行，但對利用激光微造型增摩的研究還處于起步階段［6］。本文中利用激光微造型技術處理加工工件表面，以激光技術在工件表面加工出改善表面摩擦特性的微細結構［7］，研究激光造型對摩擦作用的影響。試驗表明，該方法對改善運動表面摩擦性能有顯著成效。

1 非配合摩擦副之間的摩擦理論

非配合關系的摩擦副有其明顯特點：其一，摩擦副之間存在加工與被加工關系，使得兩者之間的硬度及耐磨性要求不同，即為不同硬度之間的摩擦關系；其次，被加工對象允許有一定的摩擦量以保護模具的使用壽命；再次，通過模具表面性能來調整被加工對象之間的摩擦關系，在模具上進行處理來適應被加工對象的摩擦要求。由于光滑表面基本沒有儲油區而處于邊界潤滑狀態，容易產生黏著磨損，而表面微造型的幾何形貌能夠極大地改善摩擦副的摩擦學性能［8］，這就使得兩者之間的表面質量為光滑表面與粗糙表面之間的摩擦關系，其中光滑表面為被加工對象，粗糙表面為模具表面。

對模具粗糙表面的主動優化設計，可控制材料的流動，改善應力應變分布及材料的成形性，利用激光微造型技術不僅可以在磨具表面上形成微小熔池，還可以形成硬度超過HRC67的坑邊環形凸起，利于提高模具表面的耐磨損能力，增加其耐磨性［9］。當硬化凸起點大小及分布間距不同時，其占基體的面積比例、硬化凸起點大小、分布間距等參量隨之不同，因而使得摩擦性能有所不同，既改善了摩擦狀態又保持了良好的潤滑條件。圖1為光滑的朔性表面與粗糙的剛性表面相接觸的情況，h為中心線之間的距離。

Fig.1 Contact between smooth surface and micromodeling surface

式中，P（z＞x）為表面接觸概率，ψ（z）為凸起高度分布函數。

如果粗糙表面的峰點數為n，參與接觸的峰點數m為：

各個接觸峰點的法向變形量為z-h，實際接觸面積A為：

式中，R為粗糙表面彈性凸起的曲率半徑。由接觸峰點支撐的總載荷量W為：

式中，E為粗糙表面的當量彈性模量。

通常實際表面的輪廓高度按照高斯分布。在高斯分布中，靠近z值較大的部分近似于指數型分布，若令ψ（z）=exp（-z/σ），計算可得：

由以上各關系式可進一步得出W∝A，W∝m，由此可知，在彈性接觸狀態下，兩粗糙表面的實際接觸面積及接觸峰點數目都與載荷呈線性關系。

當兩材料表面塑性接觸時，由以上分析可得：

即實際接觸面積只與載荷呈線性關系，而與高度分布函數無關。

綜上所述，實際接觸面積與載荷的關系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態。當凸起峰為塑性接觸時，不論高度分布曲線如何，實際接觸面積都與載荷呈線性關系。而在彈性接觸狀態下，大多數表面的輪廓高度接近于Gaussian分布，其實際接觸面積與載荷也具有線性關系。

2 激光表面微造型及表面形貌

2.1 激光表面微造型

工件的微結構加工采用波長532nm的Nd∶YAG連續激光，連續激光器的功率為4W，可調輸出頻率10kHz，激光加工時，將工件固定在工作臺上，工作臺可沿x軸和y軸方向移動，激光從激光器出光口射出后，先通過擴束鏡，再經過全反鏡使激光照射方向垂直于工作臺，最后激光束經過聚焦鏡聚焦后照射在工件表面。通過工作臺的x軸和y軸的移動帶動工件的規律位置變動，從而實現激光對工件不同位置進行激光微結構加工。通過改變激光器輸出電流大小來得到不同深度的微結構形貌，通過改變凹槽之間的間距來得到不同微結構加工區域的占有率［10］。

2.2 接觸區尺寸計算及試樣表面凹槽尺寸設計

本次試驗分為A、B兩組，兩組的試樣加工參量如下。

A組工件工況：室溫16℃；水冷機溫度設定值8℃；頻率f=1.0kHz；凹槽寬度Rp=20μm；占有率Sp=20％，氮氣保護；線段長為0.4mm；行間距L=.2mm；列間距為0.55mm。

B組工件工況：室溫16℃；水冷機溫度設定值8℃；凹槽寬度Rp=20μm；凹槽深度H=12.2μm；電流I=25A，頻率f=1.0kHz；速率v=300μm/s；線段長為0.4mm；行間距為0.2mm；列間距為0.45mm。

.3 試樣表面激光微造型

激光微造型的環形凸起形式有多種，作者借鑒相關文獻，采用非貫通的網狀布局，如圖2所示，在實驗中目標微結構為占空比為1的斷斷續續的凹槽，微結構加工區域占有率用凹槽面積比值來衡量。

式中，Rp為激光加工凹槽寬度，L為凹槽之間的間距。

在實驗中共有5種凹坑深度，由淺到深依次為5.14μm，8.88μm，11.35μm，13.13μm和14.46μm；微結構占有率有4種，分別為24.49％，21.8％，20％和17.64％。

圖2為光學顯微鏡下工件表面的微結構排列圖。由于激光本身的高能量性，可以看到，在每一小段加工開始時有比較明顯的圓形凹坑，在激光加工過的凹槽邊緣有強化處理的微小區域。

Fig.2 Surfacemicrostructure diagram ofworkpiece

2.4 工件表面相貌的3維測量

本實驗中采用的測量設備是美國AEP Technology公司生產的NanoMap-D型雙模式3維輪廓儀，3維掃描范圍從10μm×10μm到500μm×500μm。

實驗分兩組進行。圖2中的A1～A5為A組樣品表面的3維形貌，可以得到凹坑深度分別為5μm～.5μm，8.5μm～9μm，10.5μm～11μm，12.5μm～3μm和15μm～15.5μm，凹坑寬度均為Rp=30μm～4μm。圖3為A1樣品表面3維形貌，從圖中可以看到，局部3維形貌和2維截面斷斷續續，在一些部位沒有形貌信息，凹坑形貌不完整。這是因為本形貌掃描實驗采用無接觸式模式，依據白光干涉原理，對于有些位置，光線難以到達，沒有反射回來光線。

Fig.3 Screenshots of A1sample surfacemorphology

B組共有4個試樣，測量結果截圖如圖4所示，從圖中可以得到B1，B2，B3，B4的深度大小為12μm～3.9μm，凹坑寬度為34μm～38μm，試樣表面的凸出部分測量結果分別為：8.0μm～8.2μm，4.8μm～5.0μm，6.2μm～6.3μm和4.6μm～4.7μm。

Fig.4 Screenshots of B sample surfacemorphology

在圖4中，除了能測量凹坑的深度和徑寬外，也可以清晰地看到激光加工時在工件表面產生的凸起部分，從對這些凸出部分的掃描結果來看，凸起高度和凹坑深度之比是最大值的0.6左右。

3 激光微造型對摩擦性能的影響磨損實驗

3.1 試驗方法

摩擦試驗在CETR公司的UMT-3型多功能摩擦磨損試驗機上進行，試驗儀器參量設置如下：法向載荷P為4.7N，9.4N和14N；往復位移d=8mm；往復頻率f=25Hz；試驗時間t=30min。試驗中，上試樣為65Mn彈簧鋼材料的圓柱銷，其硬度不大于302HB，端面直徑6mm，長度30mm。圓柱度誤差在0.002mm之內，上試樣表面粗糙度為0.407μm，由平面磨床磨削成形。

試驗樣品共有10個，分為A，B兩組，B組5個樣品只在載荷力14N作用下分別進行摩擦試驗，A組5個試樣除在載荷力14N下進行試驗，A4試樣分別在4.7N，9.4N和14N法向載荷力下進行統計試驗。每一種形貌的試塊都要經過上述步驟試驗，每組試驗重復3至5次，結果取平均值，B組試驗時，設置統一的試驗時間和14N大小的載荷力。一次試驗完成后，待上試件表面溫度降至室溫時，才進行下一次的試驗。

試驗選定的上、下試樣運動時的相對速率在0.258m/s～1.031m/s之間，試驗環境溫度范圍為15℃～35℃，根據載荷力的大小，參照《潤滑技術手冊》，試驗潤滑油選擇L-HM46抗磨液壓油。其潤滑油運動粘度為41.4m2/s～50.6m2/s（40℃）。

試驗在恒定頻率條件下，測量材料表面有凹坑分布的試件及表面沒有凹坑的試件在逐步施加載荷過程中摩擦副摩擦系數的變化情況，并進行比較，分析規則排列凹坑對材料表面摩擦性能的影響。

3.2 凹坑微結構深度對摩擦系數的影響

摩擦系數是評價潤滑接觸摩擦副摩擦性能的重要參量，凹坑直徑、深度與間距大小直接影響著試件表面的粗糙度和表面結構，隨著凹坑參量的變化，表面摩擦過程中的摩擦系數也會相應地發生變化。工件表面的環形凸起是引起摩擦和磨損的直接原因，表面粗糙的波谷則有利于潤滑。表面粗糙的波峰變形和精整作用，引起含在波谷的潤滑油不斷地釋放，有利于摩擦接觸條件的改善［11］。

圖5中分別為凹坑直徑一定情況下，深度大小為5.14μm，8.88μm，11.35μm和14.46μm的試樣在法向載荷力14N、往復位移8mm、重復頻率25Hz時摩擦系數與時間曲線圖。

由圖5可見，摩擦系數（coefficient of friction，COF）由大變小，之后又有變大的趨勢。綜合各個因素，在摩擦過程開始階段，由于工件表面加工時產生的環形凸起硬化點，使表面粗糙度變大，致使摩擦系數也比較大；大約在143s～497s，由于凸起的尖峰慢慢被磨削掉，摩擦系數漸漸變小，趨于一個穩定的值；在500s后，工件表面的摩擦系數又開始漸漸變大，主要因素是環形凸起被磨削后產生的微小磨粒，此時，試驗磨損量也大大增大。同理其它的也有這種微弱的變化。

Fig.5 COFcurveofAsamplesurfacewhileP=14N，d=8mm，f= 25Hz

從實驗結果可以得到A1～A5的平均摩擦系數COF分別為0.08577，0.08791，0.0912，0.0965和0.09722。可知，工件表面微結構對摩擦系數的影響是不可忽略的，而且，表面摩擦系數隨著凹坑深度的增大而增大。

圖5為A組試驗樣品的摩擦系數曲線比較圖，從圖中可以明顯地看到，經過激光微造型后的工件表面摩擦系數要比未加工的大很多，之所以出現這樣的現象，是因為工件表面激光微加工后產生凸臺或毛刺，當兩固體表面相接觸時，實際相接觸部分只占表觀面積非常小的比重。實際相接觸面積的大小及分布對摩擦特性有決定性的影響。

實際表面的峰頂形狀大都是橢圓體。因為橢圓體接觸區域尺寸遠小于其本身曲率半徑，所以粗糙峰可近似為球體，兩平面的接觸也可近似為一系列高度不同的球體相互接觸，單個粗糙峰在彈性接觸時的實際相接觸面積僅為幾何接觸面積的一半。

3.3 凹坑面積對摩擦系數的影響

圖6中B1～B5分別是凹坑直徑和深度一定情況下，微結構區域面積占有率24.49％，21.8％，18.74％和17.6％的試樣在載荷力F=14N、往復位移8mm、時間t=30min時的摩擦系數曲線，凹坑平均直徑為34.8μm，深度為12.9μm。

Fig.6 Frictioncurvecomparisonchartbeforeandafterlaserprocessing

根據實驗結果可以得知，4個試樣的摩擦系數分別為0.08754，0.08909，0.08386和0.08928。從圖中看到每種形貌的表面對摩擦系數的影響區別不是很明顯。

由圖6可以看到，進行激光微結構加工的試樣表面的摩擦系數遠大于未加工的試樣表面的摩擦系數，而不同微加工區域面積占有率對摩擦系數的影響區別不是很大，通過觀察摩擦試驗后的試樣表面，基本上沒有任何可視的改變。

3.4 載荷對試樣摩擦特性的影響

兩個表面開始進入接觸時，最初的接觸只發生在幾個粗糙體上，表面承受著法向載荷。隨著載荷增大，環形凸起更多地嵌入光滑表面，兩接觸面之間進一步貼近，更多環形凸起進入接觸狀態，同時也使已發生的接觸面積進一步增大，以承受增大的載荷。接觸區發生的變形將產生抗衡外載荷的應力，表面變形包括彈性、塑性、粘彈性或粘塑性等形式，具體的變形形式取決于名義正應力和切應力、表面粗糙度和材料性能［12］。顯然，接觸點的局部應力遠大于名義應力，盡管名義應力可能處于彈性范圍，但局部應力卻可能超出彈性極限或屈服強度，使光滑表面的接觸點處發生塑性屈服。在大多數接觸狀態中，由于兩者之間的硬度差別較大，在接觸條件下，模具的環形凸起發生彈性形變，而光滑工件表面接觸點處發生塑性變形。

試驗中，以不同的載荷力大小在同一個試樣上進行摩擦試驗，在固定往復位移和重復頻率的情況下，對試樣的摩擦過程加載不同的載荷量，時間設置為30min。

Fig.7 Frictioncoefficientcurveofsamesampleunderdifferentload force

從圖7中可以看出，摩擦系數隨著載荷的增加而降低，此時，金屬表面應該處于彈塑性接觸狀態，由于實際接觸面積與載荷的非線性關系，使得摩擦系數發生這樣的變化。圖中，曲線1為F=4.7N，t=60min時摩擦系數變化情況；曲線2為F=4.7N，t=30min；曲線3為F=9.5N，t=30min；曲線4為F=9.5N，t=5min；曲線5為F=14N，t=5min。

由于摩擦表面處于彈塑性接觸狀態，這樣摩擦系數也將隨加載速度而改變。當載荷很小時，加載速度的影響更為顯著。

4 結 論

試驗結果表明，在模具表面進行激光微結構加工后，由于強化的環形凸起，使得工件表面的摩擦系數大于非激光處理前的摩擦系數。

工件表面微結構對摩擦系數的影響是不可忽略的，表面摩擦系數隨著凹坑深度的增加而增大，而且，可明顯地看到，經過激光微造型后的工件表面摩擦系數要比未加工的大很多，微結構區域面積占有率對摩擦系數的影響區別不是很明顯。

工件表面激光微加工后產生環形凸起，當兩固體表面相接觸時，實際相接觸部分面積的比重只占表觀面積非常小的部分。實際相接觸面積的大小及分布對摩擦特性有決定性的影響。

但是，本文中的分析結果都是基于一定壓力、粘度和速度下得到的，需要進行進一步試驗論證；所研究的凹坑型貌比較單一，對于其它凹坑型貌還未涉足。

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Experimental research of increase-friction characteristics of no-match friction-pair surface based on laser m icro-modelling

KANG Xian-min，WANG Lin，YANGGuo-fang，WANG Jian-sheng
（School of Mechanical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

In order to study effectof different surface textures on the friction characteristics of no-match friction-pairs，according to the frictional characteristics of no-match friction-pair，micro-pitnetwork was produced on the specimen surface with continuous wave laser，then，the surface textures，friction and wear weremeasured for differentmacro-pit diameters，share ratio of processing area and mean depth.The conclusion reveals that the coefficient of surface friction gradually rises with the increase of micro-pit’s depth，but the share ratio of microstructure area has no significant influence on the coefficient of friction.

laser technique；lasermicro-modeling；no-match friction-pair；ring bulge；increase friction

TH117.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.008

1001-3806（2013）04-0449-06

廣東省教育部產學研結合資助項目（2011B090400185）；廣東省自然科學基金資助項目（S2011010001082）

康獻民（1964-），高級實驗師，博士，研究方向為精密滾動副功能部件、激光加工技術及機械系統故障診斷。

E-mail：kxmjml＠wyu.cn

2012-08-18；

2012-10-10