微動磨損測試微摩擦測量頭剛度標定

王仲楠，王武義，Derek G.Chetwynd，張廣玉

（1.哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）（2.華威大學工程學院，英國 考文垂 CV4 7Al）

0 引言

微動是指兩個接觸表面之間因外部振動發生的微米級振幅產生的相對運動。微動不同于滑動和滾動，它不僅出現在大型機構中，也常常發生在微型裝置、MEMS／NEMS、人工關節等系統的機械零件中，已成為引起機構失效［1］的主要原因之一。由于MEMS／NEMS在長度、面積、體積方面的微小特點，當前對這類材料的微動磨損研究，缺乏低廉、通用的微動磨損模型試驗系統。為此，英國University of Warwick的Derek G Chetwynd教授領導他的團隊，近年來致力于通用微動磨損測試系統的開發，研制了適用于一般機構和MEMS／NEMS的微動磨損模擬的模型試驗系統［2］。微動存在于近似“靜止”的緊配合兩個機械零件的表面間，相對運動的“滑移”速度很低，如何產生接觸表面間的微幅振動和低速“滑移”將是設計微動磨損模型試驗系統的關鍵，前者涉及加載動力源，后者則由固定試件的運動平臺實現。為此，本文在文獻［2］的基礎上開發了低頻往復擺動模擬滑動的實驗裝置。然而，在使用新研制的微動磨損測試系統之前，首先要對微摩擦測量頭裝置的機構剛度進行標定。

1 低頻往復式微動磨損測試系統

為獲得微動摩擦，本文采用電磁線圈直接驅動往復機構作擺動。如圖1所示，系統共包括4個部分：電磁加載微測量頭裝置、機架、低頻往復擺動平臺和測試系統。其中，微測量頭裝置1可根據實時檢測的摩擦力大小控制線圈電流使加載力穩定。

圖1 低頻往復擺動微動磨損測試系統Fig.1 Low-frequency reciprocating fretting wear testing system

往復擺動平臺擺動頻率在0～25 Hz范圍內可調，最大擺動幅度6.35mm。上試件用Φ1mm 的球頭。下試件為10×10×1mm3的薄塊，固定于擺動平臺上。文獻［2］測得的微測量頭參數見表1。

表1 微測量頭裝置的主要性能參數Tab.1 Main performance parameter ofmciro-tribometer measuring-head

2 微壓痕式機構剛度直接標定

剛度標定方法［3］有間接標定和直接標定兩類。前者是早期的主要標定方法，用測試得到的數據，根據公式計算獲得剛度。而后者是通過實驗方法，通過傳感器測出的數據直接轉換成對應的力-變形（Fh）曲線而獲得剛度。

微納米壓痕測試方法是20世紀90年代初國外專家首先提出的［4］，如Oliver-Pharr方法［5］，它是當前商業納米壓痕采用的主要方法，通過分析壓痕過程中得到的F-h 曲線來獲取材料或機構的力學性能參數和機械性能參數。最大壓入載荷和最大壓入深度存在以下關系［5］：

式（1）中，H 為材料硬度；A 為接觸面積；Fmax為最大壓入載荷；hc為接觸深度。其中，hc為：

式中，Er、νs分別為被測材料的彈性模量（折合模量）和泊松比；Ei、νi分別為壓頭的彈性模量（折合模量）和泊松比；α、β分別為與壓頭形狀有關的修正系數。由材料力學知，被測件長度為L，橫截面積A1，根據剛度計算公式有

式（5）中，K 是 桿 的 剛 度，δ 是 變 形，E 是 桿 彈 性 模量，L 是長度。由式（1）～（5）可見，被測件（即壓頭機構）的彈性模量等于壓頭的彈性模量Ei。由于改裝了機構和測量傳感器，故對文獻［3］的電磁加載微測量頭裝置（考慮裝置自重）機構剛度標定（見圖2）。

圖2 微／納測量頭剛度標定原理示意圖Fig.2 Principle scheme of stiffness calibration of micro／nano-tribometer

傳感器輸出與機構受力關系為：

式（6）中，F 為載荷；C 為比例系數；V 為對應機構變形傳感器輸出電壓。

3 考慮裝置自重的機構剛度標定

首先，對非接觸式電渦流傳感器靈敏度進行標定。圖1中的兩個導線是傳感器探測頭，傳感器1用于加載力變形測試，傳感器2用于摩擦力變形測試。加載力作用下機構產生變形，在小振幅情況下，變形量與加載力成一定的關系［3］。采用文獻［3］中的三點標定方法，即進行三組不同載荷（1 g、5 g、10 g）下的測量，重復10次取每組平均值。測定傳感器1的靈敏度為42.730μm／V，傳感器2的靈敏度為47.640μm／V。然后，直接應用標定好的傳感器1和傳感器2進行機構剛度標定。

第二步，機構剛度標定測試。用經過標定的傳感器1和傳感器2來檢測垂直加載和側向加載時的機構變形。其中，側向加載標定，是將圖1所示的電磁加載微測量頭裝置旋轉90°，使得側向傳感器探測頭垂直向上。標定試驗時，先將測試系統清零，然后啟動電磁加載裝置。按表2的三組載荷進行加載測試，重復5次。將傳感器輸出的電壓值與靈敏度相乘得到變形δ，于是畫出圖3、圖4兩組F-δ擬合直線，由式（5）和式（7）知，該擬合直線斜率的倒數即為機構剛度。

圖3得到各擬合直線斜率的平均值為0.521 48 mm／N，則其倒數等于垂直方向剛度Kz=1917.62 N／m；圖4 得到各擬合直線斜率的平均值為0.518 04mm／N，則其倒數等于側向剛度Kx=1 930.353N／m。標定得到的Kz、Kx值存在偏差的原因可能主要是由于標定的裝置和傳感器安裝位置偏差，計及機構自重、懸臂梁長度不同。

由圖3、圖4的F-δ 擬合直線看出，各線性相關系數接近1，說明電磁加載微測量頭裝置可靠性、實驗的一致性好。

圖3 垂直剛度標定F-δ擬合曲線Fig.3 F-δfitting curve of vertical stiffness calibration

圖4 側向剛度標定F-δ擬合曲線Fig.4 F-δfitting curve of lateral stiffness calibration

4 結論

本文在文獻［3］的基礎上，將測量頭中上試件結構改進設計為套裝式固定結構，并新設計了低頻往復擺動模擬平臺，標定了電磁微測量裝置測量頭機構剛度。無粘結劑的套裝式試件固定結構，有利于更換試件，實現不同的摩擦副。采用微壓痕式多點直接標定測量方法，測定的電磁微測量頭裝置整體機構剛度一致性好，實驗系統工作可靠，為進一步的低頻往復擺動模擬平臺校正實驗和試樣測試提供技術和實驗系統硬件支持。

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