溝槽型織構摩擦學性能的數值模擬與實驗研究

陳　平，項　欣，李俊玲，邵天敏，劉光磊

(1 北京科技大學 機械工程學院，北京 100083；2 清華大學 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

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溝槽型織構摩擦學性能的數值模擬與實驗研究

陳平1，項欣1，李俊玲1，邵天敏2，劉光磊1

(1 北京科技大學 機械工程學院，北京 100083；2 清華大學 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

為研究溝槽型織構角度及排布形式對接觸表面摩擦學性能的影響，通過有限元分析軟件對不同角度及排布形式的溝槽型織構進行數值模擬，利用YLP-20型激光加工系統在不銹鋼圓盤表面加工溝槽型織構，并利用UMT-2摩擦磨損儀在旋轉條件下進行摩擦實驗。結果表明：溝槽型織構的數值模擬結果與實驗結果基本吻合，加工有織構的摩擦副其摩擦學性能得到改善，且不同角度及排布形式的溝槽型織構對摩擦副的摩擦學性能影響不同，即當摩擦速率小于300r/min 時0°平行織構的摩擦因數較小；摩擦速率大于300r/min時90°平行織構有更好的減摩能力，故應用中要根據不同工況條件選擇不同排布形式的溝槽型織構。

溝槽型織構；排布形式；數值模擬；油潤滑；摩擦因數

減少機械零件的摩擦磨損，提高材料表面的摩擦學性能，一直是摩擦學工作者的重點研究課題[1-3]。合理的表面織構化技術以其降低摩擦、減少磨損、儲油存屑等特性，成為改善接觸表面摩擦學性能的有效手段[4-7]。目前國內外學者對凹坑型表面織構的摩擦學性能研究占大多數[8-11]，對溝槽型表面織構的研究相對較少，且近年來的研究多集中于溝槽尺寸、橫縱向分布及噪聲等方面。陳平等[12]的研究表明溝槽型織構的存在導致了摩擦因數的波動。Suh等[13]研究發現，減少溝槽面積率、增加滑動長度可減少磨損。Yuan等[14]的研究表明垂直于滑動方向的溝槽型織構表面在低接觸壓力下具有較好的減磨能力。Shi等[15]研究發現，增加溝槽數量、減少溝槽幾何尺寸可以提高油膜承載能力。ALI等[16]通過數值模擬和實驗研究證明，長度小于赫茲接觸直徑的橫向淺溝槽有利于增加油膜厚度。Biboulet等[17]通過模擬分析，證實交叉織構的存在有利于減小阻力并提高活塞環的氣密性。尹必峰等[18]通過在缸套表面加工溝槽型織構的研究發現，該織構可以有效地改善缸套-活塞環間的潤滑狀態。王正國等[19]的研究也表明溝槽尺寸及分布對摩擦噪聲有重要影響。考慮到對多角度(運動方向與溝槽的夾角)分布及交叉排布的溝槽型織構改善接觸表面摩擦學性能的研究較少，研究手段多以實驗為主，本工作針對不同角度及排布形式的溝槽型織構對摩擦學性能的影響開展數值模擬和實驗研究，利用UMT-2摩擦磨損儀進行摩擦實驗，研究結果為溝槽型表面織構摩擦學性能的進一步探索和研究提供參考依據。

1　溝槽型表面織構的模擬

考慮到溝槽型織構與運動方向所成角度不同可能對織構的減摩效果不同，作者通過有限元軟件模擬了不同角度的平行溝槽型織構。圖1為溝槽型織構數值模擬單元，其中與潤滑液流動方向平行的平面設定為對稱邊界，與潤滑液流動方向垂直的平面設定為周期邊界，上下面設定為壁面。圖1中各參數分別為：油膜厚度h0，溝槽深度h，織構單元的邊長L0，溝槽寬度W。模擬計算時，選取潤滑油動力黏度0.1Pa·s，摩擦副上下表面相對運動速率1m/s，根據Half-Sommerfeld邊界條件，通過比較正壓區的平均壓力大小來比較織構的承載能力，衡量流體動壓潤滑狀態下溝槽型織構改善接觸表面摩擦學性能的程度。

圖1　溝槽型織構單元模型Fig.1　The cell model of grooved texture

1.1不同角度下平行織構的承載力

圖2給出4種角度(運動方向與溝槽的夾角)的平行溝槽幾何模型和壓力分布圖。從圖2可以看出，不同角度的溝槽型織構對摩擦副表面壓力的影響不同。當角度為0°和90°時，正負壓區的壓力對稱分布，當角度為30°和60°時，其壓力分布沿溝槽方向呈現逐漸增大趨勢，這是因為織構表面的相對速率既有垂直于溝槽方向分量，也有平行于溝槽方向分量。

圖2　不同角度平行織構壓力分布圖(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°Fig.2　The pressure distribution of parallel texture with different angles(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°

圖3　不同角度平行織構正壓區平均壓強Fig.3　The average pressure of parallel texture with different angles in the positive pressure areas

圖3給出了不同角度時，正壓區的平均壓強(即壓力值)大小，可以看出當角度為0°，即溝槽方向與運動方向平行時，溝槽型織構幾乎不能產生有效正壓力。隨著偏移角度增大，正壓力逐漸增大。當角度為90°，即織構方向與運動方向垂直時，有效正壓力最大，達到了16500Pa左右，可提供最大油膜承載力。當溝槽方向與運動方向所成角度為0°～90°時，織構提供的承載力介于最小與最大值之間。

1.2不同角度下交叉織構的承載力

針對圖2及圖3所示的模擬結果，根據文獻[17],將0°和90°平行溝槽型織構進行組合、30°和60°平行溝槽型織構進行組合，建立了如表2所示的交叉織構幾何模型，并在條件不變的情況下對其進行了數值模擬分析，分別得到了0°(垂直)和30°交叉溝槽的壓力分布圖(圖4)。從圖4中可以看出，當交叉溝槽角度為0°時，正負壓區呈對稱分布，但是在溝槽處，壓力變化梯度很小；當角度為30°時，由于其速率有平行于和垂直于溝槽方向分量，其壓力分布形式相當于表1中30°和60°平行溝槽型織構壓力分布圖的組合。

圖4　不同角度交叉織構壓力分布圖(a)0°；(b)30°Fig.4　The pressure distribution of cross texture with different angles(a)0°；(b)30°

圖5給出了0°和30°交叉溝槽型織構正壓區的平均壓強(即壓力值)大小，可以發現0°時的壓強值比30°時的壓強值稍大。總體來說角度對交叉溝槽型織構的影響沒有其對平行溝槽型織構的影響大，其中90°平行溝槽型織構產生了最大的承載力，而0°平行溝槽型織構則產生了最小的承載力，0°和30°交叉溝槽型織構產生的承載力大小相差不多。

圖5　不同角度交叉織構正壓區平均壓強Fig.5　The average pressure of cross texture with different angles in the positive pressure areas

2　實驗

2.1試樣加工

上試樣選取尺寸為φ8.0mm×13mm的不銹鋼圓柱銷，對其表面進行拋光處理，表面粗糙度Ra約為0.450μm。下試樣選取尺寸為φ70mm×4mm的不銹鋼圓盤，使用全自動維氏顯微硬度計測得其硬度279～306HV。利用YLP-20型激光加工系統對下試樣進行不同織構的加工，激光器功率0.3W，填充線間距0.005mm，溝槽間距約400μm，加工次數為2次，共加工了4種不同角度及排布形式的溝槽織構，分別為0°平行溝槽、90°平行溝槽、0°交叉溝槽、30°交叉溝槽(圖6)。

圖6　溝槽型織構示意圖及其放大圖(a)0°平行溝槽；(b)90°平行溝槽；(c)0°交叉溝槽；(d)30°交叉溝槽Fig.6　Schematic and enlarge images of grooved textures(a)0° parallel groove；(b)90° parallel groove；(c)0° cross groove；(d)30° cross groove

在激光加工織構的過程中，可能使織構邊緣產生鐵屑及毛刺，增加下試樣表面的粗糙度，從而影響織構對接觸表面間潤滑性能影響的判斷，故實驗前用機械拋光機對下試樣進行拋光，以去除下試樣表面的鐵屑和毛刺。另外，為了保證上下試樣為面接觸，實驗前選取數目分別為3000目和7000目的砂紙代替下試樣，對上試樣進行打磨和拋光，防止由于上試樣安裝過程中出現小范圍傾斜造成上試樣與下試樣只有較小面積發生接觸。打磨和拋光的過程載荷1N，速率500r/min，分別運行30min。

2.2摩擦學性能實驗

實驗前所有試樣均依次在丙酮和酒精中各超聲清洗10min，用吹風機吹干。旋轉摩擦實驗在UMT-2摩擦磨損實驗機上進行，下試樣選取加工溝槽織構的不銹鋼圓盤，并選取未加工織構的試樣進行對比實驗，在室溫下(20℃，相對濕度41%)考察摩擦副在充分潤滑條件下的摩擦學性能。潤滑油選用長城牌汽油機油SE15W-40，旋轉流變儀測得其黏度為20℃下0.293Pa·s,25℃下0.230Pa·s，實驗前在各試樣表面滴兩滴潤滑油，其體積約為2.5×10-5mL，實驗過程中不再滴加潤滑油。傳感器規格500g，載荷1N，轉速為100，200，300，400，500r/min，旋轉半徑約25mm，對應線速率分別約為0.25，0.5，0.75，1，1.25m·s-1，各速率下均運行3min。為保證實驗數據的準確性，每個實驗進行3次，取平均值。

3　結果與分析

圖7為溝槽型表面織構試樣的三維形貌圖和二維形貌圖，可以看出，溝槽的深度約5μm，且邊緣較為平整，表面粗糙度Ra約為0.1μm。

圖7　溝槽型表面織構試樣形貌圖(a)3D形貌圖；(b)2D深度形貌圖Fig.7　The profiles of grooved surface texture samples(a)3D profile；(b)2D profile of depth

無織構試樣和溝槽型織構試樣在不同速率下的平均摩擦因數如圖8所示。可以看出，整個速率范圍內織構試樣的摩擦因數始終小于無織構試樣的摩擦因數，當速率低于300r/min時，0°平行溝槽型織構的摩擦因數相對較小，但當速率大于300r/min后，90°溝槽型平行織構的摩擦因數開始低于其他幾種織構表面，這可能是因為0°平行溝槽型織構不易產生流體動壓潤滑效應[18]，其主要減磨機理是補給潤滑，雖然運動方向與溝槽方向一致可使潤滑油流動比較順暢[14]，但隨速率增加，溝槽內部分潤滑油被甩出接觸區域，補給潤滑減弱，故其摩擦因數相對增大。而90°平行溝槽型織構可產生流體動壓潤滑效應，且隨速率增加流體動壓潤滑效應增強，織構可提供更大的額外承載力，故速率大于300r/min后其摩擦因數相對較小。整個速率范圍內，0°和30°交叉溝槽型織構的摩擦因數相差不多，低速時略高于0°和90°平行溝槽型織構的摩擦因數，速率大于400r/min后開始低于0°平行溝槽型織構，這可能是由于速率越大其潤滑油的流動性和在摩擦副接觸表面儲存潤滑油的能力越好，但是否其他角度的交叉溝槽具有相似的實驗結果以及具體的機理分析還有待進一步研究。

圖8　不同溝槽型織構平均摩擦因數曲線Fig.8　The average friction coefficient curves of different grooved textures

圖9為各試樣在整個實驗過程中的平均摩擦因數。從圖9中可以明顯看出，整個實驗過程中，90°平行溝槽型織構試樣的平均摩擦因數最小，與之前數值模擬的結果相吻合；無織構試樣的平均摩擦因數最大，說明溝槽型織構改善了試樣摩擦學性能，減小了試樣的摩擦因數。結合圖8的實驗結果，加工溝槽型表面織構時，應根據不同工況條件下織構不同角度與排布形式的特點和優勢進行選擇[15]：速率較小時，0°平行溝槽型織構有較好的減摩能力，當速率大于300r/min并繼續增加時，90°平行溝槽型織構可以提供更好的摩擦學性能。

圖9　不同溝槽型織構平均摩擦因數Fig.9　The average friction coefficient of different grooved textures

圖10為試樣表面磨痕圖，其中圖10(a)，(c)為無織構表面，圖10(b)，(d)為90°平行溝槽型織構表面。從圖10(a)，(c)中可以看出，無織構表面存在較多磨屑和明顯的磨痕，這可能是由于磨粒磨損產生微觀切削所致；而圖10(b)，(d)中加工了溝槽型織構的試樣表面沒有明顯的磨痕，部分磨屑處于溝槽內或溝槽邊緣，這說明溝槽型織構有容納磨屑的能力，有效抑制了磨屑對表面的傷害，避免了如無織構表面一樣的磨痕出現，這對于提高機械零件表面質量和使用壽命是有益的。另外，對溝槽型織構試樣表面進行了小范圍的化學成分分析，結果顯示溝槽內檢測到鈣、鎂等潤滑油的化學成分，證明溝槽型織構具有存儲潤滑油的能力，驗證了溝槽型織構儲油存屑，減少磨損，改善摩擦副摩擦學性能的積極作用[20]。

圖10　試樣表面磨痕圖(a),(c)無織構試樣；(b),(d)90°溝槽型試樣Fig.10　The SEM graphics of grinding marks of samples(a),(c)none-textured sample；(b),(d)90° grooved sample

4　結論

(1)在溝槽型織構的數值模擬中，90°平行溝槽型織構顯示出最好的摩擦學性能，0°平行溝槽型織構則產生了最小的承載力，0°和30°交叉溝槽型織構產生的承載力大小相差不多。

(2)在載荷1 N，滑動速率0.25～1.25m·s-1的實驗研究中，無織構試樣摩擦因數始終最大；速率小于300r/min時0°平行溝槽型織構的摩擦因數較小；速率大于300r/min時90°平行溝槽型織構摩擦因數較小; 0°和30°交叉溝槽型織構的摩擦因數始終較大。整個滑動速率下90°平行溝槽型織構的平均摩擦因數相對最小。

(3)數值模擬和實驗結果基本吻合，溝槽型織構表面可有效改善摩擦副表面的摩擦磨損性能，且織構角度和排布形式不同對試樣表面摩擦學性能的影響不同，應根據不同工況條件選擇不同織構。多角度交叉溝槽型織構的摩擦學性能還有待進一步研究。

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Experimental and Numerical Investigation on Tribological Performance of Grooved Texture

CHEN Ping1,XIANG Xin1,LI Jun-ling1,SHAO Tian-min2,LIU Guang-lei1

(1 School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China；2 State Key Laboratory of Tribology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

In order to study the influence of the angle and arrangement forms of micro-grooves on the tribological performance of the contact surface, the finite element analysis software was used to simulate the grooved textures with different angles and arrangements. The YLP-20 laser processing system was used to process grooved texture on stainless steel disk surfaces, and the Tribometer (UMT-2) was also used to conduct tribological test under the condition of rotation. The results show that the numerical simulation values are basically consistent with experimental results of grooved textures, and the tribological performance of the friction pairs with textures is also improved. The grooved textures with different angles and arrangement forms have different influence on tribological performance of friction pairs. When the friction velocity is less than 300r/min, the parallel texture with 0° has smaller friction coefficients. While the friction velocity is larger than 300r/min, the parallel texture with 90° has a better ability of reducing friction. Therefore, different grooved textures should be chosen according to operation conditions.

grooved texture; arrangement form; numerical simulation; oil lubrication; friction coefficient

陳平(1973-)，女，副教授，博士，研究方向：表面織構及其摩擦學效應，聯系地址：北京市海淀區學院路30號北京科技大學機械工程學院(100083)，E-mail:chenp@ustb.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.005

TH117.1

A

1001-4381(2016)06-0031-07

國家自然科學基金資助項目(51305023)；中央高校基本科研業務費專項(FRF-BR-15-037A)

2015-07-01;

2015-12-23