45% SiCp/Al復合材料的微動磨損試驗設計與驗證

陳 立，李志慧，陳國欽，夏振濤，彭效海，劉玉慶，邵紅亮

(1. 上海衛星裝備研究所，上海 200240；2. 哈爾濱工業大學金屬復合材料與工程研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

45%SiCp/Al復合材料具有較高的比剛度、比強度[1]、熱穩定性[2]和耐磨性等優點，成為鋁合金、鈦合金的優選替代材料，在航天國防等領域得到了廣泛的應用，如慣性儀表[3]、航天器精密結構件[4-6]等。在某衛星精密轉動軸系中，由于減重和提高系統固有頻率的要求，采用45%SiCp/Al復合材料的軸承座與TC4鈦合金的鎖軸機構大面積壓緊接觸，產生摩擦力的方式保證運載發射階段軸系的鎖定。

以往摩擦學研究表明，承受機械振動、往復載荷或熱循環等工況的近似緊固的機械配合中存在微動摩擦，即接觸表面之間有微米量級振幅的周期性相對運動[7-8]，這種微動摩擦造成的零件表面損傷即稱為微動摩擦磨損。精密轉動軸系中軸承座和鎖軸機構之間的摩擦副在運載發射階段為壓緊配合且承受振動載荷，滿足微動摩擦的發生條件，而一旦有磨損多余物進入軸承，將導致軸承壽命降低，或摩擦力矩變化使得軸系控制系統穩定性降低[9]。

國內外針對微動磨損的研究涉及的材料主要為鈦合金、軸承鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維增強復合材料等[10-11]，多采用低頻往復式的微動摩擦磨損試驗機[12-14]對接觸載荷[15-16]、微動幅值[17]、表面粗糙度[18]等影響因素進行試驗。而對于SiCp/Al復合材料的磨損性能研究多為宏觀大幅值相對運動下的[19-20]，針對該材料的微動摩擦磨損文獻報道極少。為了驗證45%SiCp/Al作為摩擦式鎖軸機構軸承座的合理安全性，本研究試圖對45%SiCp/Al復合材料和TC4鈦合金對偶材料之間在掃頻振動條件下的微動摩擦磨損及力傳遞特性進行鑒定評估。區別于一般的單點定頻微動摩擦試驗，本文在調研分析微動摩擦磨損主要影響因素的基礎上，依據實際工況設計了等效運載發射振動的模擬試驗裝置，對45%SiCp/Al復合材料和TC4鈦合金摩擦副進行了掃頻振動試驗，并檢測了振后試件表面，以期對45%SiCp/Al復合材料在空間機構的應用提供指導。

1 試驗設計

1.1 微動磨損主要影響因素

文獻[10]研究了Si3N4和GCr15兩種摩擦配副材料在不同載荷下對TC4鈦合金的微動磨損行為影響。文獻[15-16]研究結果顯示接觸載荷對微動摩擦行為和磨損機理有顯著影響。文獻[13,17-18]的試驗結果顯示微動幅值、表面粗糙度及擺動頻率對摩擦系數及磨損率等有不同程度的影響，且干摩擦和水潤滑條件下磨損結果有很大區別。文獻[11]采用正交試驗方法，研究碳纖維增強材料和鈦合金摩擦副之間載荷、頻率、振幅、材料織構、環境條件等因素對微動磨損行為的影響，結果顯示法向載荷、微動頻率、時間對磨損量的影響非常顯著，其中載荷大小對于磨損量的影響程度遠高于其他因素。

因此，為保證試驗結果的可參考性，在試驗設計時需對上述影響因素包括接觸載荷、頻率、微動幅值、表面粗糙度、接觸狀態及環境條件等進行綜合考慮和量化控制。

1.2 等效試驗設計

衛星鎖軸機構工作原理如圖1所示，在發射階段TC4壓環在驅動裝置的作用下與SiCp/Al軸承座緊密配合，形成摩擦式鎖定。在軌后TC4壓環在驅動裝置的作用下與SiCp/Al軸承座分離，進而軸系解鎖。

圖1 鎖軸機構原理圖

鎖軸機構工作時TC4壓環與SiCp/Al軸承座之間為大面積柱面壓緊干摩擦的接觸形式，為方便測試檢測，本文采用兩個40 mm×40 mm×40 mm帶20 mm半徑圓弧的SiCp/Al塊夾持直徑40 mm的TC4鈦合金圓棒來模擬鎖軸機構的壓緊接觸，在振動試驗時通過平口鉗施加夾持力模擬驅動裝置作用下摩擦副之間的接觸載荷。為保證接觸面的等效， SiCp/Al夾塊和TC4圓棒的摩擦副配合面的圓柱度等尺寸精度按IT6～8級加工，表面粗糙度按優于Ra0.8進行嚴格控制，保證與實際產品狀態一致。在試驗時控制廠房的溫濕度，試驗前使用無水乙醇清洗試件并晾干，保證摩擦副之間無其他介質，為干摩擦狀態。

振動頻率、幅值及振動時間根據運載發射條件確定。而常見的微動摩擦磨損試驗機[11]為通用化的單點定頻式，不能滿足本文的大面積接觸形式和掃頻試驗工況。基于現有試驗條件，設計了如下方案：TC4圓棒通過轉接板與振動臺激振頭連接，兩個SiCp/Al塊通過平口鉗與TC4圓棒夾持，平口鉗通過工裝安裝在水平滑臺側邊，水平滑臺上安裝適當的配重模擬負載。等效試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統示意圖

接觸載荷是微動磨損的主要影響因素。對實際工況下鎖緊機構的接觸載荷仿真計算表明工作時鎖緊機構的最大接觸應力約為15.3 MPa，試件上接觸應力達到15.3 MPa時，兩側夾塊壓緊載荷約4000 N，如圖3所示。所以試驗過程中平口鉗需施加夾持力4000 N。

圖3 試件夾緊力與接觸應力仿真

2 夾持力標定試驗

在掃頻振動試驗系統中，采用精密平口鉗對試件夾緊，其夾持力通過絲桿施加。在彈性變形范圍內，絲杠的擰緊力矩與平口鉗夾持力成一一對應關系。在兩個SiCp/Al夾塊上各粘貼一個雙向應變片，分別通過電子萬能試驗機與平口鉗對試件進行夾緊，應變數值一致時則電子萬能試驗機所示壓力與平口鉗的夾持力相同。表1為標定試驗所用設備及精度。

表1 夾持力標定試驗設備清單Table 1 Equipment of holding force calibration test

經試夾，確定電子萬能試驗機從1000 N開始，每遞增500 N記錄一次數據至6000 N。平口鉗夾持從擰緊力矩10 Nm開始，每遞增5 Nm記錄一次數據至30 Nm。圖4為試件分別在電子萬能試驗機和平口鉗上標定時的狀態。

圖4 夾持力標定試驗

圖5為電子萬能試驗機和平口鉗兩次標定的夾持力結果。其中階梯狀為萬能試驗機加壓時應變數值，每次遞增后持續60 s(第二次在2500 N處持續180 s，不影響標定結果)，圖片左側為平口鉗分別施加25 Nm和30 Nm擰緊力矩時應變片數值，遞增后持續10 s。可見隨著壓緊/夾持力的增大，微應變增加并趨于平穩。

圖5 夾持力標定結果

在考慮應變儀精度的前提下，比較夾持力結果發現，平口鉗施加擰緊力矩30 Nm與電子萬能試驗機施加4000 N壓力時所粘貼應變片的數值基本一致，可認為試件之間夾緊狀態相同，接觸應力一致。

3 微動摩擦試驗

3.1 振動試驗條件

鎖軸機構與軸承座之間微動摩擦方向為軸系的軸向，對應衛星整體的橫向，因此以該衛星鑒定級[21]橫向正弦振動條件作為微動摩擦試驗的輸入，如表2所示。

掃頻振動試驗在D-1000振動臺進行，在振動前使用經夾持力標定的平口鉗對試驗件進行安裝緊

表2 衛星鑒定級正弦振動試驗條件Table 2 Sinusoidal vibration experiment condition of satellite

固，并用力矩扳手對平口鉗施加30 Nm擰緊力矩。表3為微動摩擦試驗所用設備及精度。

表3 微動摩擦試驗設備儀器清單Table 3 Equipment and instrument of friction vibration test

振動試驗除驗證材料的微動摩擦磨損外，同時檢驗該摩擦式鎖定的力傳遞特性。按照實際工況等比確定最大振動輸入加速度1.3g，并在水平滑臺安裝等效配重模擬負載。

圖6 掃頻微動摩擦試驗

3.2 摩擦式鎖定的力傳遞特性

振動試驗時在試驗件兩側，即激振頭工裝(TC4鈦棒側)與水平滑臺(SiCp/Al夾塊側)分別粘貼加速度傳感器，激振頭上為輸入信號，滑臺上為控制信號，通過觀察輸入信號和控制信號之間的重合度判斷加速度載荷是否有效傳遞。

圖7 1.3g量級下滑臺與激振頭傳感器響應曲線

整個試驗過程中SiCp/Al夾塊與TC4鈦棒之間未見松動和相對滑動。圖7為對數坐標下的輸入與控制信號的加速度響應曲線，可以看出在1.3g量級下60 Hz前控制信號與輸入信號基本重合，60 Hz后輸入信號漂移，原因為試驗頻率達到工裝的固有頻率產生的共振所致。試驗結果顯示，輸入加速度與通過摩擦副傳遞后的輸出加速度數值一致且沒有滯后，加速度載荷能有效傳遞，故這種摩擦式鎖定具有良好的力傳遞特性，即摩擦副結合面具有良好的切向接觸剛度。

在掃頻振動試驗后，在此鎖軸機構所應用的轉動機構一階模態頻率40 Hz處，對試件進行了2 min的定頻40 Hz/1.3g量級的耐久振動試驗。試驗時，控制信號和輸入信號加速度響應曲線也基本重合。

4 復合材料表面振后檢測

本文所述的鎖軸機構附近配置有滾動軸承，一旦有細小的顆粒進入內部，會加劇軸承的振動和噪聲水平進而影響其疲勞壽命及摩擦力矩。因此在振動試驗前后均使用HIROX三維視頻顯微鏡觀測試驗件表面形貌，以判別45%SiCp/Al復合材料和TC4鈦合金對偶材料的表面是否磨損。同時在試驗完成拆卸試驗件時，在下部墊白紙觀察是否有粉末顆粒。振動試驗前SiCp/Al夾塊表面某些部位已存在一些極細微劃痕，已存在的痕跡不作為發生磨損的判據，主要比較振動試驗前后是否出現新的磨痕。圖8和圖9分別列出45%SiCp/Al試件中部和邊緣典型位置的放大20倍的形貌。

圖8 夾塊1振前與振后表面形貌比較(20X)

圖9 夾塊2振前與振后表面形貌比較(20X)

除上述典型位置外，對SiCp/Al夾塊和鈦棒進行全面檢測，對比試驗前后20倍顯微鏡下的表面形貌，均未觀察到新的磨痕，所墊白紙上也未見粉末顆粒，因此可以判斷兩種材料之間未發生微動摩擦磨損。

5 結 論

1)設計的掃頻微動摩擦磨損試驗方法和裝置實現了衛星鎖軸機構45%SiCp/Al復合材料與TC4鈦合金摩擦副在運載發射階段受載工況的等效模擬。

2)45%SiCp/Al復合材料與TC4鈦合金組成的大面積壓緊接觸的摩擦副具有良好的力傳遞特性，摩擦副結合面具有良好的切向接觸剛度。

3)在IT6～8級尺寸精度和優于Ra0.8的表面粗糙度，以及接觸應力約15.3 MPa的條件下，45%SiCp/Al復合材料與TC4鈦合金組成的摩擦副經歷衛星鑒定級振動試驗條件和耐久試驗未出現微動摩擦磨損，表明該材料具有良好的抗微動磨損性能。