表面織構技術的研究現狀分析

趙鐵軍，吳 楠

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110000）

0 引言

人們曾經憑經驗認為光滑表面具有較低的摩擦力和磨損，反之，非光滑表面會帶來較大的摩擦力和磨損。但隨著制造技術和相關理論的發展，相關研究證明具有一定粗糙度或紋理的表面具有更好的摩擦學特性[1]。

自然界中，生物的進化也同樣產生了很多具有特定功能性的非光滑生物表面。例如：鯊魚皮表面縱向微結構可以有效降低其游動阻力；荷葉表面微納結構形成超疏水表面，有利于減少灰塵的堆積。這些生物表面同樣暗示了光滑表面并不一定總是最好的摩擦學表面，由此衍生出了一種表面織構技術。

1 表面織構技術

1.1 表面織構技術的發展

表面織構技術是通過指定的設備和加工手段，在物體表面加工形成具有一定分布規律和特定形狀尺寸的微小結構，以達到改善接觸表面的摩擦學或其他方面性能的目的。Hamilton 等[2]于1966年指出不規則表面的每個微凸體可以看作一個小動壓潤滑軸承，能夠產生流體動壓，具有一定承載能力，在透明轉子系統的幫助下直接觀察了微凸體散度區的空化現象。

1994年，以色列Etsion[3]提出了端面有微孔的機械密封概念。其提出在端面上加工多個孔(坑)可以顯著提高機械密封性能；1996年，提出了一種環表面有規則微孔的機械密封。由于推力滑動軸承與機械密封在結構和理論模型上的相似性，人們對織構化推力軸承或與推力軸承相似的相對運動平行板之間的流體動力潤滑進行了大量研究。對應于推力軸承的徑向滑動軸承，也是一種廣泛應用的零件，因此表面織構在流體潤滑徑向滑動軸承中的應用也成為了研究者所關注的對象[4-7]，主要探討了不同的織構參數(如形狀、尺寸、深度、排布形式等)和空化現象對徑向滑動軸承油膜的厚度、壓力和摩擦力等軸承性能的影響。

在內燃機缸套—活塞環部件減磨增壽的摩擦學研究中，表面織構技術也很受歡迎，大部分集中于理論與試驗對比研究上，并在實際工程應用中取得了良好的效果[8-10]。此外，在刀具、齒輪、高分子化合物以及滾動軸承等方面都有相關的研究成果。

1.2 表面織構技術的應用

近年來，表面織構技術的應用日漸廣泛和多樣化，武漢科技大學朱詩文[11]進行了血管支架內仿鯊魚皮表面織構優化設計，加工后的血管支架植入后血管內血流動力學參數得到了優化，相對于傳統的血管支架具有更低的再狹窄發生率。

南航的李凱凱[12]研究了缸套—活塞環摩擦副，選擇了有機械珩磨條紋的缸套試件，對其進行加工，加工出的微凹坑織構與原有的條紋形成混合表面織構，分析了混合型表面織構對缸套性能的影響，其中微凹坑織構部分采用10%～5%～10%的密度時減摩效果更顯著，織構形式如圖1所示。

哈爾濱理工大學佟欣[13]以球頭銑刀銑削鈦合金為切入點，利用激光制備工藝在刀具的刀—工切削面上加工出一定排列規則的微織構，分析了不同面積比的織構對不同刃口形式的刀具切削性能的影響，表明微織構在銑削過程中能有效地發揮減摩抗磨作用，并對織構參數進行了優化，鈍圓刃口刀具在刀—屑接觸區內最佳織構面積比為7%～14%，負倒棱刃口刀具在刀—屑接觸區內最佳織構面積比為9%～11%。

圖1 變密度混合織構表面形貌圖

2 表面織構加工方法

表面織構加工方法有多種方式，目前研究較多的有電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工。

2.1 電火花加工

電火花加工(EDM)又稱放電加工或電蝕加工[14]。導電材料會被浸入工作液的兩極脈沖放電過程中產生的電蝕去除。電火花可加工普通方法難以加工的材料和形狀復雜的工件；加工時無切削力；不產生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；直接采用電能加工，容易實現自動化；但加工后表面有變質層，需進一步去除；加工過程中會產生煙霧造成污染，工作液需要凈化才能排放。

電火花主要應用對象有具有復雜孔或腔的模具和零件；硬脆材料和導電材料，如硬質合金和淬火鋼等；深細孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等；各種成形刀具、樣板和螺紋環規等工具和量具。

2.2 電解加工

表面織構電解加工[15]利用陽極溶解原理指向性地去除陽極金屬材料，在工件表面加工出所需形貌。加工過程中，工具電極與電源負極連接，工件與電源正極連接成為陽極，電解液從陰陽兩極之間的加工間隙高速流過，接通電源后陰陽極之間電解反應開始，陽極材料被溶解，加工產物被電解液帶出。可通過改變電壓大小、電解液種類和濃度、加工時長等加工出不同參數的表面織構形態。電解加工方法加工效率高、可成型范圍廣、加工成本低，但只能對金屬材料進行加工，且電解之前需進行光刻工藝并對工具陰極進行加工，加工工藝繁瑣。

圖2 電解加工表面織構過程示意圖

錢雙慶[16]提出了新型的活動模板電解加工表面織構技術，如圖3所示，利用這種電解技術在活塞和活塞環表面加工出微坑，研究了表面織構形貌隨電解加工電流密度、加工時間的變化，以及活動模板尺寸對其的影響。實驗結果表明，直徑250 μm 、深度10 μm 、面積率16%的微坑織構表現出最優減摩效果。

圖3 活動模板電解加工表面結構示意圖

2.3 超聲加工

超聲加工[17]是一種將工件浸在研磨介質中進行超聲振動(大于20 kHz)，去除多余材料，使工件成形的加工方法。原理和加工過程如圖4～5所示。由于其無熱物理效應，無熱影響區，不受材料導電性的限制，可加工深凹坑、凹槽和復雜的三維腔，在加工硬脆材料方面具有許多優勢。

有些場合的表面織構是為了增大摩擦，張濤[18]利用超聲加工技術在轉子與定子接觸面間的聚酰亞胺材料表面加工出微坑組織以提高摩擦因數增大力矩，分析了磨粒參數、超聲功率等對微坑尺寸和深度的影響。在材料表面加工出邊長為225～425 μm 、面積率10%～30%、深度150 μm 左右的微坑，結果表明，邊長為325 μm 和425 μm 的微坑織構將摩擦因數提高了一倍，而且耐磨能力也有所提升。

圖4 超聲加工原理圖

圖5 活動模板電解加工平面織構的工藝路線

2.4 激光加工

激光表面織構[19]是用激光器在工件表面加工出所需的表面形貌，其可以加工金屬、非金屬，還可以加工高硬度、高脆性及高熔點的陶瓷、硅片等。在加工過程中無切削力對工件的影響，使工件變形很小；加工時能量注入速度高，對工件熱影響區很小，因此工件熱變形很小；加工速度快、無噪聲、無污染。

哈爾濱工業大學何江濤[20]用飛秒激光加工技術在軸承鋼表面加工了不同形狀、不同深寬比、不同面密度的微織構，結果得出圓形微織構表面在不同速度和載荷下均具有良好的減摩性能，微織構面密度為0.07，深寬比為0.2時，織構減摩潤滑效果最好。

3 結束語

對近年來國內外表面織構技術研究成果的分析，可以看出多數應用于工程領域，其中對軸承、刀具、活塞等常用零部件的表面織構居多。織構方式則以激光、電解加工、超聲加工為主，激光織構因其具有加工精度高、效率高、污染小、熱影響區小、應用范圍廣泛等優點，備受研究者的青睞。

織構組織的形狀多以圓柱形凹坑、球形凹坑以及凹槽形結構為主，基于不同形狀和尺寸的織構，分析其對加工表面的潤滑性能、表面應力以及零件壽命的影響。分析方法則以數學建模居多，主要以Reynolds和Navier-Stokes(N-S)方程對表面織構的潤滑問題進行分析求解。其中Reynolds 方程是N-S 方程的簡化形式，其忽略了流體慣性力、體積力，計算量較少，計算時間相對較短，但計算結果的精度沒有N-S 方程高。部分研究應用摩擦磨損試驗機對加工表面摩擦學性能進行試驗。

由此可見，如今對表面織構技術的理論化研究以及試驗并不缺乏，但數學模擬工況與實際工作環境存在差異，且現場情況復雜多變，并不能完全依靠理論及實驗得出成果，這也是表面織構技術突破的最大難點，表面織構技術未來研究重點應是理論與實踐相結合，爭取早日規模化地應用到工程當中，造福生產。