機械零件非光滑仿生表面加工裝置創新設計*

肖野洪 ，張宏斌 ，鐘 林 ，王成龍 ，許紹華 ，李修權

（齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

0 引言

隨著能源消耗日益劇增，人們越來越重視能源材料的利用率和使用壽命，節約能源受到全世界的關注，關于提高部件耐磨技術的研究也成為提升零部件壽命的關鍵。隨著科技的進步，在仿生技術和凹形表面技術的減阻研究方面都已取得不錯的成果。

孫友宏等[1]將非光滑表面技術應用于金剛石鉆頭的結構設計中，通過實驗測試仿生鉆頭與普通鉆頭的失效和能耗差異，進而確定出一種具有耐磨減阻特性的仿生鉆頭，使其耐摩擦性能提高了47%。張琰等[2]通過模擬螻蛄爪趾形狀，使用多項式擬合方法得到螻蛄爪趾的側面輪廓線，并利用一體化成型技術制備出一種新型的挖掘機仿生斗齒樣件，土壤切削試驗結果表明，改進后的仿生斗齒受到來自土壤的切削阻力較非仿生原型斗齒降低11%左右。戴哲敏等[3]在陶瓷泥料切向阻力檢測裝置的噴嘴表面設計出一種仿生微電滲結構，使其具備仿生表面的減黏降阻性能。結果發現，仿生微電滲表面的減黏降阻性能可以有效減小泥料與壁筒間的黏著力，從而改善泥料的綜合性能。許建民[4]根據美洲豹頭部外形特點，設計出一種貨車駕駛室前部的仿生減阻結構，并利用正交試驗法對該減阻結構進行優化，最終優化出貨車減阻結構的模型，使其氣動阻力系數最小。結果發現，該結構的氣動阻力系數比常見貨車的氣動阻力系數降低了8.93%。楊雪峰等[5]利用滾壓成型技術在PVC 和PET薄膜上制備出一種仿生鯊魚皮結構，探究了鯊魚皮微凹槽結構的減阻性能，并分析了微凹槽結構的減阻機理。李凱杰[6]在離心泵葉片吸力表面制備出一種凹坑單元結構，并探究了葉輪表面非光滑單元對葉輪結構減震的影響規律。代翠[7]在離心泵葉片表面加工V型槽仿生結構，并利用數值模擬對離心泵內部流場進行系統分析。研究表明，離心泵葉片表面的仿生結構能夠降低離心泵阻力的3.1%左右，進而提高離心泵的抽汲效率。

依據多數生物外表面非光滑特性，將非光滑特性應用在機械零部件表面時，可大幅度提升機械零部件接觸表面的耐磨性，減少相對運動所帶來的摩擦阻力、摩擦系數和黏附力。目前來講，對零件加工的已知設備中絕大多數是針對光滑表面加工，尚無完備的加工設備能夠實現對零部件表面加工出微坑使其形成非光滑表面。因此，本文提出通過仿生原型設計一種加工機械零部件非光滑微坑外表面裝置，可以對柱塞、軸承等回轉體零件的外表面不間斷加工，具備可靠的加工精度和較高的加工效率。

1 非光滑仿生表面減阻機理

1.1 非光滑仿生表面的平整化作用

一般來說，采用機械加工方法制造的零部件，其表面粗糙度取決于加工質量，機械零部件的表面微觀尺度存在凹凸不平的現象。傳統摩擦副和非光滑表面摩擦副的結構如圖1 所示，當兩種試件各自接觸表面發生相對運動或摩擦時，傳統摩擦副表面依靠不鋒利的凸起實現對機械零件表面的平整化作用，如圖1（a）所示。然而，在仿生表面上，規則的仿生微坑邊緣類似車刀，如圖1（b）所示，其能迅速、有效地對機械零部件表面進行平整化處理，且跑合時間更短，減阻耐磨效果更為突出。

1.2 非光滑仿生表面的空穴減阻作用

當仿生結構零部件間摩擦副發生相對運動時，摩擦接觸表面被液體或空氣黏膜分開，產生一種虛接現象。上述仿生表面微坑內空氣黏膜同時具有一定的承載作用，這種現象稱之為仿生表面的空穴減阻作用[8]。單個微坑仿生表面的空穴減阻作用如圖2 所示，仿生表面在油潤滑條件下增加了潤滑油膜的厚度，進而改善了摩擦副的潤滑性能。此外，每個微坑結構能貯存少量的潤滑油，在摩擦副接觸工作時，微坑結構能夠為摩擦過程提供潤滑油，形成良好的油潤滑摩擦環境，起到減小摩擦副接觸面積進而減小摩擦阻力的作用[9]。因此，仿生表面的空穴減阻作用可以提高摩擦副的承載能力，還能顯著降低摩擦表面的磨損速率。

圖2 仿生表面的空穴減阻作用

1.3 非光滑仿生表面的形變減壓作用

由于非光滑仿生微坑表面的剛度低于光滑表面的剛度[10]，所以非光滑仿生微坑表面所承受的局部應力比光滑表面的應力要小得多。在兩光滑表面摩擦過程中，其中一個機械零件表面存在的局部凸起陷入另一個零件內部，使其表面出現深淺不一的溝痕。仿生微坑表面剛度較弱，在摩擦接觸過程中，仿生微坑機械零件表面發生形變，相比較而言，降低了非光滑微坑表面的應力，這就是仿生微坑表面的形變減壓作用。仿生微坑表面的形變減壓作用如圖3 所示，圖中實線為仿生微坑表面的原形，虛線為摩擦應力作用后的結構形態。當仿生微坑表面承受一定的外部載荷時，其邊緣區域會發生一定的形變，這種結構形變能夠吸收部分形變能，同時可增大原形承載作用面積。因此，仿生微坑表面的形變減壓作用可有效提高摩擦副的承載能力。

圖3 仿生表面的形變減壓作用

2 加工裝置設計

通過結構分析、技術對比和原理研究進行了充分論證，制定機械零件表面加工裝置設計方案，對現有裝置的動力機構、運動機構、加工機構、支撐機構以及夾持機構的結構形式進行改進，可以完成對被加工機械零部件的可靠固定，且可以確保加工裝置能夠實現準確的定位導向，減少對零部件等非光滑表面加工時產生的誤差，得到一種適用于制造機械零件仿生微坑表面的加工裝置，機械零件非光滑表面加工裝置結構如圖4 所示。該裝置包括X 向和Y 向水平運動機構，利用此加工裝置可加工出具備仿生原型結構的零部件，能夠更有效地延長被加工零部件的使用壽命。

圖4 機械零件非光滑表面加工裝置結構圖

3 加工裝置工作原理

加工裝置運行過程中，將機械零件裝夾在液壓三爪卡盤上，啟動第二電動機，旋轉搖桿經過X 向滾珠使動板及與其連接的動力機構、加工機構X 向橫向運動，改變Y 向滾珠驅動承載板及與其連接的動板Y 向水平運動。啟動第一電動機，使在輸入軸上的主齒輪轉動，主齒輪與主齒輪兩側輪齒相互嚙合，兩側輪齒又分別驅動4 個輸出齒輪帶動的2 個雙聯齒輪共同轉動，與加工機構嚙合的齒輪在輸出軸的驅動下傳遞扭矩。加工裝置中起導向作用的是支撐機構，使加工機構沿機械零件的端面運動加工。將水平導軌與銜接板緊固連接，在導軌上的滑塊可直線移動，在可移動板的一端經過螺栓來固定銜接板，使其隨可移動板共同X 向橫向運動。將液壓缸安裝在與滑塊緊連的橫板上，為夾持機構提供動力源，裝夾機械零件的過程可通過液壓缸的控制操作實現。

采用該加工裝置實施機械零件非光滑表面的加工過程需經歷兩個階段，首次加工和二次加工。首次加工過程中，操控X 向和Y 向水平調整機構運動位置，將加工端口對準被加工零件的位置，在第一電動機帶動下，將動力輸送到加工端使其轉動，通過改變液壓缸使夾持機構有效地裝夾零件，撥開固定橫板上的固定插銷，使搖桿順時針旋轉，驅動加工機構及底部動板運動，對機械零件進行加工。

二次加工過程中，首次加工結束后，使夾持機構松開機械零件，操控搖桿逆時針旋轉，改變X 反方向橫向運動，使加工機構離開被加工零件端面。通過旋轉180°使夾持零件的三爪液壓卡盤松開被加工零件，再次操控液壓缸使被加工機械零件緊固在夾持機構中，使搖桿順時針旋轉，加工零件的對稱端面。二次加工操作完畢后，控制液壓缸使被加工零件從夾持機構脫落，驅動第二電動機，使裝置整體Y 向水平運動，直到到達再次加工位置時斷開第二電動機。反復第一、第二次加工過程，直至非光滑表面結構被加工于整個機械零件的端面。

4 結語

機械零件非光滑仿生表面所具備的平整化作用、空穴減阻作用和形變減壓作用，使其具有優良的減阻耐磨特性。本文提及的加工裝置對機械零件的端面可連續加工出微坑仿生表面，并且首次可在被加工機械零件半個端面制出4 個微坑，與首次加工只能形成1 個或2 個微坑相比，其能夠大大提高加工效率，并降低能耗和加工時間。該裝置特點是能夠可靠固定待加工機械零件，并且實現精準定位導向，在工作時減少了對零部件加工非光滑仿生表面的誤差。