炮鋼銷和黃銅盤配副時的摩擦磨損特性研究

黃昭明，王陶，王利，趙恒文

(1. 皖江工學院 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243031；2. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.宣城職業技術學院 機電與汽車學院，安徽 宣城 242099)

裝備發展是實行國際戰略威懾和確保國內安全穩定的雙重需要。面對世界軍事發展新機遇,我國必須加強武器裝備發展的戰略指導,確立國防建設中裝備發展的原則,堅持軍事需求[1]。創新驅動、實戰運用,應與我國的裝備發展與國防建設總體戰略相符合。作為水戰、陸戰和空戰的重要武器裝備,機炮在我國國防事業中一直發揮著核心作用[2]?，F代機炮對高精度、高射速、自動化和安全性等方面的性能提出了更高的要求,然而機炮服役期間,在周期性瞬態熱載荷和瞬態壓力載荷耦合下,彈膛系統中炮彈膛線和炮彈彈頭會產生嚴重的磨損,磨損會改變彈頭的飛行姿態,降低彈頭命中精度和彈膛使用壽命[3]。機炮彈膛系統的關鍵構件常因在高載、高速等惡劣工況下工作產生嚴重磨損,彈膛的更換消耗了大量的軍費開支[4]。因此,研究彈膛與彈頭之間的摩擦磨損特性對提高武器射擊精度和使用壽命意義重大。

近年來,眾多學者對碳基和銅基復合材料的摩擦磨損性能進行了相關研究。針對碳基復合材料,馬彪等[5]在高溫潤滑條件下對兩種軸承鋼摩擦磨損性能進行了實驗研究;李奇穎等[6]在循環熱沖壓下對高熱導率模具鋼的摩擦磨損行為進行了實驗研究。針對銅基材料的摩擦磨損性能,王立全等[7]研究了摩擦條件對銅基材料摩擦磨損性能的影響;馮小亮等[8]研究了載荷和溫度對銅合金摩擦磨損性能的影響;任曉燕等[9]研究了銅基材料耐磨性能;尹延國等[10]研究了銅基軸承材料的摩擦學特性。

已公開的研究資料表明,學者們研究了碳基復合材料鋼和銅基材料的摩擦磨損機理[11-13],然而針對炮鋼和黃銅摩擦磨損特性的研究鮮有報道。為此,本研究將使用炮鋼和黃銅分別加工制作成的銷和盤安裝于立式萬能摩擦磨損試驗機盤銷摩擦副上,開展摩擦磨損特性的影響因素實驗研究。借助透反射鐵譜顯微鏡、高精度電子天平和超聲波清洗機等設備觀察不同試驗力下炮鋼銷和黃銅盤的摩擦系數和摩擦力矩、磨損量、磨面形貌的變化關系,為下一步開展機炮彈膛系統摩擦磨損機理研究提供參考。

1 實驗系統與實驗方法

1.1 實驗裝置和測試系統

試驗主機是一款型號為MM-W1B的立式萬能摩擦磨損試驗機,該主機為立式結構,由主軸驅動系統、各種摩擦副及專用夾具、油盒與加熱器、摩擦力矩測定系統、摩擦副下副盤升降系統、閉環控制彈簧式施力系統等組成,整機還包括操縱面板系統以及試驗機電控柜等。

試驗機摩擦副立式放置,分為上試樣與下試樣。上試樣裝于相應的上試樣加持裝置后再裝入主軸下端的錐孔內用拉桿擰緊,與主軸一起運動。下試樣裝于相應的下試樣加持裝置及油盒內再安裝在試驗副盤上進行試驗。試驗時下試樣固定,上試樣主軸以一定的轉速順時針轉動。主軸通過圓弧齒同步帶輪及同步帶由交流伺服電機驅動,轉速由交流伺服調速系統控制,在一定轉速范圍內可無級調速。在控制面板的鍵盤上設定試驗轉速,試驗機主軸轉數可累計,試驗轉速和試驗累計轉數在液晶顯示器上顯示。MM-W1B摩擦磨損試驗機主要參數見表1。

表1 MM-W1B摩擦磨損試驗機主要參數

圖1為摩擦磨損實驗系統架構,MM-W1B摩擦磨損試驗機測試實驗試樣后,同步將試驗力、摩擦力矩、溫度、轉速和摩擦系數數據傳給終端電腦并生成相關曲線。測試后,由FUYANG超聲波清洗機(最大清洗頻率40 kHZ)清洗掉附著在試樣磨損表面的碎屑,再應用HZK-FA3005電子天平(精度±0.000 1 g)稱重獲取試樣磨損量數據,最后應用YFX-4透反射鐵譜顯微鏡(放大倍數20/50/100/200/400/1 000)觀察金屬磨損表面的微觀形貌。

圖1 摩擦磨損實驗系統架構

1.2 實驗方法

圖2為單銷-大環摩擦副裝配圖。為探索單銷-大環摩擦副在不同試驗力下炮鋼銷和黃銅盤的摩擦系數和摩擦力矩、磨損量、磨面形貌的變化關系,實驗研究中選用三種常用軸向試驗力10、50、90 N分別對三組炮鋼銷作為試樣銷4和黃銅盤作為大試環2的摩擦副進行15 min的摩擦磨損測試。試驗由終端電腦顯示摩擦系數-時間關系圖、摩擦力矩-時間關系圖,用以研究其摩擦磨損特性;然后對試驗完成后的每組試樣進行5 min超聲波清洗和10次稱重,并繪制磨損量-試驗力關系圖,用以研究實驗前后磨損規律;最后應用透反射鐵譜顯微鏡以100、200、400倍三種放大倍數觀察三組摩擦副試樣磨面形貌的超微結構,用以分析磨損規律。實驗中炮鋼銷的材料是牌號為PCrNi3MoVA的超高強鋼,黃銅盤的材料是牌號為H96的黃銅,其中炮鋼銷材料的化學成分符合GJB 3783—1999規定的標準。

1.銷夾頭;2.大試環;3.螺釘;4.試樣銷。

實驗中單銷-大環摩擦副摩擦系數與摩擦力矩的關系式為

式中:u為摩擦系數;T為試驗機摩擦力矩,N·mm;P為試驗機軸向試驗力,N;R為大試環與試樣銷接觸點軌跡半徑,本試驗機R=23.077 5 mm。

2 實驗研究結果與分析

2.1 試驗力對摩擦系數和摩擦力矩的影響

在MM-W1B摩擦磨損試驗機上分別設定三種常用軸向試驗力10、50、90 N依次對三組試樣進行15 min摩擦磨損試驗,獲得不同試驗力下摩擦系數隨時間的變化(圖3)和不同試驗力下摩擦力矩隨時間的變化(圖4)。

圖3 不同試驗力下摩擦系數隨時間的變化

圖4 不同試驗力下摩擦力矩隨時間的變化

圖3中三種試驗力下摩擦系數隨時間的增加而增加,然后逐漸趨向平穩,而且摩擦系數的波動隨試驗力的增大而減小。這是由于剛開始銷為球面,接觸面積小,摩擦系數小,但銷盤磨合完成后便進入穩定磨損階段,磨損率保持基本不變,摩擦系數趨于穩定,所以試驗力大小對摩擦系數波動造成的影響較小。摩擦初期,觀察試驗數據發現銷與盤的試驗力在10 N上下波動較大;50 N試驗力下磨合階段摩擦系數波動較大,穩定磨合期摩擦系數波動較小;當試驗力上升到90 N時磨合階段縮短,穩定磨合期摩擦系數一致性較好。觀察穩定磨合期,發現三種試驗力下10 N的摩擦系數隨時間的變化曲線幾乎覆蓋了50 N的摩擦系數隨時間的變化曲線,而50 N的摩擦系數隨時間的變化曲線又覆蓋了90 N的摩擦系數隨時間的變化曲線,進一步統計摩擦系數在300～900 s之間的600組試驗數據的均值發現,10 N試驗力下的平均摩擦系數為0.248 3,50 N試驗力下的平均摩擦系數為0.263 2,90 N試驗力下的平均摩擦系數為0.251 0。

由實驗中單銷-大環摩擦副的摩擦系數與摩擦力矩的關系式可知,理論上T=uP/0.043 32,式中:T為摩擦力矩;μ為摩擦系數;P為摩擦力。結合上述結論能夠解釋相同試驗力下圖3與圖4中的曲線變化基本符合比例系數k=uP/0.043 32的比例關系,式中k為比例系數,且圖4中三條摩擦力矩的變化曲線也基本符合三種試驗力的比例關系。

2.2 試驗力對磨損量的影響

試驗完成后,應用FUYANG超聲波清洗機對每組試樣進行5 min清洗,洗掉附著在試樣磨損表面的碎屑,然后對每組試樣進行10次稱重,繪制出不同試驗力下試樣質量的變化,如圖5所示。

圖5(b)為圖5(a)中炮鋼銷10次稱重質量變化的均值,由圖5(b)可以清晰地看出,試驗前后三組試樣中炮鋼銷的質量變化規律明顯,體現為在不同試驗力下三組試樣中炮鋼銷的質量均在增大,且增大幅度隨試驗力的增大而減小,即其磨損量隨試驗力的增大下降幅度在減小。1號、2號和3號試樣炮鋼銷質量均值分別增加了0.6、0.4、0.3 mg。

圖5(d)為圖5(c)中黃銅盤10次稱重質量變化的均值,由圖5(d)可以清晰地看出,試驗前后三組試樣中黃銅盤的質量變化規律明顯,體現為在不同試驗力下三組試樣中黃銅盤的質量均在減小,且減小幅度隨試驗力的增大而增大,即其磨損量隨試驗力的增大上升幅度在增大。1號、2號和3號試樣黃銅盤質量均值分別減小了3.2、5.8、11.7 mg。

對比三組試樣中的炮鋼銷和黃銅盤的磨損質量發現,炮鋼銷磨損量很小,而黃銅盤的磨損量較大,這是同于炮鋼銷硬度遠大于黃銅盤的硬度造成的;炮鋼銷的磨損量不減反增,其原因可能是由于黃銅盤材質較軟、磨損后粘附到了炮鋼銷的磨面上所致。一般來說,黃銅盤被磨損質量是粘附到炮鋼銷上黃銅質量和被超聲波清洗掉的黃銅碎屑質量之和。

(a)炮鋼銷10次稱重質量的變化

2.3 試驗力對磨面形貌的影響

應用YFX-4透反射鐵譜顯微鏡,以100、200、400倍三種放大倍數分別觀察三組試樣磨面形貌的超微結構,用以分析其磨損規律。圖6是不同放大倍數下1號試樣的原始形貌,圖7是不同試驗力和放大倍數下炮鋼銷的磨面形貌,圖8是不同試驗力和放大倍數下黃銅盤的磨面形貌。

對比圖6和圖7可以發現,炮鋼銷磨損后磨損表面附著有黃色物質,結合試驗力對磨損量的影響分析結論可以推斷這種黃色物質為銅,說明發生了粘著磨損。對比圖7中炮鋼銷的各磨面形貌發現,隨著試驗力增加,炮鋼銷磨損后磨損表面附著的黃色物質也在增加。試驗力從10 N到50 N,炮鋼銷表面的黃色物質增加較多;而試驗力從50 N到90 N,炮鋼銷表面的黃色物質增加較少。對比圖8中炮鋼銷的各磨面形貌發現,隨著試驗力的增加,黃銅盤上磨損溝道也隨著變寬變深,且試驗力從10 N變化到50 N相對于試驗力從50 N變化到90 N,黃銅盤上磨損溝道的寬度變化更多。試驗力從10 N到50 N,磨損隨試驗力的增加急劇增加,試驗力超過50 N后磨損隨試驗力增加而增加的速率減慢。

圖6 不同放大倍數下1號試樣的原始形貌

圖7 不同試驗力和放大倍數下炮鋼銷的磨面形貌

圖8 不同試驗力和放大倍數下黃銅盤的磨面形貌

3 結論

本研究綜合應用MM-W1B摩擦磨損試驗機、FUYANG超聲波清洗機、HZK-FA3005電子天平和YFX-4透反射鐵譜顯微鏡,研究了不同試驗力下炮鋼銷和黃銅盤配副后的摩擦磨損特性。主要結論如下:

1)根據不同試驗力下摩擦系數隨時間的變化曲線,結合所統計600組試驗數據的摩擦系數均值(0.248 3、0.263 2和0.263 2),得出結論:摩擦系數與試驗力相關。摩擦初期,試驗力不同,摩擦系數也不同;穩定磨合期,試驗力對摩擦系數影響在減弱。根據不同試驗力下摩擦力矩隨時間的變化曲線,結合實驗中單銷-大環摩擦副的摩擦系數與摩擦力矩的關系式,得出結論:三條摩擦力矩的變化曲線也基本符合三種試驗力的比例關系,同時也說明摩擦力和摩擦系數存在關聯。

2)不同試驗力下,1號、2號和3號試樣炮鋼銷質量均值分別增加了0.6、0.4、0.3 mg,1號、2號和3號試樣黃銅盤質量均值分別減小了3.2、5.8 、11.7 mg。對比三組試樣中的炮鋼銷和黃銅盤的磨損質量均值的變化,推斷得出:可能是由于黃銅盤材質較軟,磨損后粘附到了炮鋼銷的磨面上所致。由于試驗設備的短缺未能使用SEM-EDS進行進一步確認出黏著物的成分,所以此處以及相關結論均為推斷所得。

3)不同試驗力下,1號、2號和3號試樣黃銅盤質量均值分別減小了3.2、5.8、11.7 mg。推斷得出:試驗力隨磨損量的增加速率先增后減,這也進一步反饋了對應試驗力下摩擦系數均值(0.248 3、0.263 2和0.263 2)的變化規律。