微織構對V 型滑動導軌副摩擦磨損特性影響的研究*

馬岢欣 鄧建新 包一琛 王軍燕 田潤洲 王明遠

（山東大學機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061）

V 型滑動導軌是一種常見的機械傳動元件，廣泛應用于各種機械設備中，其良好的剛性使之可承受大負載和沖擊力，且具有較低的摩擦系數和較高的耐磨性能，能夠確保導軌副平穩和高精度運動。但在設備使用過程中，導軌副接觸表面間的磨損不可避免，這會降低導軌副運動平穩性和精確性、增加噪聲和振動，嚴重的磨損還會導致導軌失效從而縮短設備使用壽命，并有相關研究表明，表面磨損會加劇導軌副爬行現象[1-2]。因此，研究V 型滑動導軌副的摩擦行為，對提高能源利用率，改善其摩擦磨損特性和提高使用壽命具有非常重要的意義。

通過對導軌材料選擇、表面處理和潤滑機制的研究和優化，可以顯著降低導軌磨損的速度，先進的涂層技術[3]、表面改性[4]和微織構方法[5-6]等新型技術為保持導軌表面的耐磨性和低摩擦性提供了增強措施，有效延長了導軌的使用壽命。近年來，微納米表面織構技術成為研究熱點，其中電火花加工[7]、電解加工[8]和電子束加工[9]等方法被廣泛應用。激光加工技術[10]以其高質量光束、高效低成本、穩定安全、精密可靠等優點成為表面微織構處理的有效方法，其加工出的微小凹凸結構可減少接觸面積，降低摩擦系數，提高潤濕性能，廣泛應用于軸承[11-13]、刀具[14-15]和活塞[16]等相對運動機械零件中。

在導軌表面微織構的研究中，Nakano M 等[17]在潤滑條件下進行銷-盤法摩擦磨損試驗，對平行溝槽、網狀溝槽以及圓形凹坑等微織構的摩擦學特性進行了研究，結果表明，圓形凹坑較其他微織構能夠有效地減小表面摩擦。Pang Z B 等[18]采用激光器在鑄鐵導軌上制備了微織構進行摩擦磨損研究，該研究結果表明如采用特定形式的仿生耦合單元可以顯著提高鑄鐵導軌的耐磨性能。王浩等[19]利用激光加工技術，在GCr15 軸承鋼上制備出了4 種織構：凸起微織構、帶有熔覆堆疊的圓坑微織構、圓坑微織構以及溝槽微織構，并以臨界速度為評估指標，發現臨界速度越小微織構對爬行抑制作用越好，導軌表現出更好的摩擦學性能。Zhang H F 等[20]在灰鑄鐵導軌表面制備出了網格、凹坑以及二者復合的微織構，并在乏油條件下展開了摩擦學試驗，通過對磨損形貌和導軌表面的應力展開了分析，發現當兩種微織構耦合作用時，能夠更好地改善灰鑄鐵導軌的摩擦學性能。

針對V 型滑動導軌接觸面間的摩擦磨損問題，以45 #鋼-40 鉻V 型滑動導軌為研究對象，在導軌上、下接觸面分別制備直線和橢圓微織構，在乏油條件下通過自制導軌往復滑動試驗平臺開展面面接觸線性往復摩擦試驗，研究微織構對45#鋼-40 鉻V 型滑動導軌副的摩擦性能的影響，并從不同微織構產生流體動壓效應和對改善V 型滑動導軌副表面接觸應力分布情況等方面分析試驗結果。

1 試驗

1.1 試驗材料的準備

V 型滑動導軌試樣選擇常見的鋼質材料，上導軌為45 #鋼，尺寸100 mm×25 mm×25 mm，表面淬硬至40±5 HRC；下導軌為40 鉻，尺寸30 mm×25 mm×25 mm，表面淬硬至45±5 HRC。導軌材料性能見表1。在導軌織構化前，依次使用400目、800目、1 200 目的砂紙逐級打磨使表面無明顯劃痕和缺陷。然后將其浸泡在重油清潔劑LJ-926 溶液中進行超聲波清洗15 min，去除殘留的磨粒，隨后重復干燥操作后將導軌試件放入防潮箱中以備使用。織構化前的Ra 參數值為0.35±0.05 μm，V 型滑動導軌副實物圖如圖1 所示。

圖1 V 型滑動導軌副實物圖

表1 導軌材料化學性質

1.2 微織構表面的設計與制備

微織構形狀設計為直線和橢圓，如圖2 所示，利用激光波長為1 064 nm 的Nd : YAG 激光器設備，選取相同的激光加工參數對45#鋼和40 鉻V 型滑動導軌副表面進行加工，具體加工參數：掃描功率為4 W，掃描速度為2 mm/s，掃描頻率為290 kHz，掃描間距為3 μm，掃描次數1 次。制備過程如圖3所示。

圖2 微織構的設計

圖3 微織構的制備

圖4 所示為不同織構化V 型滑動導軌副的命名。無織構、直線和橢圓微織構分別命名為NS、ZS 和TS，無織構、僅在上導軌加工微織構、僅在下導軌加工微織構和上下導軌均織構化的V 型滑動導軌副分別命名為W、U、D、UD，如U-ZS 為僅在上導軌接觸表面加工直線微織構的V 型滑動導軌副。

圖4 不同織構化V 型滑動導軌副的命名

1.3 摩擦試驗

圖5 所示為自行搭建的導軌往復滑動試驗平臺。在室溫22 ℃，相對濕度40% 的條件下進行試驗，試驗前向導軌表面提供0.1 mL 的46 號抗磨液壓油（L-G 46），其參數見表2，以保證油液進入微織構并均勻分布，向上導軌提供相對低的壓力進行預滑動5 min，隨后將多余的油液擦拭干凈確保為混合潤滑條件。滑動速度設置為5 mm/s 法向載荷設置為1 200 N，往復行程長度為60 mm。試驗對比研究了不同織構化V 型滑動導軌在混合潤滑狀態下的相同載荷和滑動速度的摩擦性能，不同情況進行5 次試驗，取后3 次測試結果的平均數作為有效結果進行數據處理。

圖5 導軌往復滑動試驗平臺局部實物圖

表2 潤滑油參數

2 結果與討論

2.1 織構化V 型滑動導軌副表面形貌

激光加工后V 型滑動導軌副表面的微織構周圍會出現毛邊和熔覆堆積[21]，底部還會出現燒結現象。為解決織構周圍毛邊和熔覆層的堆積，使用1 200目的砂紙對試樣表面進行再次打磨，然后將導軌試件浸入濃度為95% 的酒精溶液中超聲清洗15 min后進行烘干處理。通過共聚焦顯微鏡對織構化導軌副的表面形貌進行測試，如圖6 和圖7 所示。V 型滑動導軌副表面的ZS 的寬度為70±5 μm，深度為25±5 μm，截面呈現三角形形狀，ZS 間距為500±5 μm，平均面密度約為20.51%，TS 的長半軸為400±20 μm，短半軸為280±20 μm，深度為15±5 μm，截面呈現梯形形狀，TS 間距為500±5 μm，平均面密度約為40.96%。

圖6 共聚焦顯微鏡下織構化V 型滑動導軌表面局部形貌

圖7 共聚焦顯微鏡下單個微織構形貌尺寸

2.2 微織構的流體動壓效應的仿真

假設微織構處于流體潤滑狀態，根據已制備出的微織構尺寸和截面形狀建立模型進行仿真，采用簡化后的Navier-Stokes 方程，獲得流體在微織構區域的壓力大小。根據實際仿真需求對微織構區域的流體進行以下假設：潤滑劑的性能不隨外界環境改變且液體流動狀態為層流；上導軌運動帶動潤滑劑運動，兩者速度相同且無相對滑動；在膜厚方向上，壓力梯度為0 且不考慮體積力的變化。根據以上假設建立微織構潤滑區域潤滑劑的流場模型，微織構周期且規則地排列在導軌表面即選取連續的兩個微織構區域進行模擬仿真。

圖8 所示為ZS 和TS 的仿真模型，其中潤滑劑厚度為H，微織構深度為h，ZS 寬度用l表示，TS分別用l1 和l2 表示，微織構間距用L表示，將其導入Fluent 中采用Mesh 模塊進行網格劃分，前處理中要合理控制網格的疏密程度來保證計算效率和仿真結果的準確性，由于需要詳細分析微織構潤滑區域的流體對模型上壁面的流體動壓力，在靠近模型上壁面處的網格進行細化以得到更加準確的結果。設定流體模型為k-ε 標準模型；上、下壁面均使用無滑移邊界；上壁面設置為沿x軸正向的勻速直線運動，速度為v且方向與溝槽方向垂直，下壁面固定不動并設置有微結構，左、右壁面分別為流場的入口和出口且均設置為周期性邊界，用來模擬流體流經大小相等、規則排列的微織構區域。選擇Half-Sommerfeld 邊界條件進行計算，將潤滑劑厚度設置為25 μm，運動速度設置為5 mm/s，微織構尺寸與上述實際尺寸保持一致，采用的流體材料為潤滑油其動力黏度η=0.11 Pa·s，密度為0.84 g/cm3，最后檢查設計的參數進行模擬計算。

圖8 仿真模型

如圖9 所示，具有相對運動的兩摩擦副表面存在收斂間隙能夠形成壓力油膜，從而產生流體動壓承載力[22-23]。當潤滑劑進入摩擦副表面的微織構區域時會改變潤滑劑的流動方式，在收斂間隙處會產生正向的潤滑膜壓力，在發散間隙處壓力逐漸降低出現負壓，當負壓達到某一臨界值時產生空穴現象[24]，正是潤滑劑在接觸區域內形成的不均勻壓力分布的情況，可以降低導軌副接觸面的有效接觸應力提高表面承載力從而降低磨損減小摩擦。

圖9 流體動壓效應原理圖

圖10 所示為ZS 和TS 的流體壓力分布云圖，觀察發現，兩種微織構流場壓力分布相似，都是在進入微織構區域處為負壓，離開時為正壓，使得流體產生靜增壓從而增大導軌副間承載能力，證明ZS 和TS 都可以產生流體動壓效應。圖11 所示為上壁面的壓力變化曲線，壓力大小與通道的高度呈負相關， TS 產生流體動壓效應的能力要遠大于ZS。

圖10 不同微織構的流體壓力分布

圖11 壓力變化曲線

2.3 微織構對V 型滑動導軌副接觸應力的仿真

接觸應力是描述V 型滑動導軌接觸表面間相互作用力的重要參數，它能夠反映接觸表面的壓力和摩擦力的大小，因此借助ANSYS Workbench 仿真軟件計算導軌副表面的應力分布來對其性能進行評估。圖12 所示為V 型滑動導軌副等效應力的仿真模型。在上、下導軌副表面設置微織構，ZS 的寬度設置為70 μm，TS 長半軸設置為400 μm，短半軸設置為200 μm，深度均設置為20 μm，微織構間距均為500 μm；導軌副材料都設置為結構鋼，密度為7.85 g/cm3，楊氏模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3；將上導軌接觸表面和下導軌接觸表面分別設置為接觸面和目標面，界面處理設置為接觸調整，接觸方式為摩擦接觸且摩擦系數設定為0.2；對具有微織構的表面進行網格加密處理以提高計算精度；向上導軌施加2 MPa 的法向壓力并對下導軌設置固定約束，最后進行有限元模型的求解。

圖12 V 型滑動導軌副等效應力仿真模型

圖13 和表3 分別為不同導軌副的等效應力云圖和接觸面的接觸應力平均值。U-TS 上導軌接觸面的接觸應力平均值較W-NS 上導軌表面下降16.15%，D-TS 下導軌接觸面的接觸應力平均值較W-NS 下降了94.17%；UD-TS 導軌副接觸面的接觸應力平均值較W-NS 均有所下降，UD-ZS 導軌副接觸面的接觸應力平均值較W-NS 均有所增大。在低速重載的條件下，織構化表面的接觸應力平均值的減小能夠改善應力分布情況，起到延長導軌壽命并對最終的潤滑效果起較大的作用。

圖13 不同V 型滑動導軌副的等效應力

表3 V 型滑動導軌副表面接觸應力的平均值

2.4 微織構對摩擦系數的影響

圖14 為不同織構化V 型滑動導軌副摩擦系數曲線和平均摩擦系數。試驗0～10 min 為V 型滑動導軌副的磨合階段，此期間導軌表面的潤滑效果較差、摩擦系數較高。隨著試驗進行，導軌副表面經過高強度摩擦后變得較光滑、機械接觸有所降低，使得兩表面能更好配合后進入穩定磨損階段。試驗20～65 min 為穩定磨損階段，不同織構化V 型滑動導軌副的表面摩擦系數均小于W-NS，其中下導軌接觸面織構化導軌副的摩擦系數整體較低且DTS 減摩效果最好。上、下接觸面均織構化的導軌副摩擦系數呈現較高水平，在30～65 min UD-TS呈現出較為優異的減摩效果。圖14d 為穩定磨損階段的不同織構化V 型滑動導軌副平均摩擦系數，與W-NS 相比D-TS 呈現出最好的減摩擦效果，平均摩擦系數為0.196，減小了31.7% 左右；UD-TS也呈現出較好效果，平均摩擦系數為0.222，減小了22.6%左右。

圖14 V 型滑動導軌副摩擦系數

2.5 織構化V 型滑動導軌副表面磨損形貌

圖15 所示為法向載荷為1 200 N （等效壓強2 MPa） ，滑動速度為5 mm/s，相互摩擦65 min 后的部分V 型滑動導軌副磨損表面的SEM 圖。從圖中可以看出，不同V 型滑動導軌副在滑動方向上均形成明顯的犁溝與磨痕，其中W-NS 上導軌接觸面磨損嚴重，清晰可見大量的犁溝與刮擦；U-ZS 上導軌接觸面磨損較輕，微織構初始紋理的凸峰基本被磨平，微織構內部充滿磨屑或粘結物； D-TS 下導軌接觸面磨損較小，微織構形貌清晰完整，這表明當V 型滑動導軌副下接觸面加工有TS 時，可以改善導軌副間的磨粒磨損[25-26]；UD-ZS 下導軌接觸面形貌被嚴重破壞并可清晰觀察到大的犁溝和磨痕，局部微織構已經消失。綜上，進一步證明TS 可以有效減少導軌副接觸面的磨損。

圖15 部分V 型滑動導軌副磨損表面的SEM 圖

2.6 微織構對降低V 型滑動導軌副摩擦系數的結果分析

在磨合階段的試件表面粗糙度較高，微織構與試件的摩擦效果相關性較低，在穩定磨損階的DTS 的TS 體積大、覆蓋范圍廣，激光作用產生的熔覆層形成的突起部分成為前端摩擦面并承擔大部分載荷，微織構內部儲存的潤滑油即使在相對運動中也不會被刮走，具有較強儲存潤滑油的能力。在實際工況中，當摩擦表面潤滑油耗盡時，微織構內部的潤滑油能夠及時補充避免發生干摩擦的發生，從而改善潤滑條件。根據仿真結果和摩擦系數顯示，TS 產生了更好的流體動壓效應，D-TS 下表面的接觸應力平均值大幅度降低，平均摩擦系數最小。

D-ZS 平均摩擦系數相比D-TS 有所增加，ZS織構化接觸表面未能形成穩定的承載潤滑油膜使得流體動壓效應并不明顯，ZS 能提供較小的流體動壓效應并降低織構化表面的接觸應力平均值，改善導軌接觸表面應力分布情況，綜合ZS 體積較小，其儲存潤滑油和磨粒能力有限導致減摩效果一般。

U-ZS 和U-TS 平均摩擦系數較大，ZS 和TS 雖能夠提供一定的流體動壓效應并改善接觸表面的應力分布，但上導軌的織構化面積僅為D-ZS 和D-TS下導軌的1/3，微織構儲存潤滑油的能力較弱， 摩擦系數呈現較高水平。

如圖16 所示，當兩個微織構相互作用時，微織構邊緣會發生變形導致固體材料發生咬合接觸，織構邊緣的凸起區和熱影響區可能會加重負面影響，導致摩擦試驗前期的UD-TS 導軌副摩擦系數呈現較高水平。隨著摩擦試驗的進行，高強度變形或被消除的同時微織構的相互作用也會減弱，因此導軌副表面配合得更好呈現出較好的減摩抗磨效果。

圖16 相對滑動時雙側微織構咬合接觸示意圖

3 結語

利用激光加工方法，在V 型滑動導軌上、下接觸面分別制備直線和橢圓微織構，在自制導軌往復滑動試驗平臺進行直線往復摩擦試驗，并采用有限元仿真方法，驗證了直線和橢圓微織構能夠產生流體動壓效應，得到微織構對V 型滑動導軌副表面接觸應力的影響，結合上述內容得出結論：

（1）從理論上分析了流體動壓效應，基于NS 方程設計并建立了微織構潤滑區域的仿真模型，發現流體在進入微織構區域處因存在楔形間隙產生負壓，離開微織構處因間隙的減小產生正壓，使得流體產生靜增壓產生了流體動壓效應。發現微織構截面為三角形的直線微織構產生的流體動壓效應不明顯，截面為梯形的橢圓微織構具有更好的流體動壓效應。

（2） 利用 ANSYS Workbench 仿真軟件對V 型滑動導軌副接觸面的接觸應力進行計算，發現單側織構化V 型滑動導軌副接觸面的接觸應力平均值相比無織構導軌均有所下降，這能夠有效改善導軌副表面的應力分布情況、延長導軌壽命并對最終的潤滑效果起著較大的作用。

（3） 在穩定磨損期，不同織構化V 型滑動導軌摩擦系數均有所減小，與無織構V 型滑動導軌相比，單側織構化V 型滑動導軌副表現出明顯的減磨效果，其中僅在下導軌接觸面制備橢圓微織構的導軌副減摩抗磨效果最好，平均摩擦系數減小了31.7%。其原因是橢圓微織構能更好地儲存、供應潤滑油并儲存摩擦過程產生的磨屑，產生較大的流體動壓效應并很大程度上改善導軌副表面應力分布情況。