激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究

康獻(xiàn)民，王 林，楊國防，王建生

（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江門529020）

激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究

康獻(xiàn)民，王 林，楊國防，王建生

（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江門529020）

為了研究非配合摩擦副工件不同表面形貌對表面摩擦性能的影響，根據(jù)非配合摩擦副的摩擦特性，采用連續(xù)激光加工方法，在試件表面上加工出網(wǎng)狀分布的凹坑形貌以形成環(huán)形凸起形貌，將凹坑直徑、加工區(qū)域占有率、平均深度等參量作為分析變量，對試樣進(jìn)行了表面形貌檢測與摩擦磨損測試。結(jié)果表明，表面摩擦系數(shù)隨著凹坑深度的增加而增大，達(dá)到增摩效果，微結(jié)構(gòu)區(qū)域面積占有率對摩擦系數(shù)的影響不是很明顯。

激光技術(shù)；激光微造型；非配合摩擦副；環(huán)形凸起；增摩

引 言

在實(shí)際應(yīng)用中，滑動摩擦副有兩種不同的關(guān)系，即配合關(guān)系摩擦副與非配合關(guān)系摩擦副。對于配合關(guān)系的摩擦副（如活塞與氣缸之間的摩擦）而言，研究的主要目的是減少相互之間的摩擦作用以提高使用壽命［1］。對于非配合關(guān)系的摩擦副（諸如拉伸模具與軋輥等表面接觸條件）而言，其摩擦在一定的條件下起到促進(jìn)工作的作用［2-3］，比如在拉伸模具中，凸模與工件內(nèi)壁之間的摩擦、凸模圓角與工件之間的摩擦使毛坯緊壓在凸模上，使拉伸變得更容易，屬于有益摩擦力［4-5］，再如軋制設(shè)備中的軋輥表面與板之間的作用也有類似的作用。對這個問題的研究目前主要以激光毛化加工的形式進(jìn)行，但對利用激光微造型增摩的研究還處于起步階段［6］。本文中利用激光微造型技術(shù)處理加工工件表面，以激光技術(shù)在工件表面加工出改善表面摩擦特性的微細(xì)結(jié)構(gòu)［7］，研究激光造型對摩擦作用的影響。試驗(yàn)表明，該方法對改善運(yùn)動表面摩擦性能有顯著成效。

1 非配合摩擦副之間的摩擦理論

非配合關(guān)系的摩擦副有其明顯特點(diǎn)：其一，摩擦副之間存在加工與被加工關(guān)系，使得兩者之間的硬度及耐磨性要求不同，即為不同硬度之間的摩擦關(guān)系；其次，被加工對象允許有一定的摩擦量以保護(hù)模具的使用壽命；再次，通過模具表面性能來調(diào)整被加工對象之間的摩擦關(guān)系，在模具上進(jìn)行處理來適應(yīng)被加工對象的摩擦要求。由于光滑表面基本沒有儲油區(qū)而處于邊界潤滑狀態(tài)，容易產(chǎn)生黏著磨損，而表面微造型的幾何形貌能夠極大地改善摩擦副的摩擦學(xué)性能［8］，這就使得兩者之間的表面質(zhì)量為光滑表面與粗糙表面之間的摩擦關(guān)系，其中光滑表面為被加工對象，粗糙表面為模具表面。

對模具粗糙表面的主動優(yōu)化設(shè)計(jì)，可控制材料的流動，改善應(yīng)力應(yīng)變分布及材料的成形性，利用激光微造型技術(shù)不僅可以在磨具表面上形成微小熔池，還可以形成硬度超過HRC67的坑邊環(huán)形凸起，利于提高模具表面的耐磨損能力，增加其耐磨性［9］。當(dāng)硬化凸起點(diǎn)大小及分布間距不同時，其占基體的面積比例、硬化凸起點(diǎn)大小、分布間距等參量隨之不同，因而使得摩擦性能有所不同，既改善了摩擦狀態(tài)又保持了良好的潤滑條件。圖1為光滑的朔性表面與粗糙的剛性表面相接觸的情況，h為中心線之間的距離。

Fig.1 Contact between smooth surface and micromodeling surface

式中，P（z＞x）為表面接觸概率，ψ（z）為凸起高度分布函數(shù)。

如果粗糙表面的峰點(diǎn)數(shù)為n，參與接觸的峰點(diǎn)數(shù)m為：

各個接觸峰點(diǎn)的法向變形量為z-h，實(shí)際接觸面積A為：

式中，R為粗糙表面彈性凸起的曲率半徑。由接觸峰點(diǎn)支撐的總載荷量W為：

式中，E為粗糙表面的當(dāng)量彈性模量。

通常實(shí)際表面的輪廓高度按照高斯分布。在高斯分布中，靠近z值較大的部分近似于指數(shù)型分布，若令ψ（z）=exp（-z/σ），計(jì)算可得：

由以上各關(guān)系式可進(jìn)一步得出W∝A，W∝m，由此可知，在彈性接觸狀態(tài)下，兩粗糙表面的實(shí)際接觸面積及接觸峰點(diǎn)數(shù)目都與載荷呈線性關(guān)系。

當(dāng)兩材料表面塑性接觸時，由以上分析可得：

即實(shí)際接觸面積只與載荷呈線性關(guān)系，而與高度分布函數(shù)無關(guān)。

綜上所述，實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態(tài)。當(dāng)凸起峰為塑性接觸時，不論高度分布曲線如何，實(shí)際接觸面積都與載荷呈線性關(guān)系。而在彈性接觸狀態(tài)下，大多數(shù)表面的輪廓高度接近于Gaussian分布，其實(shí)際接觸面積與載荷也具有線性關(guān)系。

2 激光表面微造型及表面形貌

2.1 激光表面微造型

工件的微結(jié)構(gòu)加工采用波長532nm的Nd∶YAG連續(xù)激光，連續(xù)激光器的功率為4W，可調(diào)輸出頻率10kHz，激光加工時，將工件固定在工作臺上，工作臺可沿x軸和y軸方向移動，激光從激光器出光口射出后，先通過擴(kuò)束鏡，再經(jīng)過全反鏡使激光照射方向垂直于工作臺，最后激光束經(jīng)過聚焦鏡聚焦后照射在工件表面。通過工作臺的x軸和y軸的移動帶動工件的規(guī)律位置變動，從而實(shí)現(xiàn)激光對工件不同位置進(jìn)行激光微結(jié)構(gòu)加工。通過改變激光器輸出電流大小來得到不同深度的微結(jié)構(gòu)形貌，通過改變凹槽之間的間距來得到不同微結(jié)構(gòu)加工區(qū)域的占有率［10］。

2.2 接觸區(qū)尺寸計(jì)算及試樣表面凹槽尺寸設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)分為A、B兩組，兩組的試樣加工參量如下。

A組工件工況：室溫16℃；水冷機(jī)溫度設(shè)定值8℃；頻率f=1.0kHz；凹槽寬度Rp=20μm；占有率Sp=20％，氮?dú)獗Ｗo(hù)；線段長為0.4mm；行間距L=.2mm；列間距為0.55mm。

B組工件工況：室溫16℃；水冷機(jī)溫度設(shè)定值8℃；凹槽寬度Rp=20μm；凹槽深度H=12.2μm；電流I=25A，頻率f=1.0kHz；速率v=300μm/s；線段長為0.4mm；行間距為0.2mm；列間距為0.45mm。

.3 試樣表面激光微造型

激光微造型的環(huán)形凸起形式有多種，作者借鑒相關(guān)文獻(xiàn)，采用非貫通的網(wǎng)狀布局，如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)微結(jié)構(gòu)為占空比為1的斷斷續(xù)續(xù)的凹槽，微結(jié)構(gòu)加工區(qū)域占有率用凹槽面積比值來衡量。

式中，Rp為激光加工凹槽寬度，L為凹槽之間的間距。

在實(shí)驗(yàn)中共有5種凹坑深度，由淺到深依次為5.14μm，8.88μm，11.35μm，13.13μm和14.46μm；微結(jié)構(gòu)占有率有4種，分別為24.49％，21.8％，20％和17.64％。

圖2為光學(xué)顯微鏡下工件表面的微結(jié)構(gòu)排列圖。由于激光本身的高能量性，可以看到，在每一小段加工開始時有比較明顯的圓形凹坑，在激光加工過的凹槽邊緣有強(qiáng)化處理的微小區(qū)域。

Fig.2 Surfacemicrostructure diagram ofworkpiece

2.4 工件表面相貌的3維測量

本實(shí)驗(yàn)中采用的測量設(shè)備是美國AEP Technology公司生產(chǎn)的NanoMap-D型雙模式3維輪廓儀，3維掃描范圍從10μm×10μm到500μm×500μm。

實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行。圖2中的A1～A5為A組樣品表面的3維形貌，可以得到凹坑深度分別為5μm～.5μm，8.5μm～9μm，10.5μm～11μm，12.5μm～3μm和15μm～15.5μm，凹坑寬度均為Rp=30μm～4μm。圖3為A1樣品表面3維形貌，從圖中可以看到，局部3維形貌和2維截面斷斷續(xù)續(xù)，在一些部位沒有形貌信息，凹坑形貌不完整。這是因?yàn)楸拘蚊矑呙鑼?shí)驗(yàn)采用無接觸式模式，依據(jù)白光干涉原理，對于有些位置，光線難以到達(dá)，沒有反射回來光線。

Fig.3 Screenshots of A1sample surfacemorphology

B組共有4個試樣，測量結(jié)果截圖如圖4所示，從圖中可以得到B1，B2，B3，B4的深度大小為12μm～3.9μm，凹坑寬度為34μm～38μm，試樣表面的凸出部分測量結(jié)果分別為：8.0μm～8.2μm，4.8μm～5.0μm，6.2μm～6.3μm和4.6μm～4.7μm。

Fig.4 Screenshots of B sample surfacemorphology

在圖4中，除了能測量凹坑的深度和徑寬外，也可以清晰地看到激光加工時在工件表面產(chǎn)生的凸起部分，從對這些凸出部分的掃描結(jié)果來看，凸起高度和凹坑深度之比是最大值的0.6左右。

3 激光微造型對摩擦性能的影響磨損實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

摩擦試驗(yàn)在CETR公司的UMT-3型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)儀器參量設(shè)置如下：法向載荷P為4.7N，9.4N和14N；往復(fù)位移d=8mm；往復(fù)頻率f=25Hz；試驗(yàn)時間t=30min。試驗(yàn)中，上試樣為65Mn彈簧鋼材料的圓柱銷，其硬度不大于302HB，端面直徑6mm，長度30mm。圓柱度誤差在0.002mm之內(nèi)，上試樣表面粗糙度為0.407μm，由平面磨床磨削成形。

試驗(yàn)樣品共有10個，分為A，B兩組，B組5個樣品只在載荷力14N作用下分別進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，A組5個試樣除在載荷力14N下進(jìn)行試驗(yàn)，A4試樣分別在4.7N，9.4N和14N法向載荷力下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)。每一種形貌的試塊都要經(jīng)過上述步驟試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3至5次，結(jié)果取平均值，B組試驗(yàn)時，設(shè)置統(tǒng)一的試驗(yàn)時間和14N大小的載荷力。一次試驗(yàn)完成后，待上試件表面溫度降至室溫時，才進(jìn)行下一次的試驗(yàn)。

試驗(yàn)選定的上、下試樣運(yùn)動時的相對速率在0.258m/s～1.031m/s之間，試驗(yàn)環(huán)境溫度范圍為15℃～35℃，根據(jù)載荷力的大小，參照《潤滑技術(shù)手冊》，試驗(yàn)潤滑油選擇L-HM46抗磨液壓油。其潤滑油運(yùn)動粘度為41.4m2/s～50.6m2/s（40℃）。

試驗(yàn)在恒定頻率條件下，測量材料表面有凹坑分布的試件及表面沒有凹坑的試件在逐步施加載荷過程中摩擦副摩擦系數(shù)的變化情況，并進(jìn)行比較，分析規(guī)則排列凹坑對材料表面摩擦性能的影響。

3.2 凹坑微結(jié)構(gòu)深度對摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)是評價潤滑接觸摩擦副摩擦性能的重要參量，凹坑直徑、深度與間距大小直接影響著試件表面的粗糙度和表面結(jié)構(gòu)，隨著凹坑參量的變化，表面摩擦過程中的摩擦系數(shù)也會相應(yīng)地發(fā)生變化。工件表面的環(huán)形凸起是引起摩擦和磨損的直接原因，表面粗糙的波谷則有利于潤滑。表面粗糙的波峰變形和精整作用，引起含在波谷的潤滑油不斷地釋放，有利于摩擦接觸條件的改善［11］。

圖5中分別為凹坑直徑一定情況下，深度大小為5.14μm，8.88μm，11.35μm和14.46μm的試樣在法向載荷力14N、往復(fù)位移8mm、重復(fù)頻率25Hz時摩擦系數(shù)與時間曲線圖。

由圖5可見，摩擦系數(shù)（coefficient of friction，COF）由大變小，之后又有變大的趨勢。綜合各個因素，在摩擦過程開始階段，由于工件表面加工時產(chǎn)生的環(huán)形凸起硬化點(diǎn)，使表面粗糙度變大，致使摩擦系數(shù)也比較大；大約在143s～497s，由于凸起的尖峰慢慢被磨削掉，摩擦系數(shù)漸漸變小，趨于一個穩(wěn)定的值；在500s后，工件表面的摩擦系數(shù)又開始漸漸變大，主要因素是環(huán)形凸起被磨削后產(chǎn)生的微小磨粒，此時，試驗(yàn)?zāi)p量也大大增大。同理其它的也有這種微弱的變化。

Fig.5 COFcurveofAsamplesurfacewhileP=14N，d=8mm，f= 25Hz

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到A1～A5的平均摩擦系數(shù)COF分別為0.08577，0.08791，0.0912，0.0965和0.09722。可知，工件表面微結(jié)構(gòu)對摩擦系數(shù)的影響是不可忽略的，而且，表面摩擦系數(shù)隨著凹坑深度的增大而增大。

圖5為A組試驗(yàn)樣品的摩擦系數(shù)曲線比較圖，從圖中可以明顯地看到，經(jīng)過激光微造型后的工件表面摩擦系數(shù)要比未加工的大很多，之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因?yàn)楣ぜ砻婕す馕⒓庸ず螽a(chǎn)生凸臺或毛刺，當(dāng)兩固體表面相接觸時，實(shí)際相接觸部分只占表觀面積非常小的比重。實(shí)際相接觸面積的大小及分布對摩擦特性有決定性的影響。

實(shí)際表面的峰頂形狀大都是橢圓體。因?yàn)闄E圓體接觸區(qū)域尺寸遠(yuǎn)小于其本身曲率半徑，所以粗糙峰可近似為球體，兩平面的接觸也可近似為一系列高度不同的球體相互接觸，單個粗糙峰在彈性接觸時的實(shí)際相接觸面積僅為幾何接觸面積的一半。

3.3 凹坑面積對摩擦系數(shù)的影響

圖6中B1～B5分別是凹坑直徑和深度一定情況下，微結(jié)構(gòu)區(qū)域面積占有率24.49％，21.8％，18.74％和17.6％的試樣在載荷力F=14N、往復(fù)位移8mm、時間t=30min時的摩擦系數(shù)曲線，凹坑平均直徑為34.8μm，深度為12.9μm。

Fig.6 Frictioncurvecomparisonchartbeforeandafterlaserprocessing

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，4個試樣的摩擦系數(shù)分別為0.08754，0.08909，0.08386和0.08928。從圖中看到每種形貌的表面對摩擦系數(shù)的影響區(qū)別不是很明顯。

由圖6可以看到，進(jìn)行激光微結(jié)構(gòu)加工的試樣表面的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于未加工的試樣表面的摩擦系數(shù)，而不同微加工區(qū)域面積占有率對摩擦系數(shù)的影響區(qū)別不是很大，通過觀察摩擦試驗(yàn)后的試樣表面，基本上沒有任何可視的改變。

3.4 載荷對試樣摩擦特性的影響

兩個表面開始進(jìn)入接觸時，最初的接觸只發(fā)生在幾個粗糙體上，表面承受著法向載荷。隨著載荷增大，環(huán)形凸起更多地嵌入光滑表面，兩接觸面之間進(jìn)一步貼近，更多環(huán)形凸起進(jìn)入接觸狀態(tài)，同時也使已發(fā)生的接觸面積進(jìn)一步增大，以承受增大的載荷。接觸區(qū)發(fā)生的變形將產(chǎn)生抗衡外載荷的應(yīng)力，表面變形包括彈性、塑性、粘彈性或粘塑性等形式，具體的變形形式取決于名義正應(yīng)力和切應(yīng)力、表面粗糙度和材料性能［12］。顯然，接觸點(diǎn)的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，盡管名義應(yīng)力可能處于彈性范圍，但局部應(yīng)力卻可能超出彈性極限或屈服強(qiáng)度，使光滑表面的接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性屈服。在大多數(shù)接觸狀態(tài)中，由于兩者之間的硬度差別較大，在接觸條件下，模具的環(huán)形凸起發(fā)生彈性形變，而光滑工件表面接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性變形。

試驗(yàn)中，以不同的載荷力大小在同一個試樣上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，在固定往復(fù)位移和重復(fù)頻率的情況下，對試樣的摩擦過程加載不同的載荷量，時間設(shè)置為30min。

Fig.7 Frictioncoefficientcurveofsamesampleunderdifferentload force

從圖7中可以看出，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低，此時，金屬表面應(yīng)該處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實(shí)際接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，使得摩擦系數(shù)發(fā)生這樣的變化。圖中，曲線1為F=4.7N，t=60min時摩擦系數(shù)變化情況；曲線2為F=4.7N，t=30min；曲線3為F=9.5N，t=30min；曲線4為F=9.5N，t=5min；曲線5為F=14N，t=5min。

由于摩擦表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，這樣摩擦系數(shù)也將隨加載速度而改變。當(dāng)載荷很小時，加載速度的影響更為顯著。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在模具表面進(jìn)行激光微結(jié)構(gòu)加工后，由于強(qiáng)化的環(huán)形凸起，使得工件表面的摩擦系數(shù)大于非激光處理前的摩擦系數(shù)。

工件表面微結(jié)構(gòu)對摩擦系數(shù)的影響是不可忽略的，表面摩擦系數(shù)隨著凹坑深度的增加而增大，而且，可明顯地看到，經(jīng)過激光微造型后的工件表面摩擦系數(shù)要比未加工的大很多，微結(jié)構(gòu)區(qū)域面積占有率對摩擦系數(shù)的影響區(qū)別不是很明顯。

工件表面激光微加工后產(chǎn)生環(huán)形凸起，當(dāng)兩固體表面相接觸時，實(shí)際相接觸部分面積的比重只占表觀面積非常小的部分。實(shí)際相接觸面積的大小及分布對摩擦特性有決定性的影響。

但是，本文中的分析結(jié)果都是基于一定壓力、粘度和速度下得到的，需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)論證；所研究的凹坑型貌比較單一，對于其它凹坑型貌還未涉足。

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Experimental research of increase-friction characteristics of no-match friction-pair surface based on laser m icro-modelling

KANG Xian-min，WANG Lin，YANGGuo-fang，WANG Jian-sheng
（School of Mechanical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

In order to study effectof different surface textures on the friction characteristics of no-match friction-pairs，according to the frictional characteristics of no-match friction-pair，micro-pitnetwork was produced on the specimen surface with continuous wave laser，then，the surface textures，friction and wear weremeasured for differentmacro-pit diameters，share ratio of processing area and mean depth.The conclusion reveals that the coefficient of surface friction gradually rises with the increase of micro-pit’s depth，but the share ratio of microstructure area has no significant influence on the coefficient of friction.

laser technique；lasermicro-modeling；no-match friction-pair；ring bulge；increase friction

TH117.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.008

1001-3806（2013）04-0449-06

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項(xiàng)目（2011B090400185）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2011010001082）

康獻(xiàn)民（1964-），高級實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向?yàn)榫軡L動副功能部件、激光加工技術(shù)及機(jī)械系統(tǒng)故障診斷。

E-mail：kxmjml＠wyu.cn

2012-08-18；

2012-10-10