表面織構(gòu)化改善摩擦學(xué)性能研究綜述

張玉周

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

表面織構(gòu)化改善摩擦學(xué)性能研究綜述

張玉周

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

表面織構(gòu)技術(shù)已得到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注.理論研究和工程實(shí)踐表明,表面織構(gòu)化可以顯著改善接觸表面的摩擦學(xué)性能,從表面織構(gòu)的減摩機(jī)理和應(yīng)用2個(gè)方面對(duì)織構(gòu)化提高表面摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望和預(yù)測(cè).

表面織構(gòu);流體動(dòng)壓效應(yīng);二次潤(rùn)滑;數(shù)值分析;綜述

0 前 言

多年來(lái),表面織構(gòu)化作為一種改善機(jī)械零件、微/納零件摩擦學(xué)性能的有效手段已得到廣泛共識(shí).目前,這種技術(shù)已在計(jì)算機(jī)磁盤存儲(chǔ)器、MENS系統(tǒng)及機(jī)械行業(yè)(內(nèi)燃機(jī)活塞與氣缸套系統(tǒng)、齒輪、軸承和密封等)中得到成功應(yīng)用.

1966年,Hamilton等[1]最先通過(guò)蝕刻技術(shù)在機(jī)械密封件上制造出一系列微觀凸起,并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,獲得了最優(yōu)的表面織構(gòu)尺寸,其研究結(jié)果表明,這些微觀凸起可以起到微流體動(dòng)壓軸承的作用,明顯增強(qiáng)了摩擦副的承載能力,降低摩擦系數(shù).之后,研究人員又推出了許多新的表面織構(gòu)技術(shù),并運(yùn)用多種表面織構(gòu)化形式來(lái)改善摩擦學(xué)性能.比如,Etsion等[2]利用激光加工技術(shù)在機(jī)械密封件接觸面上加工出微凹坑.實(shí)驗(yàn)證實(shí),球形凹坑形狀最優(yōu),且存在一最優(yōu)的凹坑深徑比,使得液膜剛度及PV參數(shù)最大.此外,有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),研究人員運(yùn)用微細(xì)電解加工、磨粒噴射、機(jī)械微加工、微細(xì)特種加工、LIGA等技術(shù)分別在多種材料上進(jìn)行表面織構(gòu)化處理,并評(píng)價(jià)了表面織構(gòu)對(duì)摩擦性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了表面織構(gòu)化對(duì)表面摩擦學(xué)性能的有效改善[3-10,22-24].

本文從減摩機(jī)理和應(yīng)用2個(gè)方面對(duì)表面織構(gòu)改善摩擦學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望和預(yù)測(cè).

1 表面織構(gòu)的減摩機(jī)理

1.1 附加流體動(dòng)壓效應(yīng)理論

附加流體動(dòng)壓效應(yīng)理論由Hamilton等[1]在1966年首次提出,其利用光刻蝕的辦法獲得表面織構(gòu),通過(guò)電流的測(cè)量判斷有效潤(rùn)滑膜的存在.其后,Etsion等[2]通過(guò)激光對(duì)摩擦副進(jìn)行織構(gòu)化處理,考察其潤(rùn)滑性能的變化,研究發(fā)現(xiàn),帶微孔陣列的表面比光滑表面具有更好的潤(rùn)滑性能,表面的部分織構(gòu)化能夠十分有效地增加流體動(dòng)壓效應(yīng).Tonder[11]將表面織構(gòu)引發(fā)的流體動(dòng)壓效應(yīng)歸因于2個(gè)方面:一是表面織構(gòu)區(qū)會(huì)產(chǎn)生類似Rayleigh軸承的階梯效應(yīng),二是表面織構(gòu)會(huì)阻礙壓力區(qū)內(nèi)潤(rùn)滑油的流動(dòng).Kovalchenko[12]等通過(guò)銷—盤接觸的Stribeck曲線的測(cè)量研究了表面織構(gòu)對(duì)流體潤(rùn)滑向混合潤(rùn)滑轉(zhuǎn)變的影響.此外,王曉雷等[13]對(duì)水潤(rùn)滑下碳化硅陶瓷的承載能力及表面織構(gòu)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的表面織構(gòu)特征參數(shù)對(duì)承載能力的影響規(guī)律與按流體動(dòng)壓理論得到的理論分布呈現(xiàn)類似的趨勢(shì),表明即使在水潤(rùn)滑條件下,通過(guò)表面織構(gòu)獲得的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果也是顯著的.

1.2 “二次潤(rùn)滑”與容納磨損顆粒理論

相對(duì)于附加流體動(dòng)壓效應(yīng)理論,目前科研人員對(duì)邊界潤(rùn)滑區(qū)域的“二次潤(rùn)滑”理論以及容納磨損顆粒理論研究較少.王曉雷等[14]對(duì)邊界潤(rùn)滑條件下表面微細(xì)織構(gòu)減摩特性進(jìn)行了研究,利用納米壓痕儀在碳鋼表面制作了具有不同密度和深度的劃痕點(diǎn)陣,并對(duì)其在邊界潤(rùn)滑條件下的摩擦性能進(jìn)行了評(píng)價(jià).胡天昌等[15]利用固體脈沖激光對(duì)GCr15鋼樣品表面進(jìn)行了微坑織構(gòu)化處理,考察了表面織構(gòu)參數(shù)對(duì)其摩擦性能的影響,并得出如下結(jié)論:干摩擦條件下,織構(gòu)面的摩擦系數(shù)均高于未織構(gòu)面,而其磨損率均小于未織構(gòu)面,SEM顯示微坑槽起到了捕獲磨屑的作用;而在貧油潤(rùn)滑條件下,織構(gòu)面的摩擦系數(shù)與磨損均低于未織構(gòu)面,Stribenck曲線表明織構(gòu)面在試驗(yàn)條件下均處于油膜流體潤(rùn)滑狀態(tài),而未織構(gòu)面則明顯產(chǎn)生了向混合及邊界潤(rùn)滑的過(guò)渡,說(shuō)明表面微坑延伸了摩擦副動(dòng)壓潤(rùn)滑發(fā)生的范圍,而在運(yùn)行過(guò)程中微坑內(nèi)貯存的潤(rùn)滑劑通過(guò)二次潤(rùn)滑效應(yīng)補(bǔ)充到對(duì)偶表面形成連續(xù)的油膜.

1.3 分歧和不足

雖然研究人員對(duì)表面織構(gòu)化減摩機(jī)理的研究已取得了重要進(jìn)展,但目前仍存在一些分歧和不足.

1)表面織構(gòu)之所以能夠提高承載力,學(xué)者們提出了不同的看法.比如,Hamilton等[1]認(rèn)為由于織構(gòu)產(chǎn)生空化從而使織構(gòu)兩邊的壓力不對(duì)稱得到承載力,而Tonder[11]則認(rèn)為是由于織構(gòu)區(qū)域能夠在接觸區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)潤(rùn)滑油,因而較好保持油膜從而得到承載力.

2)在流體潤(rùn)滑區(qū)域,表面織構(gòu)是否能夠減小摩擦系數(shù),提高摩擦學(xué)性能,學(xué)者們還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).

3)目前科研人員對(duì)表面織構(gòu)化的研究大多是在光滑表面上進(jìn)行,表面粗糙度對(duì)織構(gòu)表面的潤(rùn)滑減摩性能研究還很缺乏.

2 表面織構(gòu)的理論模型與數(shù)值分析

有學(xué)者通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)分析表面織構(gòu)化處理對(duì)表面摩擦學(xué)性能的影響,并確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)[16].但這種研究手段材料消耗大、周期長(zhǎng),研究結(jié)果受實(shí)際試驗(yàn)條件的限制,不具有普適性,也很難找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù).目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析了表面織構(gòu)如何有效改善機(jī)械部件(機(jī)械密封、滑動(dòng)軸承、活塞與氣缸套系統(tǒng))、微/納器件的摩擦學(xué)性能,建立了多個(gè)表面織構(gòu)的理論計(jì)算模型,并通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)模型進(jìn)行求解.這些計(jì)算模型,大部分是基于Reynolds方程開展的,而且在一定條件下理論分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也顯示出較好的一致性.但考慮流體慣性項(xiàng)的影響,有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)該采用更精確的N-S方程.數(shù)值解法主要為有限元法、有限差分法和有限體積法.其中,有限體積法計(jì)算效率和精度更高,近幾年發(fā)展迅速.

Estion[20-23]對(duì)機(jī)械密封端面的織構(gòu)化處理進(jìn)行了理論分析,并建立了具有規(guī)則分布的半球形微孔機(jī)械密封的物理模型,通過(guò)求解Reynolds方程獲得了端面間壓力分布規(guī)律,分析了微孔形狀、尺寸、深徑比、分布密度等對(duì)密封性能的影響,并獲得了最優(yōu)化參數(shù).于新奇等[24]建立了激光加工多孔端面機(jī)械密封的計(jì)算模型和邊界條件,推導(dǎo)了激光加工多孔端面機(jī)械密封的摩擦扭矩表達(dá)式,并采用有限差分法求解液膜控制方程,獲得了在不同操作工況和表面微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)下的密封開啟力,得到了產(chǎn)生最大端面動(dòng)壓力時(shí)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).趙中等[25]建立了激光加工微孔端面液體潤(rùn)滑機(jī)械密封的理論模型,分析了微孔沿圓周和半徑方向呈間斷扇形分布時(shí)的密封性能,采用有限元法求解Reynolds方程獲得不同扇形區(qū)和微孔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)條件下的端面液膜壓力分布,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了液膜剛度、開啟力、泄漏量、摩擦扭矩、剛漏比和開漏比等密封性能參數(shù),討論了各密封性能參數(shù)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律.鄭顯良等[26]分析了表面織構(gòu)對(duì)活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響,建立了考慮動(dòng)壓效應(yīng)和擠壓效應(yīng)的一系列微單元織構(gòu)的流體潤(rùn)滑模型,通過(guò)有限差分法求解數(shù)學(xué)模型,得出了表面織構(gòu)各參數(shù)對(duì)缸套活塞環(huán)油膜潤(rùn)滑的影響規(guī)律.符永宏等[27]基于摩擦學(xué)理論和缸套/活塞環(huán)的潤(rùn)滑磨損特征,建立了具有規(guī)則微觀幾何形貌特征的缸套內(nèi)表面潤(rùn)滑理論模型,用變異的多重網(wǎng)格法進(jìn)行了數(shù)值求解,并對(duì)微觀幾何形貌參數(shù)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì).Brizmer等[28]建立了推力軸承表面織構(gòu)化的理論模型,并比較了推力軸承全面織構(gòu)和局部織構(gòu)的承載能力.

此外,裴世源等[17]為解決傳統(tǒng)數(shù)值方法在求解多尺度織構(gòu)流體潤(rùn)滑問(wèn)題時(shí)計(jì)算速度慢、效率低、規(guī)模受限等問(wèn)題,提出了一種多尺度表面織構(gòu)流體潤(rùn)滑問(wèn)題的快速求解方法——有限細(xì)胞算法(FCM).馬晨波等[18]借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),通過(guò)建立求解NS方程的表面織構(gòu)潤(rùn)滑計(jì)算模型的方法研究慣性項(xiàng)對(duì)織構(gòu)表面流體動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律,并進(jìn)一步提出N-S方程和Reynolds方程在建立求解流體潤(rùn)滑條件下表面織構(gòu)潤(rùn)滑計(jì)算模型時(shí)適用范圍的判別依據(jù).

3 表面織構(gòu)化的應(yīng)用

Etsion等[2]最早對(duì)機(jī)械密封的表面織構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,通過(guò)求解Reynolds方程得出端面的流體動(dòng)壓分布及各種工況下的平均壓力.研究發(fā)現(xiàn),微凹坑的直徑、深度和密度是描述表面織構(gòu)減摩性能的關(guān)鍵參數(shù),微凹坑的形狀影響較小,但深徑比對(duì)承載能力的影響非常大.研究表明,機(jī)械密封的表面織構(gòu)使得摩擦扭矩減小65%以上,端面溫升也遠(yuǎn)低于未織構(gòu)化處理.但是,隨著機(jī)械密封承受的單位載荷和壓力的提高,摩擦扭矩的減小效應(yīng)會(huì)逐步消失.采用局部高密度的織構(gòu)化處理,可以改善高壓密封件的摩擦學(xué)性能,由于減小了2個(gè)接觸表面的接觸壓力,摩擦扭矩可減小90%以上.

Hoppermann等[29]的研究發(fā)現(xiàn),如果只在機(jī)械密封的一個(gè)耦合面上進(jìn)行織構(gòu)化處理,摩擦力會(huì)比未織構(gòu)化處理減小40%,而如果2個(gè)耦合面都進(jìn)行織構(gòu)化處理,摩擦力反而會(huì)增加100%.Kligerman等[30]研究了表面織構(gòu)化對(duì)氣密封摩擦學(xué)性能的影響.結(jié)果表明,織構(gòu)化同樣能改善氣密封的摩擦學(xué)性能,摩擦扭矩和端面溫升與未織構(gòu)化處理相比大大減小.但是,最優(yōu)深徑比與液體潤(rùn)滑相比要小得多.

此外,研究還發(fā)現(xiàn),在滑動(dòng)軸承、活塞與氣缸套系統(tǒng)上進(jìn)行織構(gòu)化處理后,摩擦學(xué)性能的改善基本上得到了與機(jī)械密封時(shí)同樣的效果,但仍表現(xiàn)出一些特點(diǎn).雖然表面織構(gòu)的形狀、深徑比及分布密度同樣是提高減摩性能和承載能力的關(guān)鍵因素,但Rahmani等[31]的研究表明,矩形微坑對(duì)滑動(dòng)軸承的摩擦性能影響最大;矩形凸臺(tái)織構(gòu)承載能力最高.符永宏等[32-33]的研究表明,即使在活塞與氣缸套系統(tǒng)的2個(gè)平面摩擦副上進(jìn)行織構(gòu)化處理,也能獲得良好的動(dòng)壓效果.Ryk等[34]比較了活塞環(huán)表面全面和局部織構(gòu)化對(duì)改善系統(tǒng)摩擦學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,全面織構(gòu)耐摩擦能力相對(duì)未織構(gòu)化處理可提高40%,而局部織構(gòu)在全面織構(gòu)的基礎(chǔ)上,耐摩擦能力又提高了25%,這主要是因?yàn)榫植靠棙?gòu)產(chǎn)生的是聚集效應(yīng),相當(dāng)于在名義平行表面上提供了一個(gè)當(dāng)量楔形間隙,減小了摩擦.這些結(jié)果與機(jī)械密封織構(gòu)化所表現(xiàn)出的明顯不同.這可能與表面織構(gòu)在不同的機(jī)械部件上的減摩機(jī)理存在差異有關(guān),但目前還未有研究人員就表面織構(gòu)在不同機(jī)械部件上的減摩機(jī)理進(jìn)行比較研究.

另外,近年來(lái)表面織構(gòu)改善微觀摩擦學(xué)性能的研究也取得重大進(jìn)展,主要體現(xiàn)在表面織構(gòu)在磁盤存儲(chǔ)器和MENS系統(tǒng)上的應(yīng)用.為了提高存儲(chǔ)效率,在磁盤存儲(chǔ)器中,磁頭和磁盤的間隙現(xiàn)在已降到10 nm左右.同樣,在MENS系統(tǒng)中,摩擦副表面的間隙也是處于納米級(jí).由于尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng),微構(gòu)件間的表面張力、摩擦力和黏著力成為影響微/納構(gòu)件的功能、可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素,改善微/納構(gòu)件的摩擦學(xué)性能已成為新的研究熱點(diǎn).其中,表面織構(gòu)化處理已被實(shí)踐證明是有效手段之一.國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,微/納器件表面的織構(gòu)化處理之所以能夠改善摩擦學(xué)性能,主要是因?yàn)楸砻婵棙?gòu)化處理可減小摩擦副表面的接觸面積,增加接觸表面的粗糙度,增強(qiáng)表面的疏水性,從而大大降低了表面的黏著力和摩擦力.比如,Ranjan等[35]和Suh[36]等利用激光技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬盤盤片上制造微小隆起或凹坑以減小表面接觸,研究結(jié)果都證明了表面織構(gòu)化處理可以有效減小磁頭與磁盤表面之間的真實(shí)接觸面積,從而降低摩擦和黏著力.

4 發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于表面織構(gòu)改善摩擦學(xué)性能方面的研究和應(yīng)用較多,但對(duì)表面織構(gòu)減摩機(jī)理的認(rèn)識(shí)還存在分歧,理論模型的研究較少,不具有普遍性和通用性.另外,當(dāng)前表面功能結(jié)構(gòu)正從宏觀結(jié)構(gòu)向微結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)發(fā)展,從單一結(jié)構(gòu)向復(fù)合功能結(jié)構(gòu)發(fā)展.因此,從目前的研究趨勢(shì)來(lái)看,今后可著重從以下5個(gè)方面開展對(duì)表面織構(gòu)的深入研究.

1)在機(jī)理方面,應(yīng)更注重表面織構(gòu)理論模型的研究,使之更具有一般性和通用性,更能科學(xué)地反映織構(gòu)制備工藝參數(shù)、織構(gòu)化幾何形狀及參數(shù)等因素與摩擦潤(rùn)滑理論之間的關(guān)系.充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)開展虛擬織構(gòu)、表面織構(gòu)仿真等方面的研究.

2)揭示復(fù)合表面功能結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)及納米結(jié)構(gòu)條件下表現(xiàn)出有別于單一的、宏觀表面功能結(jié)構(gòu)的特殊作用機(jī)理,并提出相應(yīng)的制造方法、建立相關(guān)理論.

3)發(fā)展織構(gòu)加工技術(shù),提出新的制造理論和方法,擴(kuò)大表面織構(gòu)的應(yīng)用范圍.

4)表面織構(gòu)表征方面的研究,尚未見有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo).當(dāng)前,分形理論在摩擦學(xué)研究中的應(yīng)用已成為新的研究熱點(diǎn),是否可以考慮應(yīng)用分形理論解決表面織構(gòu)的表征問(wèn)題,值得探討.

5)在摩擦副運(yùn)行過(guò)程中,表面織構(gòu)的形貌、參數(shù),表面的接觸狀態(tài)均發(fā)生非線性變化,潤(rùn)滑機(jī)理和摩擦學(xué)性能也會(huì)變化,這方面的研究有待進(jìn)一步深入.

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Review of Research on Surface Texturing for Improving Tribological Performance

ZHANG Yuzhou
(College of Mechanical Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

The surface texturing technology has aroused great attention of worldwide researchers.Theoretical research and engineering practice have indicated that surface texturing may significantly improve the tribological performance of contact surfaces.The recent research on surface texturing for improving tribological performance is summarized and analyzed in the paper from the anti-friction principle and application on surface texturing.The future trends of surface texturing are also prospected and for ecasted.

surface texturing;hydrodynamic action;secondary lubrication;numerical analysis;review

TH117

A

1004-5422(2013)01-0064-04

2012-11-16.

張玉周(1971—),男,博士研究生,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,從事脆性材料加工技術(shù)研究.