游離磨粒研磨過程三體界面的摩擦學(xué)特性測試和分析

賈文兵， 王 偉， 劉 焜， 王召喚

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

自文獻(xiàn)［1］提出第三體的概念以來，三體摩擦界面一直是學(xué)者們的研究對象，其研究領(lǐng)域很廣，從最初摩擦副的三體磨粒磨損，到可控制的磨損－研磨拋光加工［2］，再到近年來出現(xiàn)的顆粒流潤滑［3－4］等。國內(nèi)外研究學(xué)者對三體摩擦做了大量研究，指出第三體的粒度和硬度、第一體材料的性能、兩表面的相對運(yùn)動速度和施加的載荷等因素都會對三體摩擦過程產(chǎn)生重要影響。

文獻(xiàn)［5］采用有限元法建立平行板模型模擬三體摩擦界面，考察了顆粒與兩平行板相對運(yùn)動過程中顆粒的動能及作用于上下板的應(yīng)力等參數(shù)。文獻(xiàn)［6］利用離散元法研究了摩擦界面間的顆粒粒徑對摩擦副的摩擦學(xué)特性的影響，指出粒徑的均勻分布和高斯分布使顆粒間的力分布趨向均勻，摩擦副運(yùn)動更加平穩(wěn)，摩擦因數(shù)有所減小。文獻(xiàn)［7］利用HDM20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了顆粒對液－固二相潤滑摩擦和溫度特性的影響，結(jié)果表明，在該過程中，摩擦特性與顆粒研磨液的材料特性、顆粒數(shù)量和粒徑密切相關(guān)。文獻(xiàn)［8］利用鋼片和鋼輪配副，在界面間添加磨料，通過評估實(shí)驗(yàn)前后磨粒的粒度分布，研究了磨料的破碎對摩擦界面摩擦磨損特性的影響。

游離磨粒研磨加工過程是典型的三體摩擦過程，大多數(shù)文獻(xiàn)是從應(yīng)用角度來研究［9－10］，從三體摩擦的角度研究該加工過程相對較少。文獻(xiàn)［11］利用研磨拋光機(jī)進(jìn)行了三體磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，通過觀察試驗(yàn)結(jié)束后試件表面，研究了不同粒度碳化硅磨粒在三體摩擦界面作用中的材料去除機(jī)理。

游離磨粒研磨過程中三體摩擦界面的相互作用十分復(fù)雜，直接觀測比較困難。大多數(shù)學(xué)者都是通過數(shù)值模擬或試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)或觀測的試件顯微照片來推測第三體和兩表面的相互作用，缺乏對三體摩擦過程摩擦特性實(shí)時(shí)監(jiān)測的研究。本文研制一小型面接觸摩擦試驗(yàn)機(jī)，研究不銹鋼試件、剛玉磨粒和鑄鐵盤所組成的三體摩擦界面的相互作用過程中摩擦特性的變化。

1 試驗(yàn)裝置

小型面接觸摩擦測試系統(tǒng)基于UNIPOL－810型精密研磨拋光機(jī)改造而成，保留其主運(yùn)動形式，其裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

該系統(tǒng)通過伺服電機(jī)帶動裝有研磨盤的主軸旋轉(zhuǎn)，利用固定在機(jī)體上的支架阻擋研磨盤上的載樣盤隨其轉(zhuǎn)動，從而形成面接觸的摩擦運(yùn)動形式。通過在研磨盤上添加研磨液，創(chuàng)造所需的三體摩擦界面相互作用的試驗(yàn)條件。

支架部分加裝拉壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)由粘貼在載樣盤下面的試件、磨粒和研磨盤所構(gòu)成的三體摩擦界面間摩擦力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)機(jī)利用變頻器控制伺服電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)主軸在0～600r／min范圍內(nèi)的無級變速。通過在載樣盤上加減砝碼，試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)15～45N范圍內(nèi)不同的載荷變化。對摩擦力的測量具有靈敏度高、數(shù)據(jù)重復(fù)性好等特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)方法

選擇304不銹鋼試件和鑄鐵盤組成磨擦副，添加含有剛玉磨料的研磨液，設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，分別研究磨粒粒徑、載荷和研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對三體摩擦界面相互作用過程的影響。試驗(yàn)工況參數(shù)見表1所列。

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)

試件為單向紋理表面，垂直紋理方向表面粗糙度值Ra為2.43μm，平行于紋理方向Ra為1.15μm，尺寸大小為20mm×15mm×1mm，利用石蠟將4個試件對稱地粘貼在載樣盤上。研磨液選用剛玉磨料配制［12］。本文選擇六偏磷酸鈉作為分散劑，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水溶性漿液，未添加pH值調(diào)節(jié)劑，具體配比見表2所列。

表2 研磨液的配比

采用自動滴料器將研磨液添加到研磨盤上，調(diào)節(jié)閥門控制研磨液平均流速約為0.6mL／s。每次試驗(yàn)持續(xù)20min，每個試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值得到最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果及分析

3.1 粒徑對摩擦界面間摩擦特性的影響

選擇平均粒徑為14、7、2.5μm的剛玉磨料配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的研磨液，在研磨盤轉(zhuǎn)速為80r／min、載荷為22.5N的工況下完成該試驗(yàn)。磨粒粒徑與界面間摩擦力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 磨粒粒徑－界面摩擦力的關(guān)系

從圖3可看出，隨著摩擦界面間磨粒粒徑的增大，摩擦力逐漸減小。這可能是由于在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，磨粒粒徑較小時(shí)，單位體積研磨液中所含磨粒較多，摩擦界面間含有較多磨粒，會產(chǎn)生較大的切削作用，所以摩擦力較大。當(dāng)粒徑較大時(shí)，單位體積內(nèi)研磨液中所含的磨粒較少，界面間含有磨粒也較少，切削力較小。另外，由于垂直于紋理方向的試件表面粗糙度為2.43μm，當(dāng)粒徑較大時(shí)，摩擦界面間的第三體磨?？赡鼙憩F(xiàn)出滾動的作用更多，從而造成界面間的摩擦力較小。

當(dāng)磨粒粒徑為2.5μm時(shí)，摩擦界面間的摩擦力波動較小，穩(wěn)定值為11N，7μm和14μm的磨粒添加到摩擦界面間時(shí)摩擦力波動稍大，分別在8.5N和7.2N附近波動。

具體到某一工況下來看，摩擦力既有較大的波動，也有較小的波動。較小波動可能是第三體在摩擦界面中作用的體現(xiàn)；較大波動的原因部分由于研磨液流量不穩(wěn)，當(dāng)摩擦界面間的研磨液添加較多時(shí)，摩擦力較大，當(dāng)研磨液流量較小時(shí)，摩擦力相應(yīng)變小。由于粒徑較大的磨粒的懸浮性不好，易于沉淀，而沉淀會影響研磨液的流速，故摩擦力波動較大。

試驗(yàn)后測量試件的表面粗糙度和磨損量，結(jié)果表明：隨著磨粒粒徑的增大，獲得的試件表面粗糙度先增大又減小，試件的磨損量則單調(diào)減小。這可能是由于磨粒粒徑較小時(shí)，單一磨粒對試件材料的切削量較小，造成了表面粗糙度較小，但界面間磨粒較多，整體的切削量較大，磨損量較大；粒徑增大時(shí)，單一磨粒在試件表面的劃痕較深，造成試件的表面粗糙度增大，但界面間磨粒較少，故磨損量較??；當(dāng)粒徑進(jìn)一步增大時(shí)，磨粒容易破碎為較小的磨粒，破碎的磨粒在兩表面間運(yùn)動可對試件表面微切削，較大的磨粒還可能在界面間反復(fù)滾壓，表面粗糙度反而有所下降。

3.2 載荷對摩擦界面間摩擦特性的影響

載荷是影響三體摩擦界面間第三體與表面作用程度的重要因素之一，利用粒徑為7μm的剛玉磨料配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的研磨液，在研磨盤轉(zhuǎn)速為80r／min時(shí)，考察15.0、22.5、30.0N3種載荷對界面間摩擦力的影響，與此對應(yīng)的界面間的壓力分別為12.50、18.75和25.00kPa。3種載荷與界面間摩擦力的變化關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)載荷遞增時(shí)，界面間的摩擦力均值呈遞增趨勢。

圖4 載荷－摩擦界面間摩擦力的關(guān)系

為了使結(jié)果更具有可比性，將各個時(shí)間點(diǎn)的摩擦力數(shù)據(jù)除以相應(yīng)的載荷便得到不同載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖5所示。從圖5可以看出，在15.0N的載荷下，界面間的摩擦系數(shù)最大。隨著載荷的增大，界面間的摩擦系數(shù)逐漸減小。

綜合圖4和圖5可知，當(dāng)載荷較小時(shí)，界面間的摩擦力相對較小，但摩擦系數(shù)相對較大，這可能是因?yàn)檩d荷較小時(shí)界面間的磨粒破碎現(xiàn)象較少，較大的磨粒對材料的壓痕較深，相對運(yùn)動時(shí)單個磨粒切削材料較多，故其摩擦系數(shù)較大。當(dāng)載荷變大時(shí)，界面間的磨粒在載荷的作用下容易破碎為粒徑更小的磨粒，界面間的磨粒達(dá)到一定數(shù)量后可能會把2個第一體表面分開，運(yùn)動時(shí)可以減小界面間的摩擦系數(shù)。

圖5 載荷－摩擦界面間摩擦系數(shù)關(guān)系

試驗(yàn)后測量試件的表面粗糙度和磨損量，結(jié)果表明，隨著加載載荷的增大，試件表面粗糙度逐漸減小，試件磨損量逐漸增大。載荷為15.0N時(shí)，獲得的試件表面粗糙度最大，當(dāng)載荷為22.5N和30.0N時(shí)，表面粗糙度幾乎沒有差別。這是因?yàn)槟Σ吝^程中磨粒的破碎程度不同，載荷較大時(shí)，磨粒容易破碎為粒徑更小、數(shù)量更多的磨粒，界面間較小的磨粒會修整較大磨粒在界面間滑動形成的粗糙表面，造成表面粗糙度降低。此時(shí)，雖然單個磨粒的切削量較小，但是界面間的磨粒個數(shù)較多，所以總體結(jié)果是試件磨損量較大。這與粒徑對試件磨損量的影響一致，也證實(shí)了載荷對摩擦力影響的推斷。

3.3 研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對界面間摩擦特性的影響

相同粒徑條件下，在三體摩擦界面中，磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會影響其與第一體表面的相互作用狀態(tài)。當(dāng)界面間的磨粒較少時(shí)，磨粒在載荷的作用下，可能會與其中的1個或2個表面產(chǎn)生切削運(yùn)動，此時(shí)摩擦力較大。當(dāng)界面間的磨粒較多時(shí)，摩擦界面間可能會出現(xiàn)2層或多層磨粒，此時(shí)磨粒與磨粒之間的作用增多，可能會形成類似顆粒流潤滑的狀態(tài)，此時(shí)摩擦力較小。

本試驗(yàn)采用粒徑為7μm的剛玉磨料配制5%、10%和20%3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研磨液，在轉(zhuǎn)速為80r／min、載荷為22.5N的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。分析了研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與界面間摩擦力的關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以看出，研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，摩擦力最大，研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，摩擦力較小，并且變化趨勢基本一致。這說明當(dāng)磨粒超過一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對界面間摩擦力的影響變小。這可能是由于研磨液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時(shí)，摩擦界面間的磨粒較少，磨粒在兩表面作用下產(chǎn)生滑動或滾動切削，摩擦力較大；而當(dāng)研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，界面間的磨粒較多，此時(shí)磨粒之間相互作用的比例較大，會表現(xiàn)出顆粒物質(zhì)的某些性質(zhì)，可能有顆粒流潤滑狀態(tài)存在，故此時(shí)摩擦力較小。

圖6 研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)－摩擦界面間摩擦力的關(guān)系

試驗(yàn)后測量試件的表面粗糙度和磨損量，結(jié)果表明：當(dāng)研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，試件表面粗糙度最大，當(dāng)研磨液質(zhì)量分為為10%和20%時(shí)，粗糙度均減少，且相差不多。所以隨著研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，試件的磨損量逐漸增大，原因可能是研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，界面間的磨粒較少，此時(shí)磨粒在界面間的主要作用為相對滑動和滾動，造成試件表面劃痕較深，粗糙度大。但由于磨粒較少，總體磨損量較小。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，界面間磨粒較多，每個磨粒受到的載荷較小，此時(shí)試件表面的劃痕較小，表面粗糙度減小。但由于磨粒較多，總體形成的磨損量較大。

4 結(jié)束語

本文利用自制的摩擦測試系統(tǒng)，研究了磨粒粒徑、載荷及研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對三體摩擦界面相互作用過程的影響，分析了不同工況下界面間摩擦力和試件表面粗糙度及磨損量不同的原因，探索了顆粒物質(zhì)性質(zhì)在該過程中的體現(xiàn)。結(jié)果表明：

（1）在研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同、粒徑或載荷不同的情況下，界面間的摩擦力和試件磨損量與磨粒粒徑成反比，與載荷大小成正比。載荷增大或磨粒粒徑減小時(shí)，試件的磨損量變化趨勢一致，這說明界面間的磨粒在較大的載荷下會破碎為小的磨粒。

（2）在磨粒粒徑和載荷相同情況下，當(dāng)研磨液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時(shí)，界面間的摩擦力大；當(dāng)超過某一臨界值時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對摩擦力影響變小，這說明摩擦界面間可能有顆粒流潤滑狀態(tài)的存在。

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