超聲振動切削表面織構(gòu)摩擦性能研究

曹騰，馬文娟，袁靜，曹永

1南京航空航天大學航空學院；2棗莊市科技信息研究所

1 引言

滑動軸承是機械的關(guān)鍵支撐部件，在流體潤滑條件下，其失效原因主要是潤滑不良導(dǎo)致的摩擦界面磨損[1]。根據(jù)傳統(tǒng)摩擦學理論，光滑零件表面可以減少摩擦，增加零件的耐磨性。然而，現(xiàn)代摩擦學的理論研究和實驗研究表明，一些具有微觀特征的非光滑表面(織構(gòu)表面)比光滑表面具有更好的摩擦學性能[2-6]。通過在摩擦表面設(shè)置具有一定幾何尺寸和排列方式的圖案陣列特征(如微孔[7]、橢圓槽[8]、韌窩織構(gòu)[9]和納米織構(gòu)[10]等)，可以減少摩擦副的接觸表面積，降低附著力，并且織構(gòu)還可以存儲摩擦片和潤滑油，使摩擦副表面更易形成連續(xù)潤滑膜，減少表面摩擦[11]。

利用微觀表面織構(gòu)改善接觸界面摩擦學性能的想法源于20世紀60年代。Hamilton D.等[12]提出表面微凸結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生額外的流體動力潤滑。為了探索不同織構(gòu)形狀在不同潤滑條件下對各種表面摩擦磨損行為的影響，國內(nèi)外學者進行了大量研究。Etsion I.[13]研究表明，與未加固的機械密封圈相比，表面織構(gòu)能減少零件磨損，延長使用壽命。Ramesh A.等[14]研究表明，織構(gòu)表面的摩擦比未加織構(gòu)表面降低80%。Kovalchenko A.等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在增加接觸壓力的情況下，會增加織構(gòu)表面點接觸處的磨損，同時增加接觸面積，從而降低接觸壓力，促使?jié)櫥Ｊ接蛇吔鐫櫥^渡到摩擦系數(shù)較低的混合潤滑。Mitchell N.等[16]研究表明，在單向滑動試驗中，較大尺寸的凹坑或柱狀紋理表面可以提供較低的摩擦系數(shù)。表面織構(gòu)因具有存儲磨屑、儲備潤滑劑的功能以及流體動壓產(chǎn)生機制，是改善表面摩擦學性能的有效途徑。

表面織構(gòu)加工技術(shù)的發(fā)展是推動該技術(shù)實驗研究和實際應(yīng)用的關(guān)鍵。目前常用的表面織構(gòu)制備途徑有激光加工(LST)[13，17]、磨料噴射加工(AJM)[18]、電火花加工(EDM)[19]、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)[20]和超聲振動輔助加工(UVAM)[21]等。RIE可以制作尺寸小于3μm的微特征，但存在危險氣體和射頻電源的安全風險；AJM的材料去除機制是高速氣流與細磨?；旌系臎_擊效應(yīng)，因此微觀特征的幾何精度較低；LST具有加工速度快、加工精度高和清潔無污染等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的織構(gòu)加工方法之一，而LST中的燒蝕過程可能會改變加工表面的微觀結(jié)構(gòu)。這些織構(gòu)制備技術(shù)是在成品零件表面進行二次加工，且另需表面光潔處理，降低了成功率，延長了生產(chǎn)周期，增加了額外生產(chǎn)成本。

UVAM技術(shù)是一種組合精密加工方法，在超聲范圍內(nèi)對刀具施加一定頻率的振動，在切削過程中刀具痕跡均勻分布在加工表面上，形成具有各種規(guī)則微觀特征的表面，該技術(shù)可以在加工軸零件的同時快速制備織構(gòu)，生產(chǎn)工藝簡單。目前，對于UVAM技術(shù)研究大多集中于切削機理和表面質(zhì)量等方向，而對切削形成的連續(xù)型表面織構(gòu)的流體動壓潤滑的摩擦性能研究非常少。因此，本文主要基于超聲振動輔助切削技術(shù)，研究表面織構(gòu)參數(shù)對摩擦性能的影響。

2 UVAM表面織構(gòu)

超聲振動輔助切削表面織構(gòu)是通過切削時刀具的高頻振動在零件表面形成的規(guī)律性紋理，其排布規(guī)律及織構(gòu)單元(單個織構(gòu))受切削參數(shù)和超聲振動參數(shù)的影響，其切削模型如圖1所示。

根據(jù)切削深度不同，在零件表面形成的織構(gòu)可以分為非連續(xù)織構(gòu)和連續(xù)織構(gòu)。非連續(xù)織構(gòu)的織構(gòu)單元相互獨立，單元之間無連接，單元形貌為橢圓凹槽；而連續(xù)織構(gòu)則由于單元之間相互連接，單元的具體形貌受到干涉影響，外輪廓非橢圓形。由于切削零件表面形成溝槽狀切痕，表面不平整，而刀具X方向振幅要小于溝槽深度，因此在未進行表面處理的情況下很難加工出不連續(xù)織構(gòu)表面；連續(xù)織構(gòu)可以通過控制切削深度去除切痕的影響，從而在單道工序下加工出織構(gòu)表面。

圖1 超聲振動輔助切削模型

連續(xù)織構(gòu)單元的長度由刀具相對于零件表面的運動軌跡決定，該運動軌跡由刀具的橢圓振動軌跡和零件表面的旋轉(zhuǎn)運動疊加而成(見圖2)，其表達式為

Xw=Axsin(2πft+φx)-ap
Yw=Aysin(2πft+φy)+vcutt

(1)

式中，Ax和Ay分別為X和Y方向振幅；f為刀具振動頻率；φx和φy為初始相位；ap為背吃刀量；vcut為零件切削線速度。

相對切向速度為

vw=2πf×Aycos(2πft+φy)+vcut

(2)

織構(gòu)單元的切向長度可以近似表示為

(3)

式中，T為振動周期。

織構(gòu)單元的平均寬度W為切削時的進給量。

圖2 刀具相對于零件表面的運動軌跡

3 摩擦實驗

3.1 實驗設(shè)計

為了便于觀察織構(gòu)表面的摩擦狀況，測試零件采用可加工性較好的Al6061材料。超聲振動輔助切削設(shè)備為UL40-Al，其振動頻率為40.6kHz(見圖3)。

圖3 超聲振動切削裝置

刀具型號為TPGX080202R-FS，刀尖半徑為0.2mm，后角為11°，可在一定程度上降低切削阻力以及背刀對切削微觀紋理的影響。

摩擦實驗測試裝置原理如圖4a所示，測試試樣與光滑不銹鋼環(huán)摩擦，動力由CKA6150數(shù)控機床提供，摩擦轉(zhuǎn)速500r/min。采用流體潤滑方式，潤滑油型號為8L05CHK7100014，運動黏度為35.2mm2/s；通過Kistler三向動態(tài)測力儀測量摩擦力，并計算得到對應(yīng)的摩擦力矩；摩擦載荷為135N，測試環(huán)境溫度為10℃；摩擦測試時間為600s，測試結(jié)果如圖4b所示。通過公式u=F/W計算得到摩擦系數(shù)(F為摩擦力，W為載荷)。

(a)實驗原理

(b)摩擦力曲線

3.2 測試與分析

全因素實驗通過改變切削速度、進給速度得到不同長度、寬度的織構(gòu)試件，并通過摩擦實驗裝置測得摩擦系數(shù)u，試件長度為30mm，直徑為29mm?？棙?gòu)表面切削參數(shù)如表1所示。

表1 織構(gòu)表面加工參數(shù)

圖5為摩擦轉(zhuǎn)速在500r/min時織構(gòu)表面摩擦系數(shù)與織構(gòu)單元寬度之間的關(guān)系。由圖可知，隨著織構(gòu)單元寬度增加，摩擦系數(shù)逐漸增加，說明在一定范圍內(nèi)織構(gòu)寬度越小越有利于提高摩擦性能。通過計算得出摩擦系數(shù)增長率分別為21.8%，10.24%，7.92%，隨著織構(gòu)寬度的增加摩擦系數(shù)的增長趨勢逐漸減小。

圖5 織構(gòu)寬度對試件摩擦性能的影響

圖6為織構(gòu)表面摩擦系數(shù)與織構(gòu)長度的關(guān)系?？梢?，隨著織構(gòu)長度的增加，織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)逐漸減小，其增長率分別為-17.7%，-14.2%，-12.6%，可以看出，減小趨勢隨著織構(gòu)長度的增加逐漸變緩。

圖6 織構(gòu)長度對試件摩擦性能的影響

織構(gòu)單元形貌是影響織構(gòu)表面摩擦性能的主要因素，而長度和寬度是影響織構(gòu)單元形貌的主要參數(shù)，在優(yōu)化過程中需要確定各參數(shù)對摩擦性能的影響程度。通過田口實驗法研究了織構(gòu)參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響，使用Minitab 17統(tǒng)計軟件生成兩因素四水平的L16正交數(shù)組，通過信噪比分析得到的結(jié)果如圖7所示，均值方差分析結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，織構(gòu)長度對摩擦系數(shù)的貢獻率為63.74%，織構(gòu)寬度對摩擦系數(shù)的貢獻率為34.43%，織構(gòu)長度對織構(gòu)表面摩擦系數(shù)的影響程度要大于寬度。

圖7 摩擦系數(shù)信噪比均值

表2 摩擦系數(shù)均值方差分析

為了更直觀地分析織構(gòu)單元形貌對摩擦性能的影響，通過以上數(shù)據(jù)得到織構(gòu)單元長寬比以及織構(gòu)單元面積與摩擦系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示?？梢姡Σ料禂?shù)隨著長寬比的增加而減小，并且在長寬比相近時，織構(gòu)單元的面積越大摩擦系數(shù)越小。結(jié)合圖5與圖6中隨著長度域?qū)挼闹饾u增加其摩擦系數(shù)逐漸降低的結(jié)論可得，當織構(gòu)長寬比接近于1時，摩擦系數(shù)最小。說明圓形織構(gòu)更利于摩擦性能的提升，并且在一定的范圍內(nèi)，織構(gòu)單元的增加也有利于降低摩擦系數(shù)。

圖8 織構(gòu)單元長寬比對摩擦系數(shù)的影響

為研究超聲振動輔助切削織構(gòu)表面的減摩效果，將織構(gòu)單元參數(shù)為33.6×30的織構(gòu)表面與光滑表面在不同摩擦轉(zhuǎn)速下進行摩擦測試，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 織構(gòu)表面與光滑表面摩擦性能對比

隨著摩擦轉(zhuǎn)速的提升，光滑表面的摩擦系數(shù)由0.019提升到0.034，而織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)由0.012提升到0.024，織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)恒低于光滑表面的摩擦系數(shù)，并且兩者都接近于線性增加；通過分析可知，織構(gòu)表面的平均摩擦系數(shù)比光滑表面低33.4%。在合理的織構(gòu)參數(shù)下，織構(gòu)表面的摩擦性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的光滑表面。

4 結(jié)語

超聲振動輔助切削可以通過單次加工在零件表面制備織構(gòu)。通過實驗研究了超聲振動輔助切削表面織構(gòu)的摩擦性能，分析了織構(gòu)參數(shù)對摩擦性能的影響，并對光滑表面與織構(gòu)表面進行摩擦系數(shù)對比，得到以下結(jié)論。

(1)織構(gòu)單元長度越長，摩擦系數(shù)越小；而織構(gòu)寬度越大，摩擦系數(shù)越大；織構(gòu)長度對摩擦系數(shù)的貢獻率為63.74%，而織構(gòu)寬度對摩擦系數(shù)的貢獻率為34.43%。

(2)織構(gòu)單元長寬比和面積的增大有利于摩擦性能的提升，當織構(gòu)形貌接近于圓形時摩擦性能最好。

(3)織構(gòu)表面的平均摩擦系數(shù)比光滑表面低33.4%，即在合理的織構(gòu)參數(shù)下，織構(gòu)表面的摩擦性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的光滑表面。