王仲楠，王武義，Derek G.Chetwynd，張廣玉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）（2.華威大學(xué)工程學(xué)院，英國 考文垂 CV4 7Al）

0 引言

微動(dòng)是指兩個(gè)接觸表面之間因外部振動(dòng)發(fā)生的微米級(jí)振幅產(chǎn)生的相對運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)不同于滑動(dòng)和滾動(dòng)，它不僅出現(xiàn)在大型機(jī)構(gòu)中，也常常發(fā)生在微型裝置、MEMS／NEMS、人工關(guān)節(jié)等系統(tǒng)的機(jī)械零件中，已成為引起機(jī)構(gòu)失效［1］的主要原因之一。由于MEMS／NEMS在長度、面積、體積方面的微小特點(diǎn)，當(dāng)前對這類材料的微動(dòng)磨損研究，缺乏低廉、通用的微動(dòng)磨損模型試驗(yàn)系統(tǒng)。為此，英國University of Warwick的Derek G Chetwynd教授領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)，近年來致力于通用微動(dòng)磨損測試系統(tǒng)的開發(fā)，研制了適用于一般機(jī)構(gòu)和MEMS／NEMS的微動(dòng)磨損模擬的模型試驗(yàn)系統(tǒng)［2］。微動(dòng)存在于近似“靜止”的緊配合兩個(gè)機(jī)械零件的表面間，相對運(yùn)動(dòng)的“滑移”速度很低，如何產(chǎn)生接觸表面間的微幅振動(dòng)和低速“滑移”將是設(shè)計(jì)微動(dòng)磨損模型試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，前者涉及加載動(dòng)力源，后者則由固定試件的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。為此，本文在文獻(xiàn)［2］的基礎(chǔ)上開發(fā)了低頻往復(fù)擺動(dòng)模擬滑動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置。然而，在使用新研制的微動(dòng)磨損測試系統(tǒng)之前，首先要對微摩擦測量頭裝置的機(jī)構(gòu)剛度進(jìn)行標(biāo)定。

1 低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測試系統(tǒng)

為獲得微動(dòng)摩擦，本文采用電磁線圈直接驅(qū)動(dòng)往復(fù)機(jī)構(gòu)作擺動(dòng)。如圖1所示，系統(tǒng)共包括4個(gè)部分：電磁加載微測量頭裝置、機(jī)架、低頻往復(fù)擺動(dòng)平臺(tái)和測試系統(tǒng)。其中，微測量頭裝置1可根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的摩擦力大小控制線圈電流使加載力穩(wěn)定。

圖1 低頻往復(fù)擺動(dòng)微動(dòng)磨損測試系統(tǒng)Fig.1 Low-frequency reciprocating fretting wear testing system

往復(fù)擺動(dòng)平臺(tái)擺動(dòng)頻率在0～25 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，最大擺動(dòng)幅度6.35mm。上試件用Φ1mm 的球頭。下試件為10×10×1mm3的薄塊，固定于擺動(dòng)平臺(tái)上。文獻(xiàn)［2］測得的微測量頭參數(shù)見表1。

表1 微測量頭裝置的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameter ofmciro-tribometer measuring-head

2 微壓痕式機(jī)構(gòu)剛度直接標(biāo)定

剛度標(biāo)定方法［3］有間接標(biāo)定和直接標(biāo)定兩類。前者是早期的主要標(biāo)定方法，用測試得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計(jì)算獲得剛度。而后者是通過實(shí)驗(yàn)方法，通過傳感器測出的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的力-變形（Fh）曲線而獲得剛度。

微納米壓痕測試方法是20世紀(jì)90年代初國外專家首先提出的［4］，如Oliver-Pharr方法［5］，它是當(dāng)前商業(yè)納米壓痕采用的主要方法，通過分析壓痕過程中得到的F-h 曲線來獲取材料或機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)。最大壓入載荷和最大壓入深度存在以下關(guān)系［5］：

式（1）中，H 為材料硬度；A 為接觸面積；Fmax為最大壓入載荷；hc為接觸深度。其中，hc為：

式中，Er、νs分別為被測材料的彈性模量（折合模量）和泊松比；Ei、νi分別為壓頭的彈性模量（折合模量）和泊松比；α、β分別為與壓頭形狀有關(guān)的修正系數(shù)。由材料力學(xué)知，被測件長度為L，橫截面積A1，根據(jù)剛度計(jì)算公式有

式（5）中，K 是 桿 的 剛 度，δ 是 變 形，E 是 桿 彈 性 模量，L 是長度。由式（1）～（5）可見，被測件（即壓頭機(jī)構(gòu)）的彈性模量等于壓頭的彈性模量Ei。由于改裝了機(jī)構(gòu)和測量傳感器，故對文獻(xiàn)［3］的電磁加載微測量頭裝置（考慮裝置自重）機(jī)構(gòu)剛度標(biāo)定（見圖2）。

圖2 微／納測量頭剛度標(biāo)定原理示意圖Fig.2 Principle scheme of stiffness calibration of micro／nano-tribometer

傳感器輸出與機(jī)構(gòu)受力關(guān)系為：

式（6）中，F(xiàn) 為載荷；C 為比例系數(shù)；V 為對應(yīng)機(jī)構(gòu)變形傳感器輸出電壓。

3 考慮裝置自重的機(jī)構(gòu)剛度標(biāo)定

首先，對非接觸式電渦流傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。圖1中的兩個(gè)導(dǎo)線是傳感器探測頭，傳感器1用于加載力變形測試，傳感器2用于摩擦力變形測試。加載力作用下機(jī)構(gòu)產(chǎn)生變形，在小振幅情況下，變形量與加載力成一定的關(guān)系［3］。采用文獻(xiàn)［3］中的三點(diǎn)標(biāo)定方法，即進(jìn)行三組不同載荷（1 g、5 g、10 g）下的測量，重復(fù)10次取每組平均值。測定傳感器1的靈敏度為42.730μm／V，傳感器2的靈敏度為47.640μm／V。然后，直接應(yīng)用標(biāo)定好的傳感器1和傳感器2進(jìn)行機(jī)構(gòu)剛度標(biāo)定。

第二步，機(jī)構(gòu)剛度標(biāo)定測試。用經(jīng)過標(biāo)定的傳感器1和傳感器2來檢測垂直加載和側(cè)向加載時(shí)的機(jī)構(gòu)變形。其中，側(cè)向加載標(biāo)定，是將圖1所示的電磁加載微測量頭裝置旋轉(zhuǎn)90°，使得側(cè)向傳感器探測頭垂直向上。標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，先將測試系統(tǒng)清零，然后啟動(dòng)電磁加載裝置。按表2的三組載荷進(jìn)行加載測試，重復(fù)5次。將傳感器輸出的電壓值與靈敏度相乘得到變形δ，于是畫出圖3、圖4兩組F-δ擬合直線，由式（5）和式（7）知，該擬合直線斜率的倒數(shù)即為機(jī)構(gòu)剛度。

圖3得到各擬合直線斜率的平均值為0.521 48 mm／N，則其倒數(shù)等于垂直方向剛度Kz=1917.62 N／m；圖4 得到各擬合直線斜率的平均值為0.518 04mm／N，則其倒數(shù)等于側(cè)向剛度Kx=1 930.353N／m。標(biāo)定得到的Kz、Kx值存在偏差的原因可能主要是由于標(biāo)定的裝置和傳感器安裝位置偏差，計(jì)及機(jī)構(gòu)自重、懸臂梁長度不同。

由圖3、圖4的F-δ 擬合直線看出，各線性相關(guān)系數(shù)接近1，說明電磁加載微測量頭裝置可靠性、實(shí)驗(yàn)的一致性好。

圖3 垂直剛度標(biāo)定F-δ擬合曲線Fig.3 F-δfitting curve of vertical stiffness calibration

圖4 側(cè)向剛度標(biāo)定F-δ擬合曲線Fig.4 F-δfitting curve of lateral stiffness calibration

4 結(jié)論

本文在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，將測量頭中上試件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為套裝式固定結(jié)構(gòu)，并新設(shè)計(jì)了低頻往復(fù)擺動(dòng)模擬平臺(tái)，標(biāo)定了電磁微測量裝置測量頭機(jī)構(gòu)剛度。無粘結(jié)劑的套裝式試件固定結(jié)構(gòu)，有利于更換試件，實(shí)現(xiàn)不同的摩擦副。采用微壓痕式多點(diǎn)直接標(biāo)定測量方法，測定的電磁微測量頭裝置整體機(jī)構(gòu)剛度一致性好，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作可靠，為進(jìn)一步的低頻往復(fù)擺動(dòng)模擬平臺(tái)校正實(shí)驗(yàn)和試樣測試提供技術(shù)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件支持。

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