趙鐵軍，吳 楠

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110000）

0 引言

人們?cè)?jīng)憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為光滑表面具有較低的摩擦力和磨損，反之，非光滑表面會(huì)帶來較大的摩擦力和磨損。但隨著制造技術(shù)和相關(guān)理論的發(fā)展，相關(guān)研究證明具有一定粗糙度或紋理的表面具有更好的摩擦學(xué)特性[1]。

自然界中，生物的進(jìn)化也同樣產(chǎn)生了很多具有特定功能性的非光滑生物表面。例如：鯊魚皮表面縱向微結(jié)構(gòu)可以有效降低其游動(dòng)阻力；荷葉表面微納結(jié)構(gòu)形成超疏水表面，有利于減少灰塵的堆積。這些生物表面同樣暗示了光滑表面并不一定總是最好的摩擦學(xué)表面，由此衍生出了一種表面織構(gòu)技術(shù)。

1 表面織構(gòu)技術(shù)

1.1 表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展

表面織構(gòu)技術(shù)是通過指定的設(shè)備和加工手段，在物體表面加工形成具有一定分布規(guī)律和特定形狀尺寸的微小結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改善接觸表面的摩擦學(xué)或其他方面性能的目的。Hamilton 等[2]于1966年指出不規(guī)則表面的每個(gè)微凸體可以看作一個(gè)小動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓，具有一定承載能力，在透明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的幫助下直接觀察了微凸體散度區(qū)的空化現(xiàn)象。

1994年，以色列Etsion[3]提出了端面有微孔的機(jī)械密封概念。其提出在端面上加工多個(gè)孔(坑)可以顯著提高機(jī)械密封性能；1996年，提出了一種環(huán)表面有規(guī)則微孔的機(jī)械密封。由于推力滑動(dòng)軸承與機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)和理論模型上的相似性，人們對(duì)織構(gòu)化推力軸承或與推力軸承相似的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行板之間的流體動(dòng)力潤(rùn)滑進(jìn)行了大量研究。對(duì)應(yīng)于推力軸承的徑向滑動(dòng)軸承，也是一種廣泛應(yīng)用的零件，因此表面織構(gòu)在流體潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承中的應(yīng)用也成為了研究者所關(guān)注的對(duì)象[4-7]，主要探討了不同的織構(gòu)參數(shù)(如形狀、尺寸、深度、排布形式等)和空化現(xiàn)象對(duì)徑向滑動(dòng)軸承油膜的厚度、壓力和摩擦力等軸承性能的影響。

在內(nèi)燃機(jī)缸套—活塞環(huán)部件減磨增壽的摩擦學(xué)研究中，表面織構(gòu)技術(shù)也很受歡迎，大部分集中于理論與試驗(yàn)對(duì)比研究上，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果[8-10]。此外，在刀具、齒輪、高分子化合物以及滾動(dòng)軸承等方面都有相關(guān)的研究成果。

1.2 表面織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用

近年來，表面織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛和多樣化，武漢科技大學(xué)朱詩(shī)文[11]進(jìn)行了血管支架內(nèi)仿鯊魚皮表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工后的血管支架植入后血管內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)得到了優(yōu)化，相對(duì)于傳統(tǒng)的血管支架具有更低的再狹窄發(fā)生率。

南航的李凱凱[12]研究了缸套—活塞環(huán)摩擦副，選擇了有機(jī)械珩磨條紋的缸套試件，對(duì)其進(jìn)行加工，加工出的微凹坑織構(gòu)與原有的條紋形成混合表面織構(gòu)，分析了混合型表面織構(gòu)對(duì)缸套性能的影響，其中微凹坑織構(gòu)部分采用10%～5%～10%的密度時(shí)減摩效果更顯著，織構(gòu)形式如圖1所示。

哈爾濱理工大學(xué)佟欣[13]以球頭銑刀銑削鈦合金為切入點(diǎn)，利用激光制備工藝在刀具的刀—工切削面上加工出一定排列規(guī)則的微織構(gòu)，分析了不同面積比的織構(gòu)對(duì)不同刃口形式的刀具切削性能的影響，表明微織構(gòu)在銑削過程中能有效地發(fā)揮減摩抗磨作用，并對(duì)織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，鈍圓刃口刀具在刀—屑接觸區(qū)內(nèi)最佳織構(gòu)面積比為7%～14%，負(fù)倒棱刃口刀具在刀—屑接觸區(qū)內(nèi)最佳織構(gòu)面積比為9%～11%。

圖1 變密度混合織構(gòu)表面形貌圖

2 表面織構(gòu)加工方法

表面織構(gòu)加工方法有多種方式，目前研究較多的有電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工。

2.1 電火花加工

電火花加工(EDM)又稱放電加工或電蝕加工[14]。導(dǎo)電材料會(huì)被浸入工作液的兩極脈沖放電過程中產(chǎn)生的電蝕去除。電火花可加工普通方法難以加工的材料和形狀復(fù)雜的工件；加工時(shí)無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；直接采用電能加工，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；但加工后表面有變質(zhì)層，需進(jìn)一步去除；加工過程中會(huì)產(chǎn)生煙霧造成污染，工作液需要凈化才能排放。

電火花主要應(yīng)用對(duì)象有具有復(fù)雜孔或腔的模具和零件；硬脆材料和導(dǎo)電材料，如硬質(zhì)合金和淬火鋼等；深細(xì)孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等；各種成形刀具、樣板和螺紋環(huán)規(guī)等工具和量具。

2.2 電解加工

表面織構(gòu)電解加工[15]利用陽極溶解原理指向性地去除陽極金屬材料，在工件表面加工出所需形貌。加工過程中，工具電極與電源負(fù)極連接，工件與電源正極連接成為陽極，電解液從陰陽兩極之間的加工間隙高速流過，接通電源后陰陽極之間電解反應(yīng)開始，陽極材料被溶解，加工產(chǎn)物被電解液帶出?？赏ㄟ^改變電壓大小、電解液種類和濃度、加工時(shí)長(zhǎng)等加工出不同參數(shù)的表面織構(gòu)形態(tài)。電解加工方法加工效率高、可成型范圍廣、加工成本低，但只能對(duì)金屬材料進(jìn)行加工，且電解之前需進(jìn)行光刻工藝并對(duì)工具陰極進(jìn)行加工，加工工藝繁瑣。

圖2 電解加工表面織構(gòu)過程示意圖

錢雙慶[16]提出了新型的活動(dòng)模板電解加工表面織構(gòu)技術(shù)，如圖3所示，利用這種電解技術(shù)在活塞和活塞環(huán)表面加工出微坑，研究了表面織構(gòu)形貌隨電解加工電流密度、加工時(shí)間的變化，以及活動(dòng)模板尺寸對(duì)其的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直徑250 μm 、深度10 μm 、面積率16%的微坑織構(gòu)表現(xiàn)出最優(yōu)減摩效果。

圖3 活動(dòng)模板電解加工表面結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 超聲加工

超聲加工[17]是一種將工件浸在研磨介質(zhì)中進(jìn)行超聲振動(dòng)(大于20 kHz)，去除多余材料，使工件成形的加工方法。原理和加工過程如圖4～5所示。由于其無熱物理效應(yīng)，無熱影響區(qū)，不受材料導(dǎo)電性的限制，可加工深凹坑、凹槽和復(fù)雜的三維腔，在加工硬脆材料方面具有許多優(yōu)勢(shì)。

有些場(chǎng)合的表面織構(gòu)是為了增大摩擦，張濤[18]利用超聲加工技術(shù)在轉(zhuǎn)子與定子接觸面間的聚酰亞胺材料表面加工出微坑組織以提高摩擦因數(shù)增大力矩，分析了磨粒參數(shù)、超聲功率等對(duì)微坑尺寸和深度的影響。在材料表面加工出邊長(zhǎng)為225～425 μm 、面積率10%～30%、深度150 μm 左右的微坑，結(jié)果表明，邊長(zhǎng)為325 μm 和425 μm 的微坑織構(gòu)將摩擦因數(shù)提高了一倍，而且耐磨能力也有所提升。

圖4 超聲加工原理圖

圖5 活動(dòng)模板電解加工平面織構(gòu)的工藝路線

2.4 激光加工

激光表面織構(gòu)[19]是用激光器在工件表面加工出所需的表面形貌，其可以加工金屬、非金屬，還可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的陶瓷、硅片等。在加工過程中無切削力對(duì)工件的影響，使工件變形很??；加工時(shí)能量注入速度高，對(duì)工件熱影響區(qū)很小，因此工件熱變形很??；加工速度快、無噪聲、無污染。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)何江濤[20]用飛秒激光加工技術(shù)在軸承鋼表面加工了不同形狀、不同深寬比、不同面密度的微織構(gòu)，結(jié)果得出圓形微織構(gòu)表面在不同速度和載荷下均具有良好的減摩性能，微織構(gòu)面密度為0.07，深寬比為0.2時(shí)，織構(gòu)減摩潤(rùn)滑效果最好。

3 結(jié)束語

對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外表面織構(gòu)技術(shù)研究成果的分析，可以看出多數(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域，其中對(duì)軸承、刀具、活塞等常用零部件的表面織構(gòu)居多?？棙?gòu)方式則以激光、電解加工、超聲加工為主，激光織構(gòu)因其具有加工精度高、效率高、污染小、熱影響區(qū)小、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，備受研究者的青睞。

織構(gòu)組織的形狀多以圓柱形凹坑、球形凹坑以及凹槽形結(jié)構(gòu)為主，基于不同形狀和尺寸的織構(gòu)，分析其對(duì)加工表面的潤(rùn)滑性能、表面應(yīng)力以及零件壽命的影響。分析方法則以數(shù)學(xué)建模居多，主要以Reynolds和Navier-Stokes(N-S)方程對(duì)表面織構(gòu)的潤(rùn)滑問題進(jìn)行分析求解。其中Reynolds 方程是N-S 方程的簡(jiǎn)化形式，其忽略了流體慣性力、體積力，計(jì)算量較少，計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，但計(jì)算結(jié)果的精度沒有N-S 方程高。部分研究應(yīng)用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)加工表面摩擦學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。

由此可見，如今對(duì)表面織構(gòu)技術(shù)的理論化研究以及試驗(yàn)并不缺乏，但數(shù)學(xué)模擬工況與實(shí)際工作環(huán)境存在差異，且現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，并不能完全依靠理論及實(shí)驗(yàn)得出成果，這也是表面織構(gòu)技術(shù)突破的最大難點(diǎn)，表面織構(gòu)技術(shù)未來研究重點(diǎn)應(yīng)是理論與實(shí)踐相結(jié)合，爭(zhēng)取早日規(guī)?；貞?yīng)用到工程當(dāng)中，造福生產(chǎn)。