劉洪南，王東愛，劉美華，任會(huì)強(qiáng)，郎巖梅，荊衛(wèi)國

(1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300134 ;2.山東道先為智能科技有限公司，山東 淄博 255000;3.天津市盛科新業(yè)機(jī)電設(shè)備技術(shù)有限公司，天津 300300)

0 前言

機(jī)械設(shè)備中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件之間都有摩擦，由于潤滑不當(dāng)而形成的非正常磨損將導(dǎo)致零件失效從而影響設(shè)備正常工作，同時(shí)也會(huì)造成社會(huì)資源的巨大浪費(fèi)。因此，研究材料耐磨性至關(guān)重要[1，2]。由于磨損引起的材料損失量稱為磨損量，磨損量是評(píng)定材料耐磨性、控制產(chǎn)品質(zhì)量和研究摩擦磨損機(jī)理的一個(gè)重要指標(biāo)，可通過測(cè)量長度、重量、或體積的變化而得到，并相應(yīng)稱其為長度磨損量、重量磨損量和體積磨損量[3-6]。長度磨損量是根據(jù)零件表面在試驗(yàn)前后的法向尺寸改變量來確定磨損量，常用千分尺測(cè)量，精度為0.001 mm，這種方法經(jīng)常使用在監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài)的零件磨損中。重量或者體積磨損量是根據(jù)零件磨損前后的重量或體積的改變量來確定其磨損量，稱重法是最常用的一種方法，通常采用測(cè)量精度為0.01 g的精密分析天平來稱量零件在磨損前后的重量變化確定磨損量，方法簡單，易操作，使用最普遍。為了保證稱重的精度，被測(cè)試件在稱量前需要選擇有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗并烘干。具有滲透性的材料，在磨損的過程中容易吸油，不易清洗，往往測(cè)量誤差較大，不宜采用稱重法確定磨損量。若試樣在摩擦過程中其摩擦表層產(chǎn)生了較大的塑性變形時(shí)，試樣尺寸有變化，但是重量損失不大，則測(cè)量重量磨損量的誤差大，也不能采用此方法確定磨損量。稱重法確定磨損量適用于小試件和在摩擦過程中不發(fā)生較大塑性變形的材料。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)往往是首先測(cè)量試樣的重量磨損量，然后再換算成體積磨損量；也可以通過測(cè)量磨痕寬度等幾何量計(jì)算出磨損體積。對(duì)于密度不同的材料，用體積磨損量來評(píng)定磨損的程度比用重量磨損量更為合理。另外，目前也有采用電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡來觀測(cè)摩擦表面在磨損前后的金相顯微組織的變化，通過分析其變化規(guī)律來判斷磨損程度。這種方法特別適宜研究腐蝕磨損和疲勞磨損。

盡管各種測(cè)量磨損量方法在評(píng)定材料耐磨性方面各有特點(diǎn)，但所有測(cè)量方法的測(cè)試工作與摩擦磨損實(shí)驗(yàn)均不在同一設(shè)備上進(jìn)行，由此產(chǎn)生測(cè)量誤差比較大，因此稱重法不適合精準(zhǔn)比較兩種不同材料的耐磨性，尤其不適合耐磨性差異小的兩種不同薄膜材料[7-12]研究工作。隨著納米摩擦學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)摩擦學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的要求越來越高。研發(fā)設(shè)計(jì)精密摩擦實(shí)驗(yàn)設(shè)備尤為重要。新型原位精準(zhǔn)測(cè)量材料磨損量的新型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在同一位置進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)及磨損量的測(cè)試，大大減小因移動(dòng)而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以同時(shí)、同步進(jìn)行對(duì)兩種不同薄膜材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，保證兩種不同材料的摩擦實(shí)驗(yàn)與測(cè)試條件相同，并且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的即時(shí)顯示與同步記錄，尤其適用于對(duì)兩種不同薄膜材料摩擦性能的精準(zhǔn)測(cè)試工作，特別適用于精準(zhǔn)比較兩種不同薄膜材料耐磨性的微小差異性，可廣泛適用于對(duì)金屬材料、陶瓷材料、工程塑料等復(fù)合材料固體材料表面耐磨性的測(cè)試。

1 工作原理及總體方案設(shè)計(jì)

圖1所示為設(shè)計(jì)的新型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)外觀圖。先將兩件不同被測(cè)樣品分別安裝并固定在樣品工作臺(tái)2上，在磨削試驗(yàn)進(jìn)行之前，分別測(cè)試并記錄兩件樣品的高度。隨后電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)1進(jìn)入工作狀態(tài)，如圖1b所示，砂帶在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下對(duì)樣品進(jìn)行磨削。待磨削完成后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)1旋轉(zhuǎn)90°，遠(yuǎn)離被測(cè)樣品工作臺(tái)2 ，此時(shí)再次測(cè)試并記錄兩件樣品表面高度，兩次高度差值即為磨損量。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備外觀示意圖

新設(shè)計(jì)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)機(jī)械部分主要由四部分組成，即砂帶磨削機(jī)構(gòu)9、樣品工作臺(tái)4、測(cè)試機(jī)構(gòu)及底座1。圖2所示為摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨削試驗(yàn)過程示意圖，其中，圖2a所示為設(shè)備完整工作狀態(tài)，圖2b為局部放大示意圖。用于安裝被測(cè)樣品的工作臺(tái)可以沿底座上的導(dǎo)軌2做遠(yuǎn)離或者靠近磨削機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由升降機(jī)構(gòu)控制工作臺(tái)可以做上下快速自動(dòng)、或者緩慢手動(dòng)的移動(dòng)。測(cè)頭7可以隨著轉(zhuǎn)軸6、精密軸承轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，完成測(cè)頭轉(zhuǎn)到樣品表面或者遠(yuǎn)離樣品。

圖2 試驗(yàn)機(jī)摩擦試驗(yàn)過程示意圖

圖3所示為試驗(yàn)機(jī)在磨削完成后，原位測(cè)量樣品厚度示意圖，其中圖3a所示為試驗(yàn)機(jī)完整的測(cè)試工作狀態(tài)，圖3b顯示為局部放大示意圖。當(dāng)磨削試驗(yàn)完成后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨削機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°使其遠(yuǎn)離樣品表面，此時(shí)測(cè)頭7移動(dòng)到樣品表面進(jìn)行厚度測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量。

圖3 試驗(yàn)機(jī)原位磨損量測(cè)試狀態(tài)示意圖

2 試驗(yàn)機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

2.1 被測(cè)樣品裝卡機(jī)構(gòu)及精密可調(diào)平臺(tái)

本試驗(yàn)機(jī)的安放樣品工作臺(tái)及裝夾機(jī)構(gòu)僅適用于特定規(guī)格的薄膜材料，被測(cè)樣品規(guī)格為(15～20 mm)×15 mm × 3 mm，表面薄膜的尺寸為(10～15)mm ×15 mm×(20～30μm)，如圖4所示。實(shí)際使用該設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)設(shè)計(jì)裝卡附件。

圖4 被測(cè)樣品規(guī)格及表面膜的尺寸

圖5所示為可調(diào)精密測(cè)量工作平臺(tái)及樣品裝卡機(jī)構(gòu)，其中圖5b為局部放大圖。在樣品側(cè)面、底面分別裝有溫度傳感器和測(cè)力傳感器，分別用于測(cè)量摩擦試驗(yàn)過程中的溫度及正壓力、摩擦力大小的變化。

圖5 可調(diào)精密測(cè)量平臺(tái)及樣品裝卡機(jī)構(gòu)

在安裝每個(gè)樣品工作臺(tái)下方均有可手動(dòng)微調(diào)精密工作平臺(tái)，可以對(duì)兩個(gè)被測(cè)樣品分別進(jìn)行微量高度調(diào)整，從而保證兩個(gè)被測(cè)樣品的磨削表面處于同一平面內(nèi)，如圖6a所示。而這兩組精密工作平臺(tái)的下方為一個(gè)自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，如圖6b所示。該升降機(jī)構(gòu)由可調(diào)高度的光學(xué)系統(tǒng)可調(diào)平臺(tái)改造而成，其高度調(diào)整采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以精確地實(shí)現(xiàn)高度的微調(diào)操作。兩個(gè)試件分別安裝在兩套卡具上，每套卡具均可獨(dú)立手動(dòng)調(diào)整被測(cè)試件的高度以適應(yīng)兩種不同試件厚度的偏差。

圖6 高度升降調(diào)整機(jī)構(gòu)

2.2 砂帶磨削機(jī)構(gòu)

砂帶磨削機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以旋轉(zhuǎn)90°，執(zhí)行砂帶進(jìn)入磨削樣品表面及遠(yuǎn)離樣品的動(dòng)作。被測(cè)試件安裝完成后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂帶磨削機(jī)構(gòu)到達(dá)磨削工位(圖2a)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。磨削完成后電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂帶磨削機(jī)構(gòu)抬起，即電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器支撐架7連同磨削機(jī)構(gòu)繞著轉(zhuǎn)軸6、沿著支撐銷5旋轉(zhuǎn)90°后移動(dòng)到固定位置，如圖7所示。

圖7 砂帶磨削機(jī)構(gòu)軸測(cè)圖

2.3 磨損量測(cè)量機(jī)構(gòu)

該設(shè)備采用原位長度測(cè)量方法來確定磨損量。圖8所示為被測(cè)試樣高度測(cè)量示意圖。通過采用高精度位移傳感測(cè)頭1監(jiān)測(cè)被測(cè)試件摩擦測(cè)試前、后高度變化來反映被測(cè)材料的耐磨性。位移傳感器1采用電感式位移傳感器，其測(cè)量分辨力可達(dá)到納米級(jí)。位移傳感器1下方的測(cè)頭通過氣動(dòng)控制其伸縮，使傳感器定位過程中測(cè)頭不與被測(cè)試樣直接接觸，待位移傳感器1到達(dá)測(cè)量工位后測(cè)頭伸出，并與被測(cè)試樣表面接觸。待位移傳感器1下方測(cè)頭接觸樣品表面，數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺(tái)處理后得到樣品厚度變化值即為磨損量。

圖8 被測(cè)試樣品高度測(cè)量示意圖

因?yàn)閮蓚€(gè)被測(cè)樣品是同時(shí)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，可認(rèn)為摩擦試驗(yàn)條件相同，盡管位移傳感器測(cè)頭在分別接觸兩個(gè)樣品表面時(shí)有一定角度誤差，但是，相對(duì)目前已有測(cè)量磨損量方法而言，誤差小，精度高，更適合用于比較兩種薄膜材料耐磨性的微小差異。

3 控制系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)

圖9所示為整個(gè)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試過程流程圖。

圖9 測(cè)試流程圖

根據(jù)摩擦試驗(yàn)的測(cè)試要求,本測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)磨損量、摩擦力、載荷和溫度等參量進(jìn)行測(cè)量。該設(shè)備采用砂帶式磨削方法，被測(cè)樣品安裝在兩個(gè)相同的可調(diào)精密測(cè)量基準(zhǔn)平臺(tái)上，可以同時(shí)升降，而每個(gè)樣品所在的基準(zhǔn)平臺(tái)分別有精密調(diào)整裝置，使被磨削面處于同一平面內(nèi)。每個(gè)被測(cè)樣品有二套壓力傳感器和一套熱電偶式溫度傳感器，裝卡被測(cè)試樣的工作臺(tái)上安裝有熱電偶，可以隨時(shí)采集試片因磨削發(fā)熱的溫度；在試片的下面、側(cè)面均有高精度測(cè)力傳感器，隨時(shí)感知試片向下的壓力及向側(cè)面的摩擦力。這些溫度和壓力數(shù)據(jù)將在磨削過程中被實(shí)時(shí)記錄下來，測(cè)量所得的電信號(hào)通過信號(hào)傳輸線傳給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),再進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析后以曲線的方式顯示在控制系統(tǒng)界面上，并可即時(shí)采集任一時(shí)刻的數(shù)據(jù)值。

另外，控制系統(tǒng)主要是調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的起、停狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)采集以及監(jiān)測(cè)分析測(cè)試參數(shù)的狀態(tài)，主要由計(jì)算機(jī)、控制電路板和控制軟件組成。由傳感器測(cè)得的電信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大然后通過A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。數(shù)據(jù)的采集和處理由自行開發(fā)的專用軟件系統(tǒng)來完成。操作者可以在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)觀察各種參量的變化情況。

4 結(jié)論

磨損量是評(píng)價(jià)材料耐磨性的一個(gè)重要參數(shù)，精準(zhǔn)定量測(cè)量磨損量對(duì)研究薄膜材料摩擦學(xué)性能是很有意義的工作，本文研制的新型薄膜摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以滿足精準(zhǔn)測(cè)試磨損量，與以往各種摩擦試驗(yàn)機(jī)相比，具有以下特點(diǎn):

(1)通過原位比較摩擦實(shí)驗(yàn)前、后的高度變化來確定材料的耐磨性，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量磨損量，測(cè)試精度高，特別適用于精準(zhǔn)比較兩種不同薄膜材料耐磨性的微小差異。

(2)試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)時(shí)采集摩擦試驗(yàn)過程中兩種不同薄膜材料的溫度、壓力及摩擦力的變化情況，為兩種不同薄膜材料摩擦磨損機(jī)理的研究提供技術(shù)支持。