劉曉亮，孫胃濤，章健

(濱州學院機電工程學院，山東濱州 256600)

摩擦界面的接觸狀態(tài)影響界面的摩擦、磨損等摩擦學性能。摩擦副發(fā)生相對位移時，界面摩擦作用力主要由機械分量和分子分量組成[1]。其中，機械分量是因界面微凸起的機械嵌合產(chǎn)生的滑動阻力，分子分量是由分子粘著作用產(chǎn)生的剪切阻力。整個摩擦過程可看作摩擦副克服接觸界面上微凸起的機械嵌合、犁溝作用和分子粘著阻力的過程。為改善接觸界面的摩擦磨損特性，相關研究主要集中于潤滑條件、材料配方、表面形貌和運動狀態(tài)等方向。

潤滑條件下可以通過功能添加劑、載荷與速度調(diào)節(jié)等方式，改善潤滑膜與摩擦副表面的接觸特性，降低界面摩擦系數(shù)與磨損率[2–4]。干摩擦條件下，高分子復合材料的功能填料和摩擦調(diào)節(jié)劑可有效改善材料的耐磨特性和摩擦系數(shù)[5–7]。例如，在聚酰亞胺(PI)和聚四氟乙烯(PTFE)基復合材料中添加石墨、SiO2等固體潤滑劑，可加速選移膜的形成并有效降低界面磨損率，同時添加碳纖維(CF)作為增強填料以提高材料摩擦系數(shù)和各向異性，添加對位聚苯酚(PPL)增強材料熱穩(wěn)定性，使PI和PTFE兩種復合材料在超聲電機摩擦界面上得到廣泛應用[8–10]。隨著激光、電解等微細加工技術的快速發(fā)展，引入表面織構改善界面摩擦磨損特性得到廣泛關注[11，12]，尤其是結合潤滑介質(zhì)，為摩擦副提供持續(xù)潤滑并提高潤滑膜的承載能力，降低界面磨損率[13–15]。

超聲減摩的研究最早出現(xiàn)在超聲加工領域，但對減摩機理的分析和闡述上沒有形成統(tǒng)一結論，主流的解釋可分為兩種：(1)超聲振動狀態(tài)下摩擦副的實際接觸面積減小；(2)超聲懸浮作用[16–18]。超聲電機利用壓電陶瓷的超聲振動激發(fā)出定子中的行波，行波驅(qū)動下依靠定子與摩擦材料間的摩擦作用力，驅(qū)動選子運動并輸出負載。整個運動過程中，超聲振動作為定子表面質(zhì)點微幅振動的激勵源的同時，會因超聲減摩效應而降低接觸界面間的摩擦作用力[19–21]。筆者以行波型超聲電機TRUM-60的定子與PI和PTFE基復合材料接觸界面為研究對象，綜合考慮影響接觸狀態(tài)的定子齒結構、輸入?yún)?shù)和環(huán)境因素，進行了超聲振動減摩實驗，分析并討論了各影響因素對界面摩擦特性的影響規(guī)律。

1 實驗方法

1.1 主要原材料

PI粉末：YS-20，粒徑＜75 μm，上海合成樹脂研究所；

PTFE粉末：粒徑75 μm，大金氟化工有限公司；

CF：長20～50 μm，直徑7 μm，南通森友碳纖維有限公司；

二氧化硅粉末：粒徑25 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

PPL粉末和石墨粉末：南京智寧新型材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

行波型超聲電機：TRUM-60型，南京航達超控科技有限公司；

高溫燒結爐：非標定制，上海貫勃電爐有限公司；

雙通道信號發(fā)生器：WF1948型，日本NF株式會社；

功率放大器：HFVA-64型，南京佛能科技實業(yè)有限公司；

壓力傳感器：4576A10SC1型，瑞士Kistler公司；

應變式力矩傳感器：4502A型，瑞士Kistler公司；

增量式編碼器：RON285型，德國Heidenhain公司；

力矩電機：MHMJ082GIU型，日本松下電機公司；

PXI數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)：NI PXIe-1082型，美國國家儀器有限公司；

超景深高精細顯微鏡：DSX1000型，日本Olympus公司；

超聲振動實驗平臺：非標定制，南京航達超控科技有限公司。

1.3 復合材料制備

PI和PTFE基復合材料分別與定子組成摩擦副，基體材料與功能填料的體積百分比見表1。PI基復合材料采用熱壓燒結工藝制備[22]，將各組分混合均勻后填充至模具中，燒結時在380℃保持10 MPa壓強1 h，保證粉末間空氣的充分擠出。PTFE基復合材料采用冷壓燒結工藝制備，將各組分混合均勻后在行星式球磨機中研磨2 h，充分干燥后填入模具中，保持20 MPa壓強20 min，去除壓力后保持爐溫375℃燒結1 h。燒結完成后將兩種復合材料分別粘貼在固定夾具上，通過機加工和表面研磨等處理方式保證材料厚度為0.2 mm，表面粗糙度＜1.0 μm。

表1 PI基和PTFE基復合材料中各組分的體積百分比 %

1.4 超聲振動實驗平臺

筆者搭建的超聲振動實驗平臺主要包括信號輸入與控制單元、預壓力調(diào)節(jié)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元三部分，可實現(xiàn)摩擦界面法向預壓力的線性連續(xù)加載、多目標參數(shù)輸入與控制、接觸界面摩擦作用力的采集與處理等功能，圖1為平臺工作原理示意圖。輸入信號由WF1948型雙通道信號發(fā)生器提供，輸出下弦波頻率范圍為0.01μHz～30 MHz，頻率分辨率為0.01 μHz，信號經(jīng)HFVA-64型功率放大器后，用于激勵壓電陶瓷片在超聲頻段內(nèi)做微幅振動。復合材料粘貼在固定夾具上，通過等效外殼、壓力傳感器和步進電機施加法向預壓力，保證實驗過程中固定夾具帶動摩擦材料做旋選運動，預壓力的大小由步進電機和行星減速器控制滑動導軌的進給量決定。

圖1 超聲振動實驗平臺工作原理示意圖

定子與摩擦材料間的接觸界面上施加預壓力F0時，在摩擦力的作用下存在一個最大靜扭矩T0，平臺末端的力矩電機與傳動軸相連，通過PXI系統(tǒng)的電壓信號控制輸出選矩T和輸出選速V。當T＜T0時，接觸界面間不發(fā)生相對運動，此時編碼器采集到的選速信號為零，同時力矩傳感器采集到一個線性增大的輸出力矩信號；當T線性增大到臨界值T0時，繼續(xù)增大會導致接觸界面間的相對運動，此時編碼器采集到的選速信號大于零，輸出力矩信號會突然減小而后穩(wěn)定在一個特定的數(shù)值，發(fā)生突變時的最大力矩值即為接觸界面間的最大靜扭矩T0。T0與等效半徑的比值為接觸界面間摩擦作用力f，通過f與法向預壓力F的比值可求得界面摩擦系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 定子齒結構對界面摩擦特性的影響

TRUM-60超聲電機的定子接觸端面上加工有72個齒形結構，其作用是放大定子表面質(zhì)點的振幅，提高其對選子的驅(qū)動作用[23]。為了分析超聲振動狀態(tài)下定子齒結構對界面摩擦特性的影響，加工無齒結構的定子，并通過調(diào)整定子厚度等結構參數(shù)來保證兩種結構定子在激發(fā)出9個波峰駐波時的B09諧振頻率相近，掃頻實驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示。

圖2 TRUM-60超聲電機定子掃頻結果對比示意圖

定頻實驗參數(shù)設置見表2，以有齒定子的諧振頻率為基準設定頻率范圍，由于沒有施加法向預壓力，定子表面質(zhì)點處于自由振動狀態(tài)，輸入電壓幅值不宜過大，否則會導致壓電陶瓷片的內(nèi)部裂紋、斷裂等失效形式[24]。如圖3所示為不同頻率激勵下，定子齒結構對表面質(zhì)點振幅的影響對比，從圖3可以看出，定子齒結構對表面質(zhì)點振幅的放大作用較為明顯，尤其是在諧振頻率38.5 kHz附近時，兩種結構的定子質(zhì)點振幅均達到最大值。其中，有齒定子的質(zhì)點振幅達到1.42 μm，相比于無齒定子質(zhì)點振幅的0.53 μm，提升了約168%。

表2 定子的定頻、摩擦特性實驗參數(shù)設置

圖3 不同定子齒結構時定子表面質(zhì)點振幅

通過實驗平臺施加法向預壓力后，定子、摩擦材料和固定夾具組合體的諧振頻率會發(fā)生偏移，接觸界面也會限制定子表面質(zhì)點的垂直振幅。因此，摩擦特性實驗參數(shù)的設置與TRUM-60超聲電機的實際工作參數(shù)基本一致。當壓電陶瓷不通電時，定子表面質(zhì)點不產(chǎn)生超聲振動，接觸界面的摩擦系數(shù)只與預壓力和接觸狀態(tài)有關。圖4為沒有施加超聲激勵時材料接觸界面間的摩擦系數(shù)對比。

圖4 不同定子齒結構及不同預壓力下界面摩擦特性

從圖4可以看出，由于定子齒邊界與摩擦材料發(fā)生的嵌合作用，界面摩擦系數(shù)較無齒定子摩擦副增大。相同預壓力F作用下，PI基比PTFE基復合材料的影響幅度更明顯。主要原因在于PI基復合材料的壓縮彈性模量和硬度相對較大，預壓力較小時接觸界面處于不完全接觸狀態(tài)，實際接觸面積隨預壓力的增大而增大，界面摩擦系數(shù)的變化幅度較大；而PTFE基復合材料與定子的接觸界面幾乎完全接觸，預壓力對摩擦系數(shù)的影響較小。

采用單向駐波驅(qū)動方式在定子中激發(fā)出超聲振動，激振頻率為41.5 kHz，輸入電壓幅值400 V時界面摩擦系數(shù)的變化趨勢對比如圖5所示。從圖5可以看出，超聲振動狀態(tài)下，有齒定子摩擦副的界面摩擦系數(shù)大于無齒定子。同時，在預壓力的作用下，定子表面質(zhì)點的垂直振幅受到復合材料層的限制。相同激勵條件下，有齒定子摩擦副的超聲減摩幅度要小于無齒定子。預壓力為240 N時，有齒定子與PI基和PTFE基復合材料的超聲減摩幅度分別為54.4%和40.7%，而無齒定子的超聲減摩幅度為57.9%和42.9%。

圖5 超聲振動狀態(tài)下不同定子齒結構時界面摩擦特性

2.2 輸入?yún)?shù)對界面摩擦特性的影響

為了進一步明確超聲振動降低界面摩擦系數(shù)的機理，重點研究了不同輸入?yún)?shù)對界面摩擦特性的影響規(guī)律。根據(jù)之前的研究結果得知[25]，定子中激發(fā)出行波時與選子的接觸區(qū)域內(nèi)任一點處的等效預壓力FN(x)和等效摩擦系數(shù)μ(x)分別為：

其中，γ(x)為應力分布函數(shù)，λ為定子中激發(fā)出的行波波長，l為摩擦材料層的寬度，μ0為接觸界面間的實際摩擦系數(shù)，α是由摩擦副接觸界面的物理和力學性質(zhì)決定的常數(shù)，α/μ0為單位面積的分子力選換成的法向載荷，ε為接觸面積與預壓力的比例系數(shù)。超聲電機的堵選摩擦系數(shù)μ可以表示為：

其中，E和h分別為摩擦材料層的壓縮彈性模量和厚度，W0為定子表面質(zhì)點的振幅。從公式(2)中可以看出，隨著定子表面質(zhì)點振幅的增大，接觸區(qū)域半徑相應減小，定子/選子間的實際接觸面積減小，導致界面摩擦系數(shù)降低，說明質(zhì)點的垂直方向振幅是影響超聲振動減摩的主要因素。在合理的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)定子驅(qū)動單元的激振頻率和輸入電壓幅值等輸入?yún)?shù)可以改變定子表面質(zhì)點的振幅，從而影響接觸界面的摩擦系數(shù)以及定子對選子的驅(qū)動作用。表3為實驗參數(shù)設置，仍采用單向駐波驅(qū)動的方式在定子中激發(fā)出超聲振動。

表3 界面摩擦特性實驗輸入?yún)?shù)設置

結合接觸界面摩擦系數(shù)的力學模型和公式(2)可得，當輸入電壓幅值越大，激振頻率越靠近定子中激發(fā)出9個波峰行波時的B09諧振頻率時，定子表面質(zhì)點的振幅也就越大，接觸界面間的摩擦系數(shù)越小，超聲振動減摩的效果也相應越明顯。圖6為輸入?yún)?shù)對材料界面摩擦系數(shù)影響的實驗對比。

圖6 輸入?yún)?shù)不同時界面摩擦特性

相比于PTFE基復合材料，PI基復合材料具有更高的壓縮彈性模量和材料硬度[26]，不同輸入?yún)?shù)對接觸界面摩擦系數(shù)的影響更明顯。當輸入電壓幅值為400 V時，如圖6a所示，諧振頻率41.5 kHz處的摩擦系數(shù)為0.098，相比于無超聲振動狀態(tài)時的0.215，超聲減摩的幅度達到了54.4%；而圖6b中PTFE基復合材料在41.5 kHz時的摩擦系數(shù)為0.07，相比于無超聲振動狀態(tài)時的0.118，減小幅度也達到了40.7%。

2.3 外部環(huán)境對界面摩擦特性的影響

為了去除空氣氣膜對超聲減摩作用的影響，將有齒定子與PI基復合材料組成的摩擦副、力矩電機和各傳感器部分固定在真空實驗艙內(nèi)，輸入信號和控制單元、數(shù)據(jù)采集和處理單元通過法蘭盤連接與艙內(nèi)相連，接觸界面間的最大靜扭矩和摩擦系數(shù)采集方式與前文相同。無超聲振動狀態(tài)時，真空度對接觸界面間摩擦系數(shù)的影響較小，變化趨勢與常溫常壓下基本一致，整體波動范圍不超過2.62%，如圖7所示。由圖7可知，真空環(huán)境下，摩擦副在預壓力為200，240和280 N時的摩擦系數(shù)分別為0.235，0.219和0.208，相比于常壓105Pa環(huán)境下的界面摩擦系數(shù)0.229，0.215和0.203，分別增大了約2.62%，1.86%和2.46%。

圖7 無超聲振動時真空度及常壓下界面摩擦特性

在定子中激發(fā)出單相駐波后，表面質(zhì)點的超聲振動會減小接觸界面的實際接觸面積，從而減小界面摩擦系數(shù)。當力矩電機的輸出力矩小于接觸界面間的最大靜扭矩時，摩擦副不發(fā)生相對運動；而隨著輸出力矩的增大至發(fā)生相對運動的瞬時，編碼器采集到選速信號后會立即切斷力矩電機的輸入信號。整個過程中摩擦副產(chǎn)生的熱量非常少，無法對復合材料的壓縮彈性模量、硬度等摩擦磨損特性造成明顯影響。因此，不論是普通的滑動摩擦，還是超聲振動狀態(tài)下的摩擦實驗，在相同輸入?yún)?shù)時，環(huán)境真空度對界面摩擦系數(shù)的影響都比較小，如圖8所示為預壓力240 N，激振頻率41.5 kHz時，常壓環(huán)境與10-3Pa真空環(huán)境中有齒定子摩擦副的界面摩擦系數(shù)變化規(guī)律。從圖8中可以看出，最大波動值發(fā)生在輸入電壓幅值400 V時，界面摩擦系數(shù)分別為0.098和0.102，對應波動值為4.08%。同時可以看出，真空環(huán)境下超聲振動同樣可以明顯降低界面摩擦系數(shù)，與圖7中無超聲振動時的摩擦系數(shù)0.219相比，超聲減摩的幅度達到了53.4%。

圖8 超聲振動狀態(tài)下真空度及常壓下界面摩擦特性

3 結論

區(qū)別于傳統(tǒng)的相對滑動摩擦界面，超聲振動狀態(tài)下，超聲電機的定子與摩擦材料間的實際接觸面積會因定子表面質(zhì)點的垂直振幅而減小，界面摩擦系數(shù)也會出現(xiàn)明顯的降低。重點研究了定子齒結構、輸入?yún)?shù)和環(huán)境真空度對接觸界面摩擦特性的影響規(guī)律，所得結論歸納如下：

(1)定子齒結構可以放大表面質(zhì)點的振幅；法向預壓力作用下，定子齒與摩擦材料會發(fā)生相互嵌合，明顯提升接觸界面間的摩擦系數(shù)，提升幅度取決于摩擦材料的壓縮彈性模量和硬度等特性。

(2)定子驅(qū)動單元的輸入?yún)?shù)對界面摩擦特性的影響較大。超聲振動狀態(tài)下，定子表面質(zhì)點的垂直振幅是超聲減摩的主要因素，激振頻率越接近摩擦副的諧振頻率，輸入電壓幅值越大，垂直振幅的增大而引起的超聲減摩效果越明顯。

(3)摩擦副間的相對運動時間較短，真空環(huán)境中因摩擦產(chǎn)生并聚集的熱量不明顯，無法對PI和PTFE基復合材料的壓縮彈性模量、硬度等摩擦磨損特性造成明顯影響。