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致的摩擦界面磨損[1]。根據傳統(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[9]和納米織構[10]等)，可以減少摩擦副的接觸表面積，降低附著力，并且織構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]提出表面微凸結構有利于產生額外的流體動力潤滑。為了探索不同織構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，表面織構能減少零件磨損，延長使用壽命。Ramesh A.等[14]研究表明，織構表面的摩擦比未加織構表面降低80%。Kovalchenko A.等[15]研究發(fā)現，在增加接觸壓力的情況下，會增加織構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。表面織構因具有存儲磨屑、儲備潤滑劑的功能以及流體動壓產生機制，是改善表面摩擦學性能的有效途徑。

表面織構加工技術的發(fā)展是推動該技術實驗研究和實際應用的關鍵。目前常用的表面織構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，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，是目前應用最廣泛的織構加工方法之一，而LST中的燒蝕過程可能會改變加工表面的微觀結構。這些織構制備技術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，延長了生產周期，增加了額外生產成本。

UVAM技術是一種組合精密加工方法，在超聲范圍內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，該技術可以在加工軸零件的同時快速制備織構，生產工藝簡單。目前，對于UVAM技術研究大多集中于切削機理和表面質量等方向，而對切削形成的連續(xù)型表面織構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，研究表面織構參數對摩擦性能的影響。

2 UVAM表面織構

超聲振動輔助切削表面織構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)律及織構單元(單個織構)受切削參數和超聲振動參數的影響，其切削模型如圖1所示。

根據切削深度不同，在零件表面形成的織構可以分為非連續(xù)織構和連續(xù)織構。非連續(xù)織構的織構單元相互獨立，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)織構表面；連續(xù)織構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表面。

圖1 超聲振動輔助切削模型

連續(xù)織構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 實驗設計

為了便于觀察織構表面的摩擦狀況，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數控機床提供，摩擦轉速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，測試結果如圖4b所示。通過公式u=F/W計算得到摩擦系數(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、寬度的織構試件，并通過摩擦實驗裝置測得摩擦系數u，試件長度為30mm，直徑為29mm?？棙嫳砻媲邢鲄等绫?所示。

表1 織構表面加工參數

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

圖5 織構寬度對試件摩擦性能的影響

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

圖6 織構長度對試件摩擦性能的影響

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

圖7 摩擦系數信噪比均值

表2 摩擦系數均值方差分析

為了更直觀地分析織構單元形貌對摩擦性能的影響，通過以上數據得到織構單元長寬比以及織構單元面積與摩擦系數的關系，結果如圖8所示?？梢?，摩擦系數隨著長寬比的增加而減小，并且在長寬比相近時，織構單元的面積越大摩擦系數越小。結合圖5與圖6中隨著長度域寬的逐漸增加其摩擦系數逐漸降低的結論可得，當織構長寬比接近于1時，摩擦系數最小。說明圓形織構更利于摩擦性能的提升，并且在一定的范圍內，織構單元的增加也有利于降低摩擦系數。

圖8 織構單元長寬比對摩擦系數的影響

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

圖9 織構表面與光滑表面摩擦性能對比

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

4 結語

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。通過實驗研究了超聲振動輔助切削表面織構的摩擦性能，分析了織構參數對摩擦性能的影響，并對光滑表面與織構表面進行摩擦系數對比，得到以下結論。

(1)織構單元長度越長，摩擦系數越?。欢棙媽挾仍酱?，摩擦系數越大；織構長度對摩擦系數的貢獻率為63.74%，而織構寬度對摩擦系數的貢獻率為34.43%。

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

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