基于激光表面微織構抑制導軌爬行的研究*

韓洪松，吳樹謙，吳國慶,朱維南

(1.南通大學 a.機械工程學院；b.電氣工程學院，江蘇 南通 226019；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

目前，我國機床在精度保持性和穩定性方面與國外存在較大差距。作為機床的核心部件，導軌對機床的精度具有較大影響。金屬配副的滑動導軌具有結構簡單、便于加工、剛度高、承載能力大和吸振性強等優點，在重型機床中得到了廣泛應用。在低速重載工況下，導軌爬行嚴重影響了機床的穩定性，降低了工件的加工質量和縮短了導軌的使用壽命[1]。因此，需要研究導軌爬行的抑制。

現階段，導軌爬行的抑制常采用導軌貼塑的方法。但是，貼塑導軌存在易冷流、吸濕膨脹和導熱性差等缺點[2]。滾動導軌可以有效的抑制爬行的產生，但是存在承載能力差、剛度低等缺點，不能用于重型機床。靜壓導軌可以完全消除爬行現象，但是存在加工精度高、裝配難度大，對應用場合要求嚴格，使用成本高等缺點[3]。近年來，激光微織構技術發展迅速，已應用于發動機氣缸[4]，滑動軸承[5]，凸輪機構等[6]零部件中，經過微織構處理的摩擦副在動壓潤滑、減摩減阻、磨損控制及摩擦穩定性等方面具有重要作用。王澤等[7-8]證明了微凹坑具有儲存潤滑油的功能，改善摩擦副潤滑狀況、降低摩擦副的摩擦系數。Surya P Mishra和Auezhan Amanov等[9-10]指出激光微織構后未拋光材料表面的微凸起可以改善摩擦磨損行為，具有減摩作用，研究表明高度為3.5μm的微凸起比3.8μm和4.2μm的微凸起能獲得更低的摩擦系數。J L Mo[11]的研究還表明表面微織構可以有效降低摩擦副在相對運動時的振動幅值，降低摩擦副在運動時產生的噪音，提高摩擦副之間移動穩定性。

本文提出基于激光表面微織構以抑制滑動導軌摩擦副爬行的方法，基于實驗研究，探究表面激光微織構對提高機床運動穩定性和抑制導軌爬行的機理，為機床導軌爬行的抑制和機床運動穩定性的提高提供新的思路。

1 導軌爬行的誘因分析

爬行現象的誘因是導軌副從靜止到運動轉化的過程中摩擦力發生突降，動、靜摩擦力不同。英國學者Bowden和Tabor認為動靜摩擦力不同的原因是實際滑動表面是高低不同的峰谷狀型面，接觸時凸起部分相互咬合，并在很高的壓力下形成“結合面”(junction)，相對運動時“結合面”的周期性破壞產生爬行[12]。產生的“結合面”其實是一種黏著現象，降低黏著作用是抑制爬行的一種有效方法。文中提出在摩擦表面加工出微織構的方法來降低黏著現象，從而抑制爬行并通過通過導軌爬行模擬實驗驗證微織構對抑制爬行的有效性。

2 實驗過程

2.1 實驗裝置

實驗使用Rtec多工能摩擦磨損試驗機(MFT-5000, Rtec instruments, USA)，通過設置加載力和試樣轉速來模擬導軌低速重載工況，并使銷盤試樣模擬導軌面面接觸情況，進行導軌爬行模擬實驗。試驗機的結構如圖1a所示。銷試樣為直徑25 mm的圓柱體，安裝在銷桿上。盤試樣為直徑70 mm、厚度6.35 mm的圓盤，安裝在油池里，油池安裝在主軸上。經倒角后銷盤試樣接觸面為直徑24 mm的圓，兩個試樣的相對位置如圖1b所示。摩擦試驗時銷試樣固定，盤試樣按程序設定的轉速旋轉。

(a) Rtec多工能摩擦磨損試驗機結構 (b)試樣安裝的相對位置圖1 實驗裝置及試樣

2.2 試樣表面微織構形貌參數確定

盤試樣材料為45#鋼，硬度為29 HRC。銷試樣材料為HT200， 材料硬度為180 HBS。銷-盤試樣摩擦表面經金相砂紙打磨使表面粗糙度達到Ra0.06。在盤試樣端面進行激光微織構，微織構為微凹坑和微凸起。由于發動機缸套中間形成區的潤滑狀態與導軌潤滑狀態相似，參考該區域的微織構形貌尺寸參數[14]，文中微凹坑的形貌參數設計為：面積占有率8 %、直徑65μm、深度5.5μm。微凸起的形貌參數設計為：面積占有率8 %、凸起直徑為65μm、凸起高度為3.5μm。其中微凹坑形貌使用ND:YAG固體激光器進行制備，微凸起形貌使用SPI光纖激光器制備。盤試樣經激光微凹坑織構化后用金相砂紙磨去微凹坑周圍熔渣，然后進行超聲波清洗，清洗后微凹坑試樣制備完成。使用激光微凸起織構技術在盤試樣表面加工出有序排列的微凸起，織構加工完成后試樣制備結束。

2.3 試樣形貌參數精確測定

使用三維共聚焦顯微鏡(Confocal microscope, Nanofocus, Germany)對激光微織構形貌進行檢測。圖2分別為普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣的三維掃描圖像，其中普通試樣表面粗糙度為Ra0.05，微凹坑和微凸起試樣的相關參數見表1。

表1 微織構形貌參數

圖2 試樣表面的三維形貌圖

2.4 實驗方法

(1)磨合試樣：為了保證銷盤試樣緊密貼合，在盤試樣表面粘貼金相砂紙(1500#)，在50 N法向載荷和20 rpm的轉速下進行磨合30 min。

(2)開展導軌爬行模擬實驗，在油池里加入15毫升30#機械油，試驗過程中法向載荷設置為700 N，轉速以每30 s增加0.5轉的速率由0.5 rpm開始增加。普通試樣的臨界爬行速度比較大，逐步增加到的最大轉速為25 rpm，試驗時間為1500 s。微凹坑和微凸起試樣的最大轉速設置為15.5 rpm，試驗時間為960 s。

(3)導軌爬行模擬實驗結束后，開展潤滑油油量對微織構抑制爬行的的影響實驗，實驗的油量分別為0.3 ml、2 ml和15 ml，加載力和轉速與導軌爬行模擬實驗一致。為了保證實驗結果的準確性每組配副重復3次試驗。

3 實驗分析

3.1 微織構對臨界爬行速度和摩擦副滑動穩定性的影響

圖3a～圖3c分別為普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣與銷配副的摩擦系數隨時間變化關系圖， 圖3d為在0～30 s時三種試樣的摩擦系數波動情況，圖中COF為摩擦系數簡寫。由圖3a～圖3c可知，普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣與銷配副產生的爬行現象分別在在轉速超過24 rpm、10 rpm和2 rpm時消失，其對應的臨界爬行速度分別為： 50.3 mm/s、20.9 mm/s、3.1 mm/s，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣降低了58 %和94 %。普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣摩擦副產生爬行時靜、動摩擦系數之差的均值分別為：0.114、0.062、0.055，凹坑試樣和微凸起較普通試樣降低45%和51%。從圖3d中可以看出普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣摩擦副在導軌爬行模擬實驗進行的前30s時的爬行周期分別為：11s、6s、4s。

(a) 普通試樣

(b)微凹坑試樣

(c) 微凸起試樣

(d)三種試樣的摩擦系數波動情況圖3 起試樣的摩擦系數隨時間變化圖

比較臨界爬行速度和靜、動摩擦系數之差及爬行周期這三個參數，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣都明顯降低。上述數據表明：微造型形貌能有效降低臨界爬行速度和靜、動摩擦系數之差，可以抑制爬行，提高設備運動的穩定性。

微凹坑形貌在接觸壓力下，儲存在微凹坑內的潤滑油會產生流體動、靜壓效應提高油膜的支撐作用。同時微凹坑還具有儲油、布油作用，降低滑動接觸界面的黏著效應，降低靜、動摩擦系數之差，抑制爬行現象的產生。微凸起形貌對抑制爬行的機理與微凹坑有所不同。從圖3d可以看出：對于降低臨界爬行速度和靜、動摩擦系數之差，微凸起形貌的效果明顯優于微凹坑形貌，這說明微凸起形貌對降低滑動接觸界面的黏著效應的作用更明顯。原因是均勻有序分布的微凸起可以使滑動接觸界面的面面接觸轉變為“均勻的點接觸”，這些“均勻的點接觸”可以減小黏著效應力，防止摩擦力發生突變，抑制滑動摩擦副產生爬行現象。

3.2 潤滑油油量對微織構抑制爬行的影響

圖4分別為普通試樣、微凹坑試樣和微凸起試樣在油量分別為0.3ml、2ml和15ml時摩擦系數標準方差Std與轉速之間的關系圖。從圖4a可知在0.3ml、2ml和15ml時普通試樣配副的摩擦系數標準方差平均值分別為：0.0433、0.0301和0.0262，微凹坑配副分別為：0.0282、0.0159和0.0140，微凸起配副分別為：0.0063、0.0067和0.0056。這三組數據反映出，油量變化對普通試樣和微凹坑試樣的爬行影響較大，在15ml油量下微凹坑抑制爬行效果最好，油量對微凸起試樣抑制爬行幾乎不產生影響。

從圖4a可以看出當轉速超過5rpm時，0.3ml油量下的普通試樣的標準方差開始增大，這是因為普通試樣摩擦副接觸面的潤滑油在旋轉和載荷的作用下容易被擠出，從而出現潤滑狀態從混合潤滑向邊界潤滑的轉變，導致摩擦副運動不平穩，而圖4b顯示0.3ml微凹坑試樣的標準方差整體處于下降趨勢，這是因為微凹坑試樣的摩擦副間存在均勻分布的微凹坑可以防止潤滑油被擠出。這說明微凹坑形貌可以改善摩擦副間的潤滑狀況，抑制爬行現象產生。從圖4c可以看出在三種潤滑油量下，微凸起試樣與銷配副的摩擦系數的標注方差幾乎不發生變化，這說明潤滑油油量對微凸起形貌抑制摩擦副爬行不產生影響。

(a) 普通試樣

(b) 微凹坑試樣

(c)微凸起試樣

3.3 爬行磨損分析

圖5為普通試樣、微凹坑試樣、微凸起試樣分別在上述兩種試驗后的磨損形貌。從圖5a看出普通試樣的磨損面積較大且磨痕較深，在磨損面上還有一些黏著點，這是典型的磨粒磨損和黏著磨損特征，這表明普通試樣在爬行過程中黏著現象較為嚴重。從圖5b發現在微凹坑間的未造型區域有一道輕微的磨痕，未見黏著點，在微凹坑周圍未發生磨損，這說明在油潤滑下微凹坑內可以產生動壓潤滑，提高油膜的支撐作用防止黏著磨損的產生。從圖5c中可以看出微凸起形貌的凸起部分受到了磨損，而未造型部分沒有發生磨損，這說明微凸起試樣與上試樣的接觸形式為“均勻的點接觸”，這種接觸形式可以有效地降低摩擦力中的黏著效應力，防止摩擦力發生突變提高運動的穩定性。經測量磨損區域的微凸起高度較磨損前高度降低1.5～2.5μm左右。

圖5 爬行模擬實驗后的試樣三維形貌

4 結論

本文經過上述試驗得出結論如下：

(1)對于臨界爬行速度，微凹坑試樣和微凸起試樣較普通試樣降低了58%和94%。對于靜、動摩擦系數之差，凹坑試樣和微凸起較普通試樣降低了45%和51%。這表明微凹坑形貌樣和微凸起形貌可以降低滑動導軌的臨界爬行速度，提高滑動導軌的工作穩定性。

(2)油量變化對普通試樣和微凹坑試樣的爬行影響較大，在15 ml油量下微凹坑抑制爬行效果最好，油量對微凸起抑制爬行的效果幾乎不產生影響。

(3)激光微織構中的微凹坑形貌可以儲存潤滑油產生動、靜壓效應，降低滑動摩擦副之間的黏著效應，抑制爬行現象的產生。

(4)激光微織構中的微凸起形貌使滑動導軌之間的面面接觸轉變為“均勻的點接觸”，從而降低摩擦副之間的黏著效應抑制爬行現象的產生。