交叉溝槽織構潤滑減摩性能研究綜述

周子健　谷澤輝　陳晨

摘要：表面織構化如今已經越來越受人們重視，近幾年來，國內外對表面織構的研究日益深入，出現了許多優秀的理論模型，應用在各行各業并產生了巨大的效益。然而在某些場合非溝槽型織構的有一定的局限性，而交叉溝槽可以很好地應用于眾多領域。本文從減摩機理、理論模型、數值分析及應用三個方面綜述了交叉溝槽織構潤滑減摩性能的研究進展，并對其發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：交叉溝槽織構;理論模型;數值分析;綜述

前言

表面織構化技術是一種通過在摩擦接觸表面上加工特殊圖案來改善摩擦接觸表面的承載能力并改善表面的摩擦學性能的技術。這項技術最早是在2004年由Etison^[1]等的研究提出的。在摩擦過程中，表面織構技術在儲油、磨粒捕獲和防止潤滑不足引起的卡滯方面發揮著重要作用，因此，表面織構化技術成為了如今摩擦學應用的研究熱點之一^[2-6]。

但是非溝槽織構在一些特定場地有一定局限而且效果差強人意，于是近年來交叉溝槽微織構技術收到了國內外學者的廣泛關注^[7-11]。交叉溝槽微織構技術最早是由韓國慶北國立大學的Young^[12]于2007年提出的，其利用光刻-電蝕技術在軸承鋼試樣上加工交叉微溝槽織構利用銷盤試驗機研究了溝槽織構對不同交叉角下摩擦性能的影響。交叉溝槽織構作為一種有效降低摩擦的手段能夠應用于眾多領域，然而如今關于交叉溝槽織構化的理論和效果的研究很少出現，以至于許多交叉溝槽織構的研究和應用進展緩慢。

本文從減摩機理、理論模型、數值分析及應用三個方面綜述交叉溝槽織構潤滑減摩性能的研究進展，并對其發展趨勢進行了預測。

1 交叉溝槽織構的減摩機理

交叉溝槽織構的減摩機理由Pettersson?U和Jacobson?S^[13]在2007年首次提出。2007年，韓國慶北國立大學的Young^[12]利用光刻-電蝕技術在軸承鋼試樣上加工交叉微溝槽織構，利用銷盤試驗機研究了溝槽織構對不同交叉角下摩擦性能的影響。結果發現135°交叉溝槽不僅在低速輕載具有較小的摩擦系數，而且在低速重載情況下相比其他角度仍具有相對較小的摩擦系數。之后Pettersson等人^[13]在硅片表面制造了一種特殊的用于表面織構加工的工具，并在發動機活塞表面加工出不同間距的平行溝槽和交叉溝槽，通過建立一個自適應磨擦試驗機來模擬活塞在發動機啟動時的摩擦狀態和停止時的摩擦狀態，通過試驗發現織構表面摩擦系數介于拋光表面和未織構表面之間，且交叉溝槽的摩擦系數相對而言較小;織構表面摩擦系數的波動相比未織構表面和拋光表面都明顯減小，且交叉溝槽織構摩擦系數的波動最小。為此，Pettersson提出了以下幾點結論：（1）溝槽能儲存磨粒，減少摩擦副表面的塑性變形;（2）溝槽能為摩擦副之間提供潤滑油;（3）溝槽能“切割”摩擦副表面的變形，減小摩擦副之間的相對接觸面積，從而使摩擦副之間的塑性變形減小。使摩擦系數更穩定。

2 交叉溝槽織構的理論模型與數值分析

自2007年交叉溝槽織構技術提出之后，Young^[12]通過反復試驗來分析不同交叉角度下的溝槽織構對摩擦性能的影響，并確定較好的結構形式。結合Stribeck曲線分析，可以得出結論，135°交叉槽不僅在低速和輕載時具有小的摩擦系數，而且在低速重載情況下相比其他角度仍具有相對較小的摩擦系數。其后又有日本京都大學的Suh等人^[14]通過光刻法在工具鋼SKD11上加工交叉溝槽，通過實驗發現交叉溝槽的交叉角度和深寬比對減小摩擦系數方面發揮著極大的作用，且交叉角在40度附近時摩擦系數最小。

之后，Organisciak^[15]等人對理論研究進行了突破，建立了交叉溝槽的幾何模型，并推導出了貧油狀態下的雷諾方程和平衡方程，發現在溝槽區域內壓力瞬間變小;同等條件下織構表面的平均潤滑油膜厚度比未織構的小，且隨著溝槽角度的增大而變小;標準摩擦系數會隨著溝槽角度的增加而變大;較寬的溝槽和較近的槽間距能夠增加潤滑油膜厚度、減小摩擦系數、提高潤滑性能。袁思歡等^[16]采用光刻及微細電解技術在一塊硼銅鑄鐵材料的表面加工出一排微小的溝槽。運用FLUENT分析了摩擦副上油膜存在的壓力分布。陳平等^[17]利用有限元分析軟件對溝槽織構進行了模擬，并利用YLP-20激光加工系統對不銹鋼圓盤表面的溝槽織構進行了加工。試驗發現摩擦副的溝槽紋理的摩擦學性能得到改善，不同的溝槽布置形式對摩擦性能有很大影響。

雖然交叉溝槽織構的結構形式和參數在經過多年的不斷研究后已經取得了重大進展，但是就目前的研究結果而言，仍然存在著以下兩點不足：

1）通過以上國內外的研究現狀發現，以往的學者對溝槽每個參數相關性的理解并不完全，大多是建立在試驗的基礎上，只是在有限參數的情況下分析描述，已知的機制都是針對特殊角度溝槽模型。

2）目前，交叉溝道微織構主要是單一尺寸、均勻分布的規則圖案，而對交叉溝槽各幾何參數之間的耦合作用研究比較少。

3 交叉溝槽織構的應用

韓國慶北國立大學的Young^[12]2007年最早利用光刻-電蝕技術在軸承鋼試樣上加工出交叉微溝槽織構，通過反復試驗研究了不同交叉角度下的溝槽織構對摩擦性能的影響。實驗結合Stribeck曲線得出135°交叉溝槽具有較小的摩擦系數。之后，易鑫鑫等^[18]采用銷-盤摩擦副接觸方法在流體潤滑下對軸承鋼表面交叉槽表面進行90°和135°的摩擦試驗，并得出以下結論：a.溝槽和滑動方向造成的摩擦系數會隨潤滑狀態的變化而產生波動;b.當交叉溝槽的夾角為135°時，減摩效果最好，這與Young得到的結果基本一致。

經過多年的理論探索，交叉溝槽織構技術如今作為一種有效降低摩擦的手段能夠應用于眾多領域，其中在內燃機缸套——活塞環、軸承和機械密封等流體潤滑狀態下表現突出。符永宏等^[19]選用了半導體泵浦YAG的固體激光器，在缸套內的表面活塞運動行程內，加工出了夾角為135°的交叉溝槽。這種交叉溝槽微織構的各項性能參數較為穩定，缸套與活塞環之間的摩擦性能相較于珩磨網紋缸套要好。此外，有研究還發現，交叉溝槽織構技術不僅能夠實現更好的密封效果，而且能有效地降低摩擦因數，對設備起到較好的保護作用。比如鄧大松等^[20]就麻花鉆磨損嚴重問題，在麻花鉆切屑接觸區設計了溝槽微織構，加工表面的微觀組織可以減少鉆頭的磨損，優化麻花鉆前刀面的最高溫度分布，從而避免了最高溫度的集中。又有胡利鴻等^[21]在列車制動盤的表面加工出了不同寬度的溝槽型織構以及不同直徑與間距的圓形凹坑織構后，通過對比試驗研究了摩擦噪聲的大小。研究表明，溝槽型織構和圓坑織構都可以有效地降低摩擦產生的高頻噪聲。

4 發展趨勢預測

雖然國內外進幾年來在交叉溝槽織構潤滑減摩性能研究方面已經取得了重大進展，但仍存在著一些不足，比如目前所研究的交叉溝槽微織構主要是單一尺寸和均勻分布的規則圖形，而對交叉溝槽各幾何參數之間的耦合作用研究比較少。另外，現今對交叉溝槽織構的研究大多是建立在試驗的基礎上，且只是在有限參數的情況下分析描述。因此，今后對交叉溝槽織構潤滑減摩性能可以從以下幾個方面展開深入研究。

1）為了使研究結果具有普遍性，必須著重研究交叉溝槽織構的理論模型，另外，也要利用好計算機技術，做好對交叉溝槽型織構仿真方面的研究。

2）注重對交叉溝槽各幾何參數之間的耦合作用的研究，如對交叉溝槽的不同寬度、深度、面積密度或截面形狀、方向、角度等對潤滑油膜厚度和摩擦因數的耦合影響就行深入研究。

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