球墨鑄鐵復合仿生耦合單元體結構參數變化對摩擦應力的影響模擬研究

趙鵬霖,趙世喆,李德虎,陳貴鑫，高譽昊，徐伯光

(長春工程學院 機電工程學院，吉林 長春 130012)

球墨鑄鐵因其具有較高的強度和優異的耐磨性而廣泛應用于船舶發動機、機床、大型模具、工業閥門等許多工業領域[1].然而，冷加工成型后的球墨鑄鐵工件，其表面在使用過程中經常受到強烈磨損[2]，尤其在高壓力且存在嚴重熱膨脹工況下工作時，如壓鑄機的壓縮沖頭及模具等，極易導致壓射沖頭磨損失效，影響生產效率[3].

激光仿生技術[4]因其在提高材料強度、耐磨性等方面的應用，近年來備受關注.通過激光重熔[5]獲得仿生耦合單元體[6]，使之形成一個軟硬交替的非光滑表面.這種結構不僅能提高材料的耐磨性和抗熱疲勞性[7]，而且大大延長了工件的壽命.Lorella ceschini等人采用激光器對球墨鑄鐵進行激光表面處理(LST)，研究了其對微觀組織和干滑動磨損行為的相對影響.還對未經處理的球墨鑄鐵和灰鑄鐵進行比較，發現激光表面處理增強了球墨鑄鐵的耐磨性，同時導致其摩擦系數增加[8]；梁工英等人研究激光表面熔化處理的球墨鑄鐵試樣在石英漿料中的沖刷腐蝕特性結果表明，經過激光處理試樣的耐腐蝕磨損性能大大提高[9]；龐作波等人為了提高灰鑄鐵導軌的耐磨性，采用激光表面重熔的方法制備了不同特性的條紋仿生耦合單元，研究了灰鑄鐵在室溫干滑動條件下的磨損行為[10].類似的，許多研究表明在灰鑄鐵、鑄鐵和球墨鑄鐵表面上的激光再熔化過程可以實現在材料表面形成硬質相的局部過程.

由于這些研究以簡單仿生耦合單元體和復合仿生耦合單元體為主，還需對復雜的復合仿生耦合單元體結構進行進一步研究.因此，在本文中應用仿生耦合原理采用激光熔凝技術，通過改變不同形態結構間距對不同復合結構的仿生單元體耐磨性進行研究.

1 非光滑仿生單元體設計

對自然界眾多生物的研究發現，它們具有的優良耐磨性能，均與其表面呈現的不同形式非光滑表面形態有關.分別以貝類生物的各種條紋狀耐磨形態為仿生單元體的生物實例如圖1所示，根據生物實例分別設計直線形單元體結構與漸開線形單元體結構如圖2所示.

將兩種仿生單元體結構進行復合，設計直線+漸開線復合仿生單元體結構如圖3所示.

(a)直線狀單元體典型結構

(b)漸開線狀單元體典型結構圖1 不同仿生單元體原型及典型結構

(a)直線形單元體結構

(b)漸開線形單元體結構圖2 根據生物實例仿生單元體結構設計圖

圖3 直線+漸開線復合仿生單元體結構

2 摩擦模擬的有限元分析的參數設定及邊界條件

2.1 網格劃分

需要建立三維有限元網格模型，模型尺寸為20 mm*20 mm*6 mm.網格劃分時，基礎網格尺寸為1.0 mm，單元體及其附近網格由軟件網格計算并檢查生成合理網格，以直線間距為4 mm漸開線基圓半徑為0.4 mm復合結構單元體試樣為例，如圖4所示.

圖4 劃分網格后的直線+漸開線復合單元體試件摩擦磨損模擬有限元三維模型

2.2 材料屬性

對基體和單元體以及摩擦副的材料進行選擇，本次摩擦模擬過程所選擇的基體與單元體材料均為球墨鑄鐵，摩擦副材料為H13鋼，其主要材料性能如表1所示.

表1 材料主要物理性能

2.3 建立摩擦面

模型中的摩擦面設置為基體與摩擦副和單元體與摩擦副兩組，基體與單元體設置為bonded關系，各對應摩擦面的摩擦系數如表2所示.

表2 各材料摩擦系數

2.4 邊界條件

模擬過程參考實際摩擦磨損實驗，邊界條件如下所設：

(1)固定試件：將試件的底面固定，保證試件穩定，不發生相對位移.

(2)添加外力：對摩擦副施加外力來促使摩擦的產生，將所有的摩擦模擬統一設定為施加100 MPa的壓強.

(3)添加位移：添加摩擦副的相對位移，使其產生摩擦，設置摩擦副保持恒定速度沿x軸正方向移動，速度為5 mm/s.

3 模擬結果

3.1 單元體對摩擦面應力變化的影響

如圖5所示為具有單元體的球墨鑄鐵試樣與球墨鑄鐵基體試樣對摩擦力影響的變化云圖.

(a)球墨鑄鐵摩擦應力云圖

(b)漸開線單元體應力云圖圖5 簡單結構單元體及原始球磨鑄鐵摩擦面上的摩擦應力變化

由圖可知，當球墨鑄鐵基體試樣在加入單元體結構后，摩擦面出現的應力主要集中在單元體上而基體表面應力較小，即單元體處出現應力集中，基體處出現應力降低的現象.同時這種應力變化影響實際的磨損行為，以實際實驗結果為證.

根據F=μN，由于單元體表面摩擦系數高于基體，因此在受到相同壓力的作用下，單元體表面產生的切向摩擦力更高.另外由于試樣摩擦面為非均勻表面，因此隨著摩擦副的滑動，在基體與漸開線單元體交接位置出現如圖6所示的應力沿單元體的法線和切線方向的分解，一部分摩擦應力繼續沿基體作用，一部分集中于單元體中；另外由于單元體形狀為半圓形，因此作用于基體內部的應力在單元體于基體交界位置仍可分解為指向單元體內部的法向力和分散于基體的切向力.所以，單元體上的應力集中較為明顯，與基體相比，單元體受到的應力遠高于基體.因為單元體硬度遠高于基體，所以在實際摩擦過程中，往往由于應力降低，發生基體磨損減輕的現象，而單元體由于硬度較高，升高的摩擦應力不足以使單元體發生嚴重磨損，從而提高材料表面的耐磨性能.如圖7所示，加工了仿生單元體后，基體表面的磨損形貌的平整度高于未加工表面的磨損形貌，而單元體部分沒有明顯的磨損發生.根據圖8的磨損失重示意圖可知，加工了仿生耦合單元體的材料磨損失重明顯降低.說明通過在材料表面加工仿生單元體，可以顯著提高球墨鑄鐵的耐磨性能.

圖6 摩擦應力在單元體與基體交界處的分解示意圖

(a)球墨鑄鐵磨損形貌

(b)加工了單元體的球墨鑄鐵表面磨損形貌圖7 單元體與基體的摩擦磨損形貌

Surface atrcture圖8 球鐵與帶仿生單元體試樣的磨損失重

3.2 復合單元體結構參數對摩擦應力變化的影響規律模擬研究

由上分析可知，單元體可以通過分散基體表面的摩擦應力降低基體的磨損，從而提高試樣的耐磨性.而單元體結構間距可直接影響單元體上的應力集中情況及基體上的應力分散程度.

分別改變直線間距、漸開線基圓半徑對復合仿生單元體結構進行設計.當改變直線間距為4、5、6、7 mm，漸開線基圓半徑均為0.4 mm；當改變漸開線基圓半徑分別為0.4、0.5、0.6、0.7 mm，直線間距均為4 mm.

3.2.1 直線+漸開線形單元體直線間距對球墨鑄鐵表面摩擦應力的影響

如圖9所示，為不同直線間距單元體于漸開線單元體復合結構對摩擦應力的影響變化云圖.由圖中可以看出，當直線間距為4 mm時，其摩擦表面的最大摩擦應力為229.93 MPa，隨著直線間距的增加，其摩擦表面的最大應力逐漸上升至277.64 MPa且達到最大值.可見隨著直線間距的變化，最大摩擦應力的位置基本都存在于漸開線單元體、第一條直線單元體與基體的交界位置，且主要位于單元體部位，基體處并無較大應力.因此可以斷定，隨著直線間距的增大，摩擦面最大應力逐漸增加，且最大應力集中與單元體部位，基體處所受摩擦應力較小.

(c) 直線6 mm漸開線0.4 mm

(d) 直線7 mm漸開線0.4 mm圖9 不同直線間距單元體與漸開線單元體復合結構對摩擦應力的影響變化云圖

圖10是直線單元體對單元體與基體最大應力的影響規律示意圖.

Spacing of line type unit/mm(a)直線單元體間距與非均勻表面最大摩擦應力影響規律

Spacing of line type unit/mm(b)直線單元體間距與球墨鑄鐵基體表面最大摩擦應力影響規律圖10 直線單元體間距與最大摩擦應力間的影響規律

如圖10(a)所示，當直線單元體間距為7 mm時，單元體上的應力集中最大，為277.64 MPa.當直線間距增加后，單元體上的應力集中增大，而且隨著間距的增加，這種增加幅度逐漸趨于平緩.而如圖10(b)所示，基體上的最大應力變化規律與單元體相反，當直線間距為7 mm時，基體表面的摩擦應力達到最低值，為67 MPa.并且同樣隨著直線間距的變化，基體表面摩擦應力下降，且當直線間距繼續增加時，這種應力下降的幅度趨于平緩.可見，單元體的應力集中程度直接影響基體上的摩擦應力，單元體應力集中程度越高，則基體表面的摩擦應力越低，根據之前的分析可知，材料的耐磨性能越好.因此可以根據模擬數據判斷，當直線單元體間距為7 mm時，復合結構單元體試樣的耐磨性能最好.

(a) 直線4 mm漸開線0.4 mm

(b) 直線5 mm漸開線0.4 mm

(b) 直線4 mm漸開線0.5 mm

(a) 直線4 mm漸開線0.4 mm

3.2.2 直線+漸開線形單元體漸開線基圓半徑對球墨鑄鐵表面摩擦應力的影響

如圖11所示，為不同基圓半徑漸開線單元體與直線單元體復合結構對摩擦應力的影響變化云圖.由圖可知，當漸開線單元體基圓半徑為0.5 mm時，其摩擦表面的最大摩擦應力為231.05 MPa，并且隨著基圓半徑的增加，其摩擦表面的最大應力逐漸降低222.54 MPa.可見隨著基圓半徑的變化，最大摩擦應力的位置基本都存在與漸開線單元體、第1條直線單元體與基體的交界位置，且主要位于單元體部位，基體處并無較大應力.并且隨著基圓半徑的增加，最大應力出現外移現象.因此可以斷定，當漸開線基圓半徑小于0.5 mm時，隨著基圓半徑的增加，摩擦面最大應力逐漸增加，且最大應力集中于單元體部位，基體處所受摩擦應力較小.當漸開線基圓半徑大于0.5 mm時，摩擦面最大應力隨著基圓半徑的增加而逐漸降低.

(c) 直線4 mm漸開線0.6 mm

(d) 直線4 mm漸開線0.7 mm圖11 不同基圓半徑單元體與直線單元體復合結構對摩擦應力的影響變化云圖

圖12是漸開線單元體對單元體與基體最大應力的影響規律示意圖，如圖12(a)所示，當漸開線基圓半徑為0.5 mm時，單元體上的應力集中最大，為232.94 MPa，而當漸開線單元體基圓半徑減小或增加后，這種應力集中均有所降低，而且隨著半徑的增大，這種降低幅度逐漸趨于平緩.而如圖12(b)所示，基體上的最大應力變化規律與單元體相反，當漸開線基圓半徑為0.5 mm時，基體表面的摩擦應力達到最低值，為59.48 MPa，并且同樣隨著基圓半徑的變化，基體表面摩擦應力增加，且當基圓半徑繼續增大時，這種應力增加的幅度趨于平緩.單元體應力集中程度越高，則基體表面的摩擦應力越低，材料的耐磨性能越好.因此可以根據模擬數據判斷，當漸開線基圓半徑為0.5 mm時，復合結構單元體試樣的耐磨性能最好.

Radius of base circle type unit/mm(a)直線單元體間距與非均勻表面最大摩擦應力影響規律

Radius of base circle type unit/mm(b)直線單元體間距與球墨鑄鐵基體表面最大摩擦應力影響規律圖12 直線單元體間距與最大摩擦應力間的影響規律

4 結 論

(1)由模擬分析可得單元體部位應力集中較大，而基體部分應力降低.通過對比模擬結果發現，加工了單元體后，由于應力分布變化，球鐵試樣的耐磨性能提高.基體表面的摩擦應力越低，材料的耐磨性能越好.

(2)對于直線+漸開線單元體復合結構，當只改變直線間距時，單元體結構的最大摩擦應力隨著直線間距的增加而增大，基體最大摩擦應力隨直線間距的增大而減小，當直線間距為7 mm時基體最大摩擦應力最小，材料的耐磨性能最佳.

(3)只改變漸開線基圓半徑時，當基圓半徑小于0.5 mm，單元體結構部分的最大摩擦應力隨基圓半徑的增大而增大，在基圓半徑等于0.5 mm時達到最大，而基體最大摩擦應力最小.但當基圓半徑大于0.5 mm時，單元體結構部分的最大摩擦應力隨基圓半徑的增大而減小.所以當基圓半徑為0.5 mm時，基體最大摩擦應力最小，材料的耐磨性能最佳.