復合潤滑結構改善滑動導軌表面爬行現象研究

摘要：

滑動導軌在低速重載時產生爬行現象，嚴重影響機床的加工精度。為了改善滑動導軌的爬行現象，對滑動導軌表面復合潤滑結構的設計和摩擦力分階段表征進行了研究。在激光燒蝕微織構的基礎上，采用高溫高壓鑲嵌法制備了復合潤滑微織構，基于摩擦試驗，提出了摩擦力分階段表征方法，探索了不同復合潤滑結構對各階段摩擦力特征參數的影響規律，建立了復合潤滑結構改善爬行現象的理論模型，找到抑制爬行現象性能最優的復合潤滑結構。研究結果表明：表面微織構僅影響摩擦力的嚴重黏滑和爬升階段，而復合潤滑結構對整個啟動階段都有顯著影響。填充二硫化鉬（MoS2）的正弦溝槽與六邊形凹坑組合的多級復合潤滑結構（SF-3）改善表面接觸狀態和抑制爬行現象的效果最好。與光滑表面（SS）試樣相比，SF-3試樣爬行時間縮短了72%，第Ⅰ階段失穩力減小了69.83%，第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的摩擦突躍力分別減小了75.91%和80.17%。

關鍵詞：滑動導軌；爬行現象；復合潤滑結構；摩擦力

中圖分類號：TH117

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.10.004

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Reseach on Improvement of Creeping Phenomenon of Sliding Guideways by

Composite Lubrication Texture

FAN Yujie" CHEN Yuzhe" HAO Mengjie" WANG Suyang" DU Yuchen

XIA Jing" GUAN Xiaoyan

School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，

Jiangsu，212003

Abstract： The creeping phenomenon of sliding guideways at low speed and heavy load seriously affected the machining accuracy of the machine tools. In order to improve the creeping phenomenon of the sliding guideways， the design of composite lubrication structure on the surfaces of sliding guideways and the characterization of friction force in stages were studied. The composite lubricating micro-texture was prepared by high temperature and high-pressure mosaic method based on the laser ablation micro-texture. The characterization methods of friction force in stages were proposed by friction tests. The influences of different composite lubricating structures on the friction characteristic parameters of each stage were explored. The theoretical models of the composite lubricating structures to improve the creeping phenomenon were established， and the composite lubricating structures with the best performance to suppress the creeping phenomenon were found. The results show that the surface micro-texture only affects the severe stick-slip and climb stages of friction force， while the composite lubrication texture has a significant effect on the entire start-up stage. The multi-stage composite lubrication texture（SF-3） with the combination of sinusoidal grooves and hexagonal pits filled with molybdenum disulfide （MoS2） was the most effective in improving the surface contact conditions and suppressing the creep phenomenon. Compared to the smooth surface（SS） sample， the creep time of the SF-3 sample is reduced by 72%， the instability force in the first stage is reduced by 69.83%， and the friction jump force in the second and third stages is reduced by 75.91% and 80.17%， respectively.

Key words： sliding guideway; creeping phenomenon; composite lubrication texture; friction force

收稿日期：20231012

基金項目：江蘇省產學研合作項目（BY20231184）

0" 引言

導軌作為機床的關鍵運動零部件，其精度和動態穩定性是高精密加工的前提條件，導軌的加工工作量占整機加工工作量的40%左右［1］。鋼制金屬導軌具有剛度好、價格低廉、承載能力優異等優點，但硬度低、摩擦因數高，存在一定的局限性，在低速重載工況下易產生爬行（黏滑）現象，從而降低定位精度，縮短機床壽命。隨著對機床定位精度要求的提高，特別是數控機床，提高機床導軌的防爬性能也越來越有必要。

爬行現象是摩擦特性變化引起的自激振動，為了改善導軌的摩擦特性，研究人員提出了采用潤滑劑、有效添加劑、寬淺刮擦或采用塑料導軌等方法來降低黏滑的可能性，但存在工藝可靠性差或剛性、耐磨性差等問題。

復合潤滑結構改善滑動導軌表面爬行現象研究——樊玉杰" 陳俁哲" 郝夢杰等

中國機械工程 第35卷 第10期 2024年10月

激光表面紋理（laser surface texturing，LST）通過產生溝槽或凹坑形式的微紋理來改善接觸面摩擦學性能［2］，織構結構可以儲藏潤滑劑，收集磨損顆粒，保護接觸面，被廣泛應用于發動機氣缸/活塞環表面、滑動軸承、機械密封等。WANG等［3］發現，微粗面可以抑制黏滑，而硬質粗面會增加滑塊的劃痕。YUE等［4］和ZHANG等［5］證實，納秒激光制備的微凹坑和六角形微槽對導軌的摩擦學性能有積極影響。ZHANG等［6］發現，在油潤滑條件下，正弦溝槽型織構的摩擦性能優于其他傳統織構形狀，摩擦因數比光滑表面降低了76.6%。

LST表面的固體自潤滑技術逐漸成為解決摩擦磨損問題的最有效手段［7-8］。RAPOPORT等［9］證實了填充MoS2的織構周圍凸起高度適中時有利于MoS2在鋼件表面的黏附，可延長固體潤滑膜的壽命。HUANG等［10］用仿生樹蛙微結構和多種復合潤滑劑來改善AISI 4140的摩擦學性能，當寬度為1000 μm的微紋理填充含有Sn、Ag、Cu的納米TiC時，摩擦因數最低，比光滑表面降低了80.55%。

目前，國內外大多學者的研究主要集中在單一的微造型技術或固體自潤滑技術改善滑動導軌表面摩擦磨損問題，采用復合潤滑微織構改善滑動導軌爬行現象的研究較少。研究表明［11］，圓形微凹坑在改善共形表面的摩擦和潤滑狀態方面相當有效，滑動導軌屬于典型的共形面，爬行現象與潤滑狀態密切相關。本研究在圓形凹坑微織構的基礎上進行低速重載工況下新型復合微織構表面摩擦性能研究，提出分階段摩擦力表征爬行現象的方法，建立復合潤滑結構改善爬行現象的理論模型，確定最優復合潤滑結構。

1" 試驗內容

1.1" 復合潤滑結構制備

試樣為20 mm×20 mm×10 mm的45鋼塊，采用800～2000目砂紙打磨，拋光至粗糙度Ra小于0.8 μm，用99%（體積分數）無水乙醇超聲清洗5 min，于空氣中自然干燥后，采用FB50-1納秒激光器（重復精度不大于10 μrad，激光波長1064 nm，雕刻線速度不大于7 m/s，重復頻率20～80 kHz，功率調節范圍10%～100%，最大輸出功率50 W）在下試樣表面刻蝕出正弦溝槽織構。激光工藝參數為：功率10 W，頻率60 kHz，燒蝕次數10。燒蝕完成后，用2000目砂紙清除表面織構周圍的熔渣，并在超聲波清洗機中用無水乙醇清洗15 min。

將二硫化鉬（MoS2）與潤滑油以3∶7的比例均勻混合制成膏狀物，均勻涂抹在微織構表面后，將試樣放入XQ-2B鑲嵌機（額定電壓220 V，額定功率650 W，溫度調節范圍100～180 ℃）中，加壓后100 ℃保溫10 min。靜置冷卻后，去除表面硬塊完成填充，圖1為填充工藝示意圖。

1.2" 摩擦試驗

摩擦試驗采用FTM-M30多模塊可控潤滑摩擦試驗機，上試樣為直徑6 mm、長15 mm的圓柱銷，材料為45鋼（AISI 1045），下試樣為復合潤滑結構試樣，如圖2所示。往復摩擦試驗中低速重載的等效工況如下：載荷30 N，行程6 mm，往復頻率1 Hz，時間30 min。摩擦接觸方式為銷滑塊式往復摩擦，環境溫度為20 ℃。潤滑油為32號摩潤克優質導軌油，在油池中加注至超過試樣表面3 mm。每組試驗重復3次，取3次測試數據的平均值。

圖3所示為不同的表面微造型和多級復合潤滑結構。其中，圖3b圓形微凹坑（SR）試樣參數為：凹坑直徑0.4 mm，凹坑間距0.8 mm，凹坑位錯0.35 mm，凹坑深度40 μm。導軌表面正弦填充潤滑結構的參數為：正弦織構寬度b=0.3 mm，一個周期正弦織構長度e=3 mm，相鄰正弦織構間距c=1.5 mm，正弦織構深度H=100 μm。在正弦織構周圍加工六邊形微凹坑組成多級潤滑結構，對六邊形微凹坑進行二硫化鉬的完全填充、部分填充和不填充處理，參數為：凹坑直徑d=0.3 mm，凹坑橫向間距tx=1.5 mm，與正弦織構的縱向間距ty=0.2 mm，凹坑深度h=100 μm。

2" 摩擦力的分階段表征

圖4所示為低速重載工況下不同微造型表面啟動階段的摩擦力隨時間變化情況。由圖4可以看出，啟動初期，摩擦力波動劇烈，隨著曲柄滑塊結構往復運動的穩定而驟降，然后摩擦力顯著上升，最后，摩擦力進入相對穩定階段。摩擦力穩定之前導軌表面產生爬行現象，持續時間用t來表示。光滑表面（SS）試樣摩擦力波動最大，爬行時間最長，約為125 s；微織構表面SR、SN試樣的爬行時間迅速縮短，多級復合潤滑結構（SF-3）試樣的爬行時間最短，約為35 s，相比SS試樣縮短了72%，相比SR試樣縮短了69.83%。

根據圖4中摩擦力曲線變化特征，將啟動階段的摩擦力分為4個階段：第Ⅰ階段，嚴重黏滑階段；第Ⅱ階段，溫和過渡階段；第Ⅲ階段，摩擦力爬升階段；第Ⅳ階段，相對穩定階段。各階段表征如圖5所示。

第Ⅰ階段為嚴重黏滑階段，爬行現象的動力學特征顯示了移動—停止—移動特征，其摩擦力快速增大到分離力大小后，再快速減小到動摩擦力［4］。tⅠ為第Ⅰ階段的持續時間，失穩力ΔF為

ΔF=FB－FD（1）

式中，FB為分離力;FD為動態摩擦力。

持續時間t可以由下式表示：

t=te－ts（2）

式中，ts為一個階段的開始時間；te為一個階段的結束時間。

第Ⅱ階段為溫和過渡階段，tⅡ為第Ⅱ階段的持續時間，用摩擦突躍力ΔFj來表征某階段摩擦力的陡增或驟降，公式為

ΔFj=Fjmax－Fjmin（3）

式中，Fjmax為摩擦力突變時的最大摩擦力；Fjmin為摩擦力突變時的最小摩擦力。

第Ⅲ階段為摩擦力爬升階段，tⅢ為第Ⅲ階段的持續時間，摩擦突躍力ΔFjⅢ為此階段開始時摩擦力的突增程度。第Ⅳ階段為相對穩定階段，摩擦力表現出快慢快的動力學特征，并且曲線上有較為明顯的周期性特征［12］，tⅣ為第Ⅳ階段的持續時間，摩擦突躍力ΔFjⅣ表征這個階段開始時摩擦力的突增程度。

3 "結果與討論

3.1" 不同復合潤滑結構各階段的防爬表現

3.1.1" 第Ⅰ階段的防爬現象

圖6為第Ⅰ階段持續時間tⅠ和失穩力ΔF隨表面織構的變化曲線。由圖6可以看出，SS試樣的失穩力ΔFSS最大，持續時間tⅠSS最長；微織構表面的持續時間和失穩力迅速下降，SF試樣達到了低點，接著SP試樣開始呈現緩慢上升的趨勢；而在復合潤滑結構的作用下，持續時間先緩慢下降，然后迅速下降，失穩力迅速下降后緩慢下降，直至SF-3試樣二者都到達最低點，SF-3試樣的失穩力ΔFSF-3比SS試樣下降了69.83%，持續時間tⅠSF-3縮短了45.45%。失穩力的變化是因其對接觸面積的依賴，嚴重的黏滑現象在動力學和摩擦學特性呈現出隨機性［13-14］。分析認為，

往復運動開始時隨機磨損碎屑對摩擦力產生了主要影響［13］，SF-3試樣在第Ⅰ階段往復運動的次數約為5，試樣表面的碎屑引起了摩擦力的波動。而微織構中鑲嵌的MoS2表層起到了“潤滑劑”的作用，能夠顯著改善摩擦力的波動，并縮短了這一階段的持續時間。

3.1.2" 第Ⅱ階段的防爬現象

圖7為第Ⅱ階段持續時間tⅡ與摩擦突躍力ΔFjⅡ隨表面織構的變化曲線。由圖7可以看出，SS試樣的持續時間tⅡSS最長，摩擦突躍力ΔFjⅡSS最大；在表面微織構的作用下，持續時間與摩擦突躍力迅速下降，SF試樣達到了較低點，接著SP試樣開始呈現緩慢上升的趨勢；而在復合潤滑結構的作用下，持續時間與摩擦突躍力均顯著下降，直至SF-3試樣達到最低點，SF-3試樣的持續時間tⅡSF-3比SS試樣縮短了78.44%，摩擦突躍力ΔFjⅡSF-3

減小了74.9%。由于起始時，上下試樣的兩個表面之間存在著微小的凹凸和顆粒，這些因素會導致接觸面積變小，從而使得摩擦力產生波動［15］。隨著往復運動次數的增加，兩個表面之間的不規則部分被逐漸拋除，從而使摩擦力趨于穩定。因此，在這個階段，摩擦力會以低水平和溫和的方式進行過渡。SF-3試樣在第Ⅱ階段往復運動的次數約為7，分析認為，其復合微織構中的MoS2在往復摩擦中逐漸剝離，與碎屑共同作用，從而減小了第Ⅰ階段到第Ⅱ階段的摩擦力驟降程度，縮短了第Ⅱ階段的持續時間。

3.1.3" 第Ⅲ階段的防爬現象

圖8為第Ⅲ階段持續時間tⅢ與摩擦突躍力ΔFjⅢ隨表面織構的變化曲線。由圖8可以看出，SS試樣的持續時間tⅢSS和摩擦突躍力ΔFjⅢSS最大；在表面微織構的作用下，持續時間與摩擦突躍力迅速下降，SF試樣達到了低點，接著SP試樣開始呈現上升趨勢，而在復合潤滑結構的作用下，二者迅速下降，直至SF-3試樣二者都到達最低點，SF-3試樣持續時間tⅢSF-3比SS試樣持續時間縮短了71.66%，摩擦突躍力ΔFjⅢSF-3減小了80.17%。由于表面摩擦熱量增多，故表面材料與空氣中的氧氣反應，形成氧化物層，隨著時間的推移，氧化層會逐漸形成，并逐漸影響表面間摩擦［16］。此外，在啟動階段，兩個表面發生變形，受到彈性回彈的作用。在摩擦作用持續進行時，兩個表面恢復到原來的形狀并且鎖定在各自的位置，這種彈性回彈作用會增大摩擦力［17］。SF-3試樣在第Ⅲ階段往復運動的次數約為21，分析認為，在摩擦過程中會產生熱量，摩擦碎屑增加，導致摩擦力上升。MoS2具有良好的熱分散能力，可以吸收和分散摩擦所產生的熱量，

防止局部高溫引起表面融化或氧化［18］。因此，SF-3試樣可以減小第Ⅱ階段到第Ⅲ階段的摩擦力突增并縮短第Ⅲ階段的持續時間。

3.1.4" 第Ⅳ階段的防爬現象

圖9為第Ⅳ階段持續時間tⅣ和摩擦突躍力ΔFjⅣ隨表面織構的變化曲線。由圖9可以看出，SS試樣的持續時間tⅣSS最短，摩擦突躍力ΔFjⅣSS最大;在表面微織構的作用下，持續時間迅速上升，摩擦突躍力緩慢下降后迅速下降，SF試樣的持續時間達到了高點，摩擦突躍力達到了低點，接著SP試樣的持續時間緩慢下降，摩擦突躍力緩慢上升;而在復合潤滑結構的作用下，持續時間迅速上升，摩擦突躍力緩慢下降后迅速下降，直至SF-3試樣持續時間到達最高點，摩擦突躍力到達最低點，SF-3試樣第Ⅳ階段的持續時間tⅣSF-3比SS試樣增長了4.28%，摩擦突躍力ΔFjⅣSF-3減小了40%。SF-3試樣在第Ⅳ階段往復運動的次數約為1766，分析認為，隨著摩擦時間的增長，在摩擦熱膨脹和摩擦擠壓的作用［19］下，MoS2從織構向磨損表面擴散，反復摩擦和抑制作用使固體潤滑膜得到補充和完善，最終在材料表面形成更連續完整的固體潤滑膜［20］。因此，SF-3試樣能夠減小第Ⅲ階段到第Ⅳ階段的摩擦力突躍，降低第Ⅳ階段摩擦力的波動，并增長第Ⅳ階段的持續時間。

3.2" 復合潤滑結構改善爬行現象的理論模型

圖10所示為復合潤滑結構改善爬行現象的理論模型。由圖10可以看出，光滑表面實際接觸面積最大，其爬行時間以及第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間最長，失穩力和摩擦突躍力的數值都是最大的，在啟動階段產生了嚴重的爬行現象。

SR、SN試樣由于凹坑和溝槽型的微織構具有儲存潤滑油的能力［3］，故爬行時間以及第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間開始縮短，失穩力、摩擦突躍力數值有所下降。SR試樣在第Ⅲ階段的摩擦突躍力ΔFjⅢSR降的幅度較大，較ΔFjⅢSS減小了29.31%。SN試樣在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的失穩力ΔFSN、摩擦突躍力ΔFjⅡSN和ΔFjⅢSN都有較大的降幅，相較于SS試樣分別減小了33.3%、18.51%、47.41%。

SF試樣在正弦溝槽型微織構內填充的MoS2作用下，顯著縮短爬行時間和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間，顯著減小失穩力和摩擦突躍力。與SS試樣相比，SF試樣的爬行時間縮短了32.29%，失穩力ΔFSF和摩擦突躍力ΔFjⅡSF、ΔFjⅢSF、ΔFjⅣSF相較于SN試樣分別下降了33.47%、21.47%、29.51%、22.81%。可見，啟動階段相比光滑表面和單一微織構表面，填充MoS2的正弦溝槽型微織構試樣相對穩定，摩擦力的各表征參數都有明顯改善。

SP試樣由于試驗工況的速度低、載荷大，摩擦界面無法形成連續穩定的潤滑油膜，并且正弦溝槽部分填充不能提供額外的流體動壓效應，因此爬行時間和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間略有上升趨勢，失穩力、摩擦突躍力的效果也稍有減弱。

隨著多級復合潤滑結構的制備，爬行時間，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間，失穩力和摩擦突躍力都得到了明顯改善。SF-1試樣在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的失穩力ΔFSF-1和摩擦突躍力ΔFjⅡSF-1、ΔFjⅢSF-1再次出現下降的趨勢，相較于SF試樣分別減小了18.94%、32.15%、9.3%。這是由于六邊形微凹坑表面的黏附力除了受濕黏附力作用之外，還受到六邊形微凹坑彈性變形產生的“吸盤”效果的影響［21］。

SF-2試樣的爬行時間和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間以及失穩力、摩擦突躍力相較于SF-1試樣稍有改善，這是由于高的接觸壓力和低的滑動速度導致微凹坑表面的“陷阱效應”［22］，六邊形凹坑中存儲了MoS2粉末。

SF-3試樣由于微織構中鑲嵌MoS2的作用，爬行時間和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段的持續時間最短，而且失穩力、摩擦突躍力的數值也是最小的。相較于SF-1試樣，爬行時間縮短了70.67%，4個階段的失穩力ΔFSF-3，摩擦突躍力ΔFjⅡSF-3、ΔFjⅢSF-3、ΔFjⅣSF-3分別減小了16.09%、42.18%、41.03%、18.18%。相較于SS試樣，爬行時間縮短了77.08%，4個階段的失穩力ΔFSF-3，摩擦突躍力ΔFjⅡSF-3、ΔFjⅢSF-3、ΔFjⅣSF-3分別減小了69.83%、74.9%、80.17%、40%。分析認為，在摩擦試驗的過程中，在較大的載荷下，應力集中效應促進了紋理中的MoS2沉淀到磨損軌跡表面，并且擴散到上下試樣表面和潤滑油中，由于MoS2在金屬表面有很強的吸附作用，在摩擦界面形成一層固體潤滑轉移薄膜［23］，從而有效減小了表面摩擦力的不穩定性，縮短了爬行現象的持續時間，改善爬行現象的效果最好。

4" 結論

本研究采用激光燒蝕和鑲嵌MoS2的方法制備了不同表面微造型，探討了復合潤滑結構表面分階段摩擦力的變化規律。主要結論如下：

（1）滑動導軌的啟動階段摩擦力經歷了嚴重黏滑、溫和過渡、摩擦力爬升和相對穩定4個階段。其中，摩擦力的變化特征揭示了爬行運動的動力學特性。

（2）MoS2與潤滑油混合成膏狀物，高溫加壓鑲嵌制備的復合潤滑結構能夠顯著改善滑動導軌低速重載工況（速度12 mm/s，載荷30 N）下表面的爬行現象。SF-3試樣爬行時間縮短了77.08%，失穩力ΔFSF-3和摩擦突躍力ΔFjⅡSF-3、ΔFjⅢSF-3、ΔFjⅣSF-3分別減小了69.83%、74.9%、80.17%、40%。

（3）與其他表面微織構相比，多級復合潤滑結構對改善導軌表面的爬行現象效果最好。關于不同類型的試樣表面，SR和SF-3試樣表現出不同的改善效果。未來可通過分析復合潤滑結構改善爬行現象性能參數，4個階段的微觀磨損形貌、成份、物相等，構建復合潤滑結構改善爬行現象的機理。

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（編輯" 袁興玲）

作者簡介：

樊玉杰，女，1979年生，副教授。研究方向為功能表面制備與性能研究、特種加工、金屬材料表面改性、摩擦磨損。E-mail：fanyujie@just.edu.cn。