20钢YT15硬质合金摩擦副摩擦学性能研究

1、机械091班：田乐指导老师：陈威陕西科技大学机电工程学院陕西西安 710021摘要：利用MMU-5G型销-盘式摩擦磨损试验机在干摩擦、水润滑、切削液润滑和润滑油润滑条件下，对YT15/20#钢摩擦副进行了摩擦磨损试验，系统研究了润滑条件对YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能的影响，并利用电子激光显微镜观察销、盘试样在试验前后的摩擦表面的形貌并测量其表面粗糙度。结果表明润滑介质可以降低摩擦副的摩擦因数和20#钢的磨损量；材料的磨损机制也随润滑条件的不同而发生相应的变化；润滑介质的流动性起主要作用。关键词：润滑油，水介质，切削液，摩擦因数，磨损率The tribological performan

2、ce of cemented carbide / 20 # Steel friction pair under different lubricating medium conditionsABSTRACT: MMU-5G type pin -on- disc tribometerunder dry friction, water lubrication, cutting fluid lubrication and lubricating conditions, YT15/20 # steel friction pair friction and wear tests carried out

3、systematically studied lubrication conditions on YT15/20 # steel friction tribological performance, and using electron laser microscope pin, plate specimens before and after testing the friction surface morphology and measure the surface roughness. The results showed that the lubricating medium can

4、reduce friction coefficient of friction and the wear amount of 20 # steel; wear mechanism is also different lubrication conditions with corresponding changes; lubricating medium mobility plays a major role.KEY WORDS：lubricants, aqueous medium, cutting fluid, friction coefficient, wear rate1 绪论摩擦磨损普遍

5、存在的自然现象，世界上一次性能源的1/3以上是因为摩擦而损失的。磨损是材料与破坏和实效的三种形式之一，我国每年因机械磨损所损耗的材料高达数千亿1。据西方四国近几年的调查表明，因磨损造成的经济损失大约占各国GDP的2%，由此引发的能源和材料消费增加所造成环境污染的损失是无法估量的。而润滑则是降低摩擦、减小或避免磨损的最有效技术2。润滑是在相互接触、相互运动的摩擦副表面之间加入润滑介质，是摩擦表面尽可能避免直接接触，将摩擦表面之间的干摩擦变为间接的润滑介质分子之间的内摩擦,从而达到减小摩擦阻力，提高机械效率，减少材料磨损的目的3。目前，硬质合金刀具对金属材料进行切削时，极易发生黏着，产生大量切削热

6、，缩短了硬质合金刀具的使用寿命，影响了工件的加工质量4。通常情况下，多采用切削液对切削表面进行冷却和润滑。然而，普通的切削液的冷却和润滑作用极易受到环境条件的影响，影响切削加工效果5。此外，普通的切削液一般会含有对环境有害的物质，应尽量避免使用6。因此，在不同润滑介质条件下，探讨硬质合金的切削性能是具有重要的理论与实践意义。2 研究方法实验采用MMU-5G型摩擦磨损试验机，摩擦副接触为平面与平面接触，配副方式为上销下盘方式。销试样的材料为YT15硬质合金，硬度为91.5HRA,密度为3；盘试样的材料为20#钢，硬度为热轧钢156HB，密度为7.85 g/ mm3。销试样的尺寸为5mm×

7、;5mm×8mm，以YT15硬质合金材质的刀头为原材料，通过线切割加工成尺寸符合试验要求的长方体硬质合金销。盘试样的尺寸为44mm×5mm，以尺寸为为46mm×60mm的20#钢棒料通过车削、线切割加工到符合试验要求的尺寸，最后进行打磨、清洗。盘试样固定，销试样做连续的回转运动，回转运动位移幅值可控如图1所示。试验选用参数：法向载荷为10N；销试样回转速度为·s-1；摩擦时间为1200s；介质润滑时，润滑介质分别为蒸馏水、Quaker015切削液和长城HG32润滑油；温度为室温。实验中润滑介质的加注采用滴定法。实验装置如图2所示。图1 摩擦磨损试验机上销

8、盘的配副运动方式图2实验装置3 实验结果与分析将摩擦副在干摩擦状态下的平均摩擦因数和在介质润滑条件下的平均摩擦因数进行对比，如图3所示。由图可知，在干摩擦状态是，YT15/20#钢摩擦副的平均摩擦因数是最大的，达到；而在介质润滑状态下，摩擦副的摩擦因数明显下降。表明润滑介质对摩擦副的摩擦确实具有减摩作用。而在介质状态下，润滑油和切削液润滑时，摩擦系数差距不大，分别为和。而但以水做润滑介质时，摩擦副的平均摩擦因数数最小，为。对比可知，水对于改善YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能效果最好。 20#钢盘的磨损率由图4可知，在试验条件下，干摩擦时，20#钢的磨损率对数值为；当在加入润滑介质时，20#

9、钢的磨损率有了明显的下降。说明润滑介质对减少摩擦过程中20#钢的磨损率油较好的作用。在介质润滑时，切削液润滑时，磨损率对数值为，润滑油润滑时，磨损率对数值为，水润滑时，磨损率对数值为。对比可知，润滑油和切削液对20#钢的减摩效果差别不大，水对于20#钢在试验中的减摩效果最好。YT15销的磨损率图5所示，为不同润滑条件下YT15销的磨损率对比图。由图可知，干摩擦条件下，YT15销的磨损率最大，磨损率对数值为。而加入润滑介质后，磨损率有明显下降。润滑油润滑时，磨损率对数值为；切削液润滑时磨损率对数值为，水润滑时，磨损率对数值最低，为。可见，润滑介质明显降低了YT15销在摩擦试验中的磨损；而润滑介质

10、中，水的减摩效果最好。 图3 摩擦因数对比图 图 4 不同条件下20#钢盘 图5不同条件下 YT15销的磨损率对比图 的磨损率对比图图6和图7所示，为不同润滑条件下20#钢盘和YT15销的摩擦表面形貌图。干摩擦时，盘试样摩擦表面凹凸严重，呈现犁沟现象，且表面有粘着物（见图6 a）；销试样表面存在大量的粘着物，为明显犁沟现象，表面及其粗糙（见图7 a）。这是由于干摩擦条件下，摩擦表面的微凸体直接接触，摩擦过程中产生大量的磨粒，并堆积在摩擦表面上，对摩擦表面又进行了二次摩擦，从而产生磨粒磨损，此外由于干摩擦时，摩擦中产生的热无法及时散失，导致摩擦表面之间有发生粘着磨损。综上，干摩擦时，摩擦副的磨损

11、机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用，且以粘着磨损为主。润滑油润滑时，盘试样摩擦表面呈现明显犁沟现象，没有明显粘着物（见图6 b）。销试样摩擦表面则凹凸严重，存在大量粘着物，无明显犁沟现象（见图7 b）。这是由于润滑油的冷却能力和流动性较差，无法减少摩擦过程中粘着磨损的发生，而粘度较高，可以在摩擦表面上形成一层承载能力较好的润滑膜，从而减少了磨粒磨损的发生。可见在润滑油润滑时，摩擦副的磨损机制以粘着磨损为主，磨粒磨损为辅。切削液润滑时，盘试样表面存在犁沟现象，与润滑油润滑时差别不大（见图6 c）。销试样摩擦表面凹陷严重，且表面出现了大量的粘着物质（见图7 c）。这是由于切削液的流动性和冷却效果都很

12、一般，所以对粘着磨损和磨粒磨损的改善效果都不是很好。因此可知，切削液润滑时，摩擦副的磨损机以粘着磨损为主，磨粒磨损为辅。水润滑时，盘试样摩擦表面存在犁沟现象，但不严重，明显粘着物质（见图6 d）；销试样的摩擦表面也呈现出凹陷现象，还存在部分粘着物质（见图7 d）。这是由于水的流动性和冷却能力都很好，在摩擦过程中能及时将摩擦产生的磨屑带走，并且是摩擦表面间的摩擦热充分散失。分析可知，在水润滑时，摩擦副的磨损机制是粘着磨损与磨粒磨损共同作用。（a）干摩擦 （b）润滑油润滑 （c）切削液润滑 （d）水润滑图6 不同润滑条件下20#钢盘的摩擦表面形貌 （a）干摩擦 （b）润滑油润滑 （c）切削液润滑

13、（d）水润滑图7 不同润滑条件下YT15销的摩擦表面形貌4 结论（1）对比干摩擦条件下YT15/20#摩擦副的摩擦学性能，润滑介质的加入能明显改善摩擦副的摩擦学性能。平均摩擦因数从干摩擦时的降低到水润滑时的；20#钢试样的磨损率对数值从干摩擦时的降低到水润滑时的；YT15硬质合金试样的磨损率对数值从干摩擦时的减低到水润滑时的。综合对比后发现，在润滑介质中水对于改善YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能效果最好。（2）在水润滑时，由于水的冷却性能和流动性好，对粘着磨损和磨粒磨损都有较好的改善作用，因此YT15/20#钢摩擦副在摩擦过程中的磨损机制是粘着磨损与磨粒磨损共同作用，且磨损都不严重；在润滑

14、油润滑时，由于润滑油的流动性和冷去能力较差，而粘度较好，所以在摩擦副摩擦过程中的磨损机制以粘着磨损为主，磨粒磨损为辅；切削液润滑时，由于切削液的流动性、冷却能力和粘度都一般，所以摩擦副在摩擦过程中的磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损共同作用。（3）综合分析后发现，润滑介质的流动性和冷却性能对于YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能起主要作用。因为20#钢的含碳量低，材质较软。在摩擦过程中主要发生粘着磨损，而润滑介质的冷却性能影响着粘着磨损的发生。YT15硬质合金材质较硬，在摩擦过程中以磨粒磨损为主，润滑介质的流动性对磨粒磨损有很大的影响。而润滑介质的粘度对YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能影响较小。因此，试验所选用的三中润滑介质中，流动性和冷却能力都很好的水对YT15/20#钢摩擦副的摩擦学性能改善最明显。在现代工业理论中，绿色加工的观念越来越被重视。水正是一种绿色环保无污染的润滑介质，符合绿色加工的理念。综上所述，金属切削加工中，采用YT15硬质合金刀具切削20#钢时，推荐选用水作为润滑介质。参考文献1 刘维民，薛群基. 摩擦薛研究及发展趋势J. 中国机械工程，20