表面织构对巴氏合金摩擦学性能的影响

表面织构对巴氏合金摩擦学性能的影响

高精密旋转系统的主轴轴承决定了主轴旋转的精度和运动的精度，并直接影响系统的稳定性。滑动轴承是旋转机械的重要支撑部件，其高精度和高刚性要求应尽可能小地设计滑动轴的间隙。当滑动介质处于微间隙和高剪切应力之间时，其动态行为显著影响主系统的稳定运行。例如，在停车、超载、事故等场景中，滑动轴承可能发生接触，这意味着轴承处于混合润湿区，甚至失去油腻。严重威胁系统的安全。由于其良好的耐候性、嵌藏性和适应性，巴氏合金属被广泛应用于滑动轴承。表面织构就是利用物理、化学或机械的方法在摩擦副表面加工出一定规则分布的微坑或微沟槽等.研究表明表面织构可以减小摩擦与振动针对锡基巴氏合金在混合润滑下表面织构参数对其摩擦学性能的影响研究较少,为此本研究用激光加工技术在锡基巴氏合金表面构建织构,研究了具有不同织构参数的锡基巴氏合金表面在混合润滑条件下的摩擦学特性;同时,结合润滑的初始边界条件,探求表面织构的润滑机制,从而为滑动轴承在复杂、恶劣的工况下安全运行提供解决方案.1实验部分1.1微坑织构设计表面织构的几何参数主要有织构的几何形状及其分布方式,几何形状包括织构的截面形状、尺寸大小以及深度等.文献[18]运用平均流量雷诺方程数值分析摩擦表面织构参数对流体动压润滑的影响,研究结果表明存在最优织构面积比区间(5%~15%)使平均油膜压力最大.在不考虑织构的边缘效应前提下,增大织构直径可以成比例地提高承载能力.综合考虑动压效应和实际加工效率,选择直径在500~950μm,面密度在8.6%~13.9%的微坑织构.表1所示为表面织构的几何参数,其中:1#~3#为矩形阵列;4#为发射线阵列;d为直径;h为深度;a为间距;θ为轴向间距.图1为其分布示意图.激光加工表面织构耗时短,控制尺寸和形貌的能力强.在此采用LSF20II型激光打标机加工表面织构,其中激光波长为1064nm,激光频率为5kHz,输出电流为12A,脉宽为1.0ms.用600#、800#、1000#金相砂纸依次打磨锡基巴氏合金盘试样,然后用丙酮超声波清洗5min除去表面污染物.激光加工过程中,巴氏合金受热熔融蒸发在微坑外圈环形区域留下毛刺,用帆布抛光打磨去除毛刺.采用TR200表面轮廓仪测量微坑的深度为10~15μm.采用奥林巴斯公司的共聚焦显微镜(LEXTOLS4000)对微凹坑织构的形貌进行测量,测量抛光前后的微坑截面几何形状如图2所示,由图可见抛光前微坑表面及边缘存在大量的毛刺.巴氏合金熔点低,在激光作用下剧烈熔融挥发,同时微坑内部残留大量熔渣.采用超声波激震清洗抛光后织构表面,坑内熔渣被去除,同时微坑周围的凸起也被抛掉,织构区的表面粗糙度得到改善.采用时代集团的TMVS-1型显微硬度计测量圆坑织构区域表面硬度.靠近微坑边缘的硬度值最高,远离微坑边缘的硬度缓慢降低,表明激光织构化加工提高了巴氏合金圆坑织构区域的表面硬度,这是因为经激光强化处理,巴氏合金塑性变形层表面晶粒发生纳米级细化,引起加工硬化1.2销试样预处理摩擦学性能测试试验在UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机上进行,其中上试样固定,下试样做旋转运动.上试样为45#钢圆柱销(硬度为HRC45,Φ1mm×10mm),下试样为具有表面织构的锡基巴氏合金盘(Φ47mm×5mm).将销试样固定在试验机上,依次用240#~2500#砂纸对销试样进行预磨合,表面粗糙度R2结果与讨论2.1表面织构化的影响图3为载荷2.6MPa,滑动速度0.3m/s下,4种织构以及无织构表面的摩擦系数图.可以看出经过一定时间磨合后,各表面的摩擦系数均处于相对稳定状态,其中织构表面的摩擦系数均小于无织构表面的摩擦系数,说明所制备的织构降低了摩擦副表面的摩擦系数.3#试样的摩擦系数最小,比无织构表面减小了60%,其启动摩擦系数为0.02,也是最小的.此外3#试样的摩擦系数最早进入稳定状态,这说明3#试样在启动阶段和稳定阶段都处于较好的润滑状态.从图中还可看出4#发射线阵列织构的摩擦系数有明显波动,不利于系统的稳定运行.2.2滑动速度对摩擦系数的影响图4(a)为载荷2.6MPa时无织构表面的摩擦系数随时间变化图,由图可见:当滑动速度为0.3m/s时,其启动阶段的摩擦系数为0.08,经过300s的磨合后摩擦系数降低并稳定于0.05;当滑动速度为0.6m/s时,启动阶段的摩擦系数为0.04,当摩擦进行到150s时,摩擦系数发生波动并明显增大,继续运行到500s后摩擦系数增大到0.06;对于滑动速度为0.8m/s的摩擦系数曲线,刚开始时摩擦系数为0.02,运行100s后摩擦系数开始显著增大,400s后摩擦系数增大到0.08.可见在初始阶段即润滑油比较充分情况下,无织构表面的启动摩擦系数随着滑动速度的增加而降低.随着摩擦时间的延长,摩擦系数显著增大,且随着滑动速度增大,摩擦系数也增大.图4(b)为载荷2.6MPa时,2#表面织构的摩擦系数随时间变化曲线.由图可知:表面织构的摩擦系数比较稳定,随着速度增大,摩擦系数有所降低.当滑动速度从0.3m/s增加到0.8m/s时,平均摩擦系数降低了60%.然而随着滑动速度的增大,摩擦系数降低的幅度有所降低.同时随着摩擦时间的延长,摩擦系数保持平稳的变化趋势.滑动轴承润滑油膜的建立与滑动速度有关,适当的滑动速度有利于接触区域动压油膜形成.随着滑动速度增大,摩擦系数先降低后增大.然而随着滑动速度的增大,停留在无织构表面接触区域的润滑油在离心力的作用下被甩出接触区,无法连续供油时,接触区的润滑油不断消耗而无法形成有效的动压油膜,导致无织构表面的摩擦系数增大与剧烈波动.而微坑织构可以储存一定量的润滑油,当出现乏油润滑时表面织构提供的润滑油实现了二次润滑,保证表面织构具有较低且稳定的摩擦系数.2.3不同滑动时间对摩擦系数的影响图5(a)为滑动速度为0.3m/s时,不同载荷下无织构表面的摩擦系数随时间的变化曲线图.从图中可见在较低载荷下,该表面的摩擦系数较为平稳;随着载荷的增加,摩擦系数先降低后增大;载荷为3.2MPa时,表面织构的平均摩擦系数最低(0.035);当载荷增大到5.0MPa时,摩擦系数又增大到0.07以上.图5(b)为3#织构的摩擦系数曲线图,可知在测试载荷下,3#织构表面的摩擦系数(0.01~0.03)均小于无织构表面的最低摩擦系数(0.035).当载荷从2.8MPa增加到5.0MPa时,运行到稳定阶段时摩擦系数均接近0.015,在该条件下与无织构表面相比,3#织构表面的摩擦系数降低了74.6%.在本试验载荷下,随滑动时间的延长,3#织构表面的摩擦系数稳定性较好.合适的载荷有利于接触面的均匀接触,实际接触面积的增大可有效降低摩擦系数.但随着接触压力继续增大,进入接触区域的润滑油被挤出,可能导致润滑油的匮乏,无法形成有效的流体动压润滑膜;因此,随着载荷增大,无织构表面的摩擦系数会增加,而织构表面的微坑存储的润滑油可以实现微流体动压润滑,特别是当受外界变载荷时,具有织构表面的轴承在较低摩擦系数下可稳定运行.3数值模拟3.1织构空间边界条件以考虑粗糙度影响的平均流量雷诺方程为模型膜厚度;h无量纲化形式为销与盘作相对圆周运动,对于选定区域,因织构分布具有周期性,则计算区域边界为连续边界条件,即p(0)=p(ψ),式中ψ为空化区域.微坑织构几何形状可以分为收敛区和发散区两部分.润滑油在收敛区域内由于楔形效应产生承载压力,然而在发散区则会形成负压力,导致空化现象.在此采用雷诺边界条件处理空化区,空化压力设为86.13kPa,p(Ψ)=p3.2发射线阵列织构图7为发射线阵列和矩形阵列织构的油膜压力分布图.织构表面可以产生流体动压,且流体动压的分布形状与织构分布形状基本一致.其中流体动压可以分担一部分载荷,减小了接触压力.此外,压力峰有利于减小金属直接接触,避免了油膜的破裂,有利于形成完整连续的润滑油膜.发射线阵列织构的压力峰呈条状分布(图7(b)),发射线阵列织构摩擦系数波动较大的原因是:当上试样处于压力峰区时,系统摩擦系数较低,而处于压力谷区的系统摩擦系数较高.矩形织构阵列的压力峰呈点状分布(图7(a)),分布较均匀,因此摩擦系数相对波动较小.由于发射线阵列织构的条状分布和离心力作用方向是一致的,在离心力作用下润滑油更容易沿着压力谷方向发生泄漏,从而造成润滑油的匮乏.而矩形阵列织构压力峰呈点状分布,可以阻碍润滑油沿着离心力方向运动,润滑油的泄漏也相对较少,储存的润滑油也较多,因此矩形阵列织构的摩擦系数降低率优于发射线阵列织构.4微坑织构表面织构表面的摩擦学特性能提高摩擦学性能本研究采用激光加工方法在锡基巴氏合金表面制备了阵列织构表面和发射线阵列织构表面,通过研究混合润滑时表面织构的摩擦学性能,得到如下结论.a.激光加工制备巴氏合金表面织构,提高了微坑织构区附近的表面硬度.b.具有织构表面的锡基巴氏合金可有效降低摩擦系数,当面密度为8.6%的织构表面(3#)载荷