表面粗糙度对激光微织构化表面摩擦学性能的影响

表面粗糙度对激光微织构化表面摩擦学性能的影响据统计，世界上大约50%的能源消耗在各种形式的摩擦中，减少摩擦有助于提高能源利用率，这是一个非常重要的问题起初，人们通过提高表面的加工精度以达到减少表面摩擦的目的，然而随着研究的不断深入，发现在机械部件表面加工一定形貌的微织构，可显著改善其摩擦润滑性能在上述试验研究中，研究人员在试样预处理的时候，尽可能降低织构化表面的粗糙度，将其视为光滑表面，从而忽视粗糙度的影响但是，当润滑油膜的平均膜厚和表面粗糙度在同一数量级时，表面粗糙度对流体动力润滑的影响不应该被忽略基于此目的，本文作者首先改变粗糙度值进行摩擦磨损实验研究，了解不同粗糙表面的摩擦润滑性能然后，通过正交试验设计，选取不同的粗糙度值以及微凹坑织构参数进行摩擦试验，通过绘制Stribeck曲线，以探讨表面粗糙度和表面织构参数对摩擦副表面摩擦性能的影响规律1试验设计

1.1实习准备试验上试样为

451.2试验计划

1.

3.1试验结果与分析在MMWTA摩擦磨损试验机上进行摩擦试验，不同粗糙度值的下试样表面如图1所示每组摩擦副在载荷为50N（压力为

0.4MPa）进行摩擦试验，试验中将摩擦副浸在润滑油中,以保证达到富油润滑条件试验中用到的润滑油为30号通用型机械润滑油，在室温下，30号通用型机械润滑油的运动黏度约为29mm图2示出了当下试样接触表面粗糙度为Ra=

0.15□叫转速为100r/min时的摩擦因数随时间变化的曲线可以看出，摩擦副在运行5n in之后，摩擦因数基本趋于稳定，基于此，每l组摩擦副在不同转速下均持续运行5mino后续的结果分析都是基于每组试验的平均摩擦因数来展开的表面光滑试验

1.

2.

2.坑面积电阻率对表面性能的影响试验主要考察在富油润滑的情况下，初始表面粗糙度值、微凹坑深度、微凹坑面积占有率对摩擦副表面的摩擦性能的影响，分别用A、B、C表示这3个因素这3个因素可以取相应的水平，并可以组合成很多组合，但是考虑到试样的准备和试验结果的后续处理，选择3水平，因素水平表如表2所示

1.

2.

2.

2.试验计划试验中，按照试验数较少原则，选用L

931.

2.

2.微凹坑织构的尺寸试验利用二极管泵浦ND:YAG激光器及“单脉冲同点间隔多次”的方法在不同粗糙度表面上加工出具有规律分布的微凹坑形貌激光重复频率为l.6k Hz,泵浦电流为

18.4A,具体微凹坑织构的尺寸及分布如表4所示当凹坑深度h将加工完成的下试样装夹在MMW-1A摩擦磨损试验机上进行摩擦试验，试验工况为:在富油润滑条件下，载荷为50N压力为

0.4MPa,转速分别为

50、

100、

200、

400、600r/mino上述每组试样都是从最低速度开始，每个转速下持续运转5min后增加一次，达到最大速度为止2结果与分析

2.1粗糙度对未织构表面摩擦因数的影响根据运动速度、单位面积法向载荷、润滑剂黏度三参数与摩擦因数u之间的关系可以绘制成Stribeck曲线，当载荷和黏度一定时，速度与摩擦因数的关系曲线与Stribeck曲线相似图5示出了根据每组试样所对应的试验结果绘制的Stribeck曲线可以看出，随着速度的增大进入混合润滑区域，接触表面粗糙度值越大，对应的摩擦因数越小就表面粗糙度较大Ra=

0.55u m的下试样所对应的Stribeck曲线而言，摩擦因数更快地达到谷底，这说明在粗糙度值比较大的表面，边界润滑很快会转变为混合润滑分析其原因主要是在混合润滑区域中，未织构粗糙表面上摩擦力的形成主要是靠微凸体接触，粗糙表面上存在的凹凸体或凹槽，可以起到存储润滑油或者磨粒的作用，从而提高摩擦副表面的摩擦润滑性能从图中还可以看出，Ra=

0.55um的表面处于谷底范围大于其他粗糙表面，这是因为在流体润滑区域，表面粗糙度的影响就变得微弱，在相同的操作条件下，越粗糙的表面需要更长的时间，去达到可以忽略表面粗糙度的阶段，从而使得混合润滑区域宽度变大

2.

2.粗糙度表面织构化图6分别对比了初始粗糙度在同一区间的织构化表面和未织构表面的Stribeck曲线从图6a可以明确地看出，当表面粗糙度值较小时，随着速度的增大，织构化的粗糙表面与未织构的粗糙表面的摩擦因数都在减小，但织构化表面比未织构表面更早进入混合润滑状态同时,从图中可以看出存在合适的微凹坑织构，能够显著提高粗糙表面的摩擦性能同样在图6b、c中，织构化粗糙表面的摩擦因数随速度增大而减小，但是幅度不是很明显对比图6a、b、c可以看出，在粗糙度值较小的表面，微凹坑织构减摩的作用比较明显这可能是因为当织构化粗糙表面的初始粗糙度值过大，抑制了微凹坑的流体动压效应，从而导致表面摩擦润滑性能变差

2.

3.a极差值对结果的影响基于前面试验结果得到的Stribeck曲线，选择混合润滑状态下，各个织构化粗糙表面的摩擦因数，即最小摩擦因数作为一个试验数具体分析结果如表5所示用直观分析法对试验结果进行探讨，通过表5中的试验数据结果可以看出1号试验摩擦因数值最小，A极差值对应着试验因素对试验结果指标的影响程度，差值越大，该因素对结果影响越大试验据极差可以得到在混合润滑状态下，加工参数对于摩擦副表面摩擦性能影响的重要程度为:表面初始粗糙度最为重要，其次是微凹坑的面积率，最后是深度，同时3种试验因素之间的交互作用也不可忽略3表面粗糙度和微凹坑织构化1在混合润滑区域，表面粗糙度对摩擦性能的影响最为明显，存在一个最佳的粗糙度值使得摩擦表面的摩擦因数达到最小这是因为粗糙表面存在的凹凸体或凹槽起到了凹坑或凹槽织构的作用，大大提高了摩擦副表面的摩擦性能2在特定的工况下，存在合适的微凹坑几何参数与表面初始粗糙度值组合，使得织构化粗糙表面的摩擦性能达到最优当织构化粗糙表面的初始粗糙度值过大时，则将会抑制微凹坑织构的流体动压效应，使得微凹坑织构失去润滑减摩的功能3采用三因素三水平正交试验方法进行织构化粗糙表面摩擦性能试验研究比较极差值知道，在混合润滑状态，表面初始粗糙度对织构化粗糙表面摩擦性能的影响最为重要,同时织构几何参数与粗糙度之间的交互作用也不可忽略。