激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究

在实际应用中，滑动摩擦副有两种不同的关系，即配合关系摩擦副与非配合关系摩擦副。对于配合关系的摩擦副(如活塞与气缸之间的摩擦)而言，研究的主要目的是减少相互之间的摩擦作用以提高使用寿命 J。对于非配合关系的摩擦副(诸如拉伸模具与轧辊等表面接触条件)而言，其摩擦在-定的条件下起到促进工作的作用 引，比如在拉伸模具中，凸模与工件内壁之间的摩擦、凸模圆角与工件之基金项 目：广东侍育部产学研结合资助项 目(2011B090400185)；广 东 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目($201 1010001082)作者简介：康献民(1964-)，高级实验师，博士，研究方向为精密滚动副功能部件、激光加工技术及机械系统故障诊断。

E-mail：kxmjml###wyu.ca收稿日期：2012.08-18；收到修改稿日期：2012-10.10间的摩擦使毛坯紧压在凸模上，使拉伸变得更容易，属于有益摩擦力 剖，再如轧制设备中的轧辊表面与板之间的作用也有类似的作用。对这个问题的研究目前主要以激光毛化加工的形式进行，但对利用激光微造型增摩的研究还处于起步阶段 J。本文中利用激光微造型技术处理加工工件表面，以激光技术在工件表面加工出改善表面摩擦特性的微细结构7 J，研究激光造型对摩擦作用 的影响。试验表明，该方法对改善运动表面摩擦性能有显著成效。

1 非配合摩擦副之间的摩擦理论非配合关系的摩擦副有其明显特点：其-，摩擦副之间存在加工与被加工关系，使得两者之间的硬度及耐磨性要求不同，即为不同硬度之间的摩擦关系；其次，被加工对象允许有-定的摩擦量以保护模具的使用寿命；再次，通过模具表面性能来调整被加工对象之间的摩擦关系，在模具上进行处理来适应被加工对象的摩擦要求。由于光滑表面基本没有储激 光 技 术 2013年 7月油区而处于边界润滑状态，容易产生黏着磨损，而表面微造型的几何形貌能够极大地改善摩擦副的摩擦学性能 J，这就使得两者之间的表面质量为光滑表面与粗糙表面之间的摩擦关系，其中光滑表面为被加工对象 ，粗糙表面为模具表面。

对模具粗糙表面的主动优化设计，可控制材料的流动，改善应力应变分布及材料的成形性，利用激光微造型技术不仅可以在磨具表面上形成微小熔池，还可以形成硬度超过 HRC67的坑边环形凸起，利于提高模具表面的耐磨损能力，增加其耐磨性9 J。当硬化凸起点大邪分布间距不同时，其占基体的面积比例、硬化凸起点大孝分布间距等参量随之不同，因而使得摩擦性能有所不同，既改善了摩擦状态又保持了良好的润滑条件。图 1为光滑的朔性表面与粗糙的刚性表面相接触的情况，h为中心线之间的距离。

Fig.1 Contact between smooth surface and micro modeling surface图1为-光滑的刚性表面与另-具有均方根值为or√ 1 or2 的粗糙弹性表面的接触，or1和or2为两表面粗糙度接触时各表面的均方根值，当中心线间的距离为h时，只有轮廓高度z>h的部分才发生接触。在概率密度分布曲线中， >h部分的面积就是表面接触的概率，即：∞ e(z> )I。O(z)dz (1)式中，e(z> )为表面接触概率， (z)为凸起高度分布函数。

如果粗糙表面的峰点数为 n，参与接触的峰点数 m为： ∞ m I O(z)dz (2)各个接触峰点的法向变形量为 -h，实际接触面积 A为：，∞ AmR(z-h)n'rR I，( -h) (z)dz(3)Jn式中， 为粗糙表面弹性凸起的曲率半径。

由接触峰点支撑的总载荷量 为： ÷m职 (z-h) - --nER f，( -h) O(z)dz (4)J J 式中，E为粗糙表面的当量弹性模量。

通常实际表面的轮廓高度按照高斯分布。在高斯分布中，靠近z值较大的部分近似于指数型分布，若令 (z)exp(-z/or)，计算可得：rmexp(-h/or)J AnRorexp(-h/or) (5)l ÷以R o.3/2exp(-h/or)由以上各关系式可进-步得出 W A，W∞m，由此可知，在弹性接触状态下，两粗糙表面的实际接触面积及接触峰点数 目都与载荷呈线性关系。

当两材料表面塑性接触时，由以上分析可得： ∞ A21Tn尺J(z-h) (z)dz (6)WOrA2，rmRor 1.(z-h) ( )出即实际接触面积只与载荷呈线性关系，而与高度分布函数无关。

综上所述，实际接触面积与载荷的关系撒于表面轮廓曲线和接触状态。当凸起峰为塑性接触时，不论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷呈线性关系。而在弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于Gaussian分布，其实际接触面积与载荷也具有线性关系。

2 激光表面微造型及表面形貌2.1 激光表面微造型工 件 的 微 结 构 加 工 采 用 波 长 532nm 的Nd：YAG连续激光 ，连续激光器的功率为4W，可调输出频率10kHz，激光加工时，将工件固定在工作台上，工作台可沿 轴和 Y轴方向移动，激光从激光器出光口射出后，先通过扩束镜，再经过全反镜使激光照射方向垂直于工作台，最后激光束经过聚焦镜聚焦后照射在工件表面。通过工作台的轴和Y轴的移动带动工件的规律位置变动，从而实现激光对工件不同位置进行激光微结构加工。通过改变激光器输出电流大小来得到不同深度的微结构形貌 ，通过改变凹槽之间的间距来得到不 同微结构加工区域的占有率 。

2.2 接触区尺寸计算及试样表面凹槽尺寸设计本次试验分为 A、B两组，两组的试样加工参量如下。

a ，、 B，33f ·f ·.叶 儿， -g 1 《t1 fL：59 .61.m Iposition/gmb 34.2 叼L Ⅳ：0. )737hn， 。

I 、1 、 L：66 .5unposition/p.mJ I ·J J二 ] 暑∞ - . 42昌 0- 2- 4。8 -6- 8- lO- 12position/tmH： 3.87t ， r- B，、J- ， I L / 、f1 g--tN 三. 58.4l Lmposition/tmFjg.4 Screenshots of B sample surface mohdogy5.01xm，6.21xm-6.31xm和4.6 ～4.71xm。

在图4中，除了能测量凹坑的深度和径宽外，也可以清晰地看到激光加工时在工件表面产生的凸起部分，从对这些凸出部分的扫描结果来看，凸起高度和凹坑深度之比是最大值的0.6左右。

3 激光微造型对摩擦性能的影响磨损实验3.1 试验方法摩擦试验在 CETR公司的 UMT-3型多功能摩擦磨损试验机上进行，试验仪器参量设置如下：法向载荷 P为4.7N，9.4N和 14N；往复位移 d8mm；往复频率f25Hz；试验时间t30min。试验中，上试样为 65Mn弹簧钢材料的圆柱销，其硬度不大于302HB，端面直径 6ram，长度 30mm。圆柱度误差在0.002mm之内，上试样表面粗糙度为 0.407Ixm，由平面磨床磨削成形。

试验样品共有 l0个，分为 A，B两组，B组 5个样品只在载荷力 14N作用下分别进行摩擦试验，A组 5个试样除在载荷力 14N下进行试验，A 试样分别在4.7N，9.4N和 14N法向载荷力下进行统计试验。每-种形貌的试块都要经过上述步骤试验，每组试验重复3至5次，结果取平均值，B组试验时，设置统-的试验时间和 14N大小的载荷力。-次试验完成后，待上试件表面温度降至室温时，才进行下-次的试验。

试验选定的上、下试样运动时的相对速率在0.258m/s～1.031m/s之间，试验环境温度范围为l5℃～35℃，根据载荷力的大小，参照《润滑技术手册》，试验润滑油选择L-HM46抗磨液压油。其润滑油运动粘度为41.4m /s～50.6m /s(40oC)。

试验在恒定频率条件下，测量材料表面有凹坑分布的试件及表面没有凹坑的试件在逐步施加载荷过程中摩擦副摩擦系数的变化情况，并进行比较，分析规则排列凹坑对材料表面摩擦性能的影响。

3.2 凹坑微结构深度对摩擦系数的影响摩擦系数是评价润滑接触摩擦副摩擦性能的重要参量，凹坑直径、深度与间距大小直接影响着试件表面的粗糙度和表面结构，随着凹坑参量的变化，表面摩擦过程中的摩擦系数也会相应地发生变化。工件表面的环形凸起是引起摩擦和磨损的直接原因，表面粗糙的波谷则有利于润滑。表面粗糙的波峰变形和精整作用，引起含在波谷的润滑油不断地释放，有利于摩擦接触条件的改善u 。

图5中分别为凹坑直径-定情况下，深度大小为5.141m，8.881m，11.35 m和 14.461xm的试样在法向载荷力 14N、往复位移 8mm、重复频率25Hz时摩擦系数与时间曲线图。

由图 5可见，摩擦系数(coeficient of friction，COF)由大变小，之后又有变大的趋势。综合各个因素，在摩擦过程开始阶段，由于工件表面加工时产生的环形凸起硬化点，使表面粗糙度变大，致使摩擦系数也比较大；大约在 143s-49%，由于凸起的尖峰慢O 0 O 0 O O O O O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 7 5 2 O 2 5 7 O 2 - - l l 置 aI第37卷 第4期 康献民 激光微造型的非配合摩擦副表面增摩特性研究 453O.1芒oc)萋o.10a0 疆o.08U O.0time/sFig.5 COF CulTe of A sample surface while P14N，d8mm，f25Hz慢被磨削掉，摩擦系数渐渐变小，趋于-个稳定的值；在500s后，工件表面的摩擦系数又开始渐渐变大，主要因素是环形凸起被磨削后产生的微小磨粒，此时，试验磨损量也大大增大。同理其它的也有这种微弱的变化。

从实验结果可以得到 A，～A5的平均摩擦系数COF分别 为 0.08577，0.08791，0.0912，0.0965和0。09722∩知，工件表面微结构对摩擦系数的影响是不可忽略的，而且，表面摩擦系数随着凹坑深度的增大而增大。

图5为 A组试验样品的摩擦系数曲线比较图，从图中可以明显地看到，经过激光微造型后的工件表面摩擦系数要比未加工的大很多，之所以出现这样的现象，是因为工件表面激光微加工后产生凸台或毛刺，当两固体表面相接触时，实际相接触部分只占表观面积非常小的比重。实际相接触面积的大小及分布对摩擦特性有决定性的影响。

实际表面的峰顶形状大都是椭圆体。因为椭圆体接触区域尺寸远小于其本身曲率半径，所以粗糙峰可近似为球体，两平面的接触也可近似为-系列高度不同的球体相互接触，单个粗糙峰在弹性接触时的实际相接触面积仅为几何接触面积的-半。

3.3 凹坑面积对摩擦系数的影响图6中B -B 分别是凹坑直径和深度-定情况下，微结构区域面积占有率 24.49%，21.8%，aoU宕 0.1aU鼋0.0U 18.74%和 17.6%的试样在载荷力 F14N、往复位移8mm、时间t30rain时的摩擦系数曲线，凹坑平均直径为34.81xm，深度为 12.91xm。

根据实验结果可以得知，4个试样的摩擦系数分别为 0.08754，0.08909，0.08386和 0.08928。从图中看到每种形貌的表面对摩擦系数的影响区别不是很明显。

由图6可以看到，进行激光微结构加工的试样表面的摩擦系数远大于未加工的试样表面的摩擦系数，而不同微加工区域面积占有率对摩擦系数的影响区别不是很大，通过观察摩擦试验后的试样表面，基本上没有任何可视的改变。

3.4 载荷对试样摩擦特性的影响两个表面开始进入接触时，最初的接触只发生在几个粗糙体上，表面承受着法向载荷。随着载荷增大，环形凸起更多地嵌入光滑表面，两接触面之间进-步贴近，更多环形凸起进入接触状态，同时也使已发生的接触面积进-步增大，以承受增大的载荷。

接触区发生的变形将产生抗衡外载荷的应力，表面变形包括弹性、塑性、粘弹性或粘塑性等形式，具体的变形形式撒于名义正应力和切应力、表面粗糙度和材料性能 。显然，接触点的局部应力远大于名义应力，尽管名义应力可能处于弹性范围，但局部应力却可能超出弹性极限或屈服强度，使光滑表面的接触点处发生塑性屈服。在大多数接触状态中，由于两者之间的硬度差别较大，在接触条件下，模具的环形凸起发生弹性形变，而光滑工件表面接触点处发生塑性变形。

试验中，以不同的载荷力大小在同-个试样上进行摩擦试验，在固定往复位移和重复频率的情况下，对试样的摩擦过程加载不同的载荷量，时间设置为 30min。

从图7中可以看出，摩擦系数随着载荷的增加time/s Fig.7Fig.6 Friction curve comparison chart before and after laser processing蓦0·量o。

Utime/sFriction coeficient corve of sanle sam ple under diferent loadforce454 激 光 技 术 2013年7月而降低，此时，金属表面应该处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数发生这样的变化。图中，曲线 1为 F4.7N，t60min时摩擦系数变化情况；曲线 2为 F4.7N，t30min；曲线 3为 F9.5N，t30min；曲线 4为F9.5N，t5min；曲线 5为 F14N，t5min。

由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，这样摩擦系数也将随加载速度而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。

4 结 论试验结果表明，在模具表面进行激光微结构加工后，由于强化的环形凸起，使得工件表面的摩擦系数大于非激光处理前的摩擦系数。

工件表面微结构对摩擦系数的影响是不可忽略的，表面摩擦系数随着凹坑深度的增加而增大，而且，可明显地看到，经过激光微造型后的工件表面摩擦系数要比未加工的大很多，微结构区域面积占有率对摩擦系数的影响区别不是很明显。

工件表面激光微加工后产生环形凸起，当两固体表面相接触时，实际相接触部分面积的比重只占表观面积非常小的部分。实际相接触面积的大邪分布对摩擦特性有决定性的影响。

但是，本文中的分析结果都是基于-定压力、粘度和速度下得到的，需要进行进-步试验论证；所研究的凹坑型貌比较单-，对于其它凹坑型貌还未涉足。