微凹坑织构表面摩擦学性能的实验研究

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Experimental Study on Tribological Properties ofLaser Textured Micro.dimple SurfaceFu Yonghong Tang Bohu Ji Jinghu Zhang Huawei。 Hua Xijun(1.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 2 1 2000，China；2.Shandong Power.Equipment Factory Co.，Ltd，Jinan Shandong 250000，China)Abstract：By using a Q switched diode-pumped Nd：YAG laser，micro-dimples with diferent geometrical parameterswere textured on 45 steel surface by using a process namedsingle pulse at a time.repeated at intervals”.The effects ofarea density and depth of the micro-dimples on friction coeficient were studied on the condition of oil-rich lubrication，andthe wear scar of surface was analyzed by using electronic scanning microscope.The experimentM results show that，underthe high speed and light load condition，the textured surface with appropriate micro-dimple parameters can obviously re-duce the friction coefficient compared with the untextured surface.The textured specimen with area destiny 15% and depth5 m of micro-dimples has the lowest friction coeficient，and the friction coefficient is reduced by 50% compared with theuntextured specimen.However，under the medium speed and load and the low speed and heavy load conditions，the rex-tured specimens have higher friction coefficient compared with the untextured surface.By observing the wear SCar，it isfound that micro-dimple can obviously reduce the wear。

Keywords：laser surface texturing；friction coefficient；wear ；reciprocating motion为了改善摩擦副的摩擦学性能，科研人员已在耐基金项目：国家自然科学基金项目 (51175233)；江苏势技支撑项目 (BE2010060)；江苏势技成果转化专项资金项 目(BA2010068)；江 苏 省 高校 科 研 成 果 产业 化 推 进 项 目(JHB2011-39)；常州市科技支撑计划 (工业) (CE20110041)；江苏省 六大人才高峰”项目 (08-B-04)；高等学校博士学科点专项科研基金项目 (20113227110016)；镇江市工业科技支撑项 目 (GY2012039)。

收稿 日期 ：2012-11-05作者简介：符永宏 (1965-)，男，教授，博士生导师，研究方向为摩擦学、激光应用技术与装备 .E-mail：fyh###ujs.edu.an。

磨材料、精细加工、润滑油及其添加剂等方面做了大量的研究工作，取得了丰硕成果↑年来 ，表面织构(Surface Texturing)作为-种表面工程技术，越来越受到工程技术人员的重视。表面织构即是在摩擦副表面加工出具有-定尺寸和排列的微凹坑或沟槽，以提高承载能力，降低摩擦因数，减少摩擦损耗 ；也可起到存储润滑油和收集磨粒的作用 。表面织构的加工方式主要有机械加工 、电解加工 和激光加工 等，其中激光加工因具有加工速度快、对环境无污染、易于控制等优点具有广阔的应用前景 。激光表面织构技术已经成功应在缸套 -活塞环 J、凸轮副 、模具川 、机械密封 、刹车制动盘 ]、计2013年第5期 符永宏等：微凹坑织构表面摩擦学性能的实验研究 21表 1 织构的几何参数Table 1 Geometric parameter of the micro-dimples1.2 摩擦磨损实验摩擦磨损实验选用美国 CETR公司生产的 UMT-2型多功能摩擦磨损实验机。实验时，采用销 -盘摩擦副。上试样装夹在上试样夹持装置中，下试样黏贴在往复运动的工作台上。通过伺服电机驱动凸轮 -连杆机构实现工作台的往复运动 ，往复行程为 10 mm。

采用 30 机械润滑油进行润滑 ，室温下润滑油的运动黏度约为98 mPa·S。实验开始前，在下试样滴加润滑油，实验过程中每隔2 min滴加-次润滑油，使摩擦副始终处于富油状态。实验时，选取的工况如表 2所示。

表 2 工况Table 2 Work conditions2 结果与讨论2.1 表面织构面积占有率Js 对摩擦因数的影响选取直径约为50 Ixm，深度为5 m，面积占有率分别为5%，15%，60%的3种不同微凹坑织构进行摩擦磨损实验，在高速轻载条件下，考察了微凹坑织构面积占有率对试样摩擦因数的影响，结果如图3所示∩以看出，各试样经过-段时间磨合后，摩擦因数均能处于-个相对稳定值，织构表面试样的摩擦因数均小于未织构试样的摩擦因数。这说明微凹坑织构起到了降低摩擦副表面摩擦因数的作用。同时，还可以发现存在最佳的面积占有率，使得微凹坑织构对试样表面的润滑减摩作用发挥到最大。在本文的实验研究中，面积 占有率为15%的2 试样的摩擦因数最小，比未织构试样的摩擦因数减小了50%，其启动时的摩擦因数也是最低，这说明2 试样在启动时，便具有了较好的润滑状态。此外，实验过程中2 试样的摩擦因数也是最早进入稳定状态，减小了摩擦因数波动对摩擦副的不利影响。从图3中还可以看出，面积占有率为5%的3 试样的摩擦因数存在波动，但是经过-段时间后 ，摩擦因数趋于稳定。

.20.16. 12.08.040 400 800 1 200 1 600Times tls图3 面积占有率对摩擦因数的影响Fig 3 Effect of micro-dimple area densi on friction coeficient2.2 表面织构深度 对摩擦因数的影响选取直径约为501m，面积占有率为 15%，深度分别为2，5，15 m的3种不同微凹坑织构进行摩擦磨损实验，在高速轻载条件下，考察不同微凹坑深度对试样摩擦因数的影响，结果如图4所示∩以看出，织构试样的摩擦因数均小于未织构试样，存在-最佳的凹坑深度使得试样的摩擦因数达到最校这-实验研究结果验证了Etsion 的研究结果。在本文的实验条件下，深度为 5 m的2 试样的摩擦因数最校从图中还可以看出深度为 2 m的4 试样的摩擦因数发生了较大波动，且有升高的趋势。产生这种现象的主要原因可能是凹坑的深度太浅，储存的润滑油较少，产生的流体动压润滑效应较弱，从而使试样的摩擦因数不稳定。

0 400 800 1 200 1 600Times t/s图4 深度对摩擦因数的影响Fig 4 Effect of micro-dimple depth on friction coeficient0 0 0 0 0 O O 蜀 u 器 0u 暑 k2013年第 5期 符永宏等：微凹坑织构表面摩擦学性能的实验研究激光表面织构试样表现出较好的耐磨性能，主要有以下几个原因：(1)表面织构提高了摩擦副表面的承载能力 ，减小了摩擦 因数 ； (2)激光对表面产生了 针扎”强化作用，使表面的硬度提高； (3)微凹坑起到收集磨粒的作用，减少磨粒对表面的犁沟作用。

3 结论(1)在高速轻载条件下，与未织构试样相比，微凹坑表面织构具有良好的润滑减摩作用；存在最佳织构几何参数 (面积占有率为15%，深度为5 m)，使织构试样的摩擦因数的最大降幅约为50%；织构试样表面由于磨粒耕犁作用而产生的摩擦磨损现象均小于未织构试样，微凹坑织构起到减摩抗磨的作用。

(2)在中速中载和低速重载条件下，与未织构试样相比，面积占有为 15%，深度为 15 m的织构试样的摩擦因数反而增大。这表明表面织构只有在特定的工况条件下才表现出有利的作用。因此对织构试样的表面摩擦学性能及润滑机制展开系统化的研究显得尤为重要。