沟槽型织构摩擦学性能的数值模拟与实验研究

陈　平，项　欣，李俊玲，邵天敏，刘光磊

(1 北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；2 清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京 100084)



沟槽型织构摩擦学性能的数值模拟与实验研究

陈平1，项欣1，李俊玲1，邵天敏2，刘光磊1

(1 北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；2 清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

为研究沟槽型织构角度及排布形式对接触表面摩擦学性能的影响，通过有限元分析软件对不同角度及排布形式的沟槽型织构进行数值模拟，利用YLP-20型激光加工系统在不锈钢圆盘表面加工沟槽型织构，并利用UMT-2摩擦磨损仪在旋转条件下进行摩擦实验。结果表明：沟槽型织构的数值模拟结果与实验结果基本吻合，加工有织构的摩擦副其摩擦学性能得到改善，且不同角度及排布形式的沟槽型织构对摩擦副的摩擦学性能影响不同，即当摩擦速率小于300r/min 时0°平行织构的摩擦因数较小；摩擦速率大于300r/min时90°平行织构有更好的减摩能力，故应用中要根据不同工况条件选择不同排布形式的沟槽型织构。

沟槽型织构；排布形式；数值模拟；油润滑；摩擦因数

减少机械零件的摩擦磨损，提高材料表面的摩擦学性能，一直是摩擦学工作者的重点研究课题[1-3]。合理的表面织构化技术以其降低摩擦、减少磨损、储油存屑等特性，成为改善接触表面摩擦学性能的有效手段[4-7]。目前国内外学者对凹坑型表面织构的摩擦学性能研究占大多数[8-11]，对沟槽型表面织构的研究相对较少，且近年来的研究多集中于沟槽尺寸、横纵向分布及噪声等方面。陈平等[12]的研究表明沟槽型织构的存在导致了摩擦因数的波动。Suh等[13]研究发现，减少沟槽面积率、增加滑动长度可减少磨损。Yuan等[14]的研究表明垂直于滑动方向的沟槽型织构表面在低接触压力下具有较好的减磨能力。Shi等[15]研究发现，增加沟槽数量、减少沟槽几何尺寸可以提高油膜承载能力。ALI等[16]通过数值模拟和实验研究证明，长度小于赫兹接触直径的横向浅沟槽有利于增加油膜厚度。Biboulet等[17]通过模拟分析，证实交叉织构的存在有利于减小阻力并提高活塞环的气密性。尹必峰等[18]通过在缸套表面加工沟槽型织构的研究发现，该织构可以有效地改善缸套-活塞环间的润滑状态。王正国等[19]的研究也表明沟槽尺寸及分布对摩擦噪声有重要影响。考虑到对多角度(运动方向与沟槽的夹角)分布及交叉排布的沟槽型织构改善接触表面摩擦学性能的研究较少，研究手段多以实验为主，本工作针对不同角度及排布形式的沟槽型织构对摩擦学性能的影响开展数值模拟和实验研究，利用UMT-2摩擦磨损仪进行摩擦实验，研究结果为沟槽型表面织构摩擦学性能的进一步探索和研究提供参考依据。

1　沟槽型表面织构的模拟

考虑到沟槽型织构与运动方向所成角度不同可能对织构的减摩效果不同，作者通过有限元软件模拟了不同角度的平行沟槽型织构。图1为沟槽型织构数值模拟单元，其中与润滑液流动方向平行的平面设定为对称边界，与润滑液流动方向垂直的平面设定为周期边界，上下面设定为壁面。图1中各参数分别为：油膜厚度h0，沟槽深度h，织构单元的边长L0，沟槽宽度W。模拟计算时，选取润滑油动力黏度0.1Pa·s，摩擦副上下表面相对运动速率1m/s，根据Half-Sommerfeld边界条件，通过比较正压区的平均压力大小来比较织构的承载能力，衡量流体动压润滑状态下沟槽型织构改善接触表面摩擦学性能的程度。

图1　沟槽型织构单元模型Fig.1　The cell model of grooved texture

1.1不同角度下平行织构的承载力

图2给出4种角度(运动方向与沟槽的夹角)的平行沟槽几何模型和压力分布图。从图2可以看出，不同角度的沟槽型织构对摩擦副表面压力的影响不同。当角度为0°和90°时，正负压区的压力对称分布，当角度为30°和60°时，其压力分布沿沟槽方向呈现逐渐增大趋势，这是因为织构表面的相对速率既有垂直于沟槽方向分量，也有平行于沟槽方向分量。

图2　不同角度平行织构压力分布图(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°Fig.2　The pressure distribution of parallel texture with different angles(a)0°；(b)30°；(c)60°；(d)90°

图3　不同角度平行织构正压区平均压强Fig.3　The average pressure of parallel texture with different angles in the positive pressure areas

图3给出了不同角度时，正压区的平均压强(即压力值)大小，可以看出当角度为0°，即沟槽方向与运动方向平行时，沟槽型织构几乎不能产生有效正压力。随着偏移角度增大，正压力逐渐增大。当角度为90°，即织构方向与运动方向垂直时，有效正压力最大，达到了16500Pa左右，可提供最大油膜承载力。当沟槽方向与运动方向所成角度为0°～90°时，织构提供的承载力介于最小与最大值之间。

1.2不同角度下交叉织构的承载力

针对图2及图3所示的模拟结果，根据文献[17],将0°和90°平行沟槽型织构进行组合、30°和60°平行沟槽型织构进行组合，建立了如表2所示的交叉织构几何模型，并在条件不变的情况下对其进行了数值模拟分析，分别得到了0°(垂直)和30°交叉沟槽的压力分布图(图4)。从图4中可以看出，当交叉沟槽角度为0°时，正负压区呈对称分布，但是在沟槽处，压力变化梯度很小；当角度为30°时，由于其速率有平行于和垂直于沟槽方向分量，其压力分布形式相当于表1中30°和60°平行沟槽型织构压力分布图的组合。

图4　不同角度交叉织构压力分布图(a)0°；(b)30°Fig.4　The pressure distribution of cross texture with different angles(a)0°；(b)30°

图5给出了0°和30°交叉沟槽型织构正压区的平均压强(即压力值)大小，可以发现0°时的压强值比30°时的压强值稍大。总体来说角度对交叉沟槽型织构的影响没有其对平行沟槽型织构的影响大，其中90°平行沟槽型织构产生了最大的承载力，而0°平行沟槽型织构则产生了最小的承载力，0°和30°交叉沟槽型织构产生的承载力大小相差不多。

图5　不同角度交叉织构正压区平均压强Fig.5　The average pressure of cross texture with different angles in the positive pressure areas

2　实验

2.1试样加工

上试样选取尺寸为φ8.0mm×13mm的不锈钢圆柱销，对其表面进行抛光处理，表面粗糙度Ra约为0.450μm。下试样选取尺寸为φ70mm×4mm的不锈钢圆盘，使用全自动维氏显微硬度计测得其硬度279～306HV。利用YLP-20型激光加工系统对下试样进行不同织构的加工，激光器功率0.3W，填充线间距0.005mm，沟槽间距约400μm，加工次数为2次，共加工了4种不同角度及排布形式的沟槽织构，分别为0°平行沟槽、90°平行沟槽、0°交叉沟槽、30°交叉沟槽(图6)。

图6　沟槽型织构示意图及其放大图(a)0°平行沟槽；(b)90°平行沟槽；(c)0°交叉沟槽；(d)30°交叉沟槽Fig.6　Schematic and enlarge images of grooved textures(a)0° parallel groove；(b)90° parallel groove；(c)0° cross groove；(d)30° cross groove

在激光加工织构的过程中，可能使织构边缘产生铁屑及毛刺，增加下试样表面的粗糙度，从而影响织构对接触表面间润滑性能影响的判断，故实验前用机械抛光机对下试样进行抛光，以去除下试样表面的铁屑和毛刺。另外，为了保证上下试样为面接触，实验前选取数目分别为3000目和7000目的砂纸代替下试样，对上试样进行打磨和抛光，防止由于上试样安装过程中出现小范围倾斜造成上试样与下试样只有较小面积发生接触。打磨和抛光的过程载荷1N，速率500r/min，分别运行30min。

2.2摩擦学性能实验

实验前所有试样均依次在丙酮和酒精中各超声清洗10min，用吹风机吹干。旋转摩擦实验在UMT-2摩擦磨损实验机上进行，下试样选取加工沟槽织构的不锈钢圆盘，并选取未加工织构的试样进行对比实验，在室温下(20℃，相对湿度41%)考察摩擦副在充分润滑条件下的摩擦学性能。润滑油选用长城牌汽油机油SE15W-40，旋转流变仪测得其黏度为20℃下0.293Pa·s,25℃下0.230Pa·s，实验前在各试样表面滴两滴润滑油，其体积约为2.5×10-5mL，实验过程中不再滴加润滑油。传感器规格500g，载荷1N，转速为100，200，300，400，500r/min，旋转半径约25mm，对应线速率分别约为0.25，0.5，0.75，1，1.25m·s-1，各速率下均运行3min。为保证实验数据的准确性，每个实验进行3次，取平均值。

3　结果与分析

图7为沟槽型表面织构试样的三维形貌图和二维形貌图，可以看出，沟槽的深度约5μm，且边缘较为平整，表面粗糙度Ra约为0.1μm。

图7　沟槽型表面织构试样形貌图(a)3D形貌图；(b)2D深度形貌图Fig.7　The profiles of grooved surface texture samples(a)3D profile；(b)2D profile of depth

无织构试样和沟槽型织构试样在不同速率下的平均摩擦因数如图8所示。可以看出，整个速率范围内织构试样的摩擦因数始终小于无织构试样的摩擦因数，当速率低于300r/min时，0°平行沟槽型织构的摩擦因数相对较小，但当速率大于300r/min后，90°沟槽型平行织构的摩擦因数开始低于其他几种织构表面，这可能是因为0°平行沟槽型织构不易产生流体动压润滑效应[18]，其主要减磨机理是补给润滑，虽然运动方向与沟槽方向一致可使润滑油流动比较顺畅[14]，但随速率增加，沟槽内部分润滑油被甩出接触区域，补给润滑减弱，故其摩擦因数相对增大。而90°平行沟槽型织构可产生流体动压润滑效应，且随速率增加流体动压润滑效应增强，织构可提供更大的额外承载力，故速率大于300r/min后其摩擦因数相对较小。整个速率范围内，0°和30°交叉沟槽型织构的摩擦因数相差不多，低速时略高于0°和90°平行沟槽型织构的摩擦因数，速率大于400r/min后开始低于0°平行沟槽型织构，这可能是由于速率越大其润滑油的流动性和在摩擦副接触表面储存润滑油的能力越好，但是否其他角度的交叉沟槽具有相似的实验结果以及具体的机理分析还有待进一步研究。

图8　不同沟槽型织构平均摩擦因数曲线Fig.8　The average friction coefficient curves of different grooved textures

图9为各试样在整个实验过程中的平均摩擦因数。从图9中可以明显看出，整个实验过程中，90°平行沟槽型织构试样的平均摩擦因数最小，与之前数值模拟的结果相吻合；无织构试样的平均摩擦因数最大，说明沟槽型织构改善了试样摩擦学性能，减小了试样的摩擦因数。结合图8的实验结果，加工沟槽型表面织构时，应根据不同工况条件下织构不同角度与排布形式的特点和优势进行选择[15]：速率较小时，0°平行沟槽型织构有较好的减摩能力，当速率大于300r/min并继续增加时，90°平行沟槽型织构可以提供更好的摩擦学性能。

图9　不同沟槽型织构平均摩擦因数Fig.9　The average friction coefficient of different grooved textures

图10为试样表面磨痕图，其中图10(a)，(c)为无织构表面，图10(b)，(d)为90°平行沟槽型织构表面。从图10(a)，(c)中可以看出，无织构表面存在较多磨屑和明显的磨痕，这可能是由于磨粒磨损产生微观切削所致；而图10(b)，(d)中加工了沟槽型织构的试样表面没有明显的磨痕，部分磨屑处于沟槽内或沟槽边缘，这说明沟槽型织构有容纳磨屑的能力，有效抑制了磨屑对表面的伤害，避免了如无织构表面一样的磨痕出现，这对于提高机械零件表面质量和使用寿命是有益的。另外，对沟槽型织构试样表面进行了小范围的化学成分分析，结果显示沟槽内检测到钙、镁等润滑油的化学成分，证明沟槽型织构具有存储润滑油的能力，验证了沟槽型织构储油存屑，减少磨损，改善摩擦副摩擦学性能的积极作用[20]。

图10　试样表面磨痕图(a),(c)无织构试样；(b),(d)90°沟槽型试样Fig.10　The SEM graphics of grinding marks of samples(a),(c)none-textured sample；(b),(d)90° grooved sample

4　结论

(1)在沟槽型织构的数值模拟中，90°平行沟槽型织构显示出最好的摩擦学性能，0°平行沟槽型织构则产生了最小的承载力，0°和30°交叉沟槽型织构产生的承载力大小相差不多。

(2)在载荷1 N，滑动速率0.25～1.25m·s-1的实验研究中，无织构试样摩擦因数始终最大；速率小于300r/min时0°平行沟槽型织构的摩擦因数较小；速率大于300r/min时90°平行沟槽型织构摩擦因数较小; 0°和30°交叉沟槽型织构的摩擦因数始终较大。整个滑动速率下90°平行沟槽型织构的平均摩擦因数相对最小。

(3)数值模拟和实验结果基本吻合，沟槽型织构表面可有效改善摩擦副表面的摩擦磨损性能，且织构角度和排布形式不同对试样表面摩擦学性能的影响不同，应根据不同工况条件选择不同织构。多角度交叉沟槽型织构的摩擦学性能还有待进一步研究。

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Experimental and Numerical Investigation on Tribological Performance of Grooved Texture

CHEN Ping1,XIANG Xin1,LI Jun-ling1,SHAO Tian-min2,LIU Guang-lei1

(1 School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China；2 State Key Laboratory of Tribology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

In order to study the influence of the angle and arrangement forms of micro-grooves on the tribological performance of the contact surface, the finite element analysis software was used to simulate the grooved textures with different angles and arrangements. The YLP-20 laser processing system was used to process grooved texture on stainless steel disk surfaces, and the Tribometer (UMT-2) was also used to conduct tribological test under the condition of rotation. The results show that the numerical simulation values are basically consistent with experimental results of grooved textures, and the tribological performance of the friction pairs with textures is also improved. The grooved textures with different angles and arrangement forms have different influence on tribological performance of friction pairs. When the friction velocity is less than 300r/min, the parallel texture with 0° has smaller friction coefficients. While the friction velocity is larger than 300r/min, the parallel texture with 90° has a better ability of reducing friction. Therefore, different grooved textures should be chosen according to operation conditions.

grooved texture; arrangement form; numerical simulation; oil lubrication; friction coefficient

陈平(1973-)，女，副教授，博士，研究方向：表面织构及其摩擦学效应，联系地址：北京市海淀区学院路30号北京科技大学机械工程学院(100083)，E-mail:chenp@ustb.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.005

TH117.1

A

1001-4381(2016)06-0031-07

国家自然科学基金资助项目(51305023)；中央高校基本科研业务费专项(FRF-BR-15-037A)

2015-07-01;

2015-12-23