微结构钢球展开轮增摩降磨特性分析

赵彦玲　张经纬　侯新新　潘承怡　孙蒙蒙

摘要：针对钢球缺陷检测过程中，镜面钢球打滑导致展开轮磨损这一问题，结合试验与有限元的方法，得到适合于展开轮的材料与微结构。首先，应用激光微造型技术在不同材料表面加工圆形凹坑微结构，采用单因素法在M2000多功能磨擦磨损试验机上进行滚滑复合干摩擦试验；结合试验工况建立基于Archard理论的微结构磨损模型；最后通过仿真技术模拟试验优选的材料在不同微结构表面的磨损性能，进而对微结构进行优选。结果表明：在滚滑复合干摩擦工况下，圆形凹坑微结构可以改善不同材料的摩擦磨损性能；利用磨损模型计算磨损系数能够应用于有限元中用以分析实际工况的磨损特性；优选出T10A和45钢在三角形和菱形微结构表面下具有较好的耐磨性能。为轮系结构耐磨材料及微结构表面的选取提供理论参考。

关键词：钢球展开轮；微结构；单因素试验；滚滑复合摩擦；磨损模型

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.002

中图分类号： TH1171

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0008-06

Abstract：The problem of the unfolding wheel wear in the defect detection process caused by mirror ball slipping is solved by combining test and finite element method to obtain the materials and microstructures suitable for the unfolding wheel First， laser texturing technology is used to process circular pit microstructures on the surface of different materials Single factor analysis method is used to carry out rollingslipping compound friction test on M2000 multifunctional friction and wear tester； Combining test conditions， the wear model of microstructures is established based on the Archard theory； Finally， The wear characteristics of different microstructures on the test preferred materials are simulated by simulation， thereby optimizing the microstructures The results show that 1）under the rollingslipping compound friction condition， the friction and wear behavior of different materials can be improved by the circular pit microstructures； 2）The wear model can calculate the wear coefficient， which is used to analyze the wear properties in finite element under actual working conditions； 3）The optimized triangle and diamond microstructures on the surface of T10A and 45 steel can show good wear resistance The theoretical reference is provided for the selection of wear resistant material and microstructures surfaces of gear trains

Keywords：steel ball unfolding wheel； pit microstructure； single factor test； ollingslipping compound friction； wear model

0引言

展開轮是钢球检测机构中的核心部件，通过摩擦传递力和运动以实现钢球的全表面展开，钢球与展开轮均为光滑表面，在展开过程中极易因打滑而导致钢球无法全表面展开，同时展开轮长期受到摩擦磨损、局部重力载荷作用而致其失效，因此对展开轮接触面增摩降磨特性的分析十分必要[1-3]。本文目的是研究在降低展开轮磨损程度的同时还要保证其在工作过程中具有足够的摩擦力，而目前国内外对材料在干摩擦条件下既增大摩擦系数又降低磨损程度的研究较少[4]。仿生学及有限元技术的发展为我们提供了新思路[5-7]，本文采用激光微造型技术在6种不同材料表面加工圆形凹坑微结构，通过摩擦磨损试验来分析不同材料微结构表面的增摩降磨特性，优选适合于展开轮的材料。基于Archard磨损理论，提出相应的磨损模型应用于有限元中，通过模拟试验优选的材料在不同凹坑形状下的磨损性能，得到材料与凹坑形状的最优匹配。为展开轮耐磨材料及微结构表面的选取提供理论参考。

1摩擦磨损试验

11接触模型简化

摩擦副的接触方式按初始接触状态（未承载）可分为点接触、线接触、面接触。从图1中可知钢球与展开轮接触方式为点接触和面接触，当受到挤压后，由于受到零件表面的弹性变形的作用，点接触会演变成面接触。为了方便试验以及使仿真更易收敛，本文在综合考虑了摩擦副接触运动状态后，最终将模型简化为线接触，代替面接触，简化的接触模型如图1所示。

12试验方案设计

参考国家标准GB/T 1244411990相关试验规范，采用M2000多功能摩擦磨损试验机进行标准试验，图2为试验机及试件装夹部分。为避免对钢球的二次污染，钢球展开时不允许添加润滑，故试验采用干摩擦形式。钢球检测过程中并非纯滚动，展开轮工作面提供侧翻运动的自由度，使展开运动形式为滚动兼滑动，根据钢球与展开轮实际工况来确定试验摩擦磨损形式为滚滑复合摩擦磨損形式，滚动摩擦远多于滑动摩擦，根据现有做滚滑试验的标准试验机，试验具体方案：滑滚比定为01，上试件转速定为180r/min，下试件200r/min。实际检测中钢球与展开轮接触力仅为15～20N，现有试验设备摩擦磨损试验机试验过程中振动较大，试验力过小难以保证测试精度，要得到较准确的观察量且为节省时间，采用放大法将试验载荷定为200N，以获得更直观的数据，试验时间为20 min，每组试验重复4次，试验结果取平均值。

13试件材料及设计加工

由于尼龙、陶瓷等材料与镜面钢球接触易产生打滑现象，导致展开轮无法将钢球表面全展开，无法保证钢球的检测精度，因此选用钢-钢配副的摩擦形式来研究摩擦磨损性能。综合考虑材料的成本及市面上获取的难易程度选择了6种试验材料，分别为T10A、GCr15、45钢、40Cr、20Cr、Cr12MoV。

在结合了圆弧面上加工微结构的难易程度后，本文选择凹坑直径为01mm的圆形微结构布置于试件接触面进行试验，并与无微结构试件试验进行对比分析。试件尺寸、粗糙度等相关参数如图3所示。

由于激光加工具有精度高、效率高、成本低且环保等优点，微结构加工采用光纤激光打标机加工试件试验面的微结构，加工深度为005mm，微结构其它的尺寸参数如图4所示。

14微结构参数测量

微结构几何参数的测量采用VHX1000超景深数码显微镜，该显微镜可进行二维图像测量及三维扫描成像，测量精度达到001μm。每组微结构试验随机抽取两个试件，每个试件随机选择3个凹坑位置，利用超景深二维图像测量功能及3D扫描功能考察激光加工凹坑微结构的尺寸参数，经测量得到：激光加工凹坑微结构尺寸参数直径φ、间距l及深度h的误差均满足设计要求，且一致性良好，可用来进行标准试验，其中一组实测尺寸参数如图5。

15试件结果分析

1）摩擦系数。摩擦系数是由试验机实时输出的，此时的摩擦系数是由摩擦功计算的平均摩擦系数。本文选取了硬度和表面粗糙度基本相近的6种金属材料作为实验对象，以稳定阶段的摩擦系数为观察量，去除由于干摩擦系统振动导致输出结果较大的点，得到滚滑复合干摩擦状态下，材料微结构与无微结构表面摩擦性能的对比，如图6所示。

从图6对比可以看到，材料表面经微结构造型后摩擦性能皆有变化，与无微结构试件相比，T10A、45钢、40Cr、20Cr摩擦系数均增大，GCr15和Cr12MoV摩擦系数减小。以无微结构试件摩擦系数为基准，表面微结构对T10A、20Cr、Cr12MoV三种材料的影响效果最明显，变化率分别为325%、332%、276%，其中T10A和20Cr摩擦系数上升，Cr12MoV下降；对45钢摩擦系数也有一定的提升效果，提升率为169%；但对GCr15及40Cr表面摩擦性能影响效果不明显，其中GCr15摩擦系数下降78%，40Cr升高72%。

2）磨损量。

实际试验结果中，下试件的磨损质量均小于上试件，这是由于下试件相当于钢球材料，硬度高于上试件。根据试验前后每组配副分别称量三次取质量平均值，计算不同材料在有微结构及无微结构条件下滚滑复合干摩擦试验的磨损质量及磨损率，计算结果如表1。

从表1中可以看到，除了20Cr外，其它带有微结构试件的磨损量均低于无微结构试件，这表明在滚滑复合干摩擦条件下，表面微结构可以改变材料表面的磨损特性，且针对不同材料影响效果不同。为更直观的比较微结构对不同材料磨损性能的影响，将各材料不同表面的磨损率参数绘制成折线图对比分析，如图7所示。

从图7中可以看出，当表面无微结构时，磨损率由小到大分别为：Cr12MoV、45钢、40Cr、20Cr、GCr15、T10A；当表面布有微结构时，磨损率由小到大分别为：45钢、40Cr、T10A、GCr15、Cr12MoV、20Cr。磨损率越小耐磨性越好，其中T10A磨损率下降的最快，45钢磨损率最低，不同材料微结构表面磨损率具体增减情况见表2。

从表2中可以看到，与无微结构试验结果对比，不同材料微结构表面磨损率均发生变化。微结构对不同材料表面的磨损特性影响不同，除20Cr材料表面磨损率增大外，其它微结构材料表面磨损率均不同程度的降低。

钢球与展开轮摩擦副间的摩擦系数越大越能保证钢球表面的全展开，同时增强材料的耐磨性可以直接提高展开轮的使用寿命。在摩擦系数上，表面微结构对45钢、T10A、20Cr的提升效果较为突出，尤其是20Cr，但提升后20Cr的摩擦系数仍小于45钢及T10A；在耐磨性方面，除20Cr外，表面微结构对其余5种材料的耐磨性均有所提高，其中T10A、GCr15及45钢提高效果较好。通过试验方法考察六种金属材料的摩擦磨损特性，得出适合于展开轮综合性能的材料为T10A和45钢。

2磨损模型的建立

Archard提出的粘着磨损模型认为两名义平滑表面的接触发生在一些高的微凸体上，在局部集中应力的作用下，接触处发生塑性变形，其理论模型[8] 为

V=KPLH（1）

式中：V为体积磨损量；K为磨损系数；P为施加的载荷；L为滑动距离；H为基体硬度。

将Archard模型中体积磨损量转化为质量磨损量，将式（1）两边同时乘以较软材料的密度ρ，则有：

W=ρV=KρPLH（2）

式中，W为较软材料，即试验中上试件的磨损质量。

接触摩擦过程中滑动距离L随时间的增量L（t）可用式（3）计算：

L（t）=v1-v2·t（3）

其中：

v1=2πn1r1（4）

v2=2πn2r2（5）

式中，v1、v2分别为上、下试件的线速度；n1、n2分别为上、下试件的转速；r1、r2分别为上、下试件的半径，本试验中上、下试件半径相等，即：

r1=r2=r（6）

将式（4）、（5）、（6）代入到（3）中得到：

L（t）=2π（n1-n2）rt（7）

将质量磨损W随时间的变量W（t）、磨损系数K随时间的变量K（t）及式（7）代入到（2）中得到：

W（t）=2π（n1-n2）rK（t）PHρt（8）

继而可推导出磨损系数K（t）

K（t）=W（t）H2π（n1-n2）rPρt（9）

3有限元仿真验证与优选

利用数值模拟可以模拟不同材料微结构表面的磨损性能。试验中由于加工条件的限制，只选取了圆形凹坑微结构，且由于试验条件的限制，进行大量试验费时费力，现利用磨损模型计算的磨损系数及有限元软件，对所优选的材料T10A及45钢进行不同微结构的数值模拟。仿真所选取微结构形状及尺寸参数如表3。

由图10可以看出，当凹坑面积为00314mm2时， T10A不同微结构表面磨损量从小到大依次为：菱形，三角形，六边形，八边形，正方形，圆形；45钢不同微结构表面磨损量从小到大依次为：菱形，三角形，六边形，八边形，正方形，圆形。结合摩擦系数的增大与磨损量的降低情况，得出摩擦副材料与微结构的匹配：T10A及45钢表面为三角形和菱形微结构时可以表现出较好的磨损特性。

4结论

在6种不同材料试件表面加工圆形凹坑微结构进行标准摩擦磨损试验，与无微结构试验组对比，得出凹坑微结构可以影响材料表面的摩擦磨损特性。并优选出适合于展开轮的材料为T10A和45钢。 基于Archard磨损模型，建立符合试验工况的磨损模型，可应用实际工况计算磨损系数。结合不同微结构表面试验及有限元仿真模拟验证，最终得到T10A和45钢在三角形和菱形微结构下表现出了较好的耐磨性能。

参 考 文 献：

[1]赵彦玲，夏成涛，王弘博，等.钢球展开过程运动学及动力学分析[J].机械工程学报，2015（20）：185-192

[2]ZHAO Y L，XIA C T，WANG H B，et al.Analysis and Numerical Simulation of Rolling Contact Between Sphere and Cone[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2015，28（3）：521-529.

[3]赵彦玲.基于图像技术的钢球表面缺陷分析与识别[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008：6-7.

[4]SUDEEP U，TANDON N，PANDEY R K.Performance of Lubricated Rolling/Sliding Concentrated Contacts With Surface Textures： A Review[J].Journal of Tribology，2015，137（3）：1-11.

[5]权秀敏，刘荣富，韩世萍激光表面微造型技术的研究现状及发展趋势[J].热加工工艺，2015（8）：5-7+11.

[6]戴振东，佟金，任露泉.仿生摩擦学研究及发展[J].科学通报，2006（20）：2353-2359.

[7]熊健 基于FWD的大厚度半剛性基层层间接触状态分析[D].长沙：长沙理工大学，2008

[8]ARCHARD J F， HIRST WAn Examination of a Mild Wear Process[J].Proc Roc Soc A， 1957（238）：515-528

（编辑：关毅）