机械零件非光滑仿生表面加工装置创新设计*

肖野洪 ，张宏斌 ，钟 林 ，王成龙 ，许绍华 ，李修权

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

0 引言

随着能源消耗日益剧增，人们越来越重视能源材料的利用率和使用寿命，节约能源受到全世界的关注，关于提高部件耐磨技术的研究也成为提升零部件寿命的关键。随着科技的进步，在仿生技术和凹形表面技术的减阻研究方面都已取得不错的成果。

孙友宏等[1]将非光滑表面技术应用于金刚石钻头的结构设计中，通过实验测试仿生钻头与普通钻头的失效和能耗差异，进而确定出一种具有耐磨减阻特性的仿生钻头，使其耐摩擦性能提高了47%。张琰等[2]通过模拟蝼蛄爪趾形状，使用多项式拟合方法得到蝼蛄爪趾的侧面轮廓线，并利用一体化成型技术制备出一种新型的挖掘机仿生斗齿样件，土壤切削试验结果表明，改进后的仿生斗齿受到来自土壤的切削阻力较非仿生原型斗齿降低11%左右。戴哲敏等[3]在陶瓷泥料切向阻力检测装置的喷嘴表面设计出一种仿生微电渗结构，使其具备仿生表面的减黏降阻性能。结果发现，仿生微电渗表面的减黏降阻性能可以有效减小泥料与壁筒间的黏着力，从而改善泥料的综合性能。许建民[4]根据美洲豹头部外形特点，设计出一种货车驾驶室前部的仿生减阻结构，并利用正交试验法对该减阻结构进行优化，最终优化出货车减阻结构的模型，使其气动阻力系数最小。结果发现，该结构的气动阻力系数比常见货车的气动阻力系数降低了8.93%。杨雪峰等[5]利用滚压成型技术在PVC 和PET薄膜上制备出一种仿生鲨鱼皮结构，探究了鲨鱼皮微凹槽结构的减阻性能，并分析了微凹槽结构的减阻机理。李凯杰[6]在离心泵叶片吸力表面制备出一种凹坑单元结构，并探究了叶轮表面非光滑单元对叶轮结构减震的影响规律。代翠[7]在离心泵叶片表面加工V型槽仿生结构，并利用数值模拟对离心泵内部流场进行系统分析。研究表明，离心泵叶片表面的仿生结构能够降低离心泵阻力的3.1%左右，进而提高离心泵的抽汲效率。

依据多数生物外表面非光滑特性，将非光滑特性应用在机械零部件表面时，可大幅度提升机械零部件接触表面的耐磨性，减少相对运动所带来的摩擦阻力、摩擦系数和黏附力。目前来讲，对零件加工的已知设备中绝大多数是针对光滑表面加工，尚无完备的加工设备能够实现对零部件表面加工出微坑使其形成非光滑表面。因此，本文提出通过仿生原型设计一种加工机械零部件非光滑微坑外表面装置，可以对柱塞、轴承等回转体零件的外表面不间断加工，具备可靠的加工精度和较高的加工效率。

1 非光滑仿生表面减阻机理

1.1 非光滑仿生表面的平整化作用

一般来说，采用机械加工方法制造的零部件，其表面粗糙度取决于加工质量，机械零部件的表面微观尺度存在凹凸不平的现象。传统摩擦副和非光滑表面摩擦副的结构如图1 所示，当两种试件各自接触表面发生相对运动或摩擦时，传统摩擦副表面依靠不锋利的凸起实现对机械零件表面的平整化作用，如图1（a）所示。然而，在仿生表面上，规则的仿生微坑边缘类似车刀，如图1（b）所示，其能迅速、有效地对机械零部件表面进行平整化处理，且跑合时间更短，减阻耐磨效果更为突出。

1.2 非光滑仿生表面的空穴减阻作用

当仿生结构零部件间摩擦副发生相对运动时，摩擦接触表面被液体或空气黏膜分开，产生一种虚接现象。上述仿生表面微坑内空气黏膜同时具有一定的承载作用，这种现象称之为仿生表面的空穴减阻作用[8]。单个微坑仿生表面的空穴减阻作用如图2 所示，仿生表面在油润滑条件下增加了润滑油膜的厚度，进而改善了摩擦副的润滑性能。此外，每个微坑结构能贮存少量的润滑油，在摩擦副接触工作时，微坑结构能够为摩擦过程提供润滑油，形成良好的油润滑摩擦环境，起到减小摩擦副接触面积进而减小摩擦阻力的作用[9]。因此，仿生表面的空穴减阻作用可以提高摩擦副的承载能力，还能显著降低摩擦表面的磨损速率。

图2 仿生表面的空穴减阻作用

1.3 非光滑仿生表面的形变减压作用

由于非光滑仿生微坑表面的刚度低于光滑表面的刚度[10]，所以非光滑仿生微坑表面所承受的局部应力比光滑表面的应力要小得多。在两光滑表面摩擦过程中，其中一个机械零件表面存在的局部凸起陷入另一个零件内部，使其表面出现深浅不一的沟痕。仿生微坑表面刚度较弱，在摩擦接触过程中，仿生微坑机械零件表面发生形变，相比较而言，降低了非光滑微坑表面的应力，这就是仿生微坑表面的形变减压作用。仿生微坑表面的形变减压作用如图3 所示，图中实线为仿生微坑表面的原形，虚线为摩擦应力作用后的结构形态。当仿生微坑表面承受一定的外部载荷时，其边缘区域会发生一定的形变，这种结构形变能够吸收部分形变能，同时可增大原形承载作用面积。因此，仿生微坑表面的形变减压作用可有效提高摩擦副的承载能力。

图3 仿生表面的形变减压作用

2 加工装置设计

通过结构分析、技术对比和原理研究进行了充分论证，制定机械零件表面加工装置设计方案，对现有装置的动力机构、运动机构、加工机构、支撑机构以及夹持机构的结构形式进行改进，可以完成对被加工机械零部件的可靠固定，且可以确保加工装置能够实现准确的定位导向，减少对零部件等非光滑表面加工时产生的误差，得到一种适用于制造机械零件仿生微坑表面的加工装置，机械零件非光滑表面加工装置结构如图4 所示。该装置包括X 向和Y 向水平运动机构，利用此加工装置可加工出具备仿生原型结构的零部件，能够更有效地延长被加工零部件的使用寿命。

图4 机械零件非光滑表面加工装置结构图

3 加工装置工作原理

加工装置运行过程中，将机械零件装夹在液压三爪卡盘上，启动第二电动机，旋转摇杆经过X 向滚珠使动板及与其连接的动力机构、加工机构X 向横向运动，改变Y 向滚珠驱动承载板及与其连接的动板Y 向水平运动。启动第一电动机，使在输入轴上的主齿轮转动，主齿轮与主齿轮两侧轮齿相互啮合，两侧轮齿又分别驱动4 个输出齿轮带动的2 个双联齿轮共同转动，与加工机构啮合的齿轮在输出轴的驱动下传递扭矩。加工装置中起导向作用的是支撑机构，使加工机构沿机械零件的端面运动加工。将水平导轨与衔接板紧固连接，在导轨上的滑块可直线移动，在可移动板的一端经过螺栓来固定衔接板，使其随可移动板共同X 向横向运动。将液压缸安装在与滑块紧连的横板上，为夹持机构提供动力源，装夹机械零件的过程可通过液压缸的控制操作实现。

采用该加工装置实施机械零件非光滑表面的加工过程需经历两个阶段，首次加工和二次加工。首次加工过程中，操控X 向和Y 向水平调整机构运动位置，将加工端口对准被加工零件的位置，在第一电动机带动下，将动力输送到加工端使其转动，通过改变液压缸使夹持机构有效地装夹零件，拨开固定横板上的固定插销，使摇杆顺时针旋转，驱动加工机构及底部动板运动，对机械零件进行加工。

二次加工过程中，首次加工结束后，使夹持机构松开机械零件，操控摇杆逆时针旋转，改变X 反方向横向运动，使加工机构离开被加工零件端面。通过旋转180°使夹持零件的三爪液压卡盘松开被加工零件，再次操控液压缸使被加工机械零件紧固在夹持机构中，使摇杆顺时针旋转，加工零件的对称端面。二次加工操作完毕后，控制液压缸使被加工零件从夹持机构脱落，驱动第二电动机，使装置整体Y 向水平运动，直到到达再次加工位置时断开第二电动机。反复第一、第二次加工过程，直至非光滑表面结构被加工于整个机械零件的端面。

4 结语

机械零件非光滑仿生表面所具备的平整化作用、空穴减阻作用和形变减压作用，使其具有优良的减阻耐磨特性。本文提及的加工装置对机械零件的端面可连续加工出微坑仿生表面，并且首次可在被加工机械零件半个端面制出4 个微坑，与首次加工只能形成1 个或2 个微坑相比，其能够大大提高加工效率，并降低能耗和加工时间。该装置特点是能够可靠固定待加工机械零件，并且实现精准定位导向，在工作时减少了对零部件加工非光滑仿生表面的误差。