齿轮表面织构化研究现状与进展

高速重载时齿轮摩擦界面的高温强应力场,是导致齿轮传动机构工作效率、运动精度及使用寿命降低的主要原因。应用表面织构可以改变齿轮副摩擦界面的摩擦学特性,为齿轮减摩降磨技术提供了一条新途径。介绍现有齿轮副齿面抗摩擦和磨损的主要方法,从理论上分析应用表面织构化齿轮减摩的可行性;分别综述表面织构技术在齿轮润滑和提高界面摩擦学特性方面的研究现状与进展,同时分析齿轮表面织构减摩机制、表面织构特征参数研究及表面织构设计方法方面存在的问题,提出后续应重点针对极端工况下的齿轮织构作用机制、特征参数与润滑效果关系及多变量齿轮织构设计方法开展研究,并展望齿轮表面织构技术对齿面减摩重要意义和应用前景。     

表面织构化磁流体滑动轴承的研究现状及进展

从磁流体滑动轴承的理论发展，影响磁流体滑动轴承性能的影响因素入手，重点阐述了磁场强度、纳米磁性颗粒和基载液对磁流体滑动轴承润滑性能的影响，并对磁流体滑动轴承的工程应用前景进行了评述；通过回顾表面织构的理论研究及减摩机理，对表面织构化滑动轴承润滑性能的研究现状进行了述评；结合表面织构和磁流体协同减摩作用的机理，指出当前表面织构化磁流体滑动轴承在润滑机理和试验研究方面存在的不足，提出后续应该重点研究表面织构和磁流体对滑动轴承的协同润滑效应，开展表面织构化磁流体滑动轴承的理论研究、数值仿真和试验测试。     

复合润滑结构表面在油润滑下的减摩性能*

为研究不同表面处理方式对巴氏合金/45钢配副表面减摩性能的影响,采用热压固化工艺将六方氮化硼封装于表面织构内,制备复合润滑结构表面;在油润滑下进行销-盘磨损试验,使用递归定量分析（Recurrence quantification analysis,RQA）参数划分磨损过程;研究复合润滑结构表面在磨合期和正常磨损期的减摩性能,并与纯织构表面减摩性能进行对比。结果表明：复合润滑结构表面拥有较低摩擦因数和显著减摩效果,其减摩性能优于纯织构表面;相比无织构表面,复合润滑结构表面在磨合期内的平均摩擦因数下降77.9%,在正常磨损期内的平均摩擦因数下降73.5%且磨合期的时长缩减75.0%;较大织构孔径的复合润滑结构表面的减摩效果更好且磨合期更短;纯织构和复合润滑结构表面的减摩效果均在较高速度和载荷下更显著;各试样表面在磨合期的摩擦因数越低,对应进入正常磨损期后就越低。     

织构排布方向对摩擦副摩擦性能的影响

织构具有减摩抗磨、提升油膜稳定性的作用,但常出现织构减摩作用不足的情况。这是由于织构定向润滑作用的存在,使得织构排布方向对减摩作用产生不同影响。采用仿真和试验方法,设计了混合摩擦条件下的摩擦磨损试验,以摩擦系数和磨损量作为评价标准,确定非对称织构的最佳排布方向。织构边缘与接触面摩擦方向夹角接近90°时减摩效率最高,比摩擦系数较夹角为0°时降低34%,磨损量降低78.43%。研究表明,在同参数同工况下,织构排布存在最优方向。丰富了织构化表面最优参数的设计体系,对织构的高效应用起到了理论指导作用。     

线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能

为研究线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能,建立其理论模型,并运用多重网格法进行数值分析,探讨工况参数(载荷、转速)和微织构参数(面积占有率、深径比)对表面油膜压力的影响;在MMW-1A摩擦磨损试验机上研究微织构面积占有率与摩擦因数的关系。结果表明,线接触条件下微织构化表面的油膜平均压力随着载荷和转速的增大而增大,随着微织构面积占有率的增大而先增大后减小,随着深径比的增大而减小;而摩擦因数随着微织构面积占有率的增大而先减小后增大再减小;存在最优的微织构面积占有率,使得油膜平均压力最大和摩擦因数最小。试验结果较好地验证了数值模拟结果,表明线接触摩擦副织构化表面具有较好的减摩特性。     

金属构件表面织构摩擦学性能的研究进展

金属构件是各种机器的必要组成部分,金属构件的磨损是机器失效的主要原因。金属构件表面织构技术作为提高金属材料表面摩擦学性能的方法,在机械、航天、化学、冶金和生物工程等很多领域已经被广泛应用。文章对相关研究成果进行了总结,重点对金属构件表面织构在干摩擦、边界润滑和流体润滑3种主要润滑形式下的减摩机理展开了讨论;揭示了金属构件表面织构在不同润滑形式下的主要减摩机理;归纳了金属构件表面织构的几何特征对其改善摩擦学性能的影响,包括织构的形状、深度、面密度和排列方式。文章还分析了各几何特征的最佳值及其与摩擦学性能的一般规律,发现几何参数合理的金属构件表面织构对降低金属构件表面摩擦系数,提高抗磨性能和油膜承载能力具有积极作用,且各种几何特征对金属构件表面织构摩擦学性能的提高是相互影响的。     

氧化锆陶瓷车削中刀具表面微织构参数对切削性能的影响

利用飞秒激光加工技术在硬质合金车刀后刀面加工出不同宽度和间距的沟槽型表面织构。通过氧化锆陶瓷材料干切削试验,研究织构化刀具磨损机理,分析织构参数对切削力和刀具磨损量的影响规律。实验结果表明：具有合理参数的后刀面织构化刀具能够明显降低切削力,减少刀具磨损。沟槽型织构通过储存切屑、稳定黏结物和对已加工表面上硬质点的二次切削作用,降低刀具后刀面的黏着磨损和磨粒磨损。织构的二次切削作用会导致切削力增大,与织构的减摩作用共同影响切削力。     

往复运动下圆凹坑形表面织构减摩性能研究

为研究圆凹坑形表面织构在往复运动下的减摩性能,尤其是织构面积率对摩擦因数和润滑状态的影响,在UMT-Ⅲ型摩擦试验机上进行往复式摩擦试验.试验中采用的摩擦副材料为Cr12与45#钢,在45#钢上加工出面积率为2％、6％、10％的圆凹坑形织构.保持运动频率不变,在不同载荷下试验,研究织构面积率在不同载荷下的减摩性能;然后改变往复运动频率,在固定载荷下试验,采用频率参数作为速度参数计算动压参数,绘制Stribeck曲线,研究织构面积率对润滑状态的影响.结果表明:当载荷较小时,较大面积率的表面织构减摩效果较好,当载荷较大时,表面织构具有增大摩擦力的作用,即表面织构的减摩效果对载荷敏感;在较小的载荷下,面积率较大的表面织构可以在较低的运动频率下进入流体润滑状态.     

表面微织构Al_2O_3-TiC陶瓷刀具的切削性能研究

研究了不同形状和不同结构尺寸的表面微织构陶瓷刀具切削45#淬火钢后,陶瓷刀具的前刀面月牙洼磨损形貌和后刀面磨损量,进而分析表面微织构对陶瓷刀具的作用机理和不同表面微织构的影响。其中,分别针对无微织构和三种不同形状,不同深度、宽度和间距的表面微织构陶瓷刀具做了单因素切削实验。实验结果表明,具有表面微织构的陶瓷刀具切削性能优于无微织构陶瓷刀具,过大的深度、宽度和间距反而不利于刀具前刀面的减摩。刀具表面微织构深度为10μm、宽度为25μm、间距为50μm时,与切削刃平行的横向微织构陶瓷刀具的切削性能最好,即该表面微织构的减摩效果最明显。     

表面织构改善摩擦特性的研究进展

介绍了凸包形、凹坑形及凹痕形等表面织构形貌,并对表面织构的几种加工技术进行对比。通过分析表面织构在工业方面的应用实例,阐述了表面织构在不同润滑状态条件下的减摩理论:附加流体动压效应理论、二次润滑理论和俘获磨屑颗粒理论。重点讨论了织构形貌、面积密度、纹理尺寸和深径比及分布形式等参数对摩擦特性的影响。同时运行条件和润滑状态对摩擦特性也起主要作用,但并非所有的表面织构都可以改善摩擦学特性,只有具有合适参数的表面织构在合适的运行条件和润滑状态下才可以显著改善摩擦学特性。总结了表面织构与涂层技术相结合、混合表面织构两种未来表面织构的研究方向,指出表面织构还需进一步深入研究的方面。     

表面织构创新设计的研究回顾及展望

近十年来,作为一种可以显著提高界面性能的方法,表面织构已成为国内外界面科学领域的一个研究热点。微细加工技术的进步,使得通过精确控制织构的形状和尺度,优化其界面性能成为可能;仿生技术的发展为表面织构设计提供了源泉;对表面织构作用机制的深化理解促使了其应用领域的扩展。目前,表面织构的应用已涉及减摩、抗磨、增摩、减振、抗粘附、抗蠕爬等多个领域。TRIZ理论认为实现发明创新的基本原理和规律是客观存在的。人们如果掌握这些原理和规律,就可以能动地进行设计和创新,其结果具有预测性和可控性。对表面织构的研究进展进行了综述,从TRIZ理论的角度进行了归纳和总结,并通过TRIZ理论对表面织构研究的发展趋势进行了展望。     

表面织构在齿轮泵关键摩擦副上的应用

为改善齿轮泵齿轮副与侧板这对关键摩擦副的抗磨损性能,基于表面织构的减摩机制,在试件表面加工了表面织构,通过摩擦磨损试验研究不同表面织构作用下不同材料间的摩擦因数、磨损量;选择减摩效果较优的织构参数加工于齿轮泵的侧板表面,装配并进行产品的台架试验。研究结果表明:在合理表面织构作用下,摩擦副试件的摩擦因数最大降低了45%,磨损量最大减小了87.5%;应用表面织构的齿轮泵台架试验运行时间达到10 000 h的设计寿命指标,且各项性能参数均满足设计要求。     

边缘凸起织构化压裂泵柱塞密封副摩擦磨损性能

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW 1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下（试验力400 N,转速200~1 500 r/min）,研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明：存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

船舶发动机链条销轴表面激光微织构形状对减摩耐磨性能的影响研究

船舶发动机长期处于复杂的海洋环境中,其链条等关键零部件在高湿度与高盐度的工况下极易磨损腐蚀,严重影响发动机的工作稳定性,进而影响发动机的疲劳寿命。针对上述问题,在链条销轴上设计了方形、正弦形和圆形3种形状的表面织构;试验研究了织构形状、面积占有率和深度对减摩耐磨性能的影响规律,以期为该领域长期面临的发动机链条磨损问题提供新的解决思路和理论依据。结果表明,与光滑无织构表面相比,织构的存在使表面磨损后的Cr元素含量降低,从而提高了表面耐磨性能。在3种织构形状中,正弦形织构表现出最优的减摩耐磨性能,且在高速轻载条件下的减摩率最大,约为31.9%。正弦形织构表面磨痕最浅,磨损过程以微动磨损为主,伴随着轻微的黏着磨损。     

微织构陶瓷刀具切削性能的有限元分析

为了研究表面织构对陶瓷刀具切削性能的影响,利用ABAQUS对其正交切削45淬火钢的过程进行二维仿真,分析了织构的参数对切削力、切削温度和刀具应力场的影响规律。结果表明:织构的宽度和间距对刀具的性能有重要影响,宽度较小的表面织构具有较好的减摩作用,当宽度大到一定程度,织构会对切屑产生二次切削,削弱甚至抵消织构的减摩作用;间距越小,起作用的织构的个数越多,刀具的性能越好,故在刀具表面置入合理参数的织构可以有效延长刀具的使用寿命。     

边界润滑条件下表面微细织构减摩特性的研究

表面织构(Surface texture)已被证明是一种提高表面承载力和改善表面摩擦学特性的有效方法。然而在边界润滑条件下,织构对表面摩擦性能的影响机制仍未明确。利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了具有不同密度和深度(125~500nm)的划痕的点阵,并通过改进的四球试验机对其在边界润滑下的摩擦性能进行了评价。试验载荷为100~300N,相对滑动速度为0.19~1.33m/s。研究发现:在边界润滑条件下,深度为125nm的低密度"划痕"点阵具有良好的减摩效果。     

三角形截面短凹槽织构化表面动压润滑理论研究

为研究短凹槽的润滑减摩机制,通过建立具有三角形截面短凹槽织构化平行滑块润滑理论模型,利用多重网格法求解润滑油膜压力分布,分析三角形截面短凹槽织构几何参数的变化对摩擦副表面的流体动压性能的影响规律。研究结果表明:短凹槽织构的长度对流体动压承载能力几乎没有影响;在特定的工况条件下,流体动压润滑效应随着凹槽宽度、深度与横向间距的增加而先增大后减小,分别存在最佳凹槽宽度、深度与横向间距使得流体动压润滑效应达到最大;流体动压润滑效应随着短凹槽织构纵向间距的减小而增大。     

Sn-Al2O3固体润滑剂填充钨钢织构界面摩擦学性能

为提高钨钢材料零部件的减摩抗磨性能,参照鱼鳞表面结构并结合有限元模拟仿生设计槽宽约0.6 mm钨钢试样;制备具有最佳配比的Sn-Al2O3复合固体润滑剂,利用高温熔渗将其填充于仿生鱼鳞状表面织构以制备Sn-Al2O3复合固体润滑剂填充钨钢织构试样,并在不同载荷-滑动频率下研究试样的摩擦学性能。结果表明：相比30 N-2 Hz、25 N-3 Hz、15 N-5 Hz和10 N-6 Hz工况,在20 N-4 Hz工况下试样具有最低的平均摩擦因数和磨损率。这是因为在相对较低的载荷和相对较高的滑动频率下,循环应力和摩擦热使塑性变形状态的固体润滑剂更易从织构中挤出而迁移到摩擦表面,形成完整的润滑膜,能够有效地提高试样的减摩抗磨性能。     

织构分布影响钻头轴承减磨性能的仿真和实验研究

针对织构分布角度对织构润滑减磨性能影响的问题,基于Reynolds方程建立单一织构全油膜润滑条件下的动压润滑理论模型,求解不同分布角度下织构表面动压润滑性能,并计算织构表面空化单元数目,从织构表面空化效应角度分析织构分布角度对织构动压润滑性能的影响。开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下单元摩擦学实验,通过对比摩擦副试样表面摩擦学性能分析织构分布角度的影响。数值仿真结果表明,织构表面空化离散单元数目越多,其动压润滑性能越好;单元实验研究结果则表明,基于捕获磨屑、减小二次磨损的作用机制,织构单元垂直于滑移方向的边长越长,织构表面的摩擦磨损性能越好。     

沟槽微织构硬质合金刀具的摩擦仿真分析

在硬质合金刀具表面加工微织构已成为减摩抗磨最有效的技术之一.为了分析表面微织构的几何参数对硬质合金刀具表面的减摩机理,利用ABAQUS有限元软件对微织构刀具表面的摩擦磨损过程进行模拟仿真,研究不同宽度、深度和间距的微织构参数对刀具摩擦过程中应力分布的影响.仿真模拟表明,硬质合金刀具表面的微织构可通过改变应力分布来改善应...