表面微织构改善摩擦性能的研究进展

机械表界面行为和摩擦学密切相关,利用先进手段对摩擦副的表界面进行改性、改形和调控是目前的研究热点。表面微织构方法可以显著改善接触对表面摩擦特性。本文基于微织构的研究背景,论述了表面微织构加工方法、几何参数及其对摩擦性能的影响规律,阐述了微织构的减摩机理和应用,提出了后续的发展方向。     

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。     

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。     

人工髋关节织构化表面摩擦学性能研究

为研究微织构形状对人工髋关节表面摩擦特性的影响,在人工髋关节表面分别设计仿生菱形织构、圆柱形织构和圆环形织构,以雷诺方程为理论研究基础建立流体动压润滑模型,用ANSYS Fluent进行数值模拟,得到微织构表面润滑油膜的平均承载力和摩擦因数,并比较不同织构形状的摩擦学性能。结果表明：在所选织构参数、工况参数范围内,平均承载力随着面积率增大以及滑动速度的提高均呈现上升趋势,在面积率为25%、滑动速度为0.3 m/s时达到最大;摩擦因数随着织构面积率的增大而呈下降趋势,在面积率25%达到最小值,摩擦因数与滑动速度的关系则因织构形状的不同存在一定的差异;研究的3种形状微织构中,仿生菱形织构的摩擦学性能最佳。因此合理选择织构形状可以减少人工髋关节摩擦副表面间的磨损。     

表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展

表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸,且排列规律的图案,从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。介绍了常见的表面织构加工技术,阐述了不同工况下表面织构的减磨机理,总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响,并展望了表面织构技术的未来发展方向。     

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。     

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.     

YG8硬质合金表面沟槽织构的制备及其减摩特性

采用光纤激光加工设备在YG8硬质合金表面加工出沟槽织构,研究了激光加工参数对织构尺寸及形貌的影响,得到最佳激光加工参数;采用最佳激光加工参数在硬质合金表面加工出4种不同方向的正弦型沟槽织构,研究了干摩擦条件下织构的减摩特性。结果表明:随着激光功率、扫描次数的增加或扫描速度的减小,沟槽织构尺寸增大,但过高的激光功率或过多的扫描次数导致织构底部粗糙;最佳激光加工参数为激光功率40W,扫描速度100mm·s~(-1),扫描次数200次,此时沟槽织构表面形貌较好,织构宽度为160μm,深度为15μm;在试验载荷为2N、滑动速度为20mm·s~(-1)时,正弦中心线与摩擦方向成0°的正弦型沟槽织构的减摩效果优于正弦中心线与摩擦方向成30°,60°,90°的织构,且摩擦因数比光滑试样的降低了25%。     

粗糙度对微凹坑织构化表面摩擦学性能的影响

为了研究表面初始粗糙度和微凹坑织构共存时的表面摩擦性能,采用激光微织构加工技术在不同粗糙度的试样表面上加工出不同几何形貌的微凹坑织构,在MMW-1A摩擦试验机上进行正交摩擦学性能试验。结果表明:在混合润滑区域,表面粗糙度对摩擦性能的影响最为明显,未织构表面越粗糙,摩擦因数越小;存在合适的微凹坑几何参数与表面初始粗糙度值组合,使得织构化粗糙表面的摩擦性能达到最优;表面初始粗糙度对织构化粗糙表面摩擦性能的影响最为重要,其次为微凹坑的面积占有率,最后为凹坑深度,并且织构几何参数与粗糙度之间的交互作用对摩擦性能的影响也是不能忽视的。     

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。     

内燃机缸套-活塞环微织构设计与研究进展

微织构作为一种良好的表面改性技术已经被广泛应用于改善发动机缸套-活塞环摩擦副的摩擦性能。以微织构的研究方向为依据,分析微织构改善缸套-活塞环表面润滑摩擦性能的作用机制,总结和阐述织构复合化、组合织构以及织构仿生化等方面的研究现状和进展,最后,指出表面织构研究中存在的不足和对下一步研究重点的展望。     

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。     

刀具织构对表面粗糙度的影响

利用激光加工技术在刀具主后刀面上加工出微凹坑织构,对比分析普通刀具和织构刀具在不同转速条件下分别切削45#钢后工件表面的粗糙度,微织构刀具加工的工件表面粗糙度变化小,证明微织构刀具可以提高工件表面的加工质量.     

仿生微织构对刀具切削性能影响的有限元分析

仿生摩擦学的相关研究表明,高性能的表面微织构具有良好的减摩抗磨性能。本文利用ABAQUS软件,对无微织构和有微织构硬质合金刀具的二维直角切削过程进行了有限元分析。仿真试验表明:一定尺寸的沟槽微织构可以有效改善刀—屑摩擦过程中的应力分布状况,减少应力集中现象,既提高了刀具的减磨性能,同时还可以降低20%左右的切削力。然后,采用激光加工方法在YG8硬质合金刀片的前刀面置入不同宽度的沟槽微织构,在一定载荷条件下进行摩擦磨损试验。试验发现:沟槽型微织构可以有效地降低硬质合金刀面的摩擦系数,并且不同宽度的沟槽其减摩效果是不一样的。     

仿生微织构对刀具切削性能影响的有限元分析

仿生摩擦学的相关研究表明,高性能的表面微织构具有良好的减摩抗磨性能.本文利用ABAQUS软件,对无微织构和有微织构硬质合金刀具的二维直角切削过程进行了有限元分析.仿真试验表明:一定尺寸的沟槽微织构可以有效改善刀—屑摩擦过程中的应力分布状况,减少应力集中现象,既提高了刀具的减磨性能,同时还可以降低20％左右的切削力.然后,采用激光加工方法在YG8硬质合金刀片的前刀面置入不同宽度的沟槽微织构,在一定载荷条件下进行摩擦磨损试验.试验发现:沟槽型微织构可以有效地降低硬质合金刀面的摩擦系数,并且不同宽度的沟槽其减摩效果是不一样的.     

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展

表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。     

表面凹槽织构微机械加工及其摩擦学性能研究

作为新兴的表面改性技术,表面织构化可以有效减少摩擦,在摩擦表面应用较为广泛.本文介绍了0Crl7Ni7Al表面织构微机械加工技术,研究了相同载荷及转速工况条件下的光滑表面与凹槽织构表面在摩擦过程中的摩擦性能及磨损机理.研究发现,精雕JDGR200T高速加工中心可以加工0.8mm宽度0Cr17Ni7Al表面凹槽织构,且凹槽槽底圆滑平整,光滑表面的摩擦系数高于凹槽织构表面,但二者的磨损量差别不大.     

人工髋关节微织构减摩性能及织构参数优化

为改善钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,用激光在钛合金试样表面构造出不同参数的圆形凹坑;采用单因素试验利用接触角测量仪以及摩擦磨损试验机,研究微织构参数对接触角和摩擦因数的影响;采用响应面法建立凹坑直径、深度、面积率与接触角、摩擦因数间的二次回归模型,得出最优织构参数。结果表明:在给定的织构范围内随着凹坑直径的增加、深度的减小、面积率的减小,钛合金的表面接触角均减小;在选取较小的凹坑深度、合适的凹坑面积率和凹坑直径时,可以有效降低钛合金的摩擦因数,且凹坑直径和凹坑面积率的交互作用对摩擦因数影响最显著;优化得到的织构最优参数为直径230μm,深度10μm,面积率14%。试验结果与二次回归模型预测值有较高的一致性,说明建立的二次回归模型具有较高的可靠性。     

面向磨合性能的织构化粗糙表面试验研究

摩擦副的表面形貌对磨合性能具有重要的影响。为了考察随机的初始表面粗糙度和规则的表面织构共存条件下的磨合性能,开展一定工况参数下不同初始粗糙度参数及不同表面织构微孔直径的试样的磨合试验研究。结果表明:结合合适的初始粗糙度和表面织构能够有效改善磨合质量;随着初始表面粗糙度的增大,表面织构提高磨合性能的效果开始逐渐显现;而且初始表面粗糙度越大,其对应的最优微孔直径也越大;随着微孔直径的增大,其对应的最优初始表面粗糙度逐渐增大;考察磨合时间和考察摩擦因数条件下初始粗糙度和表面织构的变化趋势相同,但具体的最优取值有所差别。