微结构表面展开轮摩擦磨损特性与仿真研究

2021-12-02潘承怡童圆栖曹冠群赵彦玲

中国机械工程 2021年22期

潘承怡童圆栖曹冠群赵彦玲

哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨，150080

0 引言

钢球的表面质量直接影响轴承的性能和寿命，因此，钢球表面缺陷检测是钢球生产中十分重要的环节。目前，捷克SOMET公司的AVIKO 系列钢球表面自动检测仪被广泛应用于钢球表面质量检测[1]，其核心部件展开轮直接决定钢球的展开程度。展开轮两侧的非对称圆锥面通过摩擦力的作用，带动钢球切向滑动并产生一定角度的偏转，实现钢球表面以螺旋线形式展开[2]。展开轮表面受滚滑复合摩擦，造成展开轮过度磨损而影响钢球检测精度是其常见失效形式，所以减少磨损是要解决的问题之一；另外，由于展开轮和钢球均为光滑表面，表面粗糙度较小，产生的摩擦力也较小，在展开过程中容易出现打滑现象，造成钢球个别区域漏检，所以增大展开轮表面的摩擦因数是要解决的问题之二。因此，采取有效措施，在提高展开轮表面摩擦因数的同时减少磨损是解决问题的关键。

近年来，仿生摩擦学的发展为改善各种机械零件表面的摩擦磨损性能提供了新思路[3-4]，利用仿生物体表面的凹坑、凸起或条纹，使零件表面获得各种优良的性能。LIANG等[5]在滑动轴承中的润滑材料聚四氟乙烯上加工一系列凹坑微结构，发现凹坑的深度与转移膜厚度匹配有利于减少摩擦，且较小的凹坑直径有利于减少磨损。HAKAN等[6]将微结构应用于发动机轴承，发现带有横向微凹槽轴承的摩擦因数和摩擦力均大于普通轴承的摩擦因数和摩擦力。DE等[7]在套筒表面加工微结构，发现摩擦力比光滑表面提高了70%，且耐磨性提高。尹必峰等[8]发现微结构表面可以形成油膜压力改善缸套与活塞环之间的润滑状态。SUGIHARA等[9]设计了微条纹表面刀具，发现该表面可显著提高刀具在干湿切削下的抗黏结性能。KAISEGI等[10]还发现微纹理刀具可减小表面摩擦和切削力，提高切削过程中的可加工性。KANG等[11]分别在干摩擦和润滑条件下测试微结构表面的摩擦磨损性能，发现与光滑表面相比，干摩擦条件下的微结构表面会增大摩擦，而水润滑条件下表面摩擦会减小。孙建芳等[12]得到两种润滑条件下摩擦磨损性能最好的微结构参数，其磨损率相比光滑表面分别降低了39.7%和30.6%。朴占鹏等[13]利用激光在YG6X硬质合金试件表面制备不同尺寸参数的沟槽型和凹坑型表面微结构，发现微结构表面均能减少摩擦和磨损。张高峰等[14]用金刚石在硬质合金表面加工微结构进行摩擦磨损试验，发现微结构表面硬质合金有利于降低摩擦因数。赵彦玲等[15]对不同形状的表面微结构摩擦磨损特性进行了比较，证明微结构表面可以起到增摩降磨的作用，但只对在平面上加工的微结构进行了研究。孙蒙蒙[16]对圆柱与圆柱间线接触的微结构表面摩擦磨损特性进行了研究，发现线接触与实际钢球检测过程中的点接触状态有一定差距。本文将凹坑微结构应用在锥形展开轮表面，结合试验和有限元仿真的方法研究展开轮工作表面的摩擦磨损性能，为后续展开轮微结构表面耐磨性研究和展开轮寿命预测提供基础理论。

1 展开轮工作原理及简化

展开轮依靠其自身特殊结构与表面摩擦力将钢球表面完全展开，其工作原理如图1所示。驱动轮在电机的作用下以角速度ω1旋转，并与钢球接触于点A，通过摩擦力带动钢球以角速度ω2旋转，钢球与展开轮的双锥面分别接触于点B、点C，钢球在旋转时通过摩擦带动展开轮以角速度ω3旋转。由于展开轮的双锥面是非对称的，钢球在旋转时会受到两个锥面施加的不同方向和大小的切向摩擦力FB、FC，在两个切向摩擦力的作用下钢球以角速度ω4侧向翻转，使钢球上各点以螺旋线的形式运动，从而形成钢球的全表面展开。钢球与展开轮之间既滚动又滑动，但磨损主要是由滑动摩擦产生的，滚动摩擦造成的磨损相对较微小，可以忽略不计。由于展开轮形状特殊且价格昂贵，不便于大量试验，而且不对称双锥体的偏锥角很小(±1°)，较难加工，锥面上也不便于加载，因此，在试验时进行等效简化处理。在钢球与展开轮接触点C处作展开轮表面的法线，该法线与展开轮回转轴线的交点为M，以CM为半径作假想圆柱体，以圆柱体等效替代圆锥体,并以此进行试验设计和仿真分析。

图1 展开轮工作原理及简化Fig.1 Working principle and simplification of unfolding wheel

2 摩擦磨损试验

2.1 试件制备

试验中钢球采用的材料为轴承钢中较常用的GCr15(高碳铬钢)，硬度为HRC62～65，钢球直径12.7 mm。为了避免与展开轮的摩擦和挤压使钢球表面受损，展开轮的材料硬度应略低于钢球材料硬度且具有较好的耐磨性，故试件材料选用Cr1Mo2W50(碳化钨硬质合金)，此材料经淬火后硬度可达HRC59～64[17]，确定试件外径26 mm，内径10 mm，厚度10 mm。采用LM-YLP-20F型光纤激光打标机在试件周向外表面加工圆形微凹坑，加工后的微结构表面试件和光滑表面试件实物如图2所示，圆形凹坑在试件表面呈阵列分布，图2中l为两相邻圆形凹坑圆心之间的距离，l=0.6 mm，d为圆形凹坑直径。图3所示为超景深显微镜下观测到的微结构表面凹坑，微结构的具体参数见表1。

(a)光滑表面试件 (b)微结构表面试件 (c)微结构尺寸图2 光滑表面试件与微结构表面试件实物图Fig.2 Smooth surface test piece and microstructure surface test piece

(a)d=100 μm (b)d=150 μm(c)d=200 μm图3 不同微结构表面试件凹坑放大图Fig.3 Enlarged pits on different microstructure surface test pieces

表1 试件表面凹坑微结构几何参数Tab.1 The geometrical parameters of the pit microstructures of the test pieces

2.2 试验设备及方法

图4 点接触摩擦磨损试验机Fig.4 Point contact friction and wear tester

2.3 试验结果及分析

2.3.1摩擦因数

舍去前2 min磨合期的摩擦数据再计算平均数[18]，将每组试验前几分钟的平均摩擦因数作为试件的实际摩擦因数，测得不同微结构尺寸试件的摩擦因数，见图5。可以看出，微结构表面试件的摩擦因数都大于光滑表面试件的摩擦因数。1号光滑表面试件平均摩擦因数为0.18；凹坑直径为200 μm的4号微结构试件平均摩擦因数最大，为0.25，与光滑试件相比，摩擦因数增大了约38.9%；其次是凹坑直径为150 μm的3号试件，平均摩擦因数为0.23，与光滑试件相比摩擦因数增大约27.8%；凹坑直径为100 μm的2号微结构试件平均摩擦因数为0.22，与光滑试件相比摩擦因数增大了约22.2%。以上数据说明，微结构在干摩擦条件下能增大试件表面的摩擦因数，且凹坑面积越大，摩擦因数越大。其原因主要是微结构会降低试件表面的光滑度，造成表面粗糙度增大，使摩擦因数增大；同时凹坑的边缘在与钢球相互摩擦时会产生一定的阻力，直径越大则阻力越大。微结构的这种增摩特性使展开轮表面与钢球间不容易打滑，从而避免钢球展开时出现漏检区域，提高了检测精度。

图5 不同表面试件的摩擦因数对比Fig.5 Comparison of friction coefficient of different surface test pieces

2.3.2磨损量

将通过试验所得的光滑表面试件和微结构表面试件的磨损量列于表2，可以看出，光滑表面试件的磨损量最大，微结构表面试件的磨损量均小于光滑表面试件的磨损量，说明微结构在干摩擦条件下能降低试件表面的磨损程度。随着圆形凹坑面积的增大，磨损量随之减小，说明微结构凹坑面积会对试件磨损性能产生影响。凹坑对磨屑有一定的捕获作用[19]，可以减少摩擦副表面的磨粒磨损。在凹坑深度相同的情况下，随着凹坑直径的增大，凹坑的体积也增大，其容纳磨屑的能力随之提升，两摩擦副表面之间的磨粒减少，从而降低试件表面磨损程度。此外，由于激光加工凹坑时，聚焦的离子束使被加工区温度很快上升到相变温度，当激光加工完毕后，温度下降，被加工区即凹坑边缘发生自冷淬火，将铁素体转变为马氏体，使凹坑周围的硬度比基体硬度增大16.5%，从而提高了试件表面的耐磨性[16]。

表2 不同试件的磨损量对比Tab.2 Comparison of wear amount of different test pieces

2.3.3磨损形貌

图6所示为干摩擦磨损试验后在超景深显微镜下的不同微结构表面磨损形貌，可以看出，直径为100 μm凹坑的表面和凹坑边缘最模糊，犁沟较多，且磨痕较宽，说明其磨损最为严重；直径为200 μm的凹坑表面磨痕很细，无明显犁沟，且凹坑边缘最清晰，磨损程度较轻；直径为150 μm的凹坑表面磨痕较窄，有少量犁沟，凹坑边缘清晰，磨损程度适中。随着圆形凹坑直径增大，微结构表面磨损程度降低，降磨效果更加明显，此结果与试验中磨损量对比结果吻合。

(a)d=100 μm (b)d=150 μm(c)d=200 μm图6 不同直径凹坑的表面磨损形貌Fig.6 Surface wear topography of pits with different diameters

3 磨损数值模拟及结果分析

3.1 磨损的计算模型

展开轮在磨损前期以黏着磨损为主，在磨损后期还会有少量的磨粒磨损，因此，在计算其磨损时采用Archard黏着磨损公式[20]，通过磨损因子表达磨粒磨损的影响。Archard磨损模型中，体积磨损量W与磨损因子K、法向载荷p、相对滑动距离L和表面硬度H有关：

4.讲求战斗性。战斗性体现党内政治生活的较真。党内政治生活要具有战斗性，就必须开展思想交锋。要开展积极的思想斗争，克服好人主义，运用批评和自我批评的武器，敢于揭短亮丑，旗帜鲜明坚持真理、修正错误、克服缺点，激浊扬清、扶正祛邪，坚决抵御各种腐朽思想的侵蚀。要敢于同一切不良行为作斗争，把纪律挺在前面，严格执纪问责，坚决查处违反纪律规矩的行为，对歪曲、丑化、否定党的言行进行坚决反对和抵制，对腐败实行“零容忍”并坚决查处。

W=KpL/H

(1)

对黏着磨损过程进行微分，式(1)可以转化为

dW=KH-1dpdL

(2)

将W、p、L分别用微元表达为

(3)

式中，h为磨损深度；σ为摩擦副接触点的接触应力；v为相对滑动速度。

在有限元分析软件中，磨损深度比磨损量更直观也更为重要，由式(2)和式(3)可推导出磨损深度表达式：

dh=KH-1vσdt

(4)

通常摩擦副的磨损与应力和滑动速度的关系为非线性，需要对式(4)进行修正，引入速度指数α和应力指数β，则式(4)可以表示为

dh=KH-1vασβdt

(5)

对式(5)选取一个接触节点，假设它在确定的一段极短时间Δti内的磨损深度为Δhi,j，其中，i表示磨损次数，j表示节点编号，则

Δhi,j=KH-1vασβΔti

(6)

对于该节点，n次磨损的磨损深度为

(7)

式(7)表示第j个节点在历经n次磨损过程后的磨损深度，它是基于有限元数值模拟推导得到的离散化的Archard磨损模型。

3.2 有限元数值模拟

采用ANSYS Design Modeler建立实体模型，钢球和试件的尺寸以及微结构的凹坑直径、间距、深度等参数均与试验一致。如表3所示，根据实际工况对材料属性进行定义，并设置边界条件。钢球与试件之间的接触设置为面-面接触，接触类型选择摩擦，摩擦因数设置与试验一致。在试件的圆心位置建立一个旋转驱动并输入一个44 rad/s的旋转速度，在钢球上方施加一个沿y轴负方向的力，大小为2 N。进行分析时，只截取一段进行反复磨损，将模型中不参与数值模拟计算的部分进行抑制，有限元模型如图7所示。对于每一次磨损数值模拟过程，设置磨损微段时间为0.02 s。Workbench运算过程中需要在摩擦接触中初始化APDL模块，该模块需要Archard磨损模型的相关参数，主要涉及的参数包括磨损因子K、速度指数α、应力指数β及材料的布氏硬度H，以上参数均可通过试验获取，具体相关参数见表4。

表3 钢球及试件的材料属性Tab.3 Material properties of steel ball and test piece

(a)光滑表面网格划分(b)微结构表面网格划分图7 光滑试件和微结构试件的网格划分有限元模型Fig.7 Finite element model of smooth and microstructure test pieces divided by mesh

表4 磨损数值模拟中APDL模块相关参数Tab.4 Related parameters of APDL module in wear numerical simulation

3.3 结果与分析

3.3.1压应力分布与磨损关系分析

图8和图9所示分别是光滑表面和微结构表面单个凹坑的应力分布及截面应力分布(取相对于凹坑几何轴的1/4截面表示)。可以看出，光滑表面的应力集中于一点，最大应力为225.67 MPa；而微结构表面的应力分布在凹坑边缘，最大应力为299.08 MPa，虽然比光滑表面的最大应力略大，但高应力区范围比光滑表面的范围小，而且光滑表面的高应力区分布在次表层，微结构表面的高应力区分布在凹坑边缘上表层。在与钢球的反复摩擦过程中，光滑表面由于高应力区范围相对较大，且处于次表层，所以它比微结构表面更易形成尺寸大的剥落金属屑，附着在摩擦副表面，从而造成三体磨粒磨损[21]，并产生犁沟效应使磨损加剧。另外，激光加工凹坑时产生的瞬时高温改变了材料的金相组织，使凹坑边缘附近具有较高硬度的马氏体，比其他位置的铁素体硬度大，微结构凹坑因高应力区较小，在硬化区之内，与光滑表面相比更加减少了黏着磨损。此外，微结构凹坑因高应力区小，即使磨损它产生的剥落金属屑也比较小，并且剥落的金属大多落入凹坑中，同样工作条件下比光滑表面附着的磨粒数量减少，从而亦降低了摩擦副表面的磨损。所以，凹坑微结构表面可以通过改变应力的分布状态，在增大摩擦因数的同时减小展开轮的磨损。

(a)光滑表面正面应力分布 (b)光滑表面截面应力分布图8 光滑表面正面应力分布及截面应力分布Fig.8 Stress distribution diagram of front and cross-section on smooth surface

(a)微结构表面凹坑正面应力分布 (b)微结构表面凹坑截面应力分布图9 微结构表面单个凹坑正面应力分布及截面应力分布Fig.9 Stress distribution diagram of front and cross-section single pit on microstructure surface

3.3.2磨损深度分析

图10和图11所示分别为光滑表面试件和凹坑直径为100 μm的微结构表面试件在与钢球摩擦不同次数后的磨损深度。由图10可以看出，随着摩擦次数的增加，光滑表面最大磨损深度的位置始终固定不变，这表明在摩擦过程中一直是同一个位置处于剧烈磨损状态，这样容易造成某一区域过早失效。图11中，微结构表面最大磨损深度位置并没有集中于一点，而是随磨损过程的推进出现在沿钢球运动方向的不同凹坑边缘附近，此结果与上述应力分布结果吻合。微结构表面的最大磨损深度位置相对分散，磨损相对均匀，有利于延长摩擦副的寿命。当摩擦次数分别为5、10和15时，光滑表面最大磨损深度分别为1.21×10-6mm、1.79×10-6mm和2.35×10-6mm，微结构表面最大磨损深度分别为5.94×10-7mm、8.14×10-7mm和9.54×10-7mm，可知当摩擦次数相同时，光滑表面试件最大磨损深度始终明显大于微结构表面试件最大磨损深度，说明微结构表面有较好的耐磨性。

图10 光滑表面在不同摩擦次数时的磨损深度Fig.10 The wear depth of the smooth surface at different wear times

图11 微结构表面在不同摩擦次数时的磨损深度Fig.11 The wear depth of the microstructure surface at different wear times

通过大量的有限元模拟计算，得到光滑表面和凹坑直径为100 μm的微结构表面最大磨损深度随时间变化的关系曲线，如图12所示。可以看出，光滑表面的磨损深度随时间增大较快，微结构表面的磨损深度比光滑表面的磨损深度明显降低，且与磨损时间成非线性变化，磨损率曲线平缓，说明同一时间内，光滑表面磨损速度较快，而微结构表面能减少磨损。随着磨损时间的延长，在磨损后期，光滑表面试件的磨损越来越严重，而微结构表面试件的磨损率有降低的趋势，说明磨损后期其降磨效果更加显著。将试验得到的磨损量和与之对应的仿真结果均换算成试件旋转一周时的磨损量进行对比，得到图13所示光滑表面试件和100 μm、150 μm、200 μm直径凹坑微结构试件磨损量对比情况。计算得到其误差率分别为8.2%、3.3%、5.5%、6.9%，此误差在可接受范围内,因此，利用所建磨损仿真模型可以代替试验而获得更多参数表面微结构的磨损结果。

图12 最大磨损深度随时间变化的关系曲线Fig.12 The relationship curve of the maximum wear depth with time

图13 试验结果与仿真结果对比Fig.13 Comparison of test results and simulation results

利用所建磨损模型进行模拟仿真得到2 N和3 N载荷下凹坑直径从100 μm到400 μm的微结构表面和光滑表面的磨损深度，将摩擦次数为5时的磨损深度绘制出图14所示的磨损深度变化趋势折线。可见，微结构表面的磨损深度均小于光滑表面的磨损深度，随着凹坑直径的增大，磨损深度先逐渐减小后逐渐增大，凹坑直径在300～350 μm范围时，磨损深度有所波动，但仍大于凹坑直径为150～250 μm范围时的磨损深度，当凹坑直径为400 μm时，磨损深度显著增大，说明凹坑直径太大引起的摩擦力增大对磨损的影响已经大于微结构的减磨效应,因此，通过试验和仿真综合分析，确定微结构表面圆形凹坑直径选取范围为150～250 μm最为适宜。为更具普遍性，换算为坑径与球径之比，即凹坑直径为钢球直径的1.18%～1.97%为较佳取值范围。