微凹坑织构化粗糙表面摩擦学性能研究

【摘要】：表面织构技术能够显著提高机械零件的摩擦学性能,也已成为表面工程与摩擦学领域的研究热点之一。近年来,人们对于织构化表面摩擦学性能的研究大都忽略了粗糙度的影响。然而,当润滑油膜的平均膜厚和表面粗糙度在同一数量级时,粗糙度对润滑性能的影响是不可忽略的,而且随着膜厚的减小,粗糙度效应不断增大。因此,研究粗糙度对微凹坑织构化表面摩擦学性能的影响具有较为重要的科学意义和工程价值。首先,本文引入确定性模型的概念,采用正弦模型粗糙峰模拟粗糙表面,基于质量守恒定律空化边界条件,建立平行运动的粗糙表面流体动力润滑确定性模型,采用多重网格法计算润滑油膜压力分布曲面图,通过改变正弦粗糙峰的峰高和波长分析油膜承载能力随粗糙度变化的规律。结果表明,具有一定粗糙度的两个平行运动滑块表面间可以产生流体动力润滑效应,并形成具有一定承载能力的润滑油膜。存在最佳粗糙度使得油膜承载能力达到最大,润滑油膜的平均无量纲压力随着正弦波长的呈线性递增的关系。然后,综合考虑粗糙度和微凹坑织构的相互影响,建立微凹坑织构化粗糙表面流体动力润滑确定性模型,通过分析润滑油膜压力分布曲面图和平均压力,研究正弦模型粗糙峰条件下微凹坑的几何参数对油膜承载能力的影响规律。结果表明,两相邻微凹坑织构之间的相互影响不能简单忽略;平均无量纲压力随着正弦模型粗糙峰峰高的增大而减小,但平均无量纲压力的大小几乎受波长的影响;存在使平均无量纲压力达到最大的最佳的微凹坑深度和面积密度。最后,采用面-面接触式摩擦副对微凹坑化试样进行摩擦学特性试验。试验分为两个部分,先以不同粗糙度的未织构表面为研究对象,在MMW-1A摩擦磨损试验机上做摩擦试验,根据试验结果绘制的Stribeck曲线表明,在混合润滑区域,表面粗糙度对摩擦性能的影响最为明显,未织构表面的粗糙度值越大,摩擦系数越小。接着设计正交试验研究在混合润滑状态下,粗糙度和微凹坑参数对表面摩擦性能的耦合作用。结果表明,表面粗糙度对织构化粗糙表面摩擦性能的影响最为显著,其次是微凹坑面积占有率,影响程度较弱的是微凹坑深度。