表面粗糙度对微动摩擦特性的影响

鲤 1年第28卷第5期 表面粗糙度对微动摩擦特性的影响 石心余。刘启跃 (西南交通戈学 机械工程学院，四川 成都 610031) 摘耍：通过实验研究，探讨了表面粗糙度对微动摩擦特性影响的作用 表面粗糙度高时接触表面之问的摩擦系数会有明 显增加：在微动状志下表面粗糙度对表面磨损影响不戈 关键词：表面彤貌；微动；摩擦系数 中圄分娄号：THI17 l 文献标识码：A 文章编号：1006一o316(200~)05—0026—03 Effect of the roughness of surface on fretting S H】Xin～vu。L兀J Oi—gue (School of Mechanical EIlginee血g，Southwest Jiaotong University Chengdu 61003]I Chli~a) Alraract：Frettingtestsikad been carried outfordifferertt LI曲 surface The effect ofthedisplacement amplJtut!e onfretting behaviour has beenim'estgnted A11aly出 0ffretting condition~z~aminntiotts revealtkat，thefretting coefficient offriction increasewith surfaceliaca~as— ing _andthereislittle effect on scat"for differentmL surface． Key words：roosh sttrface；fretting ；coefficient offriction 表面粗糙度对机器零部件的摩擦、磨损特性有 着十分重要的影响。当两表面相接触时，其真实接 触面积相对名义接触面积只是很小的一部分。因 此，在这些接触的微凸体之间会产生的塑性流 动，这一方面使得接触的微凸体被挤人其相邻的凹 谷部分，使表面变得逐渐平滑，增强表面的承载能 力；另一方面，表面接触微凸体间的塑性变形，容易 造成粘着冷焊作用，引起粘着磨损。 微动是发生于接触表面之间振幅极小的往复运 动 。j。影响微动摩擦特性的参数较多，而有关表面 粗糙度对微动摩擦特性影响的研究文献并不多。本 文通过实验研究，探讨了表面粗糙度对微动摩擦特 性影响的作用，认为在微动过程中，表面粗糙度对接 触表面的摩擦力有一定的影响，但对接触表面的磨 损影响不大。 1 试验简介 试验是在西南交通大学的DELTAL~B．NENE型 微动疲劳试验机上进行。摩擦副是采用球与平面接 触，运动形式为平移。试件材料为45 钢和滚球轴 承钢GCrI5(表 1)。 表 1 材料的化学成份及机械性能 试验工作中选用的平板试件表面粗糙度是利用 表面不同处理方法而得：试样 I表面为抛光处理；试 样2表面是600 砂纸打磨处理；试样 3表面是用 360 砂纸打磨处理。利用 TALYSURF-6形貌仪测试 得到4种试样的表面粗糙度参数如表2所示。 试验过程中记录了不同循环次数的表面摩擦力 与位移幅值变化的曲线，即为摩擦特性三维图(摩擦 力一位移一循环次数)，数据处理与记录利用计算机 与试验同步进行。 表2 试件 2表面粗糙度参数 牦莩暑羿 2石00心1亲-0(tl 257一)，女．蕈庆^。工程师，主要从事摩擦学研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 机微 2001年第28卷第 5期 2 试验结果与讨论 2．1 微动区域 大量的试验表明微动存在 3种基本的摩擦力 (F )一位移(D)变化图 ：① —D曲线基本封闭， 呈直线形，其力学特性符合Mindlin理论 ，接触表 面处的位移主要由弹性变形控制；②F，一D曲线完 全打开，呈平行四边形，接触表面处发生较大的相对 运动(滑移)；③F，一D曲线处于以上二者之间，似 椭圆形，除弹性变形外，尚有接触表层的塑性变形或 表面之间的部分滑移发生。微动过程主要由以上 3 种基本的摩擦力(F )一位移(D)图组成，并由此可 将微动分为不同的微动区域。 图1(a)和图1(b)是法向载荷值 F =300N，运 动频率f=1Hz，循环次数 Ⅳ为 1∥，平板试件是iii=样 1，位移幅值分别为 D=±5lun和 D=±2fm1时的微 动摩擦特性三维图。由于金属表面有污染膜的存 在，微动初始阶段摩擦系数较低，随着循环次数增 多，表面污染膜破坏，部分金属接触表面开始直接接 触，表面之间粘着摩擦力增加。图 1(a)中(D=± 5 m)初始时切向力与位移幅值的循环是四边形，但 经过几次循环后表面污染膜破坏，随着部分金属表 面直接接触，摩擦力增加，切向力与位移幅值的循环 近似为线性封闭的，接触表面间处于粘着状态，称为 部分滑移区域的微动；图 1(b)是位移幅值 D=± 2『』m时的摩擦特性三维图，切向力与位移幅值的曲 线循环始终是四边形循环，接触区域始终处于滑移 状态，称为滑移区域的微动。 图】 不同位移幅值时的微动摩擦特性三维图( ．=3tJON，，=1Hz) 2．2 部分滑移区域表面粗糙度对微动的影响 表面粗糙度对表面变形量有较大的影响，在相 同的载荷作用下，当表面粗糙度大时，支承面积减 小，真实接触面积降低，表面微凸体塑性变形量增 加，粘着摩擦力增大。 图2是法向载茼值 F =300N，运动频率 ，= 1l-lz，循环次数 Ⅳ为 1 ，位移幅值分别为 D：-4- 5Ⅲ ，不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图 图中表明，表面粗糙度增大导致了摩擦系数提高。 作者认为出现这种情况主要是微动在部分滑移区域 一 ～ ／ ·，⋯ }0= ·- ：下! 时，接触表面间处于粘着状态，表面粗糙度愈高，微 凸体变的更尖锐，将增大接触表面的塑性应变率，导 致表面之间的冷焊粘着摩擦力增加。 对于部分滑移区域的微动，接触区域是由二部 分组成，即中心圆的粘着区域和边缘圆环的滑移区 域，中心粘着区域无相对滑移，金属表面无磨损，但 边缘处有相对滑移，故边缘圆环有少量的磨损。图 3是图2工况下磨痕廓形曲线，测试仪器为TALY． SURF-6形貌仪。图中发现在干态时，位移幅值为 D =±5tan时，表面基本不磨损。表面只有塑性变形压 痕，随着表面粗糙度的增加，磨痕深度和宽度基本保 持不变。 试 样 l — — ^ ＼ — — ／ 一 图2 不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图(D=± 删) 围3 不同表面粗糙度对表面磨痕的影响(D=±5inn) 维普资讯 http://www.cqvip.com · 28 2．3 滑移区域表面粗糙度对微动的影响 图4是法向载荷值 F ：300N，运动频率 r= 1Hz，循环次数 Ⅳ为 l ，位移幅值分别为 D=± 5}m，不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图。 在滑移接触状态，表面粗糙度不同时对摩擦系数有 一 定程度的影响，表面粗糙度较大时，摩擦系数值略 高～些。 Numt~r of c Ie 图4 不同表面粗糙度对摩擦系数 影响的曲线圈(D=±20 ) 滑移区域微动主要为3个阶段，即初始阶段、过 渡阶段和稳定阶段。过渡阶段损伤机理极为复杂， 在过渡阶段前期，随着原有的氧化膜挤碎、磨破，金 属表面直接接触面积增多．形成了广泛的冷焊点，粘 着摩擦力迅速上升，随着微动循环作用次数增加，冷 焊点疲劳破坏，形成磨屑，接触表面变粗糙，新的表 面不断形成粘着、破裂，之后随着松散的磨屑逐渐增 加，一定程度上妨碍了金属表面的直接接触，冷焊点 减小，粘着摩擦力开始下降，表面之间磨粒磨损作用 增强，微动处于过渡阶段后期，当表面之间完全被磨 粒垫分离开时，此时表面摩擦力趋于稳定，微动过程 逐步进入稳定阶段。在稳定阶段磨粒磨损和疲劳磨 损是共同作用的，即由于二金属表面之问被大量的 磨屑隔离，金属表面不再直接接触，粘着磨损作用消 失。而大量的磨粒在微动过程中，因氧化而细化，形 成一些小的滚珠，在二金属表面上来回滚动，氧化的 机搏 200】年第 28卷第 5期 磨粒极硬，在软的表面将划伤表面，产生划痕；而在硬 的表面，则囡多次循环的作用使表面产生疲劳磨损。 图 5是图4工况下磨痕廓形曲线。图中发现位 移幅值为D=±20inn时，与图3工况比较表面磨损 较大，有一个深坑，即微动幅值对接触表面磨损影响 较大。随着表面粗糙度的增加，磨痕深度和宽度基 本保持不变。 图5 _不同表面扭糙度对表面磨痕的影响( =±cove) 3 结论 上述分析表明表面粗糙度是影响激动摩擦特性 的一个较为重要的参数，但它对微动摩擦特性的影 响视情况不同而不同：在部分滑移区域，表面粗糙度 的变化对摩擦力会造成较大的变化，表面粗糙度高 时摩擦系数明显增加；在滑移区域，表面粗糙度的变 化对摩擦力的影响相对较小。在微动状态下表面粗 糙度对表面磨损影响不大。 参考文献： [i】李诗卓，董祥林．材料的冲蚀磨损与微动暗损 [M]．北京 ：机械工 业出版社．1987． [2]刘启跃．用仲荣．脂润滑对微动蘑掼特性影响的研究lJ]．摩擦学 学报，1999．t9(2)：102—106． [3]~tou z R．F'ayeulle S，Vincent L_Cracking bdlaviottr 0f vm50us lⅢ — nium alloys duringfretting Ⅻ。口] wnr．1992．189：51—57． [4]Jolm~a K L．Contac1日 h ∞[M 3．1m ：c日n 妊 Unh,er~ Press．1'985． (上接第 25而) ： c ： c 一 +2_5／／ 同样，回转支承的最太当量静负荷为对两边滚球分别 按式(6)和式(7)或式(8)和式(9)计算后取其最大值。 显然，根据连接方式的不同以及载荷方向的不 同计算公式是不一样的。例如液压挖掘机回转支承 的载荷主要是上部转台和工作装置的重量以及作业 时在铲斗切削刃处的挖掘反力，挖掘反力的方向和 大小是变化的，因此回转支承的载荷也变化，应该按 照具体工况下载荷的情况采用对应的计算公式，否 则一律采用式(1)可能使结果偏大或偏小。 同样，对于交叉滚拄式回转支承承载能力的计 算方法也存在类似需要注意的问。 参考文献： [I]同济大学．单 斗液压挖掘机LM 北 京：中国建筑 拒出龋社 I [2]汪宁智 回转五荤及其连接姆推曲选掣计算[J】．工程机槭．1987 f1])． [3：胡进明 单排球式同转支承的设计与计算 J]工程机械、]988 f10】． [4]何挤大学 单斗挖掘机[J】．北京_畔一国建筑工业出版社，1992 g号 苫 Jo gu 维普资讯 http://www.cqvip.com