通过激光加工表面织构减少往复接触中的摩擦和磨损
Sorin-Cristian Vlădescu , Andrew V. Olver , Ian G. Pegg , Tom Reddyhoff
Tribology Group, Department of Mechanical Engineering, Imperial College London, South Kensington, Exhibition Road, SW7 2AZ London, United Kingdom
摘要:
本研究的目的是深入了解激光织构表面凹槽之间的相互作用和汽车活塞-内衬配对的摩擦磨损行为。为此，使用最近开发的往复式试验装置在高负荷条件下进行磨损试验。将具有一系列表面织构的熔融石英样本与凸面钢垫进行摩擦，并将产生的摩擦和磨损数据与非糙面样本的数据进行比较。设定接触条件以消除初始表面粗糙度对织构行为的影响。这些测试表明，随着样本磨损和表面粗糙度增加逐渐过渡到混合润滑及边界润滑状态。这导致织构样本的相对性能显著改善，与非织构样本相比，摩擦力降低高达70%。这与先前的结果是一致的，先前的结果显示表面织构在混合润滑状态下具有增加膜厚度的效果。表面织构也有助于减少磨损体积，高达 69%（对应于磨损系数从2.67e-4至0.81e-4 [mm3/N m]）。另一个重要的发现是，摩擦和磨损随着沿行程的凹槽体积之和的增加而单调递减。这可能有助于织构设计，因为这意味着只要整体体积最大化，单个凹槽宽度和深度在很大程度上可以忽略。这种趋势的唯一例外是凹槽面积大于接触面积。在这种情况下，由于润滑剂薄膜塌陷导致摩擦力增加，而磨损减少仍未受到影响，这表明凹槽可能通过单独的机制减少磨损和摩擦。
关键词：激光表面加工、织构、摩擦磨损
1.介绍
表面织构作为控制滑动接触中摩擦和磨损的手段已经研究了大约五十年[1]，因为它的实现相对简单，并且可以与其他润滑方法结合使用。目前，由于需要提高汽车触点[2] 的能效，而这又是由更严格的 CO2 排放限[3]和气候变化的紧迫问题驱动的，表面质感受到越来越多的关注。同样的情况是，制作织构的方法变得更便宜和更精确[4]。尽管如此，关于表面织构影响摩擦学性能的机制仍然缺乏确凿的证据，这限制了它的发展和应用。表面织构功能的研究通常可分为摩擦相关和磨损相关。早期的大多数织构摩擦实验是在全膜流体力学和弹性流体力学条件下进行的[5-15]在这些制度下，没有确凿的证据证明表面织构是有利于改善摩擦学性能（不同的研究表明织构的有效性是有益的[13]，有害的[14]，可忽略的[15]）。然而，最近更多的实验集中在测量混合和边界条件下的织构性能，其中一些研究[16-21，已经证明了凹槽是如何使摩擦力减少50%以上。此外，这种混合润滑和边界润滑的条件已经变得越来越普遍，这是由于最近出现了很多旨在减少流体动力学损失的低粘度润滑剂[22]。
以下是表面织构如何影响摩擦的解释的总结。1966 年，Hamilton 和 Allen[1,23] 引入了织构的概念，并提出表面纹理可以产生阻力，防止液体脱离接触[24,25]。后来，在研究润滑接触中横向粗糙度的作用时，Morales-Espejel [26]和 Greenwood[27]认为每个进入接触区的粗糙峰表现为一个激励器，关闭并打开入口，允许不同数量的流体进入。多年后，Morales-Espejel、Tripp 及其同事观察到，在 EHL 润滑条件下，由于接触区域中材料的弹性
