交叉沟槽织构润滑减摩性能研究综述

周子健　谷泽辉　陈晨

摘要：表面织构化如今已经越来越受人们重视，近几年来，国内外对表面织构的研究日益深入，出现了许多优秀的理论模型，应用在各行各业并产生了巨大的效益。然而在某些场合非沟槽型织构的有一定的局限性，而交叉沟槽可以很好地应用于众多领域。本文从减摩机理、理论模型、数值分析及应用三个方面综述了交叉沟槽织构润滑减摩性能的研究进展，并对其发展趋势进行了预测。

关键词：交叉沟槽织构;理论模型;数值分析;综述

前言

表面织构化技术是一种通过在摩擦接触表面上加工特殊图案来改善摩擦接触表面的承载能力并改善表面的摩擦学性能的技术。这项技术最早是在2004年由Etison^[1]等的研究提出的。在摩擦过程中，表面织构技术在储油、磨粒捕获和防止润滑不足引起的卡滞方面发挥着重要作用，因此，表面织构化技术成为了如今摩擦学应用的研究热点之一^[2-6]。

但是非沟槽织构在一些特定场地有一定局限而且效果差强人意，于是近年来交叉沟槽微织构技术收到了国内外学者的广泛关注^[7-11]。交叉沟槽微织构技术最早是由韩国庆北国立大学的Young^[12]于2007年提出的，其利用光刻-电蚀技术在轴承钢试样上加工交叉微沟槽织构利用销盘试验机研究了沟槽织构对不同交叉角下摩擦性能的影响。交叉沟槽织构作为一种有效降低摩擦的手段能够应用于众多领域，然而如今关于交叉沟槽织构化的理论和效果的研究很少出现，以至于许多交叉沟槽织构的研究和应用进展缓慢。

本文从减摩机理、理论模型、数值分析及应用三个方面综述交叉沟槽织构润滑减摩性能的研究进展，并对其发展趋势进行了预测。

1 交叉沟槽织构的减摩机理

交叉沟槽织构的减摩机理由Pettersson U和Jacobson S^[13]在2007年首次提出。2007年，韩国庆北国立大学的Young^[12]利用光刻-电蚀技术在轴承钢试样上加工交叉微沟槽织构，利用销盘试验机研究了沟槽织构对不同交叉角下摩擦性能的影响。结果发现135°交叉沟槽不仅在低速轻载具有较小的摩擦系数，而且在低速重载情况下相比其他角度仍具有相对较小的摩擦系数。之后Pettersson等人^[13]在硅片表面制造了一种特殊的用于表面织构加工的工具，并在发动机活塞表面加工出不同间距的平行沟槽和交叉沟槽，通过建立一个自适应磨擦试验机来模拟活塞在发动机启动时的摩擦状态和停止时的摩擦状态，通过试验发现织构表面摩擦系数介于抛光表面和未织构表面之间，且交叉沟槽的摩擦系数相对而言较小;织构表面摩擦系数的波动相比未织构表面和抛光表面都明显减小，且交叉沟槽织构摩擦系数的波动最小。为此，Pettersson提出了以下几点结论：（1）沟槽能储存磨粒，减少摩擦副表面的塑性变形;（2）沟槽能为摩擦副之间提供润滑油;（3）沟槽能“切割”摩擦副表面的变形，减小摩擦副之间的相对接触面积，从而使摩擦副之间的塑性变形减小。使摩擦系数更稳定。

2 交叉沟槽织构的理论模型与数值分析

自2007年交叉沟槽织构技术提出之后，Young^[12]通过反复试验来分析不同交叉角度下的沟槽织构对摩擦性能的影响，并确定较好的结构形式。结合Stribeck曲线分析，可以得出结论，135°交叉槽不仅在低速和轻载时具有小的摩擦系数，而且在低速重载情况下相比其他角度仍具有相对较小的摩擦系数。其后又有日本京都大学的Suh等人^[14]通过光刻法在工具钢SKD11上加工交叉沟槽，通过实验发现交叉沟槽的交叉角度和深宽比对减小摩擦系数方面发挥着极大的作用，且交叉角在40度附近时摩擦系数最小。

之后，Organisciak^[15]等人对理论研究进行了突破，建立了交叉沟槽的几何模型，并推导出了贫油状态下的雷诺方程和平衡方程，发现在沟槽区域内压力瞬间变小;同等条件下织构表面的平均润滑油膜厚度比未织构的小，且随着沟槽角度的增大而變小;标准摩擦系数会随着沟槽角度的增加而变大;较宽的沟槽和较近的槽间距能够增加润滑油膜厚度、减小摩擦系数、提高润滑性能。袁思欢等^[16]采用光刻及微细电解技术在一块硼铜铸铁材料的表面加工出一排微小的沟槽。运用FLUENT分析了摩擦副上油膜存在的压力分布。陈平等^[17]利用有限元分析软件对沟槽织构进行了模拟，并利用YLP-20激光加工系统对不锈钢圆盘表面的沟槽织构进行了加工。试验发现摩擦副的沟槽纹理的摩擦学性能得到改善，不同的沟槽布置形式对摩擦性能有很大影响。

虽然交叉沟槽织构的结构形式和参数在经过多年的不断研究后已经取得了重大进展，但是就目前的研究结果而言，仍然存在着以下两点不足：

1）通过以上国内外的研究现状发现，以往的学者对沟槽每个参数相关性的理解并不完全，大多是建立在试验的基础上，只是在有限参数的情况下分析描述，已知的机制都是针对特殊角度沟槽模型。

2）目前，交叉沟道微织构主要是单一尺寸、均匀分布的规则图案，而对交叉沟槽各几何参数之间的耦合作用研究比较少。

3 交叉沟槽织构的应用

韩国庆北国立大学的Young^[12]2007年最早利用光刻-电蚀技术在轴承钢试样上加工出交叉微沟槽织构，通过反复试验研究了不同交叉角度下的沟槽织构对摩擦性能的影响。实验结合Stribeck曲线得出135°交叉沟槽具有较小的摩擦系数。之后，易鑫鑫等^[18]采用销-盘摩擦副接触方法在流体润滑下对轴承钢表面交叉槽表面进行90°和135°的摩擦试验，并得出以下结论：a.沟槽和滑动方向造成的摩擦系数会随润滑状态的变化而产生波动;b.当交叉沟槽的夹角为135°时，减摩效果最好，这与Young得到的结果基本一致。

经过多年的理论探索，交叉沟槽织构技术如今作为一种有效降低摩擦的手段能够应用于众多领域，其中在内燃机缸套——活塞环、轴承和机械密封等流体润滑状态下表现突出。符永宏等^[19]选用了半导体泵浦YAG的固体激光器，在缸套内的表面活塞运动行程内，加工出了夹角为135°的交叉沟槽。这种交叉沟槽微织构的各项性能参数较为稳定，缸套与活塞环之间的摩擦性能相较于珩磨网纹缸套要好。此外，有研究还发现，交叉沟槽织构技术不仅能够实现更好的密封效果，而且能有效地降低摩擦因数，对设备起到较好的保护作用。比如邓大松等^[20]就麻花钻磨损严重问题，在麻花钻切屑接触区设计了沟槽微织构，加工表面的微观组织可以减少钻头的磨损，优化麻花钻前刀面的最高温度分布，从而避免了最高温度的集中。又有胡利鸿等^[21]在列车制动盘的表面加工出了不同宽度的沟槽型织构以及不同直径与间距的圆形凹坑织构后，通过对比试验研究了摩擦噪声的大小。研究表明，沟槽型织构和圆坑织构都可以有效地降低摩擦产生的高频噪声。

4 发展趋势预测

虽然国内外进几年来在交叉沟槽织构润滑减摩性能研究方面已经取得了重大进展，但仍存在着一些不足，比如目前所研究的交叉沟槽微织构主要是单一尺寸和均匀分布的规则图形，而对交叉沟槽各几何参数之间的耦合作用研究比较少。另外，现今对交叉沟槽织构的研究大多是建立在试验的基础上，且只是在有限参数的情况下分析描述。因此，今后对交叉沟槽织构润滑减摩性能可以从以下几个方面展开深入研究。

1）为了使研究结果具有普遍性，必须着重研究交叉沟槽织构的理论模型，另外，也要利用好计算机技术，做好对交叉沟槽型织构仿真方面的研究。

2）注重对交叉沟槽各几何参数之间的耦合作用的研究，如对交叉沟槽的不同宽度、深度、面积密度或截面形状、方向、角度等对润滑油膜厚度和摩擦因数的耦合影响就行深入研究。

参考文献

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