过盈配合织构界面间渗流润滑对拆解损伤的影响

2024-02-02郑祖建吕松江王鹏程

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年1期

周丹, 郑祖建, 吕松江, 王鹏程

(1.合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥 230009; 2.中车南京浦镇车辆有限公司,江苏南京 210031)

0 引言

过盈配合拆解界面损伤是一种干摩擦损伤,其原因在于过盈配合面在单向滑动的拆解过程中,微观峰谷发生变形、剥落,继而形成磨粒,从而在配合面上产生划痕、犁沟、黏着堆积等损伤现象[1]。为降低拆解损伤,研究人员使用激光技术在配合面上加工出不同参数的表面织构,实验发现合适的凹坑织构可有效降低拆卸损伤,且激光加工形成的熔融层增大了过盈配合面间的滑移阻力,有利于提升其服役承载能力[2-4]。

但当过盈量过大时织构化界面仍会形成严重的拆解损伤,若能将润滑剂引入拆解滑移表面,改变原有的干摩擦状态,则可进一步降低拆解的损伤程度。此时在润滑剂的作用下,织构化的配合界面将处于边界润滑或混合润滑状态,而流入凹坑中的润滑剂也可在拆解滑移运动中形成动压,从而起到一定的二次润滑作用[5]。因此,润滑剂的有效渗入是进一步降低过盈配合拆解损伤的必要条件。而对于保留熔融层的织构化过盈配合界面来说,微凸于表面的熔融层会在配合界面间形成连通的缝隙通道,这为润滑剂的顺利导入提供了可能。

润滑剂在界面间的渗入过程与水在岩石缝隙中的渗流过程极为相似。研究人员在岩石渗流试验中发现,当岩石裂隙宽度达到或大于1 μm时,在岩石裂隙的两端提供一定的水力梯度即可达到岩石渗流效果[6]。文献[7]研究微裂隙和极微裂隙,提出只要裂隙宽度大于0.2 μm,岩石渗流即可实现,且裂隙宽度对岩石渗流起主导作用[8-11]。当裂隙的平均宽度相同时,裂隙的形状与分布则是影响岩石渗流的主要因素[12]。在岩石渗流理论的启发下,过盈配合件能否通过渗流的方式引入润滑剂,并由此获得更优的拆解减损效果,值得进一步的研究与分析。因此,本文尝试在过盈配合界面上添加了圆形及蜂窝2种凹坑织构,通过实验研究了织构形状、熔融层状态对润滑剂渗流效果的影响,并对比由润滑剂渗流带来的拆解减损效果。

1 表面微织构及其制备

1.1 表面微织构参数

在本课题前期的研究中发现,圆形织构相较于其他常见形状如椭圆、正方形、三角形织构对于降低过盈配合拆解损伤效果较为突出[13],且大量研究表明,六边形织构密排组成的形似蜂窝的表面织构(以下称蜂窝织构)具有良好的液体铺展性能,蜂窝织构的这种特性可以为配合面引入润滑剂提供便利[14-15]。因此,本文重点研究了圆形织构和蜂窝织构2种类型,探究织构形状与熔融层状态对渗流以及拆解的影响。表面微织构的加工排列分布如图1所示。图1中：圆形织构的直径为100 μm,织构加工面上所有织构凹坑的面密度为30%,试样表面的织构呈等距行列排布,织构深度为25 μm;蜂窝织构的边长为100 μm,织构面的面密度为30%,织构深度为25 μm。

图1 表面微织构的加工排列分布

1.2 织构的加工与处理

结合实际配合与实验要求,使用上试件和下试件模拟过盈装配关系。初始试样的最后一道加工工艺为磨削,表面粗糙度Ra为0.8 μm。试样的材料、尺寸参数及材料性能见表1所列。

表1 上、下试件属性

利用HGTECH LSF20D光纤激光打标机在下试件上表面制备蜂窝织构和圆形织构,其余面保持原始状态,激光加工参数见表2所列。

表2 激光加工参数

表面织构加工完成后,用粒度为400目的砂纸对织构表面进行抛磨,去除织构化表面的黄褐色氧化层,对织构凹坑边缘的熔融层毛刺加以钝化。织构表面的抛磨程度决定熔融层状态,本文抛磨加工了有熔融层织构与无熔融层织构2种类型,有熔融层织构的熔融层平均高度为15 μm,其中蜂窝织构和圆形织构的表面粗糙度Ra分别为18.2、16.5 μm;无熔融层织构的熔融层平均高度为0 μm,蜂窝织构和圆形织构的表面粗糙度Ra分别为8.3、6.7 μm。实验前用丙酮超声波清洗实验试样,再用乙醇擦拭试样表面,最后使用烘干机烘干。渗流与拆解实验利用过盈配合模拟试验机完成。加工后的有熔融层蜂窝织构面轮廓如图2所示。其中图2a为有熔融层蜂窝织构表面的显微图,图2b为图2a中红线处的轮廓图。

图2 有熔融层蜂窝织构表面显微轮廓

2 渗流实验与分析

2.1 渗流实验原理与实验过程

渗流实验原理如图3所示。从图3可以看出,因织构熔融层及轮廓微观峰谷的存在,上下试件接触面间会形成若干微小的缝隙空间,当这些缝隙空间具有良好的导通性时,润滑油可在压力的作用下进入接触界面,逐渐铺展开并形成有效的隔离油膜。在实验中,过盈配合界面间的接触压力F1为200 MPa,渗流润滑剂为L-AN10润滑油,该润滑油在40 ℃下运动黏度为9.48 mm2/s,闪点130 ℃,倾点-5 ℃,由可控式高压油枪在配合界面一端提供压力0.5 MPa、足量的润滑油,渗流30 s后观测润滑油在界面间的铺展长度L。实验涉及5类试样,分别是无织构试样、无熔融层的蜂窝试样、圆形织构试样、有熔融层的蜂窝试样和圆形织构试样。其中,每种试样均制备3组,每组试样按前述实验参数进行3次渗流实验,以渗流区域的长度L的平均值作为渗流效果的衡量指标。

图3 渗流试验原理

2.2 实验结果与分析

由于实验所用材料中只有润滑油含烃基,可以根据烃基的分布情况来判断润滑油在下试件的铺展状态。为此,实验结束后使用Nicolet IS50 iN10显微红外光谱仪,扫描渗流实验后的下试件表面得到的检测结果如图4所示。

图4 下试件表面润滑油检测结果

从图4可以看出：靠近注油孔的检测点3烃基含量较高,检测图像呈全红状态;远离注油孔的检测点1未检测出烃基,检测图像呈全蓝状态;渗流边界位置的检测点2检测到少量烃基,检测图则呈红黄绿蓝带状分布。由此可精确判定润滑油铺展的界限所在,进而测量获得L的数值。

渗流实验结果见表3所列。由表3可知,有熔融层蜂窝织构渗入量范围为21～22 mm,有熔融层圆形织构渗入量为12～14 mm,而无织构和无熔融层织构表面的渗入量为1～5 mm。可以看出,有熔融层织构表面渗入量明显高于无织构表面,而无织构表面与无熔融层织构表面的渗入量相近,这说明织构熔融层的存在为润滑剂提供了有效的渗流通道。对于有熔融层织构来说,蜂窝织构的渗入量大于圆形织构,说明织构的形状与排布也会影响渗入量的大小。因为表面微织构间隙对于液体铺展具有毛细作用,而蜂窝织构的织构间隙相较于圆形织构更加密集,所以蜂窝织构的毛细作用也更明显,这使得液体在蜂窝织构面的铺展变得更加容易,因此蜂窝织构的渗流效果好于圆形织构。

表3 渗流实验结果单位：mm

3 拆解实验与分析

由于有熔融层的蜂窝织构渗流效果相对较优,在此将通过拆解实验,探讨该类型织构的过盈配合拆解减损效果。

3.1 实验原理与实验过程

拆解实验原理及过盈配合模拟试验机的情况见参考文献[16],此处不再赘述。在本实验中,接触压力F1设置为200 MPa;试样主要为无织构和有熔融层蜂窝织构2种类型,制备方法如前所述。实验共分3组：第1组为无织构拆解实验,下试样表面为无织构的初始磨削表面,拆解前不做润滑油渗流处理;第2组为有熔融层蜂窝织构干摩擦拆解实验,下试样表面制备有熔融的蜂窝织构,拆解前不做渗流处理;第3组为有熔融层蜂窝织构渗流润滑拆解实验,下试样表面制备有熔融的蜂窝织构,拆解前采用如2.1节所述方式进行润滑油渗流处理。每组实验使用3对长方体试样进行3次重复实验以减小误差,在每组重复实验中选取具有中等损伤程度的试样表面进行形貌检测,作为该组实验的拆解损伤表征数据。

3.2 实验结果与分析

拆解实验后的下试件损伤情况通过VK-X250型3D激光测量显微镜和OPTIKA IM-3MET显微镜进行测量与观察,具体损伤形貌如图5所示。图5中：红色方框为三维形貌扫描区域;右侧为对应扫描情况。

图5 下试件上表面拆解损伤形貌

从图5可以看出：无织构拆解试样表面存在明显的凹坑与堆积型损伤,且损伤面积较大;有熔融层蜂窝织构干摩擦拆解时,试件的损伤较无织构拆解实验小,但试件表面仍有明显的划痕;有熔融层蜂窝织构渗流润滑拆解时,试件表面没有发现明显的拆解损伤,且微观形貌轮廓与实验前基本一致。

根据下试件的表面轮廓数据可以发现,无织构表面拆解的最大损伤深度达到391.1 μm,远大于有熔融层蜂窝织构面干摩擦拆解的损伤深度76.7 μm,可见有熔融层的蜂窝织构具有较好的干摩擦拆解减损效果,这是由于织构熔融层的材料性能优于原始材料,且织构凹坑对于摩擦产生的磨粒具有收集作用。但在200 MPa的高接触压力作用下,配合界面间的干摩擦还是会导致剧烈的磨损,形成的磨粒无法被织构凹坑完全捕捉,在拆解滑移距离20 mm处即开始出现拆解损伤。增加渗流润滑后,润滑油在拆解滑移表面间形成有效的润滑膜,改变原本的干摩擦状态,获得无损拆解效果。由表3可知,有熔融层的蜂窝织构润滑油初始铺展长度约为22 mm,约等于下试样长度的1/2。在上试样的表面黏附力和界面缝隙通道的毛细吸力的联合作用下,处于前半段位置的润滑油会随着拆解滑移动作的进行,被逐渐导入到下试样的后半段表面中。此外,流入凹坑中的润滑剂在拆解滑移运动中也会形成动压,从而起到一定的二次润滑作用。