钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析.PDF
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1、DOI: 10.16078/j.tribology.2017.03.010钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析赵彦玲1*, 耿 伟1, 鲍玉冬1, 潘承怡1, 刘献礼1, 孙蒙蒙2(1. 哈尔滨理工大学 机械动力工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2. 哈尔滨奥瑞德光电技术有限公司,黑龙江 哈尔滨 150000)摘 要: 针对钢球缺陷检测过程中,镜面钢球打滑引起的滑动摩擦导致展开轮磨损这一问题,以实现展开轮增摩降磨为目标,提出将微结构应用于钢球展开轮表面的方法. 首先,应用激光微造型技术在T10A试件表面加工不同特征参数凹坑微结构,采用单因素法在MMW-1立式万能磨擦试验机上进行点接
2、触干滑动摩擦试验;在综合考虑局部激光硬化和几何参数对磨损性能影响的基础上,结合试验数据建立基于Archard理论的微结构磨损模型;最后通过仿真技术及磨损试验验证磨损模型的正确性,进而对微结构特征参数进行优选. 结果表明:在点接触干滑动摩擦工况下,提出的三种微结构表面均可以实现增摩降磨;建立的磨损模型能准确地计算磨损系数用以分析实际工况的磨损特性;优选了凹坑面积在S2S4范围内的菱形微结构. 提出的方法为钢球表面缺陷检测设备提供了技术支持,所建的磨损模型为干摩擦状态下凹坑微结构表面磨损程度的预测提供了理论参考.关键词: 钢球展开轮; 凹坑微结构; 单因素试验; 干滑动摩擦; 磨损模型中图分类号:
3、 TH117.1文献标志码: A文章编号: 1004-0595(2017)03034809Analysis of Friction and Wear Properties of Microstructure onthe Unfolding Wheel Used for Steel Ball InspectionZHAO Yanling1*, GENG Wei1, BAO Yudong1, PAN Chengyi1, LIU Xianli1, SUN Mengmeng2(1. Harbin University of Science and Technology, School of Mecha
4、nical and Power Engineering,Heilongjiang Harbin 150080, China2. Harbin Aurora Optoelectronics Technology Co, Ltd, Heilongjiang Harbin 150000, China)Abstract: The problem of the unfolding wheel wear in the defect inspection process caused by the sliding friction frommirror ball slipping was solved by
5、 applying the patterns on the surface of the unfolding wheel to increase friction andreduce wear. The patterns with different characteristic parameters on the surface of the T10A specimen were processedby the laser micro-texturing technology. Single factor analysis method was used to test the point
6、contact dry slidingfriction on the MMW-1 vertical universal friction tester. Considering the comprehensive influence of both local laserhardening and geometrical parameters on the wear properties, the wear model of patterns based on the Archard theoryand the test results was built. Finally, simulati
7、on technology and wear test were utilized to verify the wear model,thereby optimizing the characteristic parameters of the patterns. The results show that under the point contact dry slidingfriction condition, three kinds of patterned surfaces increased friction and reduceds wear. The wear was accur
8、atelycalculated using the wear model, and this is useful for determination of the wear properties under actual working第 37 卷 第 3 期 摩 擦 学 学 报 Vol 37 No 32017 年 5 月 Tribology May, 2017Received 28 November 2016, revised 8 January 2017, accepted 15 March 2017, available online 28 May 2017.*Corresponding
9、 author. E-mail: , Tel: +86-451-86390582.The project was supported by National Natural Science Foundation of China (51275140).国家自然科学基金项目(51275140)资助.conditions. The optimized diamond patterns with the pit area in the range of S2S4 was selected. The proposed methodprovided the technical support for t
10、he defect inspection equipment of steel ball surface. Meanwhile, the proposed wearmodel provided a theoretical reference for the prediction of the patterned surface wear under dry friction condition.Key words: steel ball unfolding wheel; pit pattern; single factor test; dry sliding friction; wear mo
11、del展开轮是钢球检测机构中的核心部件,通过摩擦传递力和运动以实现钢球的全表面展开,钢球表面为镜面,且展开轮工作面为光滑表面,在展开过程中极易产生打滑现象,难以实现钢球的全表面展开,同时导致展开轮极易因滑动磨损而失效,因此对展开轮接触面增摩降磨特性的分析十分必要13. 近年来,表面微造型技术和微结构的发展为改善材料表面摩擦性能提供了新思路46. Popp和Engel7在冲压模具表面加工微结构,采用工具寿命试验确定其磨损性能,结果使工具寿命显著增加. Segu等89采用激光技术在钢材表面加工微孔,通过球盘试验研究多孔性织构对耐磨性的影响,结果表明多孔性织构具有较好的摩擦性能.将表面微结构应用于工
12、程实际中来改善摩擦性能近年来已成为热点1011,吉林大学宋起飞等12将仿生微结构应用于汽车制动盘,进行机械疲劳测试与热疲劳测试,得出仿生微结构具有抑制疲劳裂纹扩展的作用.中国矿业大学的刘一静等13将表面织构技术应用于发动机活塞上,研究了不同尺寸参数的表面织构在不同转速、载荷下的磨损特性,在特定载荷转速下,摩擦系数可减小37.8%. 基于以上分析,本文作者采用在材料表面增加微结构的方法来研究展开轮表面的增摩降磨特性.展开轮为非对称结构,对驱动面的精度要求较高,不适合增加凸起型织构,且凸起型织构影响钢球的展开运动,故选择凹坑型微结构进行研究. 采用激光微造型技术在T10A试件表面分别加工圆形、正方
13、形、菱形凹坑微结构,通过摩擦磨损试验来分析微结构表面的增摩降磨特性;基于Archard磨损理论14,提出相应的磨损模型,并利用有限元数值模拟验证模型的可靠性;最后优选出凹坑微结构拟应用于钢球展开轮表面,为干摩擦状态下凹坑微结构表面磨损程度的预测提供理论参考.1 摩擦磨损试验!1 !1钢球检测机构主要由展开轮、支撑轮和驱动轮组成,各部件的接触状态如图1所示,其中驱动轮与钢球在C点接触,通过摩擦带动钢球展开,并使钢球受到法向作用力QC、切向摩擦力FC. 拟将表面微结构应用于展开轮工作面,展开轮与钢球接触点为A、B,其对钢球的法向作用力QA、QB,钢球受到的切向摩擦力FA、FB,展开轮由两个非对称圆
14、台组成,钢球转动过程中会使钢球产生两个分角速度 、 ,展开轮及支撑轮转动角速度分别为2、3,钢球展开运动形式以滚动为主伴随微观滑动,滑动磨损远大于滚动磨损,且滚动磨损中普遍存在微观滑动,与滑动摩擦机理相同,因此滑动是导致展开轮磨损主要原因15,综合以上分析试验形式采用点面接触滑动摩擦.1.1 试验方案本试验中采用MMW-1立式万能摩擦试验机,参考国家标准GB/T 12444-2006相关试验规范,采用单因素试验法获得更直观的数据,图2所示为摩擦磨损试验示意图. 试验所用钢球材料为GCr15,其直径=12.7 mm,硬度达到HRC6265. 摩擦试件材料为T10A,基本尺寸为外径D=31.7 m
15、m,内径d=16 mm,厚度h=10 mm,Unfolding wheelPit microstrucureSteel ballDriving wheelSupporting wheel32FBFABzFCxoQBQCQAAC11Fig. 1 The contact state of each part of equipment for quality inspection of steel ball 图 1 钢球检测机构各部件的接触状态第 3 期 赵彦玲 , 等 : 钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析 349其硬度经淬火后达到HRC5156. 根据钢球检测过程实际工况,确定接触载荷1
16、5 N,载荷为自动加载,转速400 r/min,试验时间20 min,每组试验重复4次,在干摩擦且室温(1825 )下进行试验. 其中摩擦系数由试验机实时采集输出,磨损量由称重法获得.1.2 试件制备与微结构参数表征采用激光微造型技术在T10A试件表面分别加工圆形、正方形、菱形凹坑微结构,凹坑微结构试件与光滑试件对比如图3所示.在HXD-1000显微硬度计上测量表面微结构单元体之间的硬度值,加载力为5 N,保持时间为15 s,加载与卸载方式均为自动. 光滑表面平均硬度HV654.68,凹坑边缘平均硬度HV762.70,比基体硬度提高了16.5%.采用VHX-1000超景深显微镜进行表面微结构尺
17、寸参数测量. 由于微结构在试件表面呈阵列分布,选择抽检方式,每个试件表面随机确定6个数据采集点,取测量数据的平均值. 设计变量为凹坑形状,通过二维图像测量观察微结构形状并记录尺寸测量值,采用拉线法测得圆孔直径、方形孔边长、菱形孔对角线数值,部分尺寸如图4所示. 实测结果表明凹坑形微结构尺寸参数一致性良好.此外,凹坑深度也是设计参数之一,采用快速3D扫描功能采集深度数据,深度部分实测如图5所示,各形状凹坑底部均存在深度梯度,具有尖锥形孔底,由于底部结构对摩擦行为影响很小,故认为凹坑试件达到形状要求. 凹坑形微结构测量参数如表1所示. 由表1中数据可知凹坑形微结构几何特征良好,形状清晰,径向公差达
18、到设计要求,由于加工工艺限制,凹坑深度公差稍大,但一致性良好,满足试验要求.1.3 试验结果分析1.3.1 摩擦系数展开轮提供的静摩擦力将钢球展开,根据库伦摩擦定律,静摩擦系数近似等于动摩擦系数16. 以试验机实时输出的稳定阶段摩擦系数为观察量,去除由于干摩擦导致摩擦系数振动较大的点. 图6为根据试验机输出数据拟合的试件不同表面的摩擦系数,其中凹坑形状单坑面积分别为S1=0.007 85 mm2、S2=0.017 66 mm2、S3=0.031 41 mm2. 以光滑试件摩擦系数为基准,圆形凹坑微结构试件提升摩擦系数13%26%,正方形凹坑微结构提升摩擦系数6%26%,菱形凹坑微结构提升摩擦系
19、数14%26%.由图6可知,微结构试件的摩擦系数均大于光滑试件,说明凹坑微结构能够提高材料表面的摩擦系数.摩擦与表面接触状态有关17,试验设计的微米级凹坑增大了接触表面的波纹度,根据摩擦学理论,摩擦力与名义接触面积无关,与真实接触面积有关,真实接触面积仅占名义接触面积的0.01%0.1%. 平面与球体接触时实际上是某些表面的微凸体相互接触,由于材料表面的凹坑微结构在一定程度上减少了摩擦副的接触面积,则法向压力较高,摩擦力较大.1.3.2 磨损量本试验中磨损量计量方式为质量磨损,质量磨损率表达式为Wm = MPL (1)式中:Wm为质量磨损率;M为质量磨损量;P为施加的载荷;L为相对滑动距离.质
20、量磨损量为精密分析天平所称得的试件试验前后质量差,分析天平测量精度为0.1 mg,将光滑试件对照组设置为0号试验组,9组凹坑试件质量磨损量与光滑试件磨损特性列于表2中.Rotation direction400 r/minSteel ballchuckSteel ballclampSteel ballSpecimenAuto loadingPinFig. 2 Schematic diagram of the friction-wear test 图 2 摩擦磨损试验示意图(a) Patterned specimen (b) Smooth specimenFig. 3 Patterned spe
21、cimen and smooth specimen 图 3 微结构试件与光滑试件350 摩 擦 学 学 报 第 37 卷由表2中可以看出,光滑试件磨损量明显高于凹坑微结构,不同参数凹坑微结构质量磨损量各不相同,这说明凹坑微结构可降低点面接触干滑动摩擦条件下材料表面的磨损,且凹坑面积与微结构形状均对材料磨损性能产生影响.钢球与凹坑边缘接触时摩擦力增大会增加磨损,但由于凹坑的存在,试件表面与钢球接触面积减小,且由于凹坑边缘激光强化的作用,磨损量减少,试验结果表明接触面积减小及激光强化作用减轻磨损的程度大于增大摩擦力而增加磨损的程度. 微结构单元体形状不同,激光加工的凹坑试样周长l各不相同,面积相同
22、时具有l圆l方l菱的关系. 相同面积下,周长越100 m 100 m 100 m100 m 100 m 100 m100 m 100 m 100 m(a) No 1 specimen size (d=114.53) (b) No 4 specimen size (d=102.74) (c) No 7 specimen size (d=153.55)(d) No 2 specimen size (d=159.87) (e) No 5 specimen size (d=141.80) (f) No 8 specimen size (d=244.96)(g) No 3 specimen size (
23、d=196.40) (h) No 6 specimen size (d=164.44) (i) No 9 specimen size (d=309.02)Fig. 4 Size characterization of pit patterns 图 4 微结构尺寸参数表征0.0 200.0 400.0 547.7(c) Depth of No 7 specimen400.0200.00.0y/mx/m37.8728.1725.4820.7816.099.3914.6960.00.0 200.0 400.0 547.7(b) Depth of No 4 specimen400.0200.00.0y
24、/mx/m38.4028.9122.4316.9411.457.9713.4860.0(a) Depth of No 1 specimen356.4200.00.0y/mx/m37.3328.2821.2416.1812.147.0943.0470.00.0 200.0 400.0Fig. 5 The characterization of pit depth 图 5 凹坑深度表征第 3 期 赵彦玲 , 等 : 钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析 351大,凹坑边缘与钢球接触的概率越大,从而降低磨损的程度越明显,由此可知菱形凹坑微结构试样磨损率较小.1.3.3 磨损形貌利用超景深显微镜
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