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1、表面粗糙度对摩擦影响机理的研究74岳阳业G技术学HN院ICJOURNALOFEYANVOCATIONALIXCHNICAL学COLLEG报E20o6年2月YUGzuuO平z月表面粗糙度对摩擦影响机理的研究陈容(岳阳职业技术学院机电工程系,湖南岳阳414000)摘要:本文分析了表面粗糙度对摩擦的影响机理.结果表明:(1)聚合物试验中,在迭到稳定摩擦值后,这一现象导致摩擦对表面粗糙度不敏感;(2)金属摩擦实验中,存在一最佳表面粗糙度级别,在此级别下,摩擦副的边界摩擦系数最小,耐磨性最好.关键词:表面粗糙度(Ra值);摩擦系数;摩擦副;精度;耐磨性;粘接点中图分类号:0313.5文献标识码:A文章编
2、号:1672-783X(2006)01-007403一,引言影响摩擦的因素很多,表面粗糙度是其中很重要的因素之一,一般来说,降低表面粗糙度,可改善摩擦性能.但当表面粗糙度降低到一定程度后,进一步降低表面粗糙度,即表面达到超光洁时,摩擦副的摩擦性能反而下降.二,表面粗糙度对摩擦的影响机理表面粗糙度主要是指加工中产生微观高低起伏的峰谷.这些峰和谷有空型,满型之别,如图1所示.空型满型图l摩擦可以认为是凸峰间微观结合和分离的过程.图2是单个凸峰的摩擦过程模型.攀l捌FnI%I图2单个凸峰的摩擦过程在模型中,宏观的摩擦力可以认为是各个微观接触的摩擦力的总结.图2(a)为产生摩擦力的第一阶段,微观凸峰开
3、始接触,在接触的尖端部分有塑性变形产生,同时也有刻槽作用产生.此外离开接触点较远处,有弹性变形产生,如图中虚线部分所示.图2(b)为接触的第二阶段,接触点处产生了粘接,形成粘接点.粘接点的形成原因,同时包括机械力及分子力二个部分.图2(c)为第三阶段,粘接点产生剪切,使凸峰分离,同时凸峰尖的弹性变形恢复,完成全部滑动摩擦过程.凸峰尖点处没有材料脱落.因此,只有摩擦而无磨损.单个凸峰的组合构成了物体的表面形貌,即物体的表面粗糙度,而摩擦学是研究相互运动表面间发生的作用和变化.因此,表面粗糙度对摩擦有很大的影响,下面我们来分析实例.例如在往复和旋转都有压力作用密封的润滑面上【l】,如果密封表面变得
4、粗糙,则将丧失密封功能,所以要尽量避免由于滑动使表面变粗糙的状态.主要途径是进行精密磨削加工即减小表面粗糙度.另外,相对运动表面的加工制造质量的好坏对液压缸的密封性能也有很大影oi121.一般说来,滑动表面越粗糙(表面粗糙度值大于32gm),密封件极易摩擦发热而损伤,结果造成液压缸的泄漏.反之,太光滑的滑动表面(表面粗糙值Ra小于0.Sgm),密封件也极易磨损.人们自然也会问这又是为什么呢?因为任何非常光滑的表面(表面粗糙度Ra小于O.05,m)之间的相对运动,其接触表面是不足以保持相对运动所需的最小润滑油膜厚度的.因而使之收稿日期:2005一II一28基金项目:2003年全国教育科学十五规划
5、课题高职机电一体化专业课程体系构建与质量评价体系的研究(课题批准号:FJB030842),本文系该课题阶段性成果.作者简介:陈客(I973一),女,湖南岳阳人,岳阳职业技术学院讲师,主要从事机械工艺教学.第21卷第1期陈容表面粗糙度对摩擦影响机理的研究75处于半摩擦状态而过早的主要原因:(1)不能形成最小油膜厚度;(2)形成局部真空;(3)存屑能力丧失.同时将它们加工到非常光滑(Ra小于0.Om),也是非常困难和极不经济的.因此液压缸的相对运动表面通常选用表面粗糙度值Ra在0.8ttm0.2#m之间,只有这样,才能保证密封件的正常使用寿命.近年来,摩擦学研究已开始从传统的力学问题向表面工程方向
6、转移,也即向材料科学和技术方向转移嘲.对于信息工程摩擦学方面,据报导,对于高密度记录的磁盘,其最大的表面粗糙度必须小于10/.tm,从这里可以看出问题的实质是当表面粗糙度达到一个怎样的值时,才能使磁盘的磨损减少到最小程度.下面我们分别对聚合物和钢进行分析来阐述表面粗糙度对摩擦的影响.1.表面形貌对聚合物摩擦的影响该实验考查了聚合物摩擦的一般模型,以确定它们在预测粗糙度对摩擦影响方面的适用性.主要有两种模型:能量模型,力模型.实验结果表面:在极光滑的表面上(Ra<0.05/zm),聚四氟乙烯(PTEE)的静摩擦系数为0.17,而当发生滑动时,其值立即为0.06.高密度的聚乙烯PE(HDDE
7、)也有类似的特性.然而,对粗糙表面(Ra>0.1tzm),不管是否滑动,这些材料的摩擦系数仍保持其静态值.在粗糙度从0.011.0am这一范围内,其他碳氟化物,如聚氟乙烯PEP和聚三氟氯乙烯(PC眦),都有不受粗糙度影响的动摩擦力.一般说来,聚合物的摩擦对表面粗糙度的变化是不太敏感的.2.表面粗糙度对边界摩擦的影响实验前,主了获得不同表面粗糙度级别的试验环,块,利用磨削加工出一批实验环,块,实后采用不同粒度的金相砂纸手工打磨试环,块的表面,使之达到不同的表面粗糙度级别.采用的金相砂纸的型号分别为W40,W20,W10和W7.表1列出了试验所采用的试验环,块的表面粗糙度(用Talysuff
8、6型表面轮廓测量获得).表l试验环,块的表面粗糙度试轮廓算术平均试轮廓算术平均环偏差Ra(/zm)块偏差Ra(#m)1#0.0171#0.0122#0.0182#0.0323#0.0l63#0.0904#0.0174#0.3205#0I3l05#0.340图3一图5画出了试验结果.图中数据均为3个试验测试结果的平均值.田3摩捧矗盘-t试t时闻的主犯煳趣蒜畦田4摩善矗盘-t面粗糙圭的立化田5体椒摩捧t随面粗糙直的主化Ra(u睢】图3画出的不同试验环,块配对时其摩擦系数随时间的关系曲线.图中,1号环与1号配块配对时,其综合轮廓算术平均偏差Ra为0.02am(这里,rr丁Ra=V(Ra1).+(Ra
9、2).,Ral,Raz分别为试环,试块的轮廓算术平均偏差);2号环,块配对时,其Ra为0.037gm;3号环,块配对时,其Ra为0.091/.m;4号环,块配对时,其Ra为0.032#m;5号环,块配对时,其Ra为0.46/zm;从图中可以看出,当综合算术平均偏差Ra比较小时,摩擦系数几乎不随时间变化,而当Ra比较大时,摩擦系数随时间的延长而下降,最后趋向一稳定值.这是因为表面粗糙度高时,在试验过程中,试样表面通过磨合,其表面粗糙度降低,最后稳定到最佳状态.图4表示的是摩擦系数随综合轮廓算术平均偏差Ra的变化曲线.图中的摩擦系数为稳定值.从图中可以看出,Ra存在一最佳值,在此Ra值下,摩擦系数
10、最小,增大或减少Ra值,摩擦系数都将提高.这是因为当表面很光滑时,分子吸力发生有效作用,故表面愈光洁(Ra愈小),实际接触面积愈大,摩擦系数也愈大;而当表面粗糙(Ra愈大)时,机械变形引起的阻力将起主要作用,摩擦系数也愈大,因而存在一个能获得最小摩擦系数和粗糙度级别.图5画出了试块1h试验后的体积磨损量随综合轮廓算术平均偏差Ra的变化曲线.本试验磨损量测量采用的是称重法.使用的天平是精度为十万分之一克的分析天平.从图中可以看出,随Ra值减小,试块的体积磨损量随之减小,但当Ra小到一定76岳IOUOURNA阳LOF职YUEY业ANG技OCA术ONALCLIN院ICAL学COLLE报GE2006一
11、年2月-rE年月程度后,再减小Ra,试块的体积磨损量反而增大.这说明存在一最佳耐磨粗糙度,在此粗糙度级别下,摩擦副的耐磨性能最好.从图3和图4中还可以看出,最佳摩擦系数粗糙度与最佳耐磨粗糙度级别相同.目前,对摩擦副表面太光洁,为何其耐磨性能反而下降,文献中存在二种解释.一是认为峰谷,划痕和波谷可以蓄油,表面太光洁,由于表面的蓄油能力丧失,增加了金属之间的接触,从而加大了粘着磨损嘲;另一种解释认为峰谷,划痕和波谷可以存留磨屑或破坏塑性流动的连续性,表面太光洁,由于其存屑能力丧失,从而加大了磨粒磨损.三,结论通过不同的例子分析了表面粗糙度对磨擦的影响机理,可得出结论:(1)一般说来,对于聚合物,试
12、验开始的时候,表面粗糙度很重要,但随着摩擦的继续,其形貌发生变化.在达到稳定摩擦后.这一现象将导致摩擦对表面粗糙度不敏感;(2)表面粗糙度对边界摩擦与磨损的性能影响表明:存在一最佳表面粗糙度级别,在此级别下,摩擦副的边界摩擦系数最小,耐磨性最好.参考文献:【1】润滑与密封【z.1994,(5).【2】蔡祖光.常用液压缸固产密封件的选用田.润滑与密封1996.(2).3】润滑与密封z】.1994,(6).【4荚国.NoumanS-Eiss,Jr.表面形貌对聚合物摩擦的影响【J】.八十年代摩擦学,1998.【5】周银生,金永昕.表面粗糙度对边界摩擦与磨损性能的影响C】.全国第五界摩擦学学术会议论文
13、集,武汉,1992.【6W?HolzhouerandF?FLing,InsituSEMstudyofboundarylubricationcontacts.TribologyTtans,Vol.31.3.1988,P359368.71N.Saka,M,J,LiouandN.P.shu.Therdeoftribologyinelectricalcontactphenomena,Wear,100,1984,P77105.(责任编校:刘武)TheMechanicalStudyoftheEflfectabouttheSurfaceRoughnessonFrictionCHENRong(Departme
14、ntofMechanicalandElectricalEngineering,YueyangVocationalTechnicalCollege,Yueyang,Hunan,414000)Abstract:Theauthorexperimentedthemechanicaleffectaboutthesuffaceroughnessonfriction.Theresultshows:1.Itleadstotheinsensitivityofthesurfaceroughnesswhenitreachesthestablefrictionvalueintheexperimentofpolymer.2.Inmetalfrictionexperiment,ithasanoptimumrankofsurfaceroughnes8.Inthisrank,theboundaryfrictioncoefficientofthefrictionpairsistheminimumandtheratabilityisthebest.Keywords:surfaceroughness(Ra);frictioncoefficient;numberoffrictionpairs;accuracy;ratability;bondingplane