硅鋁合金減摩微結(jié)構(gòu)表面切削加工研究*

陳俊云 楊政武 婁 澤 靳田野

(①燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院， 河北 秦皇島 066000；②哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

汽車中關(guān)于摩擦的應(yīng)用，分為增大摩擦系數(shù)以增大摩擦力和促進(jìn)潤(rùn)滑以減小摩擦磨損兩種[1]。汽車中有些零部件是靠摩擦力工作的，如離合器、制動(dòng)器和輪胎等，其功能實(shí)現(xiàn)的基本原理都是利用摩擦力達(dá)到傳遞力矩做功。這些零件的摩擦副摩擦系數(shù)越大，則更安全、更可靠，此類是增大摩擦的應(yīng)用。而另外的一些摩擦副，如缸套與活塞環(huán)、軸與軸承等，則要控制摩擦、減小摩擦，以減少磨損、摩擦導(dǎo)致的排放和燃油損耗，延長(zhǎng)零部件的使用壽命和提高能源的利用效率。其中，缸套與活塞環(huán)組成的摩擦副造成的能量損耗，占汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量損耗的30% 以上。因此，減小缸套與活塞或活塞環(huán)的摩擦、磨損，提高摩擦副表面的油膜潤(rùn)滑厚度和密封性能，對(duì)于節(jié)能減排以及延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命具有重要意義，一直以來都是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)效率研究的重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)的摩擦學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為摩擦副表面越光滑，二者之間的摩擦磨損就越小，則摩擦力也就越小。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于摩擦學(xué)的研究越來越深入，關(guān)于摩擦的研究也從宏觀尺度向微觀尺度發(fā)展，大量的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明了在摩擦副表面加工的微尺度幾何結(jié)構(gòu)[2-8]，能夠在減少表面接觸的同時(shí)增大潤(rùn)滑油膜的厚度，從而有效地改善零件的摩擦磨損性能，大大延長(zhǎng)了零件的工作年限。

微結(jié)構(gòu)表面加工技術(shù)主要有激光加工技術(shù)[9]、微鑄造技術(shù)[10]、LIGA技術(shù)[11]、電解加工技術(shù)[12]、壓印技術(shù)[13]、超精密切削微加工技術(shù)[14]等。激光加工表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)以其低成本、高效率和靈活的操作性成為目前應(yīng)用最廣泛的表面加工技術(shù)。其缺點(diǎn)是加工過程中會(huì)導(dǎo)致工件表面材料晶體結(jié)構(gòu)被破壞，無法形成規(guī)則的表面微結(jié)構(gòu)。而微切削加工技術(shù)相比于激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，能夠加工的材料范圍更廣，尤其對(duì)于金屬材料，可以加工出更加復(fù)雜的表面微結(jié)構(gòu)；且加工的微結(jié)構(gòu)三維輪廓清晰，表面質(zhì)量更高，加工效率更高。所以本文選用目前常用的缸套材料過共晶硅鋁合金作為工件材料，運(yùn)用微車削加工的方式，在其表面加工微尺度結(jié)構(gòu)，并與光滑表面進(jìn)行摩擦對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探討精密車削加工微尺度減摩結(jié)構(gòu)的可行性，減小工件表面的摩擦系數(shù)，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵摩擦副的摩擦磨損。

1 實(shí)驗(yàn)方案

使用AdvantEdge有限元分析軟件建立金剛石車削硅鋁合金的有限元模型，利用仿真手段分別分析切削速度、進(jìn)給量、切削深度對(duì)于切削過程的影響。采用單因素法進(jìn)行仿真，刀具參數(shù)選擇與實(shí)際實(shí)驗(yàn)所使用的刀具參數(shù)一致，刀具前角0°，后角17°，切削刃鈍圓半徑為50 nm。有限元仿真時(shí)的加工參數(shù)，即切削速度、進(jìn)給量及切削深度等切削用量的參數(shù)值選擇，如表1所示。

在金剛石車削硅鋁合金有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，使用單晶金剛石車刀對(duì)直徑15 mm的圓形Al-25Si-4Cu-Mg薄片試件進(jìn)行微槽切削加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同切削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。微槽結(jié)構(gòu)的切削加工示意圖如圖1所示，由外到內(nèi)微槽結(jié)構(gòu)的切削參數(shù)用量如表2所示。實(shí)驗(yàn)所使用的機(jī)床是由美國(guó)Moore公司生產(chǎn)的nanotech 450UPL超精密加工機(jī)床，車刀為舒伯哈特刀具公司生產(chǎn)的圓弧刃單晶金剛石車刀微車削刀具，前角為0°，后角為17°，刀尖夾角為45°。

表1 有限元仿真加工參數(shù)選擇

表2 硅鋁合金加工微槽的切削用量

摩擦性能實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是CSM公司生產(chǎn)的TRB(Pin-on-disk Tribometer)銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。摩擦對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用光滑表面試樣以及微切削微槽結(jié)構(gòu)表面試樣，摩擦實(shí)驗(yàn)采用球盤往復(fù)摩擦，潤(rùn)滑條件為邊界潤(rùn)滑，對(duì)磨試樣分別為直徑為3 mm的不銹鋼球。實(shí)驗(yàn)法向負(fù)載為1 N，往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)頻率為3.5 Hz，摩擦長(zhǎng)度為6 mm，總摩擦距離為100 m。

2 AdvantEdge仿真結(jié)果及分析

2.1 切削速度對(duì)切削過程的影響分析

切削速度的有限元仿真結(jié)果如圖2所示。其中，切削速度與溫度的變化關(guān)系曲線如圖2a所示，切削溫度會(huì)伴隨切削速度的提高而出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，切削速度較低時(shí)，切削溫度隨著切削速度的增加變化較快，但當(dāng)切削速度超過200 m/min時(shí)，切削溫度增加變慢，甚至在切削速度增大到250 m/min以后，隨著切削速度增加而切削溫度有下降趨勢(shì)。

切削力與切削速度的變化關(guān)系曲線如圖2b所示，切削力Fx隨著切削速度增加先增大后歸于平穩(wěn)，在速度150～200 m/min之間達(dá)到最大值，隨后逐步降低；Fy略小于Fx，但變化趨勢(shì)與Fx基本相同。

不同切削速度時(shí)，切屑形貌及工件表面塑性應(yīng)變的分布如圖3所示。速度為100 m/min時(shí)已加工表面塑性應(yīng)變深度最大。隨著切削速度的增大，塑性應(yīng)變的深度逐漸減小，在速度達(dá)到200 m/min以后塑性應(yīng)變基本保持不變。

這是因?yàn)榍邢魉俣忍岣吆?，摩擦生熱加劇，切削溫度提高。但是切削速度達(dá)到一定值時(shí)，熱量來不及傳遞導(dǎo)致切削溫度下降。而切削速度提高，溫度增高，刀具粘結(jié)逐漸嚴(yán)重，摩擦因數(shù)增大，切削變形增大，切削力增大。但是隨著切削速度進(jìn)一步提高，積屑瘤高度逐漸增加，使刀具實(shí)際工作前角隨之增大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小，切應(yīng)力降低，切削厚度壓縮比減小，加工表面的塑性應(yīng)變程度降低。

2.2 進(jìn)給量對(duì)切削過程的影響分析

切削溫度、切削力與進(jìn)給量的變化關(guān)系曲線如圖4所示。進(jìn)給量對(duì)切削溫度和切削力影響都非常明顯，總體來說，切削溫度和切削力隨著進(jìn)給量增加而增大；當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，其對(duì)切削溫度的影響較小。而對(duì)于切削力，當(dāng)進(jìn)給量在0.05 μm /r時(shí)，切削力Fx會(huì)小于切削力Fy，在其他參數(shù)不變的情況下，切削力與進(jìn)給量呈正相關(guān)性。

不同進(jìn)給量時(shí)，切屑形貌及工件表面塑性應(yīng)變分布如圖5所示。隨著進(jìn)給量的增加，已加工表面的塑性變形增大，在進(jìn)給量達(dá)到0.25 μm/r時(shí)，已加工表面的塑性變形最為嚴(yán)重。說明已加工表面的塑性形變隨著進(jìn)給量增大而逐漸增加。

這是因?yàn)檫M(jìn)給量增大時(shí)，摩擦和變形并不會(huì)成倍增加。因此，當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削力增大趨勢(shì)減小，故生熱不多。且切削變形增大趨勢(shì)減小，但工件表面塑性應(yīng)變?cè)黾?。進(jìn)給量較小時(shí)，F(xiàn)x小于Fy，可能是因?yàn)榇藭r(shí)加工表面變形時(shí)受到的擠壓作用大于摩擦作用。

2.3 切削深度對(duì)切削過程的影響分析

切削溫度、切削力與切削深度的變化關(guān)系曲線如圖6所示，切削深度在0.5 ～2.5 μm變化范圍內(nèi)，切削溫度變化并不明顯；對(duì)于切削力，可以看出切削力Fx和切削力Fy都隨著切削深度的增加而增大，切削深度對(duì)于切削力的影響顯著。

不同切削深度時(shí)，切屑形貌及工件表面塑性應(yīng)變分布如圖7所示。不同切削深度對(duì)應(yīng)的已加工表面都有不同程度的塑性應(yīng)變，但是在切削深度為2.5 μm時(shí)，已加工表面塑性應(yīng)變深度最大。而在切削深度為0.5～1.5 μm時(shí)，塑性應(yīng)變深度則較淺，塑性變形也較小。

這可能是因?yàn)槠渌邢鲄?shù)都極小，在此種微切削情況下，產(chǎn)生的切削熱也極小，散熱速度又比較快，導(dǎo)致切削溫度變化不明顯。因?yàn)榍邢魃疃仍黾?，使切削寬度和切削層橫截面積隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致切削變形和摩擦增大，切削力增大，工件表面的塑性變形也增大。

綜合以上仿真結(jié)果分析，使用單晶金剛石刀具進(jìn)行硅鋁合金表面加工時(shí)，會(huì)受切削速度、進(jìn)給量和切削深度的影響，工件表面的切削溫度和切削力也隨之產(chǎn)生一定變化?；疽?guī)律是：切削用量的增加均使切削溫度提高，其中切削速度對(duì)其影響最大，進(jìn)給量次之，影響最小的是切削深度；切削深度和進(jìn)給量增大使切削力增大，但二者影響程度不同，進(jìn)給量不變，切削深度增加一倍；使切削力增加一倍；切削深度不變，進(jìn)給量增加一倍；切削力增幅減小，切削力隨著切削速度的增加先增大后減小最后趨于穩(wěn)定。

3 車削實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)仿真結(jié)果確定切削參數(shù)，由外向內(nèi)在硅鋁合金表面進(jìn)行微槽結(jié)構(gòu)的加工。單晶金剛石微切削加工微槽結(jié)構(gòu)表面SEM(掃描電子顯微鏡，日立S4800)圖片如圖8所示。微槽為同心環(huán)形槽，寬度為30 μm，深度為8 μm，每個(gè)微槽經(jīng)多次車削成型。

3.1 切削深度對(duì)金剛石微切削硅鋁合金表面質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)選擇切削轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進(jìn)給量分別為50 nm/r、100 nm/r、150 nm/r，切削深度分別選擇0.5 μm、1 μm、1.5 μm。其對(duì)金剛石刀具微切削硅鋁合金表面粗糙度的影響(CSPM5500掃描探針顯微鏡，本原納米儀器公司)如圖9所示，在切削深度較小的情況下，單晶金剛石車刀在切削硅鋁合金過程中切削深度的變化對(duì)于表面粗糙度影響并不明顯。在進(jìn)給量分別為50 nm/r、100 nm/r、150 nm/r時(shí)，切削深度從0.5 μm增加到1.5 μm，表面粗糙度Ra變化在20 nm以內(nèi)，考慮到測(cè)量誤差的影響，在微切削尺度范圍內(nèi)，切削深度對(duì)表面粗糙度Ra影響不明顯。圖10為進(jìn)給量為100 nm/r，切削深度分別為0.5 μm和1.5 μm加工微槽底面的SEM圖片，從中也可以看出，切削深度變化對(duì)于已加工表面質(zhì)量影響不大。只是切削深度為0.5 μm時(shí)，已加工表面的鱗刺較多一些。

這是因?yàn)榍邢魃疃葮O小時(shí)容易造成刀具刃口半徑在實(shí)際切削過程中相對(duì)過大，使刀具實(shí)際切削時(shí)前角變?yōu)檩^大的負(fù)前角。這樣就會(huì)在刀具刃口與工件接觸中產(chǎn)生更大的擠壓摩擦作用，造成被加工表面在成形過程中會(huì)產(chǎn)生更多的塑性變形，導(dǎo)致鱗刺的增多，從而影響表面質(zhì)量。

3.2 進(jìn)給量對(duì)金剛石微切削硅鋁合金表面質(zhì)量的影響

分別分析切削深度為0.5 μm、1 μm、1.5 μm時(shí)進(jìn)給量的增大對(duì)單晶金剛石車削硅鋁合金表面粗糙度的影響，如圖11所示進(jìn)給量從50 nm/r到150 nm/r時(shí)，表面粗糙度有一個(gè)先減小后增大的過程。

圖12為進(jìn)給量分別為50 nm/r、150 nm/r時(shí)加工微槽底面的SEM圖片，從中可以看出進(jìn)給量的改變對(duì)于表面質(zhì)量影響明顯。

這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量增加，摩擦因數(shù)和切削厚度壓縮比減小，切削變形增幅減小，加工表面硬化程度值減小，表面粗糙度值減?。贿M(jìn)給量增加過多，又會(huì)造成切削力及塑性變形區(qū)域增加，加工硬化程度和深度增加，表面粗糙度值增大。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)金剛石微切削硅鋁合金表面質(zhì)量的影響

本試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速對(duì)于表面粗糙度的影響如圖13所示。使用單晶金剛石刀具車削硅鋁合金工件端面，主軸轉(zhuǎn)速分別是2 000 r/min、3 000 r/min和5 000 r/min來觀測(cè)表面粗糙度變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)于表面質(zhì)量的影響也是很明顯的。

這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速增加，產(chǎn)生的切削熱增加，刀具磨損加劇，導(dǎo)致加工工件表面粗糙度值增大。轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，切屑更易流出，不易形成積屑瘤，對(duì)工件表面的擠壓和摩擦作用降低，表面粗糙度值稍微減小。

3.4 微結(jié)構(gòu)表面的切削加工

綜合以上實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，切削深度、進(jìn)給量和切削速度在有限元分析和切削加工實(shí)驗(yàn)中對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響具有一致性，可以根據(jù)二者結(jié)果，得到加工硅鋁合金微槽結(jié)構(gòu)表面的切削參數(shù)，具體是進(jìn)給量為100 nm/r，切削深度為1 μm，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，進(jìn)行硅鋁合金表面微結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)。加工結(jié)果如圖14所示。

4 表面微結(jié)構(gòu)摩擦性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)微切削加工微結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)滑摩擦性能，使用微切削加工的表面微結(jié)構(gòu)，與光滑表面進(jìn)行往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)對(duì)比。兩組試樣的光滑表面都是采用相同刀具及切削參數(shù)直接切削加工得到，表面粗糙度Ra經(jīng)過檢查在100 nm以下。切削加工微槽結(jié)構(gòu)的切削參數(shù)，轉(zhuǎn)速選擇2 000 r/min，切削深度選擇1 μm，進(jìn)給量選擇100 nm/r。硅鋁合金表面單個(gè)微槽SEM圖片如圖15所示。法向載荷為1 N時(shí)微槽表面與光滑表面的摩擦系數(shù)如表3所示。

表3 往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)

經(jīng)檢測(cè)，微槽表面摩擦系數(shù)比光滑表面摩擦系數(shù)減小了8%。這是因?yàn)樵诠桎X合金表面加工微槽結(jié)構(gòu)增加了潤(rùn)滑油膜的厚度，從而在往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)中起到了良好的潤(rùn)滑效果，減小了摩擦系數(shù)。

5 結(jié)語

(1)運(yùn)用AdvantEdge仿真軟件分析了各種切削用量對(duì)于硅鋁合金金剛石車削過程的影響，基本規(guī)律是：切削用量的增加均使切削溫度提高，其中切削速度對(duì)其影響最大，進(jìn)給量次之，影響最小的是進(jìn)給深度；切削深度和進(jìn)給量增大使切削力增大，但二者影響程度不同：進(jìn)給量不變，切削深度增大一倍，使切削力增加一倍，切削深度不變，進(jìn)給量增加一倍，切削力增幅減?。磺邢髁﹄S著切削速度的增加先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

(2)使用單晶金剛石刀具車削硅鋁合金表面，分析切削深度、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：在微切削尺度范圍內(nèi)，切削深度對(duì)表面粗糙度Ra影響不明顯；表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加先減小后增大，存在一個(gè)表面粗糙度最小值；主軸轉(zhuǎn)速通過產(chǎn)生切削熱和對(duì)刀具磨損產(chǎn)生影響來影響表面粗糙度。

(3)使用選定的最佳切削參數(shù)在工件表面車削微槽結(jié)構(gòu)，與光滑表面的硅鋁合金工件進(jìn)行單點(diǎn)式往復(fù)摩擦對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：法向載荷為1 N時(shí)，微槽表面摩擦系數(shù)比光滑表面摩擦系數(shù)減小了8%。由此可得，微車削加工的微槽結(jié)構(gòu)表面具有良好的減摩效果，可以應(yīng)用于減小發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵摩擦副的摩擦磨損。

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