（机械电子工程专业论文）摩擦副表面微凸体油膜弹性支承效应的试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 润滑是摩擦学的一个重要应用领域，本文在总结了摩擦学发展的基础上阐述了 边界润滑在抗磨、消振、降噪新领域里的研究。实践是检验真理的唯一标准，因而 本文的研究将立足于实验数据，通过下面三个方面的试验展开分析与研究。 ( 1 ) 以牛头刨床等设备为主体，选用不同材料进行一系列的刨削试验并收集所得 切屑，借助测量仪器来测定有、无润滑条件时切屑卷曲曲率的变化，以试验数据验 证了“微凸体油膜弹性支承效应”的真实存在，并基于试验结果定性表述了“微凸体油 膜弹性支承效应”的概念。 ( 2 ) 利用磨损试验机，对施加不同特配润滑油后的多种模拟磨损试件表面进行一 系列磨损试验，用精密分析天平测定磨损量并通过扫描电镜等试验仪器对试件表面 进行微观观察与分析，从而探讨了边界润滑磨损机理；并最终以本文所提出的“微凸 体油膜弹性支承效应j 挂一步分析了边界润滑的抗磨机理。 ( 3 ) 以牛头刨床、普通磨床等设备为主体，改变试件初始加工表面形貌，润滑剂 类型，切削参数等试验条件，比较切屑卷曲曲率的变化，从而探讨了影响“微凸体油 膜弹性支承效应”的因素，为形成良好的“微凸体油膜支承效应”提供7 理论依据。 本文从边界润滑可以消除切削颤振及噪声、降低磨损”的观点出发对“微凸体油 膜弹性支承效应进行了分析及描述，进而揭示了边界润滑抗磨、消振、降噪的机理。 当使用特殊配制的润滑剂后，在边界润滑条件下，润滑剂所形成的油膜其弹性支承 效应可以改变相互作用表面间的摩擦特性，从而抑制了摩擦自激振动，最终表现为 极大程度地提高工作表面的抗磨能力及有效地消除噪声、抑制爬行。因而，充分发 挥“微凸体油膜弹性支承效应”是边界润滑得以控制切削颤振与噪声并降低磨损的关 键。 关键词：微凸体弹性支承效应边界润滑磨损 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l u b r i c a t i o ni sa l li m p o r t a n ta p p l i e df i e l di nt r i b o l o g y o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n g t h ed e v e l o p m e n t so ft r i b o l o g y , t h i sp a p e rd i s c u s st h en e ws t u d i e so na n t i w e a r 、v i b r a t i o n d a m p i n ga n dn o i s e - r e d u c i n gi nt h ef i e l do fb o u n d a r yl u b r i c a t i o n p r a c t i c e i st h eo n l y c r i t e r i o nt op r o v et h et r u t h ，s ot h ea n a l y s i si nt h i sp a p e ri sb a s e do nt e s t i n gd a t a t h e o b j e c t i v eo f t h i st h e s i si sa c h i e v e db yt h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ： ( 1 ) a f t e ras e r i e so fp l a n i n gt e s tt h r o u g hs h a p i n gm a c h i n ea n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s ， m o s to fc h i p sa r eg a t h e r e d w ec a nf i n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr o l l i n gc u l w a r l r eo fc h i p s w i t hl u b r i c a t i n ga n du n l u b r i c a t i n gb ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t f i n a l l yt h eo b j e c t i v e e x i s t e n c eo f t h ee l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c to fo i lf i l mo nm i c r o - b u l g eu n d e rt h eb o u n d a r y l u b r i c a t i o n i sv e r i f i e d ，f u r t h e r m o r e , q u a l i t a t i v ec o n c e p to f t h ee l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c to f o i lf i l mo nm i c r o b u l g eu n d e rt h eb o u n d a r yl u b r i c a t i o n i sd e s c r i b e d ( 2 ) as e r i e so f w e a rt e s to nt e s t i n g - p i e c es u r f a c eu s i n gd i f f e r e ms p e c i a l l yc o n c o c t e d l u b eh a v eb e e nd o n eb yw e a rt e s t i n gm a c h i n e t h r o u g hw e a rm e a s u r e m e n tb yp r e c i s e a n a l y t i c a lb a l a n c ea n dt h em i c r o s c o p i co b s e r v a t i o nb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ， w e a l m e c h a n i s mo fb o u n d a r yl u b r i c a t i o ni sd i s c u s s e d , f i n a l l y ，m a k i n gu s eo f t h ee l a s t i c s u p p o r t i n ge f f e c to fo i lf i l mo nm i c r o - b u l g eu n d e rt h eb o u n d a r yl u b r i c a t i o n ，a n t i w e a r m e c h a n i s mo f s p e c i a l l yc o n c o c t e dl u b eu n d e rb o u n d a r yl u b r i c a t i o nc o n d i t i o ni sa n a l y z e d ( 3 ) c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo fr o l l i n gc u r v a t u r eo fc h i p sb yc h a n g i n ge x p e r i m e n t c o n d i t i o n ss u c ha ss u r f a c et o p o g r a p h y 、t y p eo fl u b r i c a n t 、c u t t i n gp a r a m e t e r se t c ， a f f e c t i n gf a c t o r so f t h ee l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c to fo i lf i l mo nm i c r o - b u l g eu n d e rt h e b o u n d a r yl u b r i c a t i o n a r ed i s c u s s e dt op r o v i d et h eb a s i sh o w t og e n e r a t ei t f r o mt h ep o i n tt h a tb o u n d a r yl u b r i c a t i o nc a nr e s t r a i nc u t t i n gc h a t t e ra n dn o i s ea n d r e d u c ew e a r , t h ee l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c to fo i lf i l mo nm i c r o - b u l g eu n d e rt h eb o u n d a r y l u b r i c a t i o ni sa n a l y z e da n dd e s c r i b e d ，f u r t h e r m o r e ，t h em e c h a n i s mo f a n t i w e a r 、v i b r a t i o n d a m p i n ga n dn o i s e - r e d u c i n gi sr e v e a l e d a d o p t i n gs p e c i a l l yc o n c o c t e dl u te ，t h ee l a s t i c s u p p o r t i n ge f f e c to f o i lf i l mc a nc h a n g et h ef r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h ei n t e r a c t i o n s u r f a c e s ，a c c o r d i n g l y , t h ef r i c t i o n a ls e l f - e x c i t e dv i b r a t i o ni sr e s t r a i n e d ，a n df i n a l l y , i t i l 华中科技大学硕士学位论文 g r e a t l yi m p r o v e sa b r a s i o nr e s i s t a n c eo f w o r k i n g s u r f a c ea n de f f e c t i v e l yr e d u c e sn o i s ea n d c r a w l a sar e s u l t , b r i n g i n g t h ee l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c to fo i lf i l mo nm i c r o - b u l g eu n d e r t h eb o u n d a r yl u b r i c a t i o n ”i n t of i l up l a yi st h ek e yt oa n t i w e a r 、v i b r a t i o nd a m p i n ga n d n o i s e - r e d u c i n g k e yw o r d s ：m i c r o - b u l g e e l a s t i cs u p p o r t i n ge f f e c tb o u n d a r yl u b r i c a t i o nw e a r i l l 独创性声明 y i o 6 9 9 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：誊冰 日期：翻皓年归月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密正 ( 请在以上方框内打扩) 学位论文作者签名： 誊水 日期：鲫6 年，口月彳日 指导教师签名：研伯易 y 日期：如；年归月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的来源、目的及意义 本课题来源于广西自然基金资助项目( 桂科自0 5 4 2 0 0 8 ) 文献查阅表明，边界润滑理论的研究及应用已涉足了较多领域，但至今利用边 界润滑来消除磨损、颤振及噪声的研究却是风毛麟角，基于此研究背景，本课题展 开了对边界润滑抗磨、消振、降噪领域的研究，并采用边界润滑的方式成功的完成 了一系列的抗磨、消振、降噪的实践【l 】； ( 1 ) 在实验室条件下，成功地将接触应力口= 2 1 6 0 m p , , 的辊一轨模拟试件的耐磨 能力提高了十三万倍； ( 2 ) 在生产现场，成功地消除了重型钢轨矫直时1 2 5 d b ( a ) 以上的噪声； ( 3 ) 完成了在消除了1 0 5 d b ( a ) 左右钢筒车削噪声的同时，亦使其表面粗糙度由 r a l 2 5 提高到r a l 6 ，并降低3 0 以上切削力的试验研究。 在实践的基础上发现：消除重轨矫直和钢筒车削噪声、提高辊一轨模拟试件抗 磨能力这些看似毫无相似之处的现象其实存在着共性的特征，即：都是摩擦自激振 动的结果。 当使用特殊配制的润滑剂后，在边界润滑条件下，该润滑剂所形成的润滑油膜 可以改变相互作用表面间的摩擦特性，从而抑制了摩擦自激振动，最终表现为边界 润滑有效地消除噪声、抑制爬行，并极大程度地提高工作表面的抗磨能力。 本文在此研究的基础上通过试验及分析，描述了一个新概念“微凸体油膜弹性 支承效应”，并进一步分析表明，边界润滑可以降低磨损、消除切削颤振及噪声的 关键在于：边界润滑条件下，润滑油膜可以改变相互作用表面间的摩擦特性。而润 滑油膜之所以可以改变相互作用表面问的摩擦特性是基于本文所提出的“微凸体油 膜弹性支承效应。 基于上述的研究基础，高中庸等学者大胆提出了“边界润滑可以消除切削颤振及 噪声、降低磨损”的观点，此观点延展了边界润滑的应用范围，而此技术简便易行， 成本极低且无资源缺乏之虑，不失为一种值得广泛推广的方法。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 摩擦学及其历史发展 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。它是研究相对运动表面 的作用、变化、损伤理论和应用的一门综合性科学技术，涉及数学、力学、物理、 化学、冶金、材料、机械工程以及石油化工等多学科领域。众所周知，摩擦是一种 普遍存在的现象，它对人类的物质生产和生活有着极其深远的影响。 1 2 1 摩擦理论及其发展 两个相互接触的物体，在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在 接触面上发生阻碍相对运动的现象称为摩擦。人们对摩擦规律的认识是逐步深入的。 1 5 0 8 年，意大利人达芬奇( l e o n a r dd av i n c i ) 提出了摩擦的第一，二定律，摩擦理论 开始建立。1 6 9 9 年，法国人阿蒙顿( g a m o n t o n s ) 在大量实验的基础上进一步证实了 摩擦的第一、二定律( 常称为a m o n t o n 定律) 。1 7 8 0 年，法国库仑( c a c o u l o m b ) 提 出了摩擦的第三定律( 亦称c o u l o m b 定律) 。此三人先后通过实验验证了滑动摩擦定 律，t l i a m o n t o n c o u l o m b 定律，从而进入研究摩擦的时代。至t j l 9 纪末和本世纪仞， 出现了粘着变形二元摩擦理论，为现代摩擦理论打下了基础。 在摩擦理论的发展过程中，人们对摩擦机理的认知也逐步得到完善。英国鲍登( f p b o w d e n ) 与泰博( d t a b o r ) 阿认为两金属表面在载荷下接触时，在粗糙表面的微凸 体尖端发生高压，产生了称为“冷焊”的局部塑性变形，形成两表面的结合，并在两 表面相互滑动时被剪切，同时较硬的表面嵌进较软的材料基体中，使摩擦部分产生 变形。该观点的提出奠定了摩擦机理认知的基础，随着微观科学的不断发展，摩擦 机理得到完善。摩擦的分子一机械理论认为：摩擦具有双重特性，即不仅要克服对 偶表面间分子相互作用的连接力，而且还要克服使表面层形状畸变而引起的机械阻 力( 变形阻力) 。具体说，作相对运动的对偶表面上的微凸体凸峰接触，相互啮合， 较硬表面微凸体嵌入较软表面，接触点的压力增高，实际接触面积增加，当压力达 到压缩屈服点o 。以后，将产生塑性变形。在表面作切向运动时，这些微凸体将“犁削” 表面，使表面层畸变。与此同时在表面闻存在分子相互作用的连接力，使表面黏附， 生成结点，严重者生成微小的固相焊合点，在表面作切向运动时将这些黏附连接剪 断。图1 - 1 所示表明了单个微凸体的摩擦过程。 华中科技大学硕士学位论文 塞肉群熬 图1 1 单个微凸体的摩擦过程 1 9 7 3 年，德国的弗莱舍尔( g f l e i s e h e r ) 等提出了评价摩擦的“能量理论”，从摩擦 过程中的能量平衡入手，进行热动力计算以评价摩擦与磨损过程，从系统的观点出 发，从摩擦、磨损状态转化的角度去分析摩擦学的问题，沟通了摩擦磨损机理。 1 2 2 磨损理论及其发展 磨损是指摩擦副的对偶表面相对运动时工作表面物质不断损失或产生残余变形 的现象。磨损过程主要因对偶表面间的力学、化学与热作用而产生。1 9 8 5 年，契可 斯( h c z i c h o s ) 提出了图1 2 所示的磨损机理的分类，表明了摩擦学的相互作用关系与 磨损机理【2 】。 图1 2 摩擦学的相互作用与磨损机理的分类 华中科技大学硕士学位论文 摩擦是一种极为普遍的自然物理现象，在机械制造业中尤为突出，可以说“摩擦 副无处不在”。摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有8 0 的损坏零件 是由于各种形式的磨损引起的，磨损大大降低了机械设备的工作效率、设备的运转 精度，缩短了设备的使用寿命。而设备失效的原因是什么昵? 以系统的观点从微观 的角度来看，所有的粗糙不平的表面均由一些极小的凸起和凹坑组成，这些表面上 的凸起和凹坑会互相扣住从而阻碍两个表面间的滑动。当平面相对移动时，有些凸 起和凹坑变形，局部温度升高，甚至形成自焊，使运动的阻力更大。而由于他们所 在的表面仍在继续相互移动，他们就会互相剪切。经过剪切的表面变得更加没有规 则，一些物质从一个表面转移到另一个表面，还有一些则从两个表面上脱落。这种 自焊剪切的现象的不断循环最终导致磨损，这就是从微观上分析的设备失效的原 因。 1 2 3 润滑理论及其发展 1 ) 润滑理论的发展 摩擦学研究的重要意义及目标在于：节约能耗，降低材料损失，延长机械装备的 服役寿命和提高工作可靠性。因此，作为摩擦学范畴内三个分支中的润滑理论不断 发展、完善起来。润滑的目的是在机械设备摩擦副相对运动表面问加入润滑剂以降 低摩擦阻力和能源消耗，减少表面磨损，延长使用寿命，保证设备正常运转。 早在五千年以前，我国及埃及等国家的人民就知道将动物脂肪加予车轮的轴承中 以减少机件间的摩擦和磨损，而这就是人类早期的润滑实践。但是这种实践一直缺乏 科学的解释，更谈不上在科学指导下的应用了。对于润滑学的系统研究，直至l j l 9 世纪 末叶才逐渐展开。1 8 8 3 年，英国铁道工程师托尔( b t o w e r s ) 在改进机车车轮轴承的润 滑时，发现某些部位油膜压强高出大气压许多的现象。这个实验现象启发了在湍流理 论上做出重大贡献的流体力学家雷诺( o r e y n o l d s ) 。1 8 8 6 年，雷诺对托尔实验中出现 的现象应用数学和流体力学理论作了分析，推导出一个润滑油膜罩的压强分布所应该 服从的方程式，这就是在润滑理论中有罩程碑意义的雷诺方程。雷诺方程奠定了现代 流体动力润滑的理论基础。根据雷诺方程，影响润滑效果的主要因素是润滑剂粘度， 而粘度可用简单方法测得，所以，通过雷诺方程，我们可以用在简单流场中测得的物 质参数( 粘度) 预测流体在复杂流场的响应，这恰恰是工程研究方法的最终追求，也正 4 华中科技大学硕士学位论文 是有了雷诺方程才有了润滑工程一说【3 1 此后的研究大多归结为对雷诺方程的求解。 索默菲尔德( a s o m m e r f e l d ) 在1 9 0 4 年对无限宽圆柱轴承求得了雷诺方程的解析解， 米歇尔( a g m m i e h e l l ) 在1 9 2 9 年对无限窄轴承提出了近似解，沃克维克( f w o c v i r k ) 在1 9 5 3 年更进一步发展了窄轴承理论，使之在工程上获得了实际应用。随着数值计算 技术的进步，润滑理论的发展也繁荣起来。一些象温度、惯性、非牛顿流体特性等因 素对润滑性能的影响，这些过去被认为是次要的因素，现在由于计算技术的进步而可 以较细致地分析了首先，有限宽径向轴颈轴承包括油膜破裂边界条件的数值解求出 来了。随着机械转速的提高，动压润滑的稳定性以及非稳恒运转状态下的润滑性能 成为研究的对象。在5 0 年代，流体静压润滑技术开始广泛地被采用。在6 0 年代，气 体动压润滑技术在计算机辅助设备中得到广泛应用。此外，必须考虑接触时零件表 面问的弹性变形及润滑剂的压力一粘度效应的润滑问题也得到进一步的研究，自 1 9 4 9 年格鲁宾( a h t p y o n h )提出了弹性流体动力润滑( e l a s t o h y d r o d y n a m i e l u b r i c a t i o n ，缩写为e h l ) 下著名的计算公式以来，道森( d d o w s o 1 )、希金森 ( g r h i g g i n s o n ) 及郑绪云( h s c h e n g ) 等学者又作了进一步的深入研究。3 0 多年 来，弹性流体动力润滑已形成了润滑理论中的一门重要分支，以数值解为基础的弹 性流体动力润滑( 简称弹流润滑) 理论的建立是润滑理论的重大发展，该理论进一步 拉近了润滑理论与工程实际的距离，解释了许多用经典润滑理论无法解释的现象1 4 l 。 2 ) 润滑的类型 机械摩擦副表面间的润滑类型或状况，可根据润滑膜的形成机理和特征分为以下4 种： ( i ) 流体润滑：润滑剂膜厚度h 和表面粗糙度综合值的比值九约为3 以上，相对于曲 线右侧一段。两摩擦表面完全为连续的润滑剂膜所分隔开，由低摩擦的润滑剂承受载 荷，磨损轻微。 ( 2 ) 混合润滑：几种润滑状态同时存在，比值九约为3 ，相当于曲线中间一段。状态 为摩擦表面的一部分为润滑剂膜分隔开，承受部分载荷，也会发生部分表面微凸体间 的接触以及由边界润滑剂膜承受部分载荷。 ( 3 ) 边界润滑：比值) l 趋于0 ( 小于o 4 1 ) 时，相当于曲线左侧一段。此状态摩擦表 面微凸体接触较多，摩擦界面上仍存在着一层吸附的薄膜，具有一定的润滑性能，润 滑性好的润滑油在会属表面上会有许多微小黏性薄膜黏附，这有助于减少金属表面磨 华中科技大学硕士学位论文 损 ( 4 ) 无润滑或干润滑：状态为当摩擦表面之间、润滑剂之间润滑剂的流体润滑作 用已经完全不存在，载荷全部由表面上存在的氧化膜、固体润滑膜或金属基体承受。 这4 种类型的润滑状态，通常可根据所形成的润滑膜的厚度h 与表面粗糙度综合值 页，借助斯特里贝克( s 证b e c k ) 摩擦曲线2 1 进行对比得出。 鼍 蕊 惭 姑 轴承柑系致一些蠢蔫堑 图i - 3 斯特里贝克曲线与润滑类型 表面粗糙度综合值置为： ( i = 瞎+ 再严，其中鬲与再为两对偶表面的相应粗糙度值r 曩或r z ) 。 而根据实际使用情况，各种机械中的大多数运动副并不是在完全流体润滑状态 下运转，特别是在启动、停止、慢速运转、载荷或速度突变的瞬间往往处于边界润 滑状态下。此外，边界润滑在滚动轴承，齿轮、活塞环、导轨与铰链等机械零部件 中也广泛存在；有色金属挤压加工中的边界润滑问题尤为突出。因此研究边界润滑 状态下摩擦磨损性能以及采用有效的边界润滑剂来减少接触表面的磨损存在重要的 实际意义。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 边界润滑理论及发展 1 3 1 边界润滑理论的提出及润滑模型深化 1 9 2 2 年英国学者h a r d y 第一次提出“边界润滑”的概念，他和达勃代注意到：在 对置固体表面靠的很近时，决定表面的摩擦磨损特性的主要是吸附在固体界面的薄 层分子膜的化学特性和润滑剂的物理特性。他们称这种润滑状态为“边界润滑”。该 模型阐明了单分子吸附膜的重要性。1 9 5 0 年，鲍登和泰伯 5 1 提出了一个较h a r d y 更 接近实际的边界润滑模型称b o w d e n - t a b o r 模型，该模型提出了边界润滑膜不连续的 概念，认为边界膜是在温度达到其熔点时破裂。机械、物理或化学的单个方面的研 究只能反映边界润滑机理的某方面，因此从系统论的角度，综合边界润滑中的机械 作用、物理作用与化学作用对解析边界润滑膜的形成和破裂机理是必要的。1 9 5 8 年， k i n g s b u r y 提出润滑膜破损率的概念，将吸附分子行为与界面摩擦现象关联，综合考 虑了界面热力学、动力学影响因素，建立了k i n g s b u r y 模型1 9 6 0 年，w i l s o n 考虑 了外界压力的作用，提出了w i l s o n 模型，该模型解释了凝聚态边界膜润滑机理。同 年，c a m e r o n 进一步考虑了边界润滑下摩擦力的问题，提出摩擦副界面的摩擦力主 要由分子问范德华引力造成，并从能量和统计角度处理摩擦力的问题，形成了 c 锄e r o n 边界润滑模型。此后，直至1 9 8 8 年，由h o m a l a 和i s r a e l a c h v i l i 提出了 c o b b l e s t o n 边界润滑模型，该模型将分子大小与表面计量相联系，用于解释大分子润 滑效果【6 l 。边界润滑概念的提出及边界润滑模型深化，不仅解释了非全膜润滑情况下 的润滑作用机制，而且将润滑介质的物理、化学特性引入摩擦学研究范畴，极大地 丰富了摩擦学的研究内容，使人们能在更微观的水平上更细致地研究摩擦、润滑的 作用机理。 1 3 2 边界润滑的机理 边界润滑状态下，摩擦表面的微凸体接触较多，润滑剂的流体作用减少。载荷几 乎全部通过微凸体、润滑剂以及表面之间的相互运动所产生的边界润滑剂膜柬承受， 随着运动副摩擦表面相对滑动速度降低和载荷的增加，以及润滑剂膜厚度与表面粗 糙度综合值得比值的减小，摩擦表面已不能完全被润滑剂膜完全隔丌。在作相对运 动时就会在摩擦表面上同时存在着一部份流体效应膜的润滑作用，一部份表面微凸 7 华中科技大学硕士学位论文 体直接发生接触，产生金属一金属黏附，此状态也就是人们所称为的部分流体润滑。 此时有： n = n 彳+ n 嚣+ s( 1 1 ) 式中： 虮法向载荷； 。产生直接接触的表面承受的载荷； 。金属表面边界膜承受的载荷； 。由流体效应膜支承的载荷。 通常在边界润滑状态下。流体效应膜几乎不起作用常被省去。图1 4 是边界润滑 机理模型 7 1 ，摩擦力可看成是剪断表面黏附部分的剪切阻力与边界膜分子日】的剪切阻 力以及微凸体之闻空腔中产生的液体摩擦力之和，即 f = a a r + a 0 一a ) q + 五0 - 2 ) 式中：口在承受载荷的面积内发生金属直接接触部分占承载面积的百分数； a 承受全部载荷的面积； f 金属黏附部分的抗剪强度； q - i 左界膜的抗剪强度； f l 液体摩擦力，通常可略去不计。 一磐尹 图1 4 边界润滑机理模裂 华中科技大学硕士学位论文 由式( 1 - 2 ) 可知，当口卸时表示润滑膜完好，此时润滑处于流体润滑下f i = a ， 摩擦系数= 上；当完全没有润滑时，形成千切削，此时口z l ，则摩擦力f f a f 由于润滑膜的剪切强度比固体的剪切强度低得多( 即g e d ，从而使切屑发生变形同理，由于弧长p e f d ，切屑必然发生卷曲田j 。 图2 2两滑移线间的滑移转角 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 前刀面摩擦挤压作用使切屑发生卷曲 切屑底层的金属除基本变形外，还要产生前刀面摩擦变形，前刀面的摩擦挤压 作用使切屑沿厚度方向存在不同的残余应变。在靠近前刀面的区域切屑材料晶粒的 残余应变较大，越靠近切屑自由表面，切屑材料晶粒的残余应变越小，因此切屑晶 粒将发生翻转，则切屑底部膨胀从而引起切屑的卷曲。 “) 切削力与切屑卷曲程度的关系 如图2 3 所示，切削力来自两个方面：首先是切削过程中，切削层金属、切屑和 工件表面层金属的弹、塑性变形抗力。其次是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。 斛一璧 图2 - 3切削力的米源图 根据切屑卷曲的主要机理，本文认为：切削力大小与切屑卷曲曲率存在一定的关 系：切屑卷曲曲率越大，卷曲越紧，所耗切削力则越大，反之切屑卷曲曲率越小，卷 曲程度越松散，所耗切削力则越小。因此，可以通过对切屑卷曲曲率的测量间接了解 切削力大小的变化。 当金属表面涂油润滑后，加工出的切屑仍然为卷曲状，因此可以通过比较涂油 切屑与无油切屑卷曲曲率的不同，间接反映出涂油切削和无油切削时所耗切削力大小 的差异，而该差异的存在就应该是出于摩擦副涂油表面“微凸体油膜弹性支承效应” 的影响。 2 ) 试验设备的选择 为了形成摩擦副涂油表面储油形态，避免油液随加工飞溅，并要能实现加工出 的切屑基本呈类圆状，本试验选择了刨削加工方式。因而选择：b 6 0 6 6 型牛头刨床、 华中科技大学硕士学位论文 高速钢刀具、硬质合金刀具等。此外，为了测量切屑卷曲曲率而选用了游标卡尺等测 量设备。 3 ) 试验用润滑剂的制各 众所周知，在普通基础油中施加某些添加剂时，该润滑油的性能便大有改善。 目前，普通基础油在边界润滑的条件下体现出的抗磨性并不明显，而且几乎所有的普 通基础油都不具有消除切削颤振及噪声的能力，然而，选择适当的添加剂所配置成的 润滑油经切削试验的验证表现出了明显的抗磨、消振及降噪的性能1 2 3 1 ，为了揭示此 特配润滑油抗磨、消振及降噪的机理正是该润滑油能形成的良好的“微凸体油膜弹性 支承效应”，本文的试验均采用自行配置的特配润滑油，该油的成分及配比如表2 1 所示 表2 1 润滑油成分及配比 鏊 基础油 添加剂代号 。嘉埝 及配比 l sp 2p 4y 2 a3 0 # 9 7 l 2 b3 0 # 9 7 3 c6 8 # 9 7 1 2 d6 8 # 9 7 1 l 1 4 1 试验试件准备 根据试验目的选用以下三种常用材料，试件尺寸如下： 4 5 钢( p d + h ) ；2 5 0 x 1 3 0 x 5 0 m m ； q 2 3 5 ( a 3 ) ( l + d 4 h ) ：2 5 0 x 1 3 0 x 5 0 m m ； 4 0 c l * d * h ) ：2 5 0 x 1 3 0 x 5 0 m m 2 2 刨削验证试验步骤及结果 2 2 1 试验步骤 ( 1 ) 将三种材料试件进行纵向刨削初加工( 与后续试验刨削运动方向垂直) ，r a = 1 6 ，此加工方式使初加工犁沟涂油后，微凸体能在横向上形成微凸体油膜，可称 1 4 华中科技大学硕士学位论文 为微凸体横向支承条纹形态； ( 2 ) 在每块试件上切槽，将大块试件分为6 个性质相同，表面形貌相同，切削长 度相同的切削试验区域，以使从每个区域所获得的卷曲切屑具有可比性，如图2 _ 4 所 示； 圈2 - 4 试件的纵向初加工及涂油过程 ( 3 1 在a 3 钢试件的六个区域中除一处不涂油外，其余五个区域分别涂上基础油3 0 # 和配置好的a 、b 、c 、d 四种抗磨润滑剂，静置1 5 r a i n 后再分别涂一次油，再静待 5 m i n 。通过该过程使涂油表面润滑液有足够时自j 充分浸润，并在表面产生物理化 学吸附，形成边界润滑层及稳定的微凸体油膜形态； ( 4 ) 选择高速钢刀具( 刀具有关几何参数如下：前角：4 0 。，后角：1 2 。，主偏角：9 。， 副偏角：1 3 0 ，整个试验过程保持该刀具几何参数不变) 进行刨b t l j j n 工，在浸润试件 时也在刀具前刀面涂上与待切削区试件相同的油品并静置，以使刀具的前刀面上也 形成稳定的微凸体油膜形态； ( 5 ) 选择同一组切削参数( v = 2 8 m m i n ，f - - - - 0 4 m m r ，h = 1 2 m m ) 对每块切削试验区域 进刨削加工，加工完成后收集所有切屑，标识后测量，记录下每个屑形外径尺寸。 对于其余两种材料4 5 钢和4 0 c r 亦按照同样试验过程进行。 2 2 2 试验结果及数据处理 1 1 试验原始数据 以a 3 钢无油切削为例，加工完成后收集所有切屑并标识，再利用游标卡尺测量 所有切屑的外径尺寸，测量的原始数据如表2 2 所示： 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 2a 3 钢无油时所收集切屑外径测量原始数据( c m ) 1 41 5 31 5 2 1 7 71 7 l1 6 81 4 41 4 31 4 71 51 3 51 4 1 5 31 3 71 3 81 5 51 5 5 1 4 21 7 31 41 5 9i 4 11 3 91 3 6 1 3 91 3 41 41 “1 3 91 4 71 4 2 1 51 51 6 21 3 81 4 5 1 3 91 3 91 41 5 91 4 41 5 31 5 5 1 4l m1 3 91 5 21 4 4 1 6 41 4 71 4 81 4 3i f 5 71 6 41 3 81 4 9 1 41 4 81 4 61 5 5 1 2 51 5 l1 3 91 4 91 5 31 5 3 1 2 91 4 9i 4 71 3 8 41 3 81 4 6 2 ) 试验数据处理 在所得到的试验数据表2 2 中，先删除异变的数据( 主观判断) ，再去掉二个最 大值，两个最小值，最后将其余数据进行平均计算。以表2 - 2 a 3 钢无油切屑为例，得 到的切屑外径尺寸数据为1 5 2 ，1 4 4 ，1 4 7 ，1 5 3 ，1 3 9 ，1 5 9 ，1 3 8 ，1 4 ，1 6 4 ，1 2 9 ， 1 2 5 ，1 6 8 ，1 7 1 共6 7 组( 试验数据见附页) ，去掉最大两个值1 7 1 和1 6 8 ，再去 掉两个最小值1 2 5 ，1 2 9 ，将剩余的6 3 组数据平均计算，得到平均外径值为 d = i 4 6 5 m m ，计算其曲率为0 6 8 3 ，同法计算其它各组数据。 3 ) 数掘处理统计结果 数据处理后统计结果如表2 3 、2 - 4 所示： 表2 - 3 无油涂油状态下切屑屑形外径统计表( r a m ) 无油时的屑采用润滑剂时的屑形外径( r a m ) 材料 形外径 润滑刑a 润滑剂b润滑： f ! | c润滑剂d 3 0 # 4 5 钢8 9 l8 2 48 4 28 3 0 08 6 5 8 4 8 q 2 3 5 f a 3 ) 1 4 6 51 4 5 41 4 3 31 4 0 21 3 7 01 4 5 7 4 0 c r7 0 46 2 05 9 75 4 7 5 9 06 9 7 注：该统计表原始数据见附表2 - l 2 1 8 。 表2 - 4 无油及涂油状态下切屑屑形曲率统计表( 1 r a m ) 无油时的屑采_ 【i 润滑荆时的屑形曲率 材料 形曲率润滑剂a润滑荆b润滑剂c润滑荆d 3 0 # 4 5 钢o 1 1 2 0 1 2 lo 1 1 8 7o 1 2 0o 1 1 60 1 1 7 9 q 2 3 5 ( a 3 ) 0 0 6 8 0 0 6 90 0 7 00 0 7 10 0 7 30 0 6 9 4 0 c r 0 1 4 20 1 6 10 1 6 70 1 8 30 1 6 9o 1 4 3 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 刨削验证试验结果分析 2 3 1 试验现象及结论 宏观观测所收集的切屑不难发现：某些材料的切屑有润滑和无润滑时其曲率半 径明显存在差异，如图2 5 所示的q 2 3 5 。从图中可明显看出：对于q 2 3 5 材料，无油时 切屑卷曲曲率小，而涂油时切屑卷曲曲率大。 无润滑 有润滑 豳2 - 5 q 2 3 5 无油及涂油( 3 0 # ) 的切屑外观对比图 然而，对于q 2 3 5 材料的上述试验现象是否为试验共性现象呢? 根据2 2 1 的试验 结果表2 4 所绘制的高速钢刀具刨削时切屑卷曲曲率对比图2 6 表明：试验所选用的 三种材料4 5 号钢、4 0 c r 、q 2 3 5 ( a 3 钢) ，在初加工表面r a = 1 6 时，采用高速钢刀具刨 削后均呈现出无油时切屑卷曲曲率小，而涂油时切屑卷曲曲率大的现象。 图2 - 6 高速钢刀具刨削时切屑卷曲曲率对比图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 此外，根据表5 2 所绘制的采用硬质合金刀具刨削时切屑卷曲曲率对比图2 7 也表 明：即使改变了切削刀具材料( 摩擦副) ，改变了初始加工表面( 凡= 6 4 ) ，三种材料 切屑卷曲曲率的对比结果仍呈现无油时切屑卷曲曲率小，而涂油时切屑卷曲曲率大 的现象。 图2 7 硬质台金刀具刨削时切屑卷曲曲翠对比图 对于同一材料而占，加工过程中采用了同样的机床及切削刀具( t j 具始终保持相 同的刀具角度1 ，相同的切削参数，之所以存在着切屑卷曲曲率的大小的差异可以从 试验条件明显看出，原因在于：试验过程中试件表面是否有润滑油的存在，有什么 类型的润滑油存在。因此可以认为切屑卷曲曲率大小的差异与试件表面是否有润滑 直接相关。笔者从切屑卷曲的主要机理出发分析后，得出如下结论： 无油时切屑卷曲曲率小，切屑变形小，即所耗的切削力稍小，而涂油时切屑卷 曲曲率大，表明切屑变形加剧，所耗的切削力稍大。而产生此现象的原因正是因为 金属表面存在“微凸体油膜弹性支承效应”。 2 3 2 “微凸体油膜弹性支承效应”的作用机理 本文从切屑卷曲机理出发，以切屑卷曲与切削力以及微凸体油膜弹性支承之问 的关系为切入点，通过对比有润滑及无润滑状态下切屑卷曲的曲率，分析了“微凸体 油膜弹性支承效应”的作用机理，从而阐明“无油时切屑卷曲曲率小，而涂油时切屑卷 曲曲率大”的现象实际上是证明了“微凸体油膜弹性支承效应”的客观存在。 “微凸体油膜弹性支承效应”的作用机理： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 微凸体凹谷存油的润滑形态降低了微凸体的悬臂高度 金属表面其实都是凹凸不平的，存在凸峰与凹谷，在金属表面涂抹一薄层油静待 后油液充分渗透到金属表面，而此时油膜沿表面轮廓并非等厚度分布，而是由于润滑 油表面张力或吸附力，形成凹谷处膜厚，而凸峰处膜薄的润滑形态。这种润滑形态使 微凸体根部形成有效的弹性支承，降低了表面微凸体的悬臂高度h 。此时，在挤压力 或切向力f 作用下，微凸体便难以变形受损。那么在切削过程中就必然要消耗更大的 切削力以达到微凸体变形及晶粒的滑移，切屑变形将更加明显，因此涂油切屑卷曲曲 率较无油切屑卷曲曲率稍大些。 ( 2 ) 微凸体油膜的弹性支承作用使微凸体不易变形 油膜沿表面轮廓分布后形成稳定的微凸体油膜，该油膜存在的弹性支承效应， 可视为在金属表面形成一系列弹簧，如图2 8 所示。在切削过程中微凸体发生微变形， 则其外侧附着的油膜弹性支承将阻碍微凸体的变形，起着抵抗切削力的作用，从而 使切屑变形更加明显。 f 切 图2 - 8 润滑形态及微凸体部分受力示意图 ( 3 ) 微凸体油膜挤压油膜效应 在切削过程中，前刀面与切屑相互接近，这时可把两表面的运动分解成两个分 量，如图2 9 所示，一为前刀面以速度v l v 2 接近切屑，二是前刀面与切屑以同一速 度v 2 运动，显然，第一个相互接近的运动使两者间间隙不断减小，此时，微凸体油 膜必将会因挤压而建立一定的承载能力即挤压油膜弹性支承【2 4 1 。该油膜弹性支承的 效果f 。使切屑底部膨胀加剧，促使切屑卷曲曲率变大，与实验的结果一样。 9 华中科技大学硕士学位论文 前可锄 f 挤 图2 - 9 挤压油膜弹性支承 2 4 “微凸体油膜弹性支承效应”的定性描述 “微凸体油膜弹性支承效应”可定性描述为：看似光滑的金属表面其实都是凹凸 不平的，在其表面涂抹一层润滑油后，由于微凸体表面轮廓对润滑油流动的阻碍或 疏导以及油的吸附作用或表面张力作用，油液沿零件表面决非等厚度地沿表面轮廓 分布，而是呈现出峰顶处膜厚极小，而谷底处膜厚明显增加的分布形态，如图2 1 0 所示。此时凹谷存油的润滑形态降低了微凸体的悬臂高度，在微凸体受挤压力或切 向力时提高其抗变形能力；另一方面，微凸体附着油膜会形成有益的弹性支承。在 挤压力或切向力作用下，微凸体所产生弹塑性微变形会激发了附着在微凸体上油膜 产生弹性效应，可简单表述为f i | = k _ _ 暮教a x m # * t m 。该油膜弹性效应实际形成 了对微凸体有益的支承，从而抵抗着微凸体的变形。因此微凸体油膜弹性支承效应” 的实际