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0 前言
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3 D打印技术是快速成型技术的一种,又称为增材制造(AM),是一种以三维模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1-2]。 3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的,相较于传统的材料切削加工技术,是一种“由下至上”材料累加的制造方法[3]。该技术最早出现在20 世纪90 年代中期,如今已在工业制造、生物医学、建筑工程、航空航天、国防军事以及其他诸多领域都有所应用[4]。 3D打印技术具有众多优势,其技术特点可以使它通过程序设计出与自然界高度相似的微结构,实现复杂的、不规则三维微结构制备[5]。 3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、橡胶类材料。本试验采用3D打印技术里的挤压成型技术,属于熔融沉积式( FDM),材料选用ABS树脂,是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子结构材料。
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传统摩擦学认为,相互接触的两个摩擦表面越光滑,摩擦磨损越小,但随着众多学者的深入研究, 发现具有非光滑形态的纹理表面反而表现出更好的摩擦学性能。表面织构技术作为改善摩擦副表面摩擦学性能的一种有效手段已经被证实[6]。随着表面织构技术在工程领域广泛应用,表面织构的制备方法也越来越受到重视,目前主要的制备方法包括机械加工技术、光刻技术、电解技术、激光加工技术等方式[7]。 LIDIA等[8]通过压印的方法在摩擦副接触表面分别制备了球、长滴和短滴形凹坑,研究结果表明织构的存在显著的降低了摩擦因数。张高峰等[9]通过压刻的方法,制备了平行沟槽和交叉沟槽两种织构,采用球-盘式摩擦磨损试验方法进行了微织构化硬质合金的摩擦磨损试验,试验结果表明当摩擦副运动方向与织构方向垂直时更有利于降低摩擦因数。 MAHYAR等[10] 采用光刻技术系统制备了圆锥形和圆柱形两种表面纹理,研究表明在相同试验条件下,圆锥形织构的摩擦因数更低,更稳定。张长桃等[11]通过光刻-电解技术对摩擦副的上试样进行圆形凹坑的加工,采用环-环摩擦的方式研究其摩擦磨损性能,结果表明凹坑深度为5 μm时,表面织构的减摩效果最好。谢永等[12] 采用激光加工技术在304钢表面制备出三角形微织构,摩擦方式为球-盘,试验结果表明与无织构化表面相比,三角织构表现出更好的摩擦性能。
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传统的织构制作方法各有其优缺点,其中激光加工技术以其效率高、精度高、无污染等特点被广泛使用。但是现有的加工工艺在制备微观尺寸的织构时,成本较高且灵活性较差,难以满足多尺度表面微织构的制备需求。 3D打印技术可以通过软件设计出任意形状的织构,从而实现复杂的、非对称微织构的制备。白亚雯等[13] 为了提高钛合金( TC4) 的耐磨性,采用激光增材技术成形CNTs/TC4复合材料, 并在模拟体液环境下,对其生物摩擦学性能进行分析,研究结果表明磨损率随着孔隙率的增加而减小。沈璋文等[14]采用激光选区熔化铜纳米粉增材制造的方法制备了表面凹槽形和凸起形两种微织构,仿真分析了表面微织构对摩擦副间润滑油膜的增压特性,结果表明与无织构摩擦副表面相比,织构表面摩擦因数大幅度降低。
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本研究利用FDM技术在ABS材料表面制备了非对称结构的楔形三角织构,研究其减摩抗磨效果, 以期此种表面织构在发动机部件中良好应用提供理论支持和技术指导。本试验采用的销-盘均是由3D打印机制作出来,探究了楔形三角织构尺寸、面积占有率和润滑油流向,以及改变载荷及转速对摩擦磨损的影响。同时,通过流体仿真软件,模拟润滑油在试样表面流动时的内部压力,探究润滑油的不同流动方向对织构表面摩擦学性能的影响。
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1 材料与方法
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1.1 材料和打印条件
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本试验采用ABS塑料丝,直径1.75mm,材料颜色为黑色,材料性能参数如表1所示,安装在太尔时代UP Plus2和太尔时代UP mini两台3D打印机上,用于打印特定结构的试样。打印机设置为层厚0.2mm,填充率99%,打印速度在10~100mm/s,打印尺寸40mm × 40mm × 8mm, 打印喷嘴直径0.4mm,ABS材料熔化温度260°~270°,室温20°, 打印试样前先将热床加热至80°左右。
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1.2 试样制备
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研究采用销-盘摩擦副,摩擦方式为回转式运动,上下试样均采用ABS材料,上试样为 d=5mm, h=15mm的销,下试样为40mm×40mm×8mm的正方形板,下试样接触表面有3D打印机制备的楔形织构,销-盘接触如图1所示。首先用三维建模软件(SOLIDWORKS)建立起所需模型,随后将模型导入3D打印机内进行模型实体化的制作。将打出的实体依次用规格为400、600、800、1000目的砂纸在陶艺拉胚机(型号BTH-BLP-BP03)上进行粗抛光处理,在1200、1500、2000目砂纸精抛时涂上适量0.5mm金相抛光膏来恢复试样表面的光泽。将精抛后的试样放入KXT-163超声波清洗机中进行超声波清洗,清洗时将试样放入烧杯中,使抛光后的表面朝下,将配好比例的乙醇溶液(无水乙醇:水=1 ∶3)倒入烧杯中,使乙醇溶液完全淹没试样。然后将烧杯放入盛有清水的超声波清洗机中,使之在清洗的时候达到共振效果,提高清洗效率,清洗2至3次,每次清洗15min。将清洗干净的试样放在通风处,使之自然风干。为避免误差过大,上试样不做抛光处理。
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图1 销-盘接触三维图
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Fig.1 3D drawing of pin-disk contact
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根据3D打印机精度设计试验织构表面是等边三角形,织构最深处与表面三角形的边长相等,为了获得更好的表面凹坑形貌,在1.5~3mm之间设计了6个不同织构参数,分别为1.8、2、2.2、2.5、2.7、 3mm。经摩擦磨损试验后,确定最佳织构参数,随后对其进行一定范围内的面积占有率设计,在不同面积占有率的情况下,摩擦磨损情况也不相同。由于本试验研究的是非对称结构织构对摩擦因数的影响,所以也设置了另外两种对比试验来探究楔形织构的流体动压效应以及减摩效果,即顺时针楔形方向和逆时针楔形方向,如图2所示,其中2a是顺时针楔形织构,2b是逆时针楔形织构。
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1.3 摩擦磨损试验
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使用MRTR-1多功能摩擦磨损试验机对试样进行回转式摩擦试验,用以测试表面楔形织构的摩擦学性能。为避免偶然性因素,每组试验中都进行3至4次。上试样采用的销试样被安装在特定的夹具上(图3),销垂直于楔形织构的方向上并保证与下实盘的接触区域完全覆盖织构。 MRTR-1多功能摩擦磨损试验机的回转运动试验与一般摩擦磨损试验机器不同,其是一个下试样做回转运动的机器。将下试样固定在回转圆盘上(图4),试验中采用粘度指数为68的100号基础油作为润滑油。试验具体参数为:载荷是5N和10N,转速是150r/min和200r/min,摩擦时间是60min,摩擦副表面处于油浸状态,通过改变上下试样的旋转直径 ( 11.35、 15.56mm)、载荷(5、10N)、织构参数(1.8、2、2.2、 2.5、2.7、3mm)、织构方向(顺时针、逆时针)和转速 (150、 200r/min) 以及面积占有率的不同来研究ABS材料试样的摩擦磨损特性。所有试验均在室温 (20℃)相对湿度70%±15%的大气条件下进行。摩擦因数是由MRTR-1多功能摩擦磨损试验机在试验中自动记录数据,数据采集时间是10s,通过滤波采集。从摩擦试验机中取出试样,观测磨痕形貌,并分析磨损机理。使用体式显微镜XTL-100观测磨痕形貌。
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图2 不同方向的表面楔形织构
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Fig.2 Surface wedge texture in different directions
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图3 上试样的装夹
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Fig.3 Clamping of the upper sample
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图4 下试样的装夹
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Fig.4 Clamping of the next sample
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2 结果和讨论
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2.1 宏观形貌
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如图5所示为从3D打印机中取出未经抛光处理和抛光后的试样,表面三角形均为大小一致的等边三角形, 其边长为2.7mm, 凹坑最深处为2.7mm。从图中可以看出在表面三角形凹坑周围存在很多微小孔隙, 而无凹坑表面就没有孔隙。 LLNL(美国劳伦斯利弗莫尔国家试验室)的研究人员MATTHEWS Ibo和其团队发现,激光照射金属粉末造成的气体流动,是导致在打印过程中激光路径附近的粉末被驱走的主要驱动力。这一“剥蚀” 现象导致了激光在进行下一段照射熔融的时候可用的粉末减少,从而在成品部件中形成了微小的孔隙和缺陷。作为塑料打印的一种熔融沉积技术( Fused deposition modelling, FDM),在凹坑周围的微小孔隙的形成与金属打印出现孔隙的原因相似。图5a是未抛光之前整个织构的局部放大图,图5b是未抛光单个织构的放大图。图5c是精抛后整个织构的局部放大图,图5d是精抛后单个织构的放大图。图5e是未抛光的原始表面局部放大图,图5f是精抛后的光滑原始表面局部放大图。
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图5 试样表面宏观形貌图
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Fig.5 Macro topography of sample surface
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2.2 仿真模拟
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为探究润滑油流动方向对试样表面摩擦因数的影响,试验中采用Fluent流体分析软件,模拟了楔形三角织构沿着顺逆时针流动的压力分布。
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2.2.1 仿真模型的建立
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通过CAD制图软件建立图6a所示销-盘接触示意图,图中圆形标注区域可通过ANSYS数值模拟分析软件简化为图6b二维流体模型和图6c三维流体模型。
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图6 仿真模型
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Fig.6 Simulation model
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2.2.2 边界条件及材料的设置
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试验过程中是下试样固定在旋转轴上,故以流体模型有织构的表面为运动壁面, 并给定速度0.237m/s ( 200r/min), 流体区域的密度为801.4kg/m 3,动力黏度为0.083 4Ns/m 2,流体进口和出口分别设置为压力进口和压力出口,其数值等于标准大气压,其余面均为固定壁面。
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2.2.3 仿真结果与分析
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(1) 楔形织构对油膜承载力的影响
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图7 所示是在转速200r/min条件下7a无织构表面油膜内部压力云图,以及7b楔形织构表面油膜内部压力云图,对比7a、7b两图可以看出,楔形三角织构的存在使得润滑油膜内部压力发生了梯度变化,并且在织构内部,沿着速度方向,油膜压力在三角形的左端先是出现了压力降低,在织构右端压力升高,两侧形成了动压效应。这对增大油膜压力,提高承载力,降低摩擦副间的摩擦因数有着积极作用。
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图7 有无织构的油膜内部压力云图对比
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Fig.7 Comparison of oil film internal pressure cloud images with or without texture
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(2) 润滑油流动方向对楔形织构表面摩擦因数的影响
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当润滑油由楔形三角的底边流向顶角时,逆时针楔形织构油膜内部压力云图8a所示,正压区产生于润滑油流动方向的下游即三角形的角,由于收敛区间较小,所以产生的正压力也较小。当润滑油由楔形三角的角流向边时,顺时针楔形织构油膜内部压力云图8b所示,正压区发生在三角形的边,产生的收敛区间较大,其最大正压力也较大。顺时针楔形织构能产生更大的正压力,分析其原因是由于顺时针楔形织构比逆时针楔形织构的摩擦因数小。
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图8 楔形三角凹坑织构在不同方向上的油膜内部压力云图
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Fig.8 Oil film internal pressure neogram of wedge-shaped triangular pit texture in different directions
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2.3 织构尺寸影响
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本次试验首先探究了在10N载荷以及固定转速200r/min条件下,改变表面楔形织构的边长与深度尺寸参数(1.5、1.7、2、2.2、2.5、2.7、3mm) 来研究楔形表面织构尺寸对ABS材料摩擦特性的影响。试验全程在油润滑条件下进行,并且与光滑无织构ABS表面的摩擦磨损试验作为对照试验,共设计了7组试验。图9是在10N、200r/min条件下, 不同尺寸参数下织构表面与无织构表面摩擦因数对比结果。
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图9 所示在转速为200r/min、载荷10N条件下,在1.8~3mm区间内所有尺寸的表面织构试样均比无织构试样的摩擦因数小,且波动较平稳。而且从图9中可以看出在织构尺寸1.8~2.5mm和2.7~3mm之间,随着织构尺寸的增加摩擦因数有增大的趋势,且在3mm时,摩擦因数达到最高,在2.7mm时减摩效果最好,且摩擦因数波动最小。从图9中可以看出在前15min内摩擦因数的变化波动比较大,而在15~20min以后达到摩擦稳定状态, 这是因为ABS材料作为高分子材料在其摩擦副表面有一层氧化物,在前15min通过摩擦会将试样表面的氧化物等保护物质破坏掉[15],在此期间摩擦因数的波动会比较大,15min后保护物质被完全破坏掉,上试样直接接触高分子材料的基体,高分子材料的耐热性能较差,较高的表面温度会大大加快材料的磨损。结果表明,在6组试验中,试样均保持着较低的摩擦因数,这是因为ABS材料的耐磨性较好, 表面产生的磨屑较少,对楔形织构没有破坏或破坏较轻,磨屑也没有堵住凹坑结构,且凹坑又能起到储存润滑油的作用,在摩擦时产生“二次润滑”,因此摩擦因数相比无织构表面又低又稳定。
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图9 在10N 200r/min下不同尺寸参数织构表面与光滑无织构表面的摩擦因数对比
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Fig.9 Comparison of friction coefficient between texture surface and smooth non-texture surface with different size parameters under 10N 200r/min
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2.4 织构面积占有率影响
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获取最佳织构尺寸参数2.7mm后,接下来便对最佳尺寸织构的面积占有率进行了细致研究,通过调整表面楔形凹坑的数量来改变其面积占有率。试验共设计了12组参数,分别是在面积占有率为10.98%、 11.63%、 12.28%、 12.92%、 13.57%、 14.21%、 15.06%、 15.94%、 16.83%、 17.71%、 18.60%、19.49%下。试验载荷依然是5、10N,转速150r/min,探究了不同载荷下,楔形织构的面积占有率对摩擦因数的影响。试验全程在油润滑条件下,并且与光滑无织构表面在相同试验条件下进行对照试验。图10a是在10N、150r/min的条件下, 不同面积占有率的织构表面与光滑无织构表面的对比结果;图10b是在5N、150r/min的条件下,不同面积占有率的织构表面与光滑无织构表面的对比结果。
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图10 织构面积占有率对摩擦因数的影响
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Fig.10 Influence of texture area occupancy on friction coefficient
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图10a所示为载荷10N、转速150r/min的条件下,不同面积占有率对摩擦因数的影响。从图中可以看出,当面积占有率为14.21%、18.60%时,有织构表面摩擦因数与光滑无织构表面接近,但从趋势来看,光滑无织构表面的摩擦因数呈现一个快速上升的趋势,而面积占有率为14.21%、18.60%的织构表面的摩擦因数上升趋势较为缓慢;当面积占有率为17.71%、15.94%、12.92%、19.49%、10.98%、 12.28%、11.63%、 13.57%、 15.06%、 16.83%时,织构表面的摩擦因数明显小于光滑无织构表面,因此都能起到减摩的作用,并且在16.83%时减摩效果最明显。图10b所示为载荷5N、转速150r/min的条件下,不同面积占有率对摩擦因数的影响。从图中可以看出,当面积占有率为18.60%时,有织构表面摩擦因数比光滑无织构大, 当面积占有率为19.49%时,有织构的摩擦因数随着时间的增长无限接近于无织构的摩擦因数,并且看未来的趋势,后面势必会超过无织构的摩擦因数,这证明当面积占有率大于18.60%时,对材料的减摩性能是不利的;而当面积占有率为11.63%、 12.28%、 14.21%、 12.92%、 10.98%、 15.06%、 16.83%、 13.57%、 15.94%、17.71%时,有织构的均比无织构的摩擦因数小,这证明楔形凹坑的面积占有率在10.98%~17.71%之间均能起到减摩的作用,并且在15.94%时减摩效果最明显。
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2.5 织构顺逆时针影响
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本研究设计的表面织构是楔形织构,为非对称结构,所以在润滑油条件下,流体在零件表面间润滑油流动状态更为复杂,加之空化现象对摩擦因数的影响也存在差异。王婷等[15] 设计了一种正弦状织构,结果表明非对称型织构在一定的条件下比对称凹坑织构有更好的动压润滑性能,并且在单向运动的情况下,非对称织构比对称凹坑织构有更优秀的承载力。张瑜等[16] 设计了5种体积相同的非对称截面轮廓构型,采用CFD方法对非对称微织构滑块模型进行仿真分析,结果发现低速工况下,空化与惯性耦合作用不明显,但随着速度的增加,非对称表面楔形织构增强因空化产生的惯性效应,延缓空化的发生,提高了滑块承载力。本试验是在设计面积占有率的基础上,设计了两种方向的表面楔形织构顺时针楔形织构(润滑油由三角形的顶角流向底边) 和逆时针楔形织构(润滑油由底边流向三角形的顶角)。图11是在载荷10N、150r/min不同面积占有率下,顺逆时针楔形织构的摩擦因数对比图。图12是在载荷5N、150r/min不同面积占有率下,顺逆时针楔形织构的摩擦因数对比图。
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图11 所示为10N、 150r/min条件下,不同的面积占有率对应的顺逆时针摩擦因数对比,从图中可以看出面积占有率为12.28%、13.57%、19.49%时顺时针表面织构的摩擦因数明显小于逆时针织构的摩擦因数。图12所示为5N、150r/min条件下, 不同的面积占有率对应的顺逆时针摩擦因数对比, 从图中可以看出面积占有率为10.98%、13.57%、 14.21%、16.83%、19.49%时顺时针表面织构的摩擦因数均小于逆时针表面织构的摩擦因数。试验中下试样盘是按150r/min的转速顺时针的转动,结合仿真结果也可以验证顺时针楔形三角织构能够产生更大的流体动压力。同时,摩擦试验结果也表明非对称织构具有方向性,润滑油沿着不同方向流动的表面织构有着不同的减摩效果。可以将这类非对称表面织构用于具有单向运动机械部件的表面设计中。
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图11 载荷10N转速150r/min不同面积占有率下,顺逆时针摩擦因数的对比
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Fig.11 Comparison of clockwise friction coefficients under different area occupancy rates at 10N rotation speed of 150r/min
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图12 载荷5N转速150r/min不同面积占有率下,顺逆时针摩擦因数的对比
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Fig.12 Comparison of clockwise friction coefficients under different area occupancy rates at 5N rotation speed of 150r/min
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2.6 磨损形貌分析
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在载荷5N、转速150r/min的条件下,光滑无织构表面与顺逆时针楔形三角织构表面的磨痕如图13所示,在固定载荷和转速下,图13a光滑无织构表面有明显的犁沟和划痕,这是由于在摩擦过程中产生的磨屑与试样表面相互作用产生的。图13b、 13c所示分别为逆时针楔形织构表面和顺时针楔形织构表面,从图中可以明显看出楔形凹坑的周围没有明显的犁沟和划痕,这是因为在摩擦过程中产生的磨屑大部分都储存在凹坑织构中,试样与磨屑的相互作用较少,材料的磨损方式主要为黏着磨损。结合仿真结果也能验证织构表面相比光滑无织构表面具有明显的减摩抗磨作用,并且顺时针楔形织构相比逆时针楔形织构减摩抗磨效果更好。同时,由于3D打印的特殊性,在凹坑周围形成的微小孔隙也能起到储存磨屑和润滑油的作用,对减摩也有一定的促进作用。
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3 结论
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(1) 通过3D打印技术在ABS材料表面制备出形貌较好的非对称楔形三角织构,并验证此种织构具有良好的减摩效果。这一技术可以对自然界中高度相似的、复杂的、非对称的、不规则微织构仿生提供可能。
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图13 在5N、150r/min条件下光滑无织构表面与顺逆时针楔形三角织构磨痕对比图
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Fig.13 Comparison of wear marks between smooth non-textured surface and clockwise and counterclockwise wedge-triangular texture under 5N and 150r/min conditions
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(2) 楔形三角织构在不同尺寸和面积占有率下均表现出不同程度的减摩效果, 当织构尺寸为2.7mm时,摩擦因数最低且最稳定。仿真结果结合试验结果验证了顺时针楔形织构(润滑油由三角形的顶角流向底边)表现出更为良好的摩擦性能。
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(3) 仿真结果证明非对称的楔形三角织构在减摩抗磨中有方向性,当润滑油从角流向边时具有更好的流体动压效应,试样表面的摩擦因数也较小,可以将这一种非对称织构应用于单向运动的机械部件中,如发动机活塞等。
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摘要
为了制备出复杂、非对称的楔形三角织构,并验证织构具有减摩效果,以期此种表面织构在发动机部件中良好应用提供理论支持和技术指导,以丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)高分子材料为样品,利用 3D 打印技术(FDM)分别加工出具有楔形凹坑表面试样与光滑表面试样。 在 MRTR-1 摩擦磨损试验机上进行回转式销-盘摩擦磨损试验,用体式显微镜观察工作表面的磨损形貌,通过 Fluent 有限元软件模拟仿真润滑油膜内部压力,并对仿真结果进行验证。 研究结果表明,与光滑无织构试样相比,表面楔形织构试样均有不同程度的减摩效果,且当尺寸为 2. 7mm 和面积占有率为 15. 94%时减摩效果最明显。 尺寸 2. 7 mm,固定转速 150 r/ min,10 N 载荷和 5 N 载荷工况下,顺时针楔形织构的摩擦因数比逆时针楔形织构的摩擦因数低。 这是因为在润滑油流动方向上,非对称织构也呈现出不同的流体动压效应,顺时针楔形织构比逆时针楔形织构流体动压力更大,承载力更高,减摩效果也就更好。 可为复杂形状表面织构的制备与应用提供良好的理论支持与技术指导。
Abstract
In order to fabricate the complex and asymmetric wedge-shaped triangular texture and verify its antifriction effect, acrylonitrile-styrene-butadiene (ABS) polymer material was used as the sample, and 3D printing technology ( FDM) was used to process the sample with wedge-shaped pitting surface and the sample with smooth surface. The rotary pin-disk friction and wear test was carried out on the MRTR-1 friction and wear testing machine, and the wear morphology of the working surface was observed with the type microscope. The internal pressure of the lubricating oil film was simulated by the Fluent finite element software, and the simulation results were verified. The results show that, compared with the smooth and non-textured samples, the surface wedge textured samples have different degrees of friction reduction effect, and the friction reduction effect is the most obvious when the size is 2. 7 mm and the area occupancy is 15. 94%. The friction coefficient of the clockwise wedge texture is lower than that of the counterclockwise wedge texture under the loading conditions of 10 N and 5 N, with the size of 2. 7 mm, the fixed speed of 150 r/ min and the loading conditions of 10 N and 5 N. This is because in the direction of lubricating oil flow, the asymmetric texture also presents different fluid dynamic pressure effects. Clockwise wedge texture has higher fluid dynamic pressure and higher bearing capacity than counterclockwise wedge texture, so the friction reduction effect is better. Theoretical support and technical guidance are provided for the preparation and application of complex-shaped surface textures.
Keywords
3D printing ； ABS ； texture ； friction and wear ； occupancy rate
