本發(fā)明涉及機(jī)械配副摩擦學(xué)特性的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械摩擦配副的橄欖形凹坑織構(gòu)化表面。

技術(shù)背景

織構(gòu)化表面，特別是凹坑織構(gòu)化表面是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于改善機(jī)械配副摩擦學(xué)特性的技術(shù)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軸承、密封、機(jī)械硬盤(pán)等諸多領(lǐng)域，并取得了優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，從而有效地提高了機(jī)械系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)運(yùn)行壽命。傳統(tǒng)的凹坑織構(gòu)通過(guò)激光、沖擊、電化學(xué)腐蝕等方法加工，通常為圓形、橢圓形、矩形、三角形等規(guī)則形狀。圓形凹坑織構(gòu)由于其優(yōu)良的摩擦學(xué)特性和相對(duì)較為簡(jiǎn)便高效的加工屬性得到了廣泛應(yīng)用。相關(guān)發(fā)明專利諸如：一種橢圓織構(gòu)復(fù)合表面(中國(guó)申請(qǐng)專利CN201120458420.6)；一種帶有表面織構(gòu)形態(tài)的內(nèi)燃機(jī)活塞(中國(guó)發(fā)明專利CN201310231889.X)；一種帶表面織構(gòu)齒面的齒輪(中國(guó)發(fā)明專利201220566666.X)；一種提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)(中國(guó)發(fā)明專利201310147123.3).

然而諸如圓形等規(guī)則形狀織構(gòu)并非于所有不同摩擦副上都能取得較優(yōu)的摩擦學(xué)特性。當(dāng)摩擦副處于重載工況時(shí)，配副界面接觸狀態(tài)對(duì)其摩擦學(xué)特性影響較大。圓形的幾何特性決定了在織構(gòu)面積一定時(shí)，其周長(zhǎng)最小，即織構(gòu)邊緣接觸應(yīng)力區(qū)面積最小。這可以有效減少織構(gòu)表面接觸應(yīng)力集中造成的不利于減摩、耐磨的反作用。對(duì)于輕載工況，織構(gòu)微流體動(dòng)壓效應(yīng)往往對(duì)其摩擦學(xué)特性起決定性作用。而圓形等規(guī)則形狀織構(gòu)的流體動(dòng)壓效應(yīng)并非最優(yōu)。因此需要設(shè)計(jì)一種織構(gòu)形狀，使其在面積一定時(shí)既具有較小的周長(zhǎng)，又能取得較大的流體動(dòng)壓力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種橄欖形凹坑織構(gòu)化表面，基于遺傳算法優(yōu)化織構(gòu)形狀輪廓，提供了一種橄欖形凹坑織構(gòu)化表面設(shè)計(jì)，在保證其周長(zhǎng)較小的同時(shí)具有較大的流體動(dòng)壓效應(yīng)。

一種橄欖形凹坑織構(gòu)化表面，應(yīng)用于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械摩擦配副中,形狀是具有尖形的兩端，呈矩形陣列排布，面積密度為：5％-15％。

所述的橄欖形凹坑織構(gòu)的深度為：10-60μm，

所述的尖形的兩端，其尖形夾角為110-130°的鈍角。

所述的橄欖形凹坑的形狀為：第一象限的5個(gè)點(diǎn)直線連接，5個(gè)點(diǎn)的極坐標(biāo)值分別為：(0°,287K)，(22.5°，255K)，(45°，223K)，(67.5°，194K)，(90°，171K)，K是比例系數(shù)，通過(guò)x軸和y軸軸對(duì)稱原理，生成另外3/4輪廓即另外三個(gè)象限的輪廓，從而得到完整的橄欖形織構(gòu)形狀。

該織構(gòu)形狀輪廓具有尖形的兩端,可以有效減少油膜壓力谷面積，有利于提高流體動(dòng)壓承載力。同時(shí)該橄欖形織構(gòu)增加了織構(gòu)的油膜壓力峰與壓力谷的距離，這同樣有利于提高流體動(dòng)壓承載力。

附圖說(shuō)明

圖1為橄欖形織構(gòu)的形狀設(shè)計(jì)圖。

圖2為橄欖形織構(gòu)的金相顯微形貌和縱剖面輪廓圖，其中圖2a為橄欖形織構(gòu)的金相顯微形貌，圖2b是縱剖面輪廓圖。

圖3為橄欖形織構(gòu)矩形排布陣列。

圖4為計(jì)算所得的圓形織構(gòu)和橄欖形織構(gòu)的流體動(dòng)壓力云圖。其中圖4(a)為通過(guò)平均流量雷諾方程計(jì)算得出的傳統(tǒng)圓形織構(gòu)的油膜壓力云圖；圖4(b)分別為通過(guò)平均流量雷諾方程計(jì)算得出的橄欖形織構(gòu)的油膜壓力云圖。

圖5為計(jì)算所得的圓形織構(gòu)和橄欖形織構(gòu)的摩擦學(xué)特性，其中圖5(a)是摩擦力示意圖，圖5(b)是承載力示意圖，圖5(c)是摩擦系數(shù)示意圖，圖5(d)是周長(zhǎng)示意圖。

圖6為實(shí)驗(yàn)所得的圓形織構(gòu)和橄欖形織構(gòu)摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

通過(guò)遺傳算法優(yōu)化凹坑織構(gòu)形狀，使得織構(gòu)在保持較小周長(zhǎng)的同時(shí)具有較大的流體動(dòng)壓效應(yīng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)圖如圖1所示。一種橄欖形凹坑織構(gòu)，具有尖形兩端特征，其尖形夾角為110-130°的鈍角。圖2a是織構(gòu)在光學(xué)金相顯微鏡下的形貌(加工方式為：激光加工，LSF20II激光打標(biāo)機(jī)，武漢華工激光)。圖2b是該織構(gòu)的縱向剖面輪廓圖(TR200二維輪廓儀)。該橄欖形狀輪廓的1/4通過(guò)直線連接極坐標(biāo)第一象限內(nèi)該形狀輪廓上離散的5個(gè)點(diǎn)來(lái)描述，如圖1所示。這5個(gè)點(diǎn)的極坐標(biāo)值分別為：(0°,287K)，(22.5°，255K)，(45°，223K)，(67.5°，194K)，(90°，171K)。K是比例系數(shù)，通過(guò)不同的K可以等比例地調(diào)節(jié)織構(gòu)形狀輪廓的大小。通過(guò)x軸和y軸軸對(duì)稱原理，生成另外3/4輪廓(如虛線所示)，從而得到完整的橄欖形織構(gòu)形狀。該織構(gòu)的面密度為15％，深度為15-20μm(圖2)，分布為矩形陣列，適合往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械配副，如圖3所示。

圖4(a)、(b)分別為通過(guò)平均流量雷諾方程計(jì)算得出的傳統(tǒng)圓形織構(gòu)和橄欖形織構(gòu)的油膜壓力云圖。橄欖形織構(gòu)尖形兩端使其油膜壓力谷面積比圓形織構(gòu)小。此外橄欖形結(jié)構(gòu)可以增加織構(gòu)的壓力峰與壓力谷的距離，從而減小二者的干涉作用。因此，相對(duì)于圓形織構(gòu)，橄欖形織構(gòu)的幾何特征可以有效提高其流體動(dòng)壓力。圖5是計(jì)算得出的圓形織構(gòu)和橄欖形織構(gòu)的摩擦學(xué)特性柱形圖。橄欖形織構(gòu)具有較高的流體動(dòng)壓承載力和較小的摩擦系數(shù)。橄欖形織構(gòu)具有和圓形織構(gòu)較為接近的周長(zhǎng)，這使得橄欖形織構(gòu)的邊緣接觸壓力集中區(qū)域相對(duì)較小。

圖6是往復(fù)式銷-盤(pán)實(shí)驗(yàn)得到的圓形織構(gòu)和本發(fā)明織構(gòu)形式的摩擦系數(shù)曲線。實(shí)驗(yàn)條件：上試樣：45#鋼，Φ6mm×10mm銷，粗糙度：Ra＝1-5μm；下試樣：GCr15軸承鋼，Φ30mm×5mm盤(pán)，橄欖形織構(gòu)化表面(矩形形陣列)，粗糙度：Ra＝0.5-1μm；潤(rùn)滑劑為石蠟油(ISO VG 32，加德士，運(yùn)動(dòng)粘度：28.5-35.2mm2/s)；載荷為：2、3、5、6、7、10、15、20N；往復(fù)頻率為5Hz。結(jié)果證明：橄欖形織構(gòu)在低載荷時(shí)(2-6.5N)具有比傳統(tǒng)圓形織構(gòu)更低的摩擦系數(shù)。當(dāng)載荷為2N時(shí)，圓形織構(gòu)的摩擦系數(shù)為0.22,橄欖形織構(gòu)的摩擦系數(shù)為0.19，摩擦系數(shù)降低率為13.6％。當(dāng)載荷相對(duì)較高時(shí)，圓形織構(gòu)就有更低的摩擦系數(shù)。這說(shuō)明：在低載荷工況下橄欖形織構(gòu)具有比傳統(tǒng)圓形織構(gòu)更加優(yōu)良的摩擦學(xué)特性。