一种具有表面微结构的摩擦配副表面的制作方法

本发明属于表面微结构技术领域，特别涉及一种具有表面微结构的摩擦配副表面。

背景技术：

表面微结构是指通过物理或化学方法，在机械表面制造的微米或纳米尺度的凹坑、沟槽或凸起微结构。表面微结构目前已经广泛应用于减少摩擦及降低磨损的各个领域以提高表面的摩擦学性能。经过研究人员几十年研究，表面微结构及其相关理论已经有了很大的发展。在不同的润滑状态下，表面微结构提高摩擦学性能的相关机理较为复杂也不尽相同，基本上可以归纳为四个主要属性：(1)微流体动力效应；(2)二次润滑；(3)磨屑储存作用；(4)减少接触面积。

虽然目前已经存在许多对于不同工况下的表面微结构设计及其在摩擦学系统中的应用的研究，但现有的研究基本上都是针对常见的二维表面微结构，即只考虑形状、深度、分布等典型几何特征；受限于二维表面微结构固定的制造工艺、研究模式与机理分析；目前的研究只初步探讨了表面微结构纵向横截面的影响，而且这些研究通常只是通过计算机模拟仿真进行或研究简单横截面形状；同时目前几乎没有研究专门探讨在乏油润滑状态下表面微结构内部构造与其相应的二次润滑性能之间的关系；尤其是在乏油或无油状况下存在着摩擦配副表面间润滑效果较差，摩擦磨损情况较严重等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种具有表面微结构的摩擦配副表面，以解决乏油或无油状况下摩擦配副表面间润滑效果较差、摩擦磨损情况较严重的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种具有表面微结构的摩擦配副表面，包括摩擦配副表面本体及表面微结构，表面微结构设置在摩擦配副表面本体上；

表面微结构包括若干微结构单元，若干微结构单元呈圆周阵列或线性阵列设置；

每个微结构单元包括若干个微结构体，若干个微结构体呈线性阵列设置；

相邻两个微结构体倾斜层叠排列设置，且倾斜方向一致；每个微结构体采用三维鳞片状凹槽结构，每三维鳞片状凹槽结构中充填有润滑介质。

进一步的，三维鳞片状凹槽结构为圆角半圆环型结构。

进一步的，单个微结构体的倾斜角度为0°＜a≤90°，微结构体的垂直高度为0＜h≤1mm。

进一步的，相邻两个微结构单元之间的间距为0＜l≤1700μm。

进一步的，圆角半圆环型结构的外径r与内径r之间的关系满足：50μm≤r-r≤400μm。

进一步的，三维鳞片状结构采用3d打印、机械切削、化学蚀刻、激光标刻、光学蚀刻或纳米压印方式制作得到。

进一步的，润滑介质采用石蜡油、80w-90齿轮油和pfpe润滑脂中的一种。

进一步的，微结构体的倾斜方向与摩擦配副的运动方向相适应。

进一步的，微结构体的倾斜延伸方向与摩擦配副运动方向的夹角β为钝角。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种具有表面微结构的摩擦配副表面，通过在摩擦配副表面本体上设置倾斜层叠排列设置的微结构体，微结构体采用三维鳞片状凹槽结构；利用三维鳞片状凹槽结构在受到挤压时发生弹性变形，将三维鳞片状凹槽结构中贮存的润滑介质挤出至摩擦配副表面，实现对摩擦配副表面润滑介质匮乏区域进行有效补充，在摩擦配副表面形成二次润滑作用，从而改善摩擦配副之间的润滑状况。

进一步的，三维鳞片状凹槽结构采用的圆角半圆环型结构，圆角半圆形环型结构为仿生结构，其仿生依据来自于泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片，泥鳅属脊索动物，其鳞片间隙贮存的粘液在受到挤压时从鳞片间隙溢出，对其表面产生充分润滑，大幅减小表面与外界环境之间的摩擦阻力；同时，采用圆角半圆环型结构可以尽可能地有效地降低表面微结构对旋转摩擦配副产生边缘变形阻力并减小微结构内部局部应力。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面的整体结构示意图；

图2为本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面的横剖面示意图；

图3为本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面中的微结构体的平面图；

图4为本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面中的微结构体的横剖面图；

图5为销-盘摩擦学试验装置及高速摄影系统示意图；

图6为实施例1中，载荷为15n，不同转速情况下，具有表面微结构的摩擦配副表面和光滑表面的摩擦系数对比；

图7为实施例1中，转速为40rpm，不同载荷情况下，具有表面微结构的摩擦配副表面和光滑表面的摩擦系数对比；

图8为高速摄影系统拍摄的具有表面微结构的摩擦配副表面受到挤压时发生的弹性变形将其中贮存的润滑剂挤出的定格画面。

其中，1摩擦配副表面本体，2表面微结构，21微结构单元，211微结构体；3盘，4销，5润滑介质，6高速摄影机，7计算机，8光源。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如附图1-4所示，本发明提供了一种具有表面微结构的摩擦配副表面，包括摩擦配副表面本体1及表面微结构2，表面微结构2设置在摩擦配副表面本体1上；表面微结构2包括若干微结构单元21，若干微结构单元21呈圆周阵列或线性阵列设置；每个微结构单元21包括若干个微结构体211，若干个微结构体211呈线性阵列设置；相邻两个微结构体211倾斜层叠排列设置，且倾斜方向一致；单个微结构体211的倾斜角度为0°＜a≤90°，微结构体211的垂直高度为0＜h≤1mm，相邻两个微结构单元21之间的间距为0＜l≤1700μm；每个微结构体211采用三维鳞片状凹槽结构。

三维鳞片状凹槽结构采用圆角半圆环型结构，圆角半圆环型结构的外径r与内径r之间的关系满足：50μm≤r-r≤400μm；使用时，摩擦配副表面设置有润滑介质，由于润滑介质的流动性，圆角半圆环型结构中充填润滑介质。

三维鳞片状结构采用不限于以下方法中的一种或几种：3d打印、机械切削、化学蚀刻、激光标刻、光学蚀刻或纳米压印方式制作得到；润滑介质采用石蜡油、80w-90齿轮油和pfpe润滑脂中的一种；微结构体211的倾斜方向与摩擦配副的运动方向相适应，微结构体211的倾斜延伸方向与摩擦配副的运动方向的夹角为β，夹角β为钝角；摩擦配副的运动方向与微结构体211的倾斜覆盖方向一致。

本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面，表面微结构中的三维鳞片状凹槽结构采用模仿泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片结构和功能，利用三维鳞片状凹槽结构受到挤压时，发生弹性变形，将其中贮存的润滑介质挤出至摩擦配副表面，对润滑介质匮乏的区域进行有效补充，从而改善摩擦配副之间的润滑状况。

本发明中所述的表面微结构，利用仿生泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片结构，泥鳅为自然界生长或养殖的泥鳅种属的任一种泥鳅，泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片结构指的是泥鳅表皮的鳞片结构，包括层叠排列和倾斜凹槽三维表面微结构。

本发明中在摩擦配副表面本体上加工与泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片结构一致或近似的三维鳞片状凹槽结构；摩擦配副表面本体例如：滑动轴承摩擦配副表面等应用于改善摩擦系统润滑状况的系统或结构表面。

在圆形摩擦配副表面本体上，微结构单元呈圆周阵列或线性阵列设置，且覆盖整个圆形摩擦配副表面；相邻两个微结构单元中的微结构单元体的阵列间距扩大、缩小或等距设置；微结构单元中的微结构体倾斜层叠排列方式一致。

三维鳞片状凹槽结构采用圆角半圆环型结构，圆角半圆环结构中贮存有润滑介质。

本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面，是在二维表面织构的基础上结合仿生技术的进一步优化，旨在改善机械摩擦配副在恶劣润滑状态下的摩擦状况，即在相对低速、高负荷的恶劣润滑条件下，三维倾斜鳞状仿生表面微结构的摩擦系数显著降低。

实施例

本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面，包括摩擦配副表面本体1及表面微结构2，表面微结构2设置在摩擦配副表面本体1上；摩擦配副表面本体1为圆形结构，表面微结构2覆盖在摩擦配副表面本体1上；表面微结构2包括若干微结构单元21，若干微结构单元呈圆周阵列设置；其中，最里圈微结构体211距离圆形摩擦配副表面本体的中心距离为5mm，沿径向相邻两个微结构体211的间距l＝1700μm，沿径向阵列设置的微结构体211的个数为4个，微结构单元21的个数为50个；50个微结构单元21呈圆周阵列设置；相邻两个微结构体211倾斜层叠排列设置，且倾斜方向一致；每个微结构体211采用三维鳞片状凹槽结构，圆形摩擦配副表面本体上设置有润滑介质，每三维鳞片状凹槽结构中被润滑介质充填。

本实施例中的三维鳞片状凹槽结构采用3d打印、机械切削、化学蚀刻、激光标刻、光学蚀刻和纳米压印中的一种或几种获得；

其中单个三维鳞片状凹槽结构在受到挤压时，受力区域的三维鳞片状凹槽结构发生弹性变形，三维鳞片状凹槽结构中的凹坑内部容积减小，其中贮存的润滑介质将被沿着运动方向挤出，对将要发生接触的区域进行预润滑，从而改善整个表面的润滑状况，降低摩擦系数，减少磨损。

如图5所示，销-盘摩擦学试验装置及高速摄影系统中，盘3的表面设置所述表面微结构，销4采用6mm直径的紫铜销，采用盘-销作为摩擦配副；在摩擦配副表面覆盖0.25ml动力粘度为28.5-35.2mm²/s的石蜡油作为润滑介质5，并采用旋转摩擦运动。实验在固定载荷为15n下，对不同转速条件，例如10rpm、20rpm、40rpm、80rpm及120rpm条件下，具有表面微结构的摩擦配副表面和光滑摩擦配副表面的摩擦系数进行对比。

如图6所示，与光滑表面相比，本发明所述的摩擦配副表面产生的摩擦系数更低、更稳定；特别地，在相对较低的转速，例如10rpm负载下；摩擦配副表面对摩擦系数的降低作用更为显著。低速则意味着在正常载荷作用下难以产生流体动压力，难以在摩擦配副之间形成一定厚度的润滑膜。在这种情况下，摩擦系统的摩擦系数可能对二次润滑作用的再注润滑油非常敏感。三维倾斜鳞状结构中储存润滑介质，并将其有效释放到接触界面，从而使润滑改善效果在低速工况下更加明显。

如图5所示，销-盘摩擦学试验装置及高速摄影系统中，采用6mm直径的紫铜销作为摩擦配副，在摩擦配副表面覆盖0.25ml动力粘度为28.5-35.2mm²/s的石蜡油作为润滑介质，并采用旋转摩擦运动。实验在固定转速为40rpm条件下，对不同荷载条件，例如5n、10n、15n、20n及25n条件下，具有表面微结构的摩擦配副表面和光滑摩擦配副表面的摩擦系数进行对比。

如图7所示，与光滑摩擦配副表面相比，具有表面微结构的摩擦配副表面产生的摩擦系数更低、更稳定；特别地，在相对较高的载荷，例如25n负载下，具有表面微结构的摩擦配副表面对摩擦系数的降低作用更为显著；一般情况下，机械部件在高载荷的恶劣润滑条件下运行时较易出现润滑剂不足的情况。相对较高的载荷意味着更大的弹性变形和更多的润滑剂被挤出和补充到乏油的接触区，形成自适应润滑。

在如图5所示，销-盘摩擦学试验装置及高速摄影系统中，采用6mm直径的紫铜销作为摩擦配副，在摩擦配副表面覆盖0.25ml动力粘度为28.5-35.2mm²/s的石蜡油作为润滑剂，并采用旋转摩擦运动。利用高度摄像系统对转速条件为40rpm、载荷为15n情况下的三维倾斜鳞状仿生表面微结构的预润滑效果进行拍摄，高速摄像系统包括高速摄影机6、计算机7及光源8，高速摄像系统设置为200fps。

如图8所示，对于光滑摩擦配副表面，其接触区域几乎没有润滑剂被挤出或积累；对于具有表面微结构的摩擦配副表面，当表面微结构进入接触区时，润滑剂在销运动方向的前方的织构中被挤出，然后粘附在销的倒角面，如附图8中从10ms到30ms，以此作为预润滑效应的直接证据。

本发明所述的一种具有表面微结构的摩擦配副表面，通过模仿泥鳅表皮上所覆盖的倾覆多米诺骨牌状层叠鳞片结构和功能，在摩擦配副表面上加工与泥鳅表皮所覆盖的层叠鳞片结构和功能一致或近似的三维表面微结构，利用三维表面微结构受到挤压时发生的弹性变形，将三维表面微结构中贮存的润滑介质挤出的特性，对表面润滑剂匮乏区域进行有效补充，形成二次润滑，从而改善摩擦配副之间的润滑状况。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。