一种孔腔复合织构化表面及其制作方法和使用方法与流程

本发明涉及机械配副摩擦学特性技术领域，特别涉及一种孔腔复合织构化表面及其制作方法和使用方法。

背景技术：

在工程应用中，机器经受频繁启停和冲击工况，系统处于乏油或局部乏油状态，这会导致摩擦表面的直接接触，从而发生较大的摩擦和磨损。接触表面在磨损作用下以阶段化演变规律劣化接触状态，进而导致摩擦失稳、结构振动，降低了机械系统的可靠性。

摩擦表面形貌在乏油工况下对润滑状态有很大影响，很多学者通过激光、电化学腐蚀等方法在表面加工特定的形状或纹理，称之为织构化。凹形织构可以储存润滑剂，并在支承表面接触织构时，释放润滑剂，从而改善润滑状态。该作用称为织构“二次润滑”作用。在乏油工况下，织构改善润滑状况往往是基于“二次润滑”。相关专利申请例如：一种椭圆织构复合表面(申请号为：cn201120458420.6)；叶轮叶片减阻微织构的设计方法(申请号为：cn201710880615.1)；一种鱼形凹坑织构化表面(申请号为：cn201711168060.4)；一种单晶硅片表面织构化的方法(申请号为：cn201680003137.x)；一种多形貌组合微织构导轨及其制作方法(申请号为：cn201711403718.5)。

然而，现在的织构化都是在表面进行加工，加工时间长，织构深度较小，“二次润滑”作用效果不明显，且在实际工况下，表面织构易被破坏，无法长效润滑。因此需要设计一种更适用于长时间边界润滑和混合润滑，可放大“二次润滑”作用且结构稳定的孔腔复合织构化表面。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明基于植物维管束，提供了一种孔腔复合织构化表面及其制作方法和使用方法，该表面能够根据载荷自动调节润滑膜厚度，且可长时间润滑，同时具有散热、储存磨屑、能够有效降低摩擦系数、减小摩擦磨损等作用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种孔腔复合织构化表面，包括孔体织构层、腔体织构层；孔体织构层设置在外表面，孔体织构层设置有若干圆形通孔；腔体织构层紧贴孔体织构层设置，腔体织构层靠孔体织构层一端设有若干储油腔体。

进一步的，孔体织构层与腔体织构层采用粘合剂粘合固定。

进一步的，孔体织构层厚度为1mm，圆形通孔直径0.4mm，面密度为12.5％。

进一步的，圆形通孔呈矩阵阵列排布，应用于往复直线运动。

进一步的，储油腔体采用圆形结构，直径为8-10mm，深度为2-5mm。

进一步的，腔体织构层材料为光敏树脂，孔体织构层材料为不锈钢。

进一步的，腔体织构层采用3d打印，孔体织构层圆形通孔采用电火花加工。

本发明还提供了一种孔腔复合织构化表面的制作方法，具体步骤为：

(1)首先将孔体织构层基材表面清理干净；

(2)根据预设规格和形状，在经过步骤(1)处理后的孔体织构层基材上加工出圆形通孔，加工后形成孔体织构层；

(3)根据预设规格和形状，加工制作腔体织构层；

(4)将步骤(2)中的孔体织构层与步骤(3)中的腔体织构层采用粘合剂粘合，获得孔腔复合织构化表面。

本发明还提供了一种孔腔复合织构化表面的使用方法为将该孔腔织构化表面应用于边界润滑或混合润滑的摩擦副。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明一种孔腔复合织构化表面，具有该表面的摩擦副在工作时，储油腔体“储藏”的油液通过圆形通孔的毛细作用以及摩擦副的弹性变形在摩擦表面形成有效润滑膜，能够实现稳定且长时间较低的摩擦，减小摩擦面的磨损；圆形通孔具有储存磨屑、二次润滑、散热等作用；运用该表面能够构造适用于边界润滑或混合润滑的摩擦副，适用面广。

(2)、本发明一种孔腔复合织构化表面，其腔体织构层通过3d打印技术制作，表面圆形通孔通过电火花加工，加工方便，简单快捷。

附图说明

图1为孔体织构层结构示意图。

图2为腔体织构层结构放大示意图。

图3为孔腔复合织构化表面结构的剖视图。

图4为实验所得未处理表面与孔腔复合织构化表面的摩擦系数随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图以及实例对本发明作进一步详细说明。

基于考虑和优化毛细作用以及摩擦副弹性变形，孔腔复合织构化表面具有良好的润滑性能和力学性能。

如图1所示，一种孔腔复合织构化表面，包括孔体织构层1，孔体织构层1设置在外表面，孔体织构层1材料为不锈钢，厚度为1mm；孔体织构层1上设置有若干圆形通孔11，圆形通孔11采用电火花加工，圆形通孔11直径为0.4mm，面密度为12.5％，深度为1mm，圆形通孔11矩形阵列排布，应用于往复直线运动。

如图2所示，一种孔腔复合织构化表面，紧贴孔体织构层1设置有腔体织构层2，腔体织构层2材料为光敏树脂，腔体织构层2采用3d打印技术加工而成，腔体织构层2与孔体织构层1连接端设置有若干储油腔体22，储油腔体22采用圆形结构，直径为8-10mm，深度为2-5mm，为圆周阵列排布。

如图3所示，孔体织构层1与腔体织构层2采用粘合剂粘合固定。

图4是往复式球-盘实验得到的未处理表面和本发明孔腔复合织构化表面的摩擦系数曲线。实验条件：上试样：gcr15轴承钢，φ9.5mm球，粗糙度：rq＝20-23nm；下试样一：不锈钢，φ30mm×5mm盘，具有孔腔复合织构化表面，粗糙度：rq＝23-26nm；下式样二：不锈钢，φ30mm×5mm盘，具有未处理表面，粗糙度：rq＝23-26nm；润滑剂为石蜡油(isovg32，加德士，运动粘度：28.5-35.2mm²/s)；速度：0.006m/s；载荷为：2n(390mpa)。结果证明：孔腔复合织构化表面在低载荷时具有比未处理表面更低更稳定的摩擦系数。当载荷为2n(390mpa)时，孔腔复合织构化表面具有更低，更稳定的摩擦系数。因此说明：在低荷载工况下孔腔复合织构化表面具有比未处理表面更加优良的摩擦学特性。

织构现在多为表面织构，加工复杂，效果不明显，且不适合长时间摩擦表面。本发明所设计孔腔复合织构化表面可以放大织构“二次润滑”的作用，且加工简单，适合长时间边界润滑和混合润滑使用。

在摩擦前，腔体内油液通过毛细作用到达摩擦表面，避免了启动时油量匮乏或局部乏油的情况，减小了磨合期的磨损量。

在摩擦过程中，摩擦表面在压力的作用下变形，油液被挤出，摩擦副间的油膜厚度进行了被调节，摩擦状况得到改善，可实现主动调控油膜厚度的作用。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种孔腔复合织构化表面及其制作方法和使用方法，孔腔复合织构化表面包括孔体织构层、腔体织构层；孔体织构层设置在外表面，孔体织构层设置有若干圆形通孔；腔体织构层紧贴孔体织构层设置，腔体织构层靠孔体织构层一端设有若干储油腔体。其功能在于储油腔体可以“储藏”润滑油液，圆形通孔不仅具有储存磨屑，散热和防止胶合的作用，同时润滑油液通过毛细作用从腔体中运输到摩擦表面。在摩擦过程中，金属板受力变形，润滑油液被挤出，表面形成有效油膜，当表面油膜破裂时，能更快形成有效油膜，保持更长时间低摩擦，进而改善机械配副的摩擦学特性，提高其运行可靠性并延长使用寿命。

技术研发人员：董光能;王伟;张辉;马强;赵文翰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2018.07.19
技术公布日：2019.01.08