使用压电辅助摩擦计和光学轮廓仪进行超声润滑实验

摘要

本文介绍了一种利用压电辅助摩擦计和光学轮廓仪研究超声磨损及摩擦减小对线速度、接触压力和表面特性依赖性的实验方案。

摘要

摩擦和磨损对工程系统有害。当两个滑动表面之间的界面以超过声学范围（20 kHz）的频率振动时，即可实现超声润滑。作为一种固态技术，超声润滑可用于传统润滑剂无法使用或不适宜使用的场合。此外，超声润滑允许通过电信号调节两个滑动表面之间的有效摩擦系数。这一特性使得系统能够根据运行条件的变化，自适应地改变其摩擦状态及相关动态响应。表面磨损亦可通过超声润滑得以降低。我们开发了一种实验方案，用于研究在超声润滑条件下，摩擦力减小和磨损减少对线性滑动速度的依赖关系。搭建了一台销-盘式摩擦计，其与商用设备的不同之处在于采用压电堆栈使销以22 kHz的频率垂直于旋转盘表面振动。在1至4 MPa的恒定压力以及三种不同的滑动速度（20.3、40.6和87 mm/s）下，测量了包括有效摩擦力、体积损失和表面粗糙度在内的摩擦与磨损参数，分别在开启和关闭超声振动的情况下进行对比。使用光学轮廓仪对磨损表面进行表征。在20.3 mm/s时，有效摩擦力降低了62%。与现有的超声润滑理论一致，随着滑动速度增加，摩擦力降低的百分比减小，在87 mm/s时降至29%。在所考察的三种速度下，磨损减少率基本保持恒定，约为49%。

引言

当两个接触表面相互滑动或滚动时，其界面处会产生摩擦。摩擦通常伴随着磨粒磨损或粘着磨损。¹ 超声学是研究高频现象的科学，即频率高于可听声范围（20 kHz）的波动现象。超声学领域包含两种本质上不同的模式：一种是低强度波，用于成像过程，如医学超声或结构的无损检测；另一种是高功率模式，利用高能波动来实施或辅助工程过程，例如塑料和金属的焊接。研究表明，在两个滑动接触表面的界面施加后一种类型的超声振动，可降低界面处的有效摩擦力。这一现象被称为超声润滑。

为了在两个滑动物体之间实现超声润滑，必须在它们之间建立超声频率下的相对振动。通常将振动施加于两个物体中的其中一个，振动方向相对于滑动速度可以是纵向、横向或垂直方向。在本研究中，摩擦计的销钉上安装了压电致动器，使其尖端沿垂直于摩擦计旋转圆盘的方向振动。压电材料是一类“智能”材料，当受到电场作用时会发生形变，并以与激励电场相同的频率振动。压电材料的振动频率可达数兆赫兹（MHz）以上。超声振动叠加在宏观运动速度之上，会交替改变瞬时摩擦力的方向以及表面之间的接触状态，综合导致有效摩擦力和表面磨损的降低。

超声减摩技术已在实际制造系统中得到验证。例如，该技术已被用于降低金属加工和成形过程（如钻孔、冲压、板材轧制和拉丝）中工具与工件之间的作用力。其优势包括改善表面光洁度²，并减少为从最终产品上去除润滑剂而使用昂贵且对环境有害的清洗剂的需求。超声润滑在其他领域也具有潜在应用价值。例如，在个人护理产品中，超声润滑可显著提升用户体验，无需使用润滑剂或涂层。在汽车应用中，摩擦调控可提高球头节的性能，而座椅与导轨之间的摩擦降低则有助于座椅移动，节省原本由传统部件和机构所占用的空间和质量。超声润滑还可通过降低动力总成和悬挂系统的摩擦来提高燃油效率³。在航天应用中，由于传统润滑剂无法使用，超声润滑可用于减少磨损，并显著延长关键部件的使用寿命。

通过超声润滑实现摩擦减小的实验室演示已有大量报道。摩擦减小的程度通过施加超声润滑前后测得的摩擦力之差来量化。在这两种情况下，摩擦力均由力传感器直接测量。Littmann 等人^4-5将一个由压电驱动的执行器连接到滑块上，滑块上安装有力传感器和框架，用于测量摩擦力并施加法向载荷。采用气动执行器推动滑块连同执行器一起沿导轨运动。超声振动沿滑动速度的纵向方向施加。Bharadwaj 和 Dapino^6-7进行了类似的实验，使用压电堆栈执行器，并在其堆栈两端连接锥形波导。接触发生在锥体的球形边缘与导轨表面之间。研究人员研究了接触刚度、法向载荷和整体刚度等系统参数的影响。Kumar 和 Hutchings⁸将一个销钉安装在由超声换能器激励的声极上。超声振动被生成并传递至与工具钢表面接触的销钉。法向力由气动缸施加，并通过载荷传感器测量。销钉与圆盘之间的相对运动由往复运动平台产生。

Pohlman 和 Lehfeldt⁹ 也实施了销-盘实验。与其他研究不同，他们采用磁致伸缩换能器来产生超声振动。为了研究超声减摩的最佳方向，换能器被精确对准，使振动方向分别与宏观速度方向平行、垂直和法向。他们研究了在干燥和润滑表面上的超声减摩效果。Popov 等人¹⁰使用了带有锥形波导的驱动器，该驱动器与旋转基板接触。采用了由九种不同硬度材料制成的锥体，以研究材料硬度对超声减摩的影响。Dong 和 Dapino^11-13 使用压电换能器产生超声振动，并将其传递至具有圆角的棱柱形波导。由于泊松效应，纵向振动引起垂直方向的振动。一个顶部呈曲面的滑块被放置在波导下方并与之接触。构建了一个框架以在接触界面施加法向力。滑块在波导中心区域被手动拉动，摩擦力由连接在滑块上的测力传感器测量。

超声诱导的减摩效应也得到了研究和验证。通过体积损失、质量损失以及表面粗糙度的变化来量化磨损程度。Chowdhury 和 Helali¹⁴ 在销-盘式实验装置中对旋转圆盘施加振动。振动由位于旋转圆盘下方的两块平行板组成的支撑结构产生。上板底面偏心安装有一个球形滚珠，该滚珠在下板顶面加工出的槽中滑动。该槽的深度呈周期性变化，从而使上板在旋转过程中产生垂直方向的运动。振动频率随转速变化，约为 100 Hz。

Bryant 和 York^15-16 研究了微振动对减少磨损的影响。他们将一个碳圆柱体穿过一个夹具，使其一端接触旋转的钢盘，另一端连接到一个螺旋弹簧。在一种情况下，圆柱体被紧密地安装在夹具中，因此无法产生振动；在其他情况下，则预留了一定间隙，允许圆柱体在与旋转圆盘接触时发生微振动。通过测量圆柱体的质量损失来计算磨损率。结果表明，自生成的微振动可使磨损减少高达 50%。

Goto 和 Ashida^17-18 也采用了销-盘实验。他们通过一个锥形接头和变幅杆将销样与换能器连接，使销沿垂直于盘表面的方向振动。在换能器顶部连接一个质量块以施加法向载荷。摩擦力通过施加在盘上的旋转扭矩测得。由于销和盘均由碳钢制成，磨损形式被认定为粘着磨损。磨损率通过测量体积损失计算得出。

研究表明，线速度在超声波润滑中起着重要作用。本研究的实验部分重点探讨摩擦和磨损的降低对线速度的依赖性。

方案

1. 改进型摩擦计的研制

1. 安装夹头-电机子系统。
   1. 调平隔振台。将直流电机放置在台面上，使用垫片调平电机，并用支撑杆和螺栓固定。在电机周围安装支撑框架。
   2. 使用键将花键轴连接到电机轴上。将支撑板安装在框架上，使花键轴穿过板上的孔。将推力滚针轴承放置在支撑板上并套在花键轴上。用切削液润滑轴承。
   3. 通过适配板将花键轴连接到夹头，适配板一侧带有花键轴联轴器，另一侧具有夹头的螺栓孔模式。此时，夹头通过推力轴承由框架支撑，并通过适配板与电机连接。
2. 安装万向节组件。
   1. 使用U型槽支撑杆、支架和螺栓构建支撑框架。使用四根长支撑杆作为立柱，三根较短的作为横梁。
   2. 使用支架和螺栓将四个立柱固定在隔振台上。使用螺栓和螺母将万向节组件连接到中间横梁上。
   3. 在万向节组件中安装一个水平方向的载荷传感器；将传感器的一端刚性连接到万向节组件的框架上，另一端通过导线连接到万向节臂上。
3. 组装压电致动器。
   1. 将一根3英寸长的全螺纹杆插入压电堆栈的孔中；在堆栈两端各安装一个垫圈和一个螺母；使其中一个螺母末端露出约1/8英寸的螺纹。
   2. 拧紧两端螺母，以在堆栈中产生预紧力。使用螺母和垫圈将长的外露螺纹连接到万向节臂上。在压电致动器的另一端旋上圆顶螺母，并将圆盘插入夹头（此圆顶螺母和圆盘仅用于安装调试，不用于测试）。
   3. 调节万向节组件的高度，使圆顶螺母与圆盘顶部接触，且万向节臂保持水平。
   4. 调节万向节组件的位置，使圆顶螺母与圆盘之间的接触点距离圆盘旋转中心约25 mm。拧紧所有安装螺栓以确保结构稳定。
4. 设置信号生成、信号放大和数据采集子系统。
   1. 将数据采集系统连接至实验室计算机。将信号发生器的输出连接至电放大器的输入端。将放大器的输出连接至压电堆栈的输入导线。将放大器的监测端口连接至数据采集系统。
   2. 将载荷传感器连接至信号调理器，再将信号调理器的输出连接至数据采集系统。
5. 其他安装步骤。
   1. 将气管连接至车间气源。将气管末端固定在框架上，使其出气口对准压电致动器。用胶带将热电偶探头粘贴在压电致动器上。将热电偶导线连接至读数器，并将读数器悬挂在框架上。

2. 测试前准备

1. 校准电机的转速。
   1. 将磁铁固定在卡盘边缘，将霍尔效应探头靠近卡盘，并将霍尔效应探头的输出端连接至连接到数据采集系统的高斯计。
   2. 打开数据采集软件并开始采集数据。启动电机，将电机控制器的转速旋钮调至10（电机提供的最低转速）。电机旋转10圈后关闭电机，结束数据采集。
   3. 分析保存的数据；高斯计输出信号中两个峰值之间的时间即为电机旋转一整圈所需的时间。
   4. 将旋钮从10逐步调至100（电机提供的最高转速），每次增加10；重复步骤2.1.2至2.1.3。
2. 将载荷传感器垫片置于顶紧螺母与圆盘之间，用于测量界面处的法向力。使用车床对测试圆盘表面进行精密加工。
3. 在测试前立即清洁待测的顶紧螺母和圆盘。
   1. 戴上塑料手套和口罩，准备若干块实验室擦拭纸，将其折叠成1英寸见方的小块。在纸块上喷洒乙醇，轻轻擦拭顶紧螺母和圆盘表面。
4. 安装清洁后的顶紧螺母和圆盘。
   1. 将顶紧螺母旋入压电致动器，并用开口扳手拧紧。将圆盘插入卡盘，调整位置以确保顶紧螺母的尖端与圆盘表面接触。
   2. 对齐圆盘的上表面与万向臂。拧紧卡盘，使圆盘被牢固夹持。
5. 测量圆盘旋转时的跳动量。
   1. 将激光位移传感器安装在夹具中，并将夹具放置在摩擦计旁边。调整传感器的高度和角度，使圆盘处于传感器的量程范围内，且激光束垂直于圆盘表面。
   2. 将传感器的输出端连接至数据采集系统，开始数据采集。启动电机，使圆盘旋转10圈后关闭电机，结束数据采集。

3. 执行检测

1. 超声振动测试。
   1. 在连接至万向臂并通过导线和两个滑轮悬挂的挂钩上挂载 2 N 的重物。该重物用于在顶帽螺母与圆盘之间施加法向载荷。
   2. 在另一个连接至万向臂的挂钩上悬挂另一个 2 N 的重物，以对载荷传感器提供水平预张力。
   3. 设置信号发生器，输出一个具有 3 V 直流偏置、3 V 幅值、频率为 22 kHz（压电致动器的共振频率）的连续正弦信号。注意，3 V 的偏置用于防止压电致动器内部产生拉力。
   4. 开始数据采集（减小的摩擦力）。打开放大器并将增益旋钮调至 15，对应实际增益为 4.67（增益旋钮上的数字为任意单位）。
   5. 启动电机，将转速设置为 6.67 rpm，以提供 20.3 mm/sec 的线速度。运行测试 4 小时。
   6. 关闭电机和放大器，然后停止数据采集。从装置上取下已测试的顶帽螺母和圆盘；重复步骤 2.3 至 2.5，安装新的顶帽螺母和圆盘。
   7. 重复步骤 3.1.1 至 3.1.6。在步骤 3.1.5 中，将转速分别设置为 13.3 rpm 和 28.7 rpm，以提供 40.6 mm/sec 和 87 mm/sec 的线速度；相应地将测试时间分别设置为 2 小时和 0.94 小时 。
2. 无超声振动测试。
   1. 重复步骤 3.1.6 更换顶帽螺母和圆盘。在关闭信号发生器和信号放大器的条件下，重复步骤 3.1.1 至 3.1.6（所测得的摩擦为本征摩擦）。

4. 光学轮廓仪测量

1. 测量准备
   1. 在测量前立即使用步骤 2.3 清洁圆盘。在圆盘边缘均匀标记八个位置。打开轮廓仪软件。
   2. 升起镜头，确保镜头与样品台之间有足够的间隙。调平样品台，并在其上放置一片实验室擦拭纸。
   3. 将样品轻放在擦拭纸上，使八个标记之一朝向轮廓仪前方。
2. 测量设置
   1. 选择 VSI（垂直扫描干涉测量法）作为处理类型。选择 5X 镜头以获得较大的视场和整体形貌。选择 0.55X 放大倍数，使扫描区域为 1.8 mm × 2.4 mm。
   2. 选择 1X 扫描速度。将扫描范围设为 -100 µm 至 100 µm。缓慢降低镜头，直至屏幕上出现模糊图像，然后调节镜头高度，直至图像清晰。
   3. 设置每次测量的扫描平均次数为 2。点击测量按钮。
3. 测量后处理
   1. 使用软件中定义的视觉处理程序校正整个样品倾斜带来的影响。在软件中打开分析工具箱。
   2. 从“Basic Stats”项中获取测得的粗糙度值。从“Volume”项中获取扫描区域内磨损痕迹的体积损失。
   3. 保存 x 和 y 方向的一维轮廓图、二维轮廓图、三维轮廓图，以及粗糙度值表格。将样品顺时针旋转，使下一个标记朝向轮廓仪前方。
4. 对剩余的 7 个标记重复步骤 4.2 至 4.3 。
5. 在全部六个圆盘上重复步骤 4.1. 至 4.4。

结果

此处展示的代表性测量数据来自图1所示的改进型摩擦计。压电致动器产生振幅为2.5 μm、频率为22 kHz的振动。为研究摩擦与磨损降低对线速度的依赖性，通过改变电机转速，对圆盘施加了三种不同的速度（20.3、40.6和87 mm/s）。对于所有三组实验，圆盘旋转圈数和销的移动距离分别设定为1,600圈和292.5 m。标称旋转直径为50 mm。其他参数，如法向力、振动频率和振动振幅，在所有测试中均保持一致（表1）。

摩擦力以400 Hz的频率进行采样，采样窗口为2秒。图2展示了单个采样窗口的典型数据。观察到的摩擦力波动归因于粘滑现象。摩擦力的平均值被计算后绘制于图3中，作为销钉移动距离的函数。图中用圆点表示固有摩擦力，用“×”标记表示施加超声振动时的摩擦力。绿色、蓝色和红色分别用于表示20.3 mm/sec、40.6 mm/sec和87 mm/sec下的测试数据。每项测试中的摩擦力在达到稳态运行后基本保持恒定。

讨论

采用本方案进行实验，以研究线速度对超声减摩与耐磨效果的影响。测量结果表明，在三种线速度下，超声振动均能有效降低摩擦与磨损。 与先前观察结果一致，摩擦降低率随线速度从20.3 mm/sec增至87 mm/sec，由62.2%下降至29.3%；而磨损降低率随线速度变化不明显，为45.8%至48.6%。

当超声波穿过材料时，材料的性能（如杨氏模量和屈服强度）可能会发生变化，这种现象通常被称为超声软化²³。在本研究中，由于压电驱动器与其他实验装置部件之间的刚度差异，驱动器产生的22 kHz振动并未传递到实验装置的其他部分，尽管在施加超声振动时，结构在约100 Hz处出现了一种振动模式。在销钉与圆盘的接触界面处，超声振动会引起热量产生，从而导致界面温度升高。然而，根据Dong和Dapino开展的实验结果，温度升高的幅度极小，对材料性能的影响可忽略不计。

本实验的一个局限性在于，缺乏消除圆盘晃动的机制，这可能导致销钉、万向臂和重物产生垂直运动。运动质量的加速度会引起界面实际法向力的变化，从而导致测得的摩擦力...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
直流电机	Minarik	SL14
电放大器	AE Techron	LVC5050
信号调理器	Vishay Measurements Group	2310
信号发生器	Agilent	33120A
压电堆栈	EDO corporation	EP200-62
测力传感器	Transducer Techniques	MLP-50
力敏传感器垫	FlexiForce	A201
激光测距仪	Keyence corporation	LK-G32
霍尔效应探头与高斯计	Walker Scientific, Inc.	MG-4D
数据采集模块	Data Physics	Quattro
数据采集软件	Data Physics	SignalCalc Ace
热电偶读数仪	Omega	HH22
光学轮廓仪	Bruker	Contour GT
轮廓仪操作软件	Bruker	Vision 64