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。
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本文内容
摘要
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....
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方案
1. 改进型摩擦计的研制
- 安装夹头-电机子系统。
- 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。
- 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。
- 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。
- 安装万向节组件。
- 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。
- 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。
- 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。
- 组装压电致动器。
- 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。
- 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....
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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/sec）。对于所有三组实验，圆盘旋转圈数和销钉的滑行距离分别设定为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。图中以圆点表示固有摩擦力，以“x”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条件下的测试数据。一旦达到稳态运行，每次测试的摩擦力基本保持恒定。
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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.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢来自美国国家航空航天局格伦研究中心（NASA Glenn）的 Tim Krantz 和来自本田研发公司（Honda R&D）的 Duane Detwiler 在技术方面提供的支持以及实物捐助。本研究的经费由智能车辆概念中心（Smart Vehicle Concepts Center，www.SmartVehicleCenter.org）的会员组织提供，该中心是美国国家科学基金会行业/大学协同研究中心（I/UCRC）。S.D. 获得了智能车辆概念研究生奖学金以及俄亥俄州立大学研究生院大学奖学金的资助。
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材料
| 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 |
参考文献
- Bhushan, B. Introduction to tribology. , John Wiley & Sons. New York. (2002).
- Severdenko, V., Klubovich, V., Stepanenko, A. Ultrasonic rolling and drawing of metals. , Consultants Bureau. New York and London. (1972).
- Taylor, R., Coy, R.
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重印与许可
