CN106090001B - 一种多元复合织构导向滑动摩擦副、加工方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多元复合织构导向滑动摩擦副、加工方法及其用途，通过激光器在摩擦副工作平面上加工出有序均布的微凹坑与微凸体复合微织构形貌，并采用填压工艺将复合纳米固体润滑剂填入微凹坑结构中。本发明运用激光微织构方法对导轨工作平面进行非接触式加工同时填涂纳米复合材料，可有效抑制机床导轨的爬行现象，在低速重载等复杂工况下能够有效润滑导轨，起到减摩抗粘作用。

Description

一种多元复合织构导向滑动摩擦副、加工方法及其用途
技术领域
本发明属于摩擦副自润滑技术领域，尤其是涉及一种多元复合织构导向滑动摩擦副、加工方法及其用途。
背景技术
当今世界经济竞争日益激烈，科学技术发展突飞猛进，机床类产品更新速度加快，越来越多的零部件结构形状日趋复杂，精度要求越来越高。机床导轨是机床整机关键组成部分，导轨的加工工作量占整个机床加工工作量的40％左右。导轨在运转时处于摩擦状态中，若没有良好的润滑措施，极易造成导轨的磨损。由于导轨工作面积较大，润滑油在导轨平面分布不均匀，加工时动静摩擦系数不一致，极易产生爬行现象。爬行现象会影响加工质量，加剧导轨摩擦，降低导轨精度保持性，严重时会造成机床丧失工作能力。
申请号为201210100597.8的中国专利公开了一种基体表面带微坑油包的滑动导轨,在导轨基体表面有均匀分布的微坑油包,然后在导轨基体上粘结一层软材料。此方法可以起到润滑导轨的作用，但其所填涂的材料为MoS2、石墨、PTEE等普通固体润滑粉末，润滑效果有限且支撑性能不够，不能对导轨进行充分润滑，且动静摩擦系数相差较大，容易产生爬行现象。另外，此专利对固体润滑剂填涂方法并没有提及，由于在导轨平面贴合材料较困难，采用普通方法填充材料填充率较低，且易脱落。
申请号为201420473653.7的中国专利公开了一种复合微织构导轨的设计方法，通过激光在基体表面加工出有序分布的微凹坑和微凸体复合织构。基体表面复合微织构形貌能一定程度抑制机床导轨的爬行现象，起到一定的抗摩减粘效果。但由于动静滑动摩擦系数较大，润滑效果有限。且本专利对在微凹坑中填涂纳米复合材料没有提及。
申请号为201110148420.0的中国专利公开了一种轴承的激光微造型自润滑处理方法，先对轴承表面采用微凹腔或微凹槽的激光微加工,然后对轴承表面采用自润滑复合材料的成型粘结技术，通过对轴承的激光微造型自润滑处理,在保证轴承承载能力和配合精度的同时,实现了润滑剂在轴承工作表面上的优化分布,提高了轴承在复杂工况条件下的减摩耐磨综合性能。申请号为201310022645.0的中国专利公开了一种刀具表面抗粘减摩微镶嵌复合织构的制备方法，先用激光进行刀具工作表面毛化及微腔槽复合织构加工,然后将固体润滑剂压填嵌入到刀具表面的相关微腔槽织构中，对刀具工作表面有一定润滑作用。但上述专利选用固体润滑剂均为普通固体润滑剂，对纳米材料没有提及，润滑效果有限。
申请号为201020524784.5的中国专利公开了一种机床导轨耐磨片,软带呈条形与导轨相配合,软带在上表面粘接一层四氟乙烯。申请号为201310546309.6的中国专利公开了一种刀架总成导轨耐磨片，导轨表面铺有一层软带，软带的上表面设有一层超高分子量聚乙烯层。四氟乙烯与超高分子量聚乙烯均具有较高的耐磨性能，可以有效的减少磨损程度,同时延长使用寿命。但由于软带硬度不足，造成机床导轨接触刚度较低，从而影响加工质量。
申请号为201310095851.4的中国专利公开了一种具有长效润滑效果的直线导轨，主要发明为在导轨上设计一种由滑块，链式滚动体，返回器所组成的循环回路，回路内设有润滑油脂装置，实现导轨的长效润滑。申请号为201520211165.3的中国专利公开了一种直线导轨副储油润滑结构，主要发明为在导轨两侧分别设置有沟槽,滑块上设置有反向滚道,滑块两端分别安装有反向器,其中沟槽、反向器与反向滚道构成了钢球的循环通道,钢球位于回珠套筒内,回珠套筒内侧设置有储油槽，储油槽内存有润滑脂可对导轨进行润滑。但由于是滚动体高副接触，接触刚度较低，会影响加工质量。申请号为201420694695.3的中国专利公开了一种用于印刷臂的自润滑导轨组件，主要发明为直线导轨两边固定有与滑动部滑动配合的衬套,该衬套具有与滑动部卡合的卡口,两滑动部的外表面及两卡口的内表面均涂覆有固体润滑涂层，从而起到润滑导轨的作用。但该涂层容易剥落，影响润滑的持久稳定性。上述专利均为在导轨面及其周围设计若干装置存储或填涂润滑材料，从而润滑导轨，但会增加制造成本和操作难度。
激光微织构技术为一种非接触式加工，其具有加工效率高、加工精度高、加工形貌可控性好、绿色无污染等众多优点，适用于机床导轨的加工。纳米MoS2，碳纳米管(CNTs)等纳米材料具有体积小，支撑性好等特点，能够充分填涂进导轨基体表面，且碳纳米管(CNTs)，富勒烯(C60)等材料具有球状结构，在导轨运动时会发生滚动摩擦，替代导轨本身的滑动摩擦，实现动静摩擦趋同调控，有效抑制导轨爬行现象的发生，从而大大减小摩擦磨损，延长导轨使用寿命，提高机床加工质量。
发明内容
针对目前机床导轨易磨损易粘接的现状，本发明提供了一种自润滑的复合微织构导轨及其自润滑方法，可以有效地抗粘减摩，且所发明复合微织构导轨能适应低速重载等特殊工况。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种多元复合织构导向滑动摩擦副，其特征在于，所述摩擦副的摩擦工作表面上具有均匀分布的微凹坑和微凸体，部分微凹坑中粘结有固体润滑剂，所述固体润滑剂为纳米级固体润滑材料混合而成，各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)：10％-15％、纳米MoS2：54％-60％、碳纳米管(CNTs)：0-10％、石墨烯：0-10％、富勒烯(C60)：0-10％、粘接剂：0-5％。
优选地，所述微凹坑和微凸体横向和纵向上均相间分布。
优选地，填充固体润滑剂的微凹坑与未填充固体润滑剂的微凹坑均匀分布。
所述的多元复合织构导向滑动摩擦副的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基体表面前处理；
(2)采用激光微织构技术与激光毛化技术相结合的方法在基体表面加工出复合微织构形貌，包括微凹坑和微凸体；
(3)均匀混合所需填涂的固体润滑材料，其中各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)10％-15％，纳米MoS2 54％-60％，碳纳米管(CNTs)0-10％，石墨烯0-10％，富勒烯(C60)0-10％，粘接剂0-5％；并对均匀混合的纳米复合固体润滑材料进行活化处理；
(4)掩膜法遮盖不需填涂固体润滑剂的微凹坑；
(5)在没有遮盖的微凹坑中预铺纳米复合固体润滑剂；
(6)滚压法处理基体表面；
(7)运用模具对基体表面填充固体润滑剂部分进行分区保压热压固化处理，加热温度为250-280℃，压强为7.5-8.0Mpa，加热时间为10-30min；
(8)基体表面后处理。
优选地，步骤(3)中所述复合材料在温度100-130℃下烘干2-3h至干燥。
优选地，微凹坑加工方法为：采用YLP-HP-1-100-100-100型光纤激光器对摩擦副表面进行激光表面微织构加工，其中激光波长为1064nm，脉冲宽度为50-500ns，激光功率为20-150W，激光脉冲重复频率为10-100kHz，激光器对单个微凹坑织构的持续时间为0.1-0.5ms。
优选地，微凹坑加工方法为：采用二极管泵浦固体光源(DPSS)YAG激光器进行激光表面微织构加工，聚焦透镜焦距为50-100mm，重复频率为6.5-9.5khz,激光波长532nm或1064nm，电流强度12-22A，扫描速度4-16mm/s，辅助气体采用99.9％的N2，压强为0.1-0.4Mpa。
优选地，毛化形貌加工：采用SPI光纤激光器，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1,光斑直径不大于5mm，输出功率为100-300W，脉冲频率为10-100KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10-60us。选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0-60°，气体流量为10-40l/min，毛化形貌为火山口型。
优选地，基体表面后处理是运用抛光机在导轨基体表面进行抛光处理，完全去除基体表面熔渣、飞边。
本发明所述的多元复合织构导向滑动摩擦副，其特征在于，用于机床导轨及精密仪器导轨。
本发明的有益效果：
针对低速重载等特殊工况下的摩擦副，本发明提供的多元复合织构导向滑动摩擦副及其加工方法，可有效减少导轨工作表面的摩擦磨损并抑制爬行现象。具体效果如下：
1.采用激光微织构加工与激光毛化加工相结合的方法，在摩擦副工作表面加工出微凹坑形貌与火山口毛化凸体形貌复合结构，其中在部分微凹坑中填充复合纳米固体润滑剂。由于本发明固体润滑剂中的碳纳米管、C60等材料具有类球状结构，故摩擦副相对运动时，微凹坑中的固体润滑剂会被挤压出至摩擦副表面形成一层致密的纳米“微滚体”。
综上所述，本发明复合结构主要包含如下特征：1)微凹坑结构，2)毛化火山口微凸体，3)纳米“微滚体”。其中微凸体结构可使摩擦副之间形成一定间隙，防止摩擦副之间发生粘结；微凹坑结构可填充固体润滑剂及导轨润滑油，在摩擦副工作时有效润滑导轨，减小摩擦磨损；纳米“微滚体”在工作时充满摩擦副工作表面，将摩擦副之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，起到“以滚代滑”的效用，大大减小动摩擦系数，使摩擦副动静摩擦系数趋于一致，从而有效抑制爬行现象的发生；同时，在工作时，微凹坑结构可收集工件加工产生的废屑和磨粒，减小导轨磨损，真正使各结构之间发挥“协同耦合”的效应。
2.摩擦副基体所用材料光洁度较高，且导轨面积较大，采用传统的填充工艺难以有效填充固体润滑剂，本发明针对导轨基体的上述特征，制定出“预铺+掩膜+滚压+模具分区保压热压固化填充”的复合填充工艺，可有效填充纳米复合固体润滑剂。
附图说明
图1为本发明所述多元复合织构导向滑动摩擦副横截面示意图。
图2光纤毛化火山口形貌图。
图3保压热压微凹坑示意图。
图4填充前微凹坑形貌图。
图5填充后微凹坑形貌图。
图6试验结果图。
图中：
1-固体润滑剂，2-微凸体，3-下导轨，4-工件，5-微凹坑，6-润滑油，7-纳米“微滚体”，8-加热模具。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
摩擦副选用CA6140普通车床导轨，导轨材料为HT300，导轨类型为矩形滑动导轨。
实施例一：
步骤一，首先进行激光表面微织构加工，再用抛光机对导轨基体表面进行抛光处理，保证基体表面熔渣及飞边完全去除。采用YLP-HP-1-100-100-100型光纤激光器对摩擦副表面进行激光表面微织构加工，其中激光波长为1064nm，脉冲宽度为50-500ns，激光功率为20-150W，激光脉冲重复频率为10-100kHz，激光器对单个微凹坑5织构的持续时间为0.1-0.5ms或采用二极管泵浦固体光源(DPSS)YAG激光器进行激光表面微织构加工，聚焦透镜焦距为50-100mm，重复频率为6.5-9.5khz,激光波长532nm或1064nm，电流强度12-22A，扫描速度4-16mm/s，辅助气体采用99.9％的N2，压强为0.1-0.4Mpa。加工微凹坑5直径为30-200um，深度为5-60um。
步骤二，采用SPI光纤激光器进行毛化处理，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1,光斑直径不大于5mm，输出功率为100-300W，脉冲频率为10-100KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10-60us，选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0-60°，气体流量为10-40l/min，微凸体2直径为40-150um，高度为0.8-60um。毛化形貌为火山口型。织构密度为15-50％。其中加工出毛化火山口状形貌图如图2所示。
采用激光微织构技术与激光毛化技术相结合的方法在基体表面加工出的微凹坑5和微凸体2在横向和纵向上均相间分布。
步骤三，均匀混合所需填涂的固体润滑材料，其中各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)：10％-15％，纳米MoS2：54％-60％，碳纳米管(CNTs)：0-10％，石墨烯：0-10％，富勒烯(C60)：0-10％，粘接剂：0-5％。并对纳米组分进行活化处理。
步骤四，填充固体润滑剂1的微凹坑5与未填充固体润滑剂1的微凹坑5均匀分布，掩膜法遮盖无需填充固体润滑剂1的微凹坑5。
步骤五，滚压法处理导轨基体表面。
步骤六，如图3所示，运用模具对导轨基体表面填充固体润滑剂1部分通过加热模具8进行分区保压热压固化处理，加热温度为250-280℃，压强为7.5-8.0Mpa，加热时间为10-30min。填充前后基体表面形貌图分别如图4和图5所示。
经过上述加工步骤后，所述摩擦副的摩擦工作表面上具有均匀分布的微凹坑5和微凸体2，微凹坑5和微凸体2在横向和纵向上均相间分布。部分微凹坑5中粘结有固体润滑剂1，填充固体润滑剂1的微凹坑5与未填充固体润滑剂1的微凹坑5均匀分布。所述固体润滑剂1为纳米级固体润滑材料混合而成，各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)：10％-15％、纳米MoS2：54％-60％、碳纳米管(CNTs)：0-10％、石墨烯：0-10％、富勒烯(C60)：0-10％、粘接剂：0-5％。
为验证固体润滑配方中主要成分纳米MoS2和碳纳米管(CNTs)材料减摩特性，设计了对比试验进行验证，具体试验通过实例及附图来说明。
为探究纳米MoS2及碳纳米管(CNTs)的减摩效果并探寻碳纳米管最佳含量，设计了如下表所示的对比试验。在环境温度为200℃，试验载荷为100N，试验转速为100r/min时进行试验，每种润滑配方所对应的试验时间均为30min。
复合固体润滑剂1配方 试样编号
20wt％PI+80wt％普通MoS<sub>2</sub> TS1
20wt％PI+80wt％纳米MoS<sub>2</sub> TS2
20wt％PI+77wt％纳米MoS<sub>2</sub>+3wt％CNTs TS3
20wt％PI+74wt％纳米MoS<sub>2</sub>+6wt％CNTs TS4
20％wtPI+71wt％纳米MoS<sub>2</sub>+9wt％CNTs TS5
20wt％PI+68wt％纳米MoS<sub>2</sub>+12wt％CNTs TS6
试验结果如图6所示，结果表明纳米MoS2和CNTs均具有良好的润滑减摩效果，且CNTs含量为6％时减摩效果最好。
本发明针对低速重载等特殊工况下的摩擦副，采用激光微织构加工与激光毛化加工相结合的方法，在摩擦副工作表面加工出微凹坑5形貌与火山口毛化凸体形貌复合结构，在部分微凹坑5中填充复合纳米固体润滑剂1。微凸体2结构可摩擦副之间形成一定间隙，防止摩擦副之间发生粘结；微凹坑5结构内填充固体润滑剂1及润滑油6，在摩擦副工作时有效润滑导轨，减小摩擦磨损；固体润滑剂1中的碳纳米管、C60等材料具有类球状结构，导轨运动时，微凹坑5中的固体润滑剂1会被挤压出至导轨基体表面形成一层致密的纳米“微滚体”7。纳米“微滚体”7在工作时充满摩擦副工作表面，将摩擦副之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，起到“以滚代滑”的效用，大大减小动摩擦系数，使摩擦副动静摩擦系数趋于一致，从而有效抑制爬行现象的发生。
同时，以本实施例为例，在导轨工作时，下导轨3上的微凹坑5结构可收集工件4加工产生的废屑和磨粒，减小导轨磨损，真正使各结构之间发挥“协同耦合”的效应。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多元复合织构导向滑动摩擦副，其特征在于，所述摩擦副的摩擦工作表面上具有均匀分布的微凹坑(5)和微凸体(2)，所述微凹坑(5)和微凸体(2)在横向和纵向上均相间分布；微凹坑(5)直径为30-200μm，深度为5-60μm；微凸体(2)直径为40-150μm，高度为0.8-60μm，织构密度为15％-50％；部分微凹坑(5)中粘结有固体润滑剂(1)，填充固体润滑剂(1)的微凹坑(5)与未填充固体润滑剂(1)的微凹坑(5)均匀分布；所述固体润滑剂(1)为纳米级固体润滑材料混合而成，各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)：10％-15％、纳米MoS2：54％-60％、碳纳米管(CNTs)：0-10％、石墨烯：0-10％、富勒烯(C60)：0-10％、粘接剂：0-5％。
2.根据权利要求1所述的多元复合织构导向滑动摩擦副的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基体表面前处理；
(2)采用激光微织构技术与激光毛化技术相结合的方法在基体表面加工出复合微织构形貌，包括微凹坑(5)和微凸体(2)；所述微凹坑(5)和微凸体(2)在横向和纵向上均相间分布；微凹坑(5)直径为30-200μm，深度为5-60μm；微凸体(2)直径为40-150μm，高度为0.8-60μm，织构密度为15％-50％；
(3)均匀混合所需填涂的固体润滑材料，其中各组分质量百分比为：聚酰亚胺(PI)10％-15％，纳米MoS2 54％-60％，碳纳米管(CNTs)0-10％，石墨烯0-10％，富勒烯(C60)0-10％，粘接剂0-5％；并对均匀混合的纳米复合固体润滑材料进行活化处理；
(4)掩膜法遮盖不需填涂固体润滑剂(1)的微凹坑(5)；
(5)在没有遮盖的微凹坑(5)中预铺纳米复合固体润滑剂(1)；
(6)滚压法处理基体表面；
(7)运用模具对基体表面填充固体润滑剂(1)部分进行分区保压热压固化处理，加热温度为250℃-280℃，压强为7.5-8.0Mpa，加热时间为10-30min；
(8)基体表面后处理。
3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，步骤(3)中所述复合材料在温度100-130℃下烘干2-3h至干燥。
4.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，微凹坑(5)加工方法为：
采用YLP-HP-1-100-100-100型光纤激光器对摩擦副表面进行激光表面微织构加工，其中激光波长为1064nm，脉冲宽度为50-500ns，激光功率为20-150W，激光脉冲重复频率为10-100kHz，激光器对单个微凹坑(5)织构的持续时间为0.1-0.5ms。
5.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，微凹坑(5)加工方法为：采用二极管泵浦固体光源(DPSS)YAG激光器进行激光表面微织构加工，聚焦透镜焦距为50-100mm，重复频率为6.5-9.5khz,激光波长532nm或1064nm，电流强度12-22A，扫描速度4-16mm/s，辅助气体采用99.9％的N2，压强为0.1-0.4Mpa。
6.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，毛化形貌加工：采用SPI光纤激光器，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1,光斑直径不大于5mm，输出功率为100-300W，脉冲频率为10-100KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10-60us，选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0-60°，气体流量为10-40l/min，毛化形貌为火山口型。
7.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，基体表面后处理是运用抛光机在基体表面进行抛光处理，完全去除基体表面熔渣、飞边。
8.根据权利要求1所述的多元复合织构导向滑动摩擦副，其特征在于，用于机床导轨及精密仪器导轨。
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