CN114198406A - 一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于滚动轴承抗摩减磨技术领域，涉及一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面及制备方法，先采用飞秒激光在轴承表面刻蚀出一定深度凹槽，再将PTFE薄膜压印贴合到轴承内圈表面，然后调节激光焦点位置，使焦点聚焦到PTFE薄膜下表面，对同一凹坑位置进行重复扫描，在激光烧蚀加热作用下，轴承内圈表面发生涟漪状特征条纹的同时薄膜瞬间气化，在机械联锁作用下气化后部分高分子材料吸附到凹坑内机械表面，在凹槽内部得到了超疏油的PTFE表面，能够在不连续供油条件下，使有限量润滑剂维持在轴承润滑轨道之间，轴承两侧的疏油涂层能够降低润滑剂的搅动摩擦阻力，减小轴承的摩擦力矩。

Description

一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面及制备方法

技术领域：

本发明属于滚动轴承抗摩减磨技术领域，涉及一种实现润滑剂定向流动、增强润滑、降低轴承摩擦的表面及制备方法，特别是一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面及制备方法，对轴承以三维梳齿状凹槽阵列(3d-CTG)表面作为虚拟挡边进行集油增强，利用梳齿几何形貌与化学涂层润湿性梯度的协同作用，达到集油增强的效果。

背景技术：

轴承素有机械关节之称，轴承中有效润滑油膜的维持能够减少摩擦降低磨损，但是在实际工作中，过量供给润滑剂会带来额外的轴承温升以及资源浪费；而降低供油量，润滑滚道中的润滑剂大部分被挤压分布在润滑滚道两侧，并没有形成有效的润滑供给，在高速运转中，还会因为离心力和惯性力等作用而甩出润滑轨道，无法有效的分离滚动或者滑动接触的两对偶摩擦副表面，在润滑剂有限量供给时，容易导致轴承热色变、滚子大端擦伤甚至整体锁死。因此需要在轴承中进行润滑剂回填的调控设计，来增强润滑油的回流和防止爬移，在限量供给润滑剂的工况下，增强轴承抵抗断油的能力。例如，在轴承内圈表面进行图案润湿性设计，不仅可以有效的提高润滑油的回填效果，并且可以对润滑剂的分布进行人为调控。

随着镀层、涂层等表面工程技术的进一步完善，液体润滑剂在自由表面的调控工艺越来越成熟，然而在轴承齿轮等微小接触间隙中，仍然缺少有效的方式进行润滑剂的调控。虽然通过机械加工挡边的方案可以有效的维持润滑剂的供给量，但高速条件下，润滑剂依然可以甩离轴承轨道。在无密封或间隙配合密封轴承中，润滑剂甩离后，需要不断注入新鲜润滑剂，额外的注油装置为工业设计和生产带来负担。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面及制备方法，将梳齿状凹槽阵列形成的虚拟挡边作用于自集油增强轴承，克服滚动体与接触表面因为离心作用以及爬移作用等造成断油的缺陷，通过对轴承中润滑剂的分布进行调控，增强限量供油条件下轴承的润滑效率并防止破坏表面，使得接触部件的摩擦副在限量供油的条件下能够有效的利用润滑滚道的集油能力，得到充足的润滑油来形成全膜润滑，最终得到最优的摩擦学性能，达到润滑过程可控，提高润滑剂使用效率的目的。

为了实现上述目的，本发明所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面包括梳齿状凹槽阵列和疏油层，疏油层设置在梳齿状凹槽阵列表面，梳齿状凹槽阵列的每个凹槽均为梳齿状结构，凹槽的深度沿齿底到齿顶为0.2～2.5μm逐渐变化，梳齿尖端角度为30°，梳齿长为1mm，单个梳齿宽度为150μm，疏油层采用厚度为30μm的PTFE薄膜，PTFE薄膜的接触角达到140°。

本发明轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面应用于轴承时，所述梳齿尖端指向轴承滚道中心，并沿轴承滚道中心均匀分布。

本发明所述三维梳齿状凹槽阵列表面通过飞秒加工系统制备，所述飞秒加工系统主体结构包括飞秒激光光源、光阑、反光镜、半反半透镜、物镜、样品、微动电机和精密三维平移台组成，样品与微动电机相连并置于精密三维平移台，精密三维平移台控制样品在XYZ三个方向进行移动，物镜置于样品正上方，飞秒激光光源、光阑和反光镜设置在同一水平面上，反光镜设置在物镜正上方，反光镜和物镜之间设有半反半透镜，外接的CCD与半反半透镜在同一水平面上，CCD分别与飞秒激光光源和光阑相连，飞秒激光光源、光阑、精密三维平移台和CCD分别与外接的计算机相连。

本发明所述精密三维平移台的移动精度为0.1mm。

本发明所述飞秒激光光源的波长为1040nm，平均功率40W，激光能量为50μJ；飞秒激光光源依次经过光阑、反光镜、半反半透镜和物镜到达样品，到达样品的光斑直径为10μm。

本发明所述微动电机每16秒转动5度，样品为滚动轴承内圈，物镜为八倍物镜。

本发明在滚动轴承内圈制备三维梳齿状凹槽阵列表面时，先采用飞秒激光在轴承表面刻蚀出一定深度凹槽，再将PTFE薄膜压印贴合到轴承内圈表面，然后调节激光焦点位置，使焦点聚焦到PTFE薄膜下表面，对同一凹坑位置进行重复扫描，在激光烧蚀加热作用下，轴承内圈表面发生涟漪状特征条纹的同时薄膜瞬间气化，在机械联锁作用下气化后部分高分子材料吸附到凹坑内机械表面，在凹槽内部得到了超疏油的PTFE表面，具体过程为：

S1、轴承部件清洗：选择滚动轴承内圈作为样品，对滚动轴承内圈表面依次放入石油醚、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10分钟，清洗完毕后将轴承内圈用高压氮气吹干备用；

S2、预刻蚀深度：将S1中清洗后的样品与微动电机装配后安装到精密三维平移台上，同一位置激光刻蚀处理16s后主轴旋转5度，刻蚀深度根据选用的疏油材料不同选择0-5μm之间，制备过程中采用排气系统进行气化金属和有机材料的清除，避免产生物料沉积；

S3、薄膜转移准备：选择足够覆盖样品表面的PTFE薄膜，利用微量液体树脂粘合剂填充S2中轴承内圈刻蚀位置，并将S2中制备的轴承内圈与PTFE薄膜利用真空除气装置进行紧密贴合；

S4、薄膜转移制备：先将S3中的贴合薄膜的样品放入精密三维平移台，移动激光的焦点使得薄膜下表面和刚表面清晰可见，此时重复S2步骤进行刻蚀处理，每次扫描后提高激光焦点位置10μm，总共扫描3次，使得滚动轴承内圈表面镀有均匀疏油的PTFE膜，其中单次扫描平均能量选取衰减后能量10μJ，该步骤中激光能量根据薄膜材料厚度不同而改变。

本发明采用梳齿状凹槽阵列表面作为滚动轴承内圈的虚拟挡边来增强对润滑剂的流动控制，梳齿状凹槽阵列表面将梳齿状凹槽阵列结构分布在轴承滚道两侧，同时赋予该梳齿区域疏油特性，当润滑剂由于离心作用或者爬移发生时，该疏油部位可以有效地进行润滑剂的调控，防止润滑剂的流失。

本发明利用飞秒激光在内圈轨道两侧进行沟槽阵列加工，接着利用PTFE薄膜进行烧蚀处理，使凹槽表面吸附一层超疏油的PTFE涂层，接触角达到140°，在未刻蚀形成了依然保持内圈原来表面特性的亲油区，亲油区接触角小于10°，能够锁住润滑油，使润滑油在制备的虚拟挡边中间形成均匀的润滑油膜；疏齿状的凹槽阵列增加了液体润滑剂扩展的势能垒，梳齿状织构也增加了润滑剂的回填能力，PTFE薄膜烧蚀后表面呈现凹凸不平的团簇状微纳米结构，在锁住润滑油的同时能够起到疏油效果。

本发明对制备的三维梳齿状凹槽阵列表面采用全轴承扭矩测量仪在不同转速下进行轴承扭矩测量，同时采用玻璃块试样在光弹流实验机上进行润滑成膜实验，测试带有虚拟挡边的试样与普通试样的成膜性能，成膜实验采用往复运动模块，行程为10mm，润滑油为PAO4，用量为0.5μL，载荷为30N，速度范围1-4Hz；在成膜实验和扭矩测量实验中，摩擦副之间存在有限的润滑油，润滑剂均匀分布在亲油区域，当摩擦副相对运动时，张力驱动两侧的润滑剂向润滑轨道中央区迁移，而制备的三维梳齿状凹槽阵列表面内圈除增强润滑剂向润滑轨道中央迁移外，同时由于两侧涂层对润滑剂的驱动力作用，润滑剂在轴承润滑轨道两侧具有抵抗离心力的作用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点及有益技术效果：

(1)本发明能够发挥微纳米凹槽阵列对润滑油的输运导引作用，能够改善接触零件的摩擦副上的润滑油的约束分布，同时也能够发挥疏油涂层的界面梯度力作用，主动调控润滑剂的流失；

(2)在所制备的带有虚拟挡边的轴承中，能够有效解决轴承中出现的乏油，润滑剂回流难的问题，在采用本发明制备的带有虚拟挡边的轴承后，润滑材料的成膜性增加，并且轴承扭矩显著降低；

(3)本发明制备的带有三维梳齿状凹槽阵列表面的轴承能够使润滑剂向润滑轨道中央迁移，在限量供油条件下，轴承扭矩能够维持较低的水平，大大提高了轴承的使用寿命和运转性能；

(4)本发明制备的带有三维梳齿状凹槽阵列表面的轴承能够在不连续供油条件下，使有限量润滑剂维持在轴承润滑轨道之间，同时，轴承两侧的疏油涂层能够降低润滑剂的搅动摩擦阻力，减小轴承的摩擦力矩。

附图说明：

图1为本发明涉及的飞秒激光加工系统结构原理示意图。

图2为本发明涉及的带有三维梳齿状凹槽阵列表面轴承的扭矩测量结果。

图3为本发明涉及的不同表面的接触角测量结果图，其中(a)为普通钢表面接触角，(b)为带有PTFE钢表面接触角。

图4为本发明涉及的在载荷30N的条件下2μL润滑油PAO4在不同表面膜厚对比图，其中(a)为光干涉结果图，左侧为三维梳齿状凹槽阵列表面膜厚光干涉结果，右侧为普通表面膜厚光干涉结果；(b)为膜厚轮廓图。

图5为本发明涉及的轴承钢表面PTFE镀层的电镜照片图，其中(a)为钢刻蚀表面，(b)为PTFE疏油涂层表面。

图6为本发明涉及的轴承在内圈表面的集油实验结果，其中(a)为轴承内圈油滴初始位置(左：具有三维梳齿状凹槽阵列表面；右：普通轴承)，(b)为轴承内圈旋转后油滴分布(左：具有三维梳齿状凹槽阵列表面；右：普通轴承)。

图7为本发明涉及的带有三维梳齿状凹槽阵列表面结构图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面包括梳齿状凹槽阵列和疏油层，疏油层设置在梳齿状凹槽阵列表面，梳齿状凹槽阵列的每个凹槽均为梳齿状结构，凹槽的深度沿齿底到齿顶为0.2～2.5μm逐渐变化，梳齿尖端角度为30°，梳齿长为1mm，单个梳齿宽度为150μm，疏油层采用厚度为30μm的PTFE薄膜，PTFE薄膜的接触角达到140°。

本实施例轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面应用于轴承时，所述梳齿尖端指向轴承滚道中心，并沿轴承滚到中心均匀分布。

本实施例所述三维梳齿状凹槽阵列表面通过飞秒激光加工系统制备，所述飞秒激光加工系统主体结构包括飞秒激光光源1、光阑2、反光镜3、半反半透镜4、物镜5、样品6、微动电机7和精密三维平移台8组成，样品6与微动电机7相连并置于精密三维平移台8，精密三维平移台8控制样品6在XYZ三个方向进行移动，物镜5置于样品6正上方，飞秒激光光源1、光阑2和反光镜3设置在同一水平面上，反光镜3设置在物镜5正上方，反光镜3和物镜5之间设有半反半透镜4，外接的CCD与半反半透镜4在同一水平面上，CCD分别与飞秒激光光源1和光阑2相连，飞秒激光光源1、光阑2、精密三维平移台8和CCD分别与外接的计算机相连。

本实施例所述精密三维平移台8的移动精度为0.1mm。

本实施例所述飞秒激光光源1的波长为1040nm，平均功率40W，激光能量为50μJ；所述飞秒激光光源1依次经过光阑2、反光镜3、半反半透镜4和物镜5到达样品6，到达样品6的光斑直径为10μm。

本实施例所述微动电机7每16秒转动5度，样品6为滚动轴承内圈，物镜5为八倍物镜。

本实施例在制备自集油轴承(即在滚动轴承内圈制备三维梳齿状凹槽阵列表面)时，按照如下步骤进行：

S1、轴承部件清洗：选择滚动轴承内圈作为样品6，对滚动轴承内圈表面依次放入石油醚、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10分钟，清洗完毕后将轴承内圈用高压氮气吹干备用；

S2、预刻蚀深度：将S1中清洗后的样品6与微动电机7装配后安装到精密三维平移台8上，同一位置激光刻蚀处理16s后主轴旋转5度，刻蚀深度根据选用的疏油材料不同选择0-5μm之间，制备过程中采用排气系统进行气化金属和有机材料的清除，避免产生物料沉积；

S3、薄膜转移准备：选择足够覆盖样品表面的PTFE薄膜，利用微量液体树脂粘合剂填充S2中轴承内圈刻蚀位置，并将S2中制备的轴承内圈与PTFE薄膜利用真空除气装置进行紧密贴合；

S4、薄膜转移制备：先将S3中的贴合薄膜的样品放入精密三维平移台8，移动激光的焦点使得薄膜下表面和刚表面清晰可见，此时重复S2步骤进行刻蚀处理，每次扫描后提高激光焦点位置10μm，总共扫描3次，使得滚动轴承内圈表面镀有均匀疏油的PTFE膜，其中单次扫描平均能量选取10μJ，该步骤激光能量根据薄膜材料厚度不同而改变(激光器能量为40μJ)；并取出试样进行性能测试；

S5、疏油表征(采用相同材料的圆盘轴承钢)：用接触角测量仪分别测试未镀膜的试样和S4中镀膜后的试样的接触角，测量相同体积润滑油滴在圆盘试样表面的静态接触角，所述润滑油用量为5μL，润滑油选用PAO4基础油，用以验证试样在镀层后的疏油效果，其结果如图3所示；

S6、轴承扭矩测量：将S4制备的轴承内圈与轴承外圈、钢球和保持架进行组合，将组合后的轴承进行轴承扭矩测量，并与普通轴承测量结果进行对比，其结果如图2所示。

本实施例通过CCD观测到样品5表面上出现烧蚀光斑时，PTFE烧蚀表面疏油效果最佳。

本实施例制备出的自集油轴承的结构为在轴承内圈表面刻蚀出一层具有一定粗糙度梯度和一定几何形貌的梳齿状微纳米结构，同时将疏油性能优越的PTFE疏油层烧蚀到样品表面，使得接触角能够具有疏油性能，并且疏油层的接触角达到140°，在刻蚀掉的位置涂覆微量树脂粘合剂，有利于PTFE的黏附，利用飞秒激光再次刻蚀同一位置，PTFE薄膜气话同时黏附到凹槽阵列位置，而制备超疏油和滑移的PTFE涂层，所述的PTFE涂层微观结构如图5所示，剩余轨道位置为普通钢表面的亲油区，所述亲油区能够锁住润滑油，使润滑油在制备的亲油轨道内连续分布，而两侧疏油涂层可以很好的限制润滑油往两侧的扩展；所述梳齿状微纳结构齿尖端朝向轴承轨道中心，由齿尖向齿根粗糙度逐渐增加，疏油涂层结合能力更好，梳齿状微纳结构对分布其上的润滑剂起到往轨道中心输运的效果。

实施例2：

本实施例对实施例1中制备的自集油轴承采用轴承扭矩实验机以及光弹流油膜测量试验机分别进行轴承扭矩实验和润滑成膜测试实验，将自集油轴承和未处理轴承的测试结果进行对比，成膜实验润滑油为PAO4，用量为0.5μL，载荷为30N，速度范围0-80mm/s，测试样品为带有相同织构和PTFE涂层的玻璃块；在轴承扭矩试验台上进行轴承扭矩测量实验，采用的载荷为280N，速度范围为500-2500rpm，润滑油为PAO4，用量为5μL。采用扫描电镜对制备的轴承钢样品5表面的显微结构进行观察，如图5所示，从图5中能够看出原本光滑的PTFE表面在刻蚀后呈现出微小的团簇状结构，显微结构变化明显，出现了纳米级的层状分布结构，这是典型的疏水疏油结构；并对轴承内圈的集油效果进行实验，将0.5μLPAO4润滑油滴加到涂层边界处，以1000rpm的转速进行离心测试，实验前后的油滴在轴承内圈表面的分布如图6所示，显示了制备的虚拟挡边(即三维梳齿状凹槽阵列表面)的集油性能，亲油区与疏油区边界处疏油区的纳米结构对亲油区润滑油流动起到抑制作用，能够有效的防止润滑油爬移；在成膜实验和摩擦磨损实验中，摩擦副之间存在有限的润滑油，润滑剂均匀分布在亲油区域，当摩擦副相对运动时，张力驱动两侧的润滑剂向润滑轨道中央区迁移，而制备的自集油轴承中的虚拟挡边除增强润滑剂向润滑轨道中央迁移外，同时由于疏齿状微纳米结构的输运特性，润滑剂在轨道两侧能够自发的维持较大的油池，能够抵抗包括离心力在内的惯性力的作用。

本实施例轴承扭矩测试结果如图2所示，在相同供油量和相同载荷条件下，自集油轴承其内圈表面的虚拟挡边能够使膜厚维持一定的厚度，但普通润滑轨道表面在现有速度条件下，轴承扭矩较大，从图4的膜厚轮廓图也可以看出，带有梳齿状沟槽的表面较普通表面可以维持较高的膜厚；从图2中还能够看出，在500rpm的低速段，两类轴承扭矩差别较大，有0.011N·m，随着速度增加，两者差别较小，但在2000-2500rpm时，两者差距逐渐稳定，达到0.005N·m；图4的膜厚实验结果显示，普通轨道的油池分布较小，表明图案润湿性轨道的润滑效果要比普通轨道的好，改进后的润滑轨道的集油效果明显加强，即使用少量的润滑剂也能达到很好的供油效果，对于工业应用中粘度较小的PAO4基础润滑油，在80mm/s速度下，接触区中心膜厚差别能够达到22nm。

Claims (7)

1.一种轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，包括梳齿状凹槽阵列和疏油层，疏油层设置在梳齿状凹槽阵列表面，梳齿状凹槽阵列的每个凹槽均为梳齿状结构，凹槽的深度沿齿底到齿顶为0.2～2.5μm逐渐变化，梳齿尖端角度为30°，梳齿长为1mm，单个梳齿宽度为150μm，疏油层采用厚度为30μm的PTFE薄膜，PTFE薄膜的接触角达到140°。

2.根据权利要求1所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，应用于轴承时，所述梳齿尖端指向轴承滚道中心，并沿轴承滚道中心均匀分布。

3.根据权利要求1所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，所述三维梳齿状凹槽阵列表面通过飞秒加工系统制备，所述飞秒加工系统主体结构包括飞秒激光光源、光阑、反光镜、半反半透镜、物镜、样品、微动电机和精密三维平移台组成，样品与微动电机相连并置于精密三维平移台，精密三维平移台控制样品在XYZ三个方向进行移动，物镜置于样品正上方，飞秒激光光源、光阑和反光镜设置在同一水平面上，反光镜设置在物镜正上方，反光镜和物镜之间设有半反半透镜，外接的CCD与半反半透镜在同一水平面上，CCD分别与飞秒激光光源和光阑相连，飞秒激光光源、光阑、精密三维平移台和CCD分别与外接的计算机相连。

4.根据权利要求3所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，所述精密三维平移台的移动精度为0.1mm。

5.根据权利要求3所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，所述所述飞秒激光光源的波长为1040nm，平均功率40W，激光能量为50μJ；飞秒激光光源依次经过光阑、反光镜、半反半透镜和物镜到达样品，到达样品的光斑直径为10μm。

6.根据权利要求3所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面，其特征在于，所述所述微动电机每16秒转动5度，样品为滚动轴承内圈，物镜为八倍物镜。

7.一种如权利要求3所述轴承用三维梳齿状凹槽阵列表面的制备方法，其特征在于，具体制备过程为：

S1、轴承部件清洗：选择滚动轴承内圈作为样品，对滚动轴承内圈表面依次放入石油醚、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗10分钟，清洗完毕后将轴承内圈用高压氮气吹干备用；

S2、预刻蚀深度：将S1中清洗后的样品与微动电机装配后安装到精密三维平移台上，同一位置激光刻蚀处理16s后主轴旋转5度，刻蚀深度根据选用的疏油材料不同选择0-5μm之间，制备过程中采用排气系统进行气化金属和有机材料的清除，避免产生物料沉积；

S3、薄膜转移准备：选择足够覆盖样品表面的PTFE薄膜，利用微量液体树脂粘合剂填充S2中轴承内圈刻蚀位置，并将S2中制备的轴承内圈与PTFE薄膜利用真空除气装置进行紧密贴合；

S4、薄膜转移制备：先将S3中的贴合薄膜的样品放入精密三维平移台，移动激光的焦点使得薄膜下表面和刚表面清晰可见，此时重复S2步骤进行刻蚀处理，每次扫描后提高激光焦点位置10μm，总共扫描3次，使得滚动轴承内圈表面镀有均匀疏油的PTFE膜，其中单次扫描平均能量选取衰减后能量10μJ。

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