CN1860019A - 工作面及工作面制作系统 - Google Patents

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Abstract

一种机械元件，包括：一个工件，其有一个与液体相接触的第一工作面，该工作面至少有一个液体排拒区，该液体排拒区用于与液体进行交互作用，其中，该液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.95。

Description

工作面及工作面制作系统
技术领域及背景技术
本发明涉及一种具有工作面的工件，尤其涉及一种工作面及用于制作该工作面的系统。
为了降低机械性交互作用表面的摩擦及磨损，可将润滑剂引入交互作用区内。如图1A所示，在理想的润滑条件下，润滑剂膜20处于对置表面32与34之间，而且以相对速度V来移动，从而形成一种不动层，进而使移动表面与润滑剂交互作用。在这种条件下，在表面32与34之间完全不发生接触，从而由润滑剂层来承载对置表面之间的负荷P。如果润滑剂供应量不足，则润滑效果便会降低，从而导致表面与表面之间发生交互作用。
如图1B所示，当润滑剂供应量低于一定量时，在负荷P的作用下，所对置的相对移动表面32与34之间的距离便会减小，因而表面粗糙点，即，从表面外凸的表面材料凸峰便会交互作用。这样，表面34的粗糙点36便与表面32的粗糙点38发生物理性接触，并交互作用。在极端条件下，表面32及34的粗糙点承载交互作用表面之间的全部负荷。这种情况通常称为边界润滑，此时，润滑剂不起作用，而且会增大摩擦及磨损。
在以往，为改善表面质量，一般采用碾磨及研磨方法(比如，表面加工)，从而形成用于摩擦用途的工作面。图1C(i)-(ii)表示采用传统的研磨加工方法来形成的工作面。图1C(i)中，工件31的工作面32朝向研磨工具34的接触面35。研磨膏内含有研磨颗粒，即研磨颗粒36，它处于工作面32与接触面35之间。研磨工具34的接触面35的材料的硬度低于工作面32。在选择研磨颗粒的成分及大小分布时，保证能按计划来磨蚀工作面32，从而降低表面粗糙度，进而达到预定的光洁度。
一般在表面32与35的垂直方向上施加负荷，从而使研磨颗粒36能透入工作面32及接触面35内，最终的压力P作用在研磨颗粒36区域内，该区域内置于工作面32中。研磨颗粒36透入工作面32的深度由ha1来表示；研磨颗粒36透入接触面35的深度由hb1来表示。一般而言，研磨颗粒36透入研磨工具34的深度大于透入工件31的深度，即，hb1＞ha1。
在图1C(ii)中，工件31及研磨工具34以相对速度V来移动。压力P及工件31与研磨工具34的相对速度V的大小应能保证：研磨颗粒36起着切刀的作用，从而从工件31上凿削表面材料。
在较低的相对速度下，研磨颗粒36基本上固定。然而在典型的情况下，如图1C(ii)所示，在选择相对速度V时，应使相应的剪切力Q足够大于压力P，从而使研磨颗粒36上的合力向量F方向能推动研磨颗粒36转动。由于与研磨颗粒36相接触的研磨工具34的材料相对研磨膏颗粒基本上不变形(即，具有低弹性)，因而这些颗粒可被迅速研磨，所以必须经常更换研磨膏。
在传统技术中，使用诸如磨轮、覆层磨料、散磨料及切削工具磨料等粘合性磨料，对金属、陶瓷、玻璃、塑料、木材等材料实施碾磨、研磨、抛光及切削。研磨颗粒，即磨削处理的切削工具一般是自然生成或合成性材料，其硬度一般大于被切削的材料的硬度。最常用的粘合性、覆层及散磨料是金刚砂、α型氧化铝、碳化硅、碳化硼、晶系氮化硼及金刚石。材料的相对硬度参见下表：
  材料   努普硬度
  金刚砂α型氧化铝碳化硅碳化硼晶系氮化硼金刚石(单晶体)   136021002480275045007000
在选择磨料时一般考虑经济性、所希望的最终表面及被研磨的材料。上述磨料表中的硬度依次递增，而且其成本也随之递增，其中，金刚砂是最便宜的磨料，而金刚石则最贵。
考虑各种磨料材料的成本，一般在研磨软性材料时选用软磨料，而在研磨硬材料时则选用硬磨料。当然高粘性材料除外，对这种材料而言，硬材料通常可更有效地切削。此外，磨料颗粒越硬，单位磨料体积或重量的切削材料便越多。高级磨料材料包括金刚石及晶系氮化硼，二者均用于各种用途。
已知的研磨方法及系统有许多明显的不足，包括：
●研磨工具的接触面最终会被磨料材料所消耗，从而需要更换。在某些典型应用中，在处理了50个工件之后，需要更换研磨工具的接触面。
●对研磨膏特性的敏感度包括：浆膏配方、研磨颗粒硬度及研磨颗粒的颗粒大小分布(PSD)。
●对研磨过程的各种处理参数的敏感度。
●一般而言，必须在若干个独立的研磨阶段，来实施研磨处理，在各阶段中，采用具有不同物理性能的研磨膏。
因此，最好使工件具有经过改进了的工作面。如果系统能克服研磨技术的上述不足，并制作出这种经过改进的工作面则更好。
发明内容
本发明涉及一种经过改进的工作面、以及制作该经过改进的工作面的系统。
本发明提供一种机械机构，包括：(a)一个工件，其有一个与液体相接触的第一工作面，工作面至少有一个液体排拒区，液体排拒区用于与液体进行交互作用，液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.95。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，前述液体排拒区的前述特征无量纲湿润系数小于0.8。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.6。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.3。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.2。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.1。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，该机械机构还包括：(b)第二表面，其一般处于金属工作面的对面；(c)液体，其处于第一工作面与第二表面之间，其中，至少一个金属工作面及第二表面用于承载负荷。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体是润滑剂。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，金属工作面包括一个钢工作面。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，金属工作面包括青铜及其它传统摩擦学应用工作面。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，金属工作面至少包括一个润滑剂吸附区，其处于润滑剂排拒区之间。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，金属工作面至少包括一个凹槽，其处于润滑剂排拒区之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，至少一个凹槽包括多个沟槽，其最大深度为5-30微米，其宽度为100-1000微米。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，液体排拒区的表面能低于液体的表面张力。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，第二表面包括至少一个润滑剂吸附区。
根据前述优先实施方式的另一特性，提供一种机械机构，包括：(a)一个相对工作面移动的接触面，接触面提供相对多个研磨颗粒的至少部分弹性交互作用，前述研磨颗粒处于接触面与工作面之间，接触面的布氏硬度处于2-10kg/mm2之内，接触面的耐冲击性处于30-70kg m/cm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，机械机构还包括：(b)一个工作面，其一般处于接触面的对面，(c)研磨颗粒，其处于接触面与工作面之间。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，布氏硬度处于2-7kg/mm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，布氏硬度处于2.5-5kg/mm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，布氏硬度处于3.0-4.5kg/mm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，耐冲击性处于40-60kg·m/cm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，耐冲击性处于45-55kg·m/cm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，布氏硬度处于2.5-5kg/mm2之内，而且，前述耐冲击性处于40-60kg·m/cm2之内。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，接触面处于研磨工具之上。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，研磨颗粒包括氧化铝颗粒。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，接触面的成分包括聚氨酯。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，接触面的成分包括环氧树脂材料。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，接触面的成分包括聚氨酯及环氧树脂材料。
根据前述优先实施方式的进一步的特征，接触面的成分包括聚氨酯及环氧树脂材料，其重量比为90∶10至70∶30。
附图说明
以下参照附图及示例，来说明本发明。对附图而言，特定示例只用于说明本发明的优先实施方式，从而进一步理解本发明的原理及概念。因此，除了说明本发明的结构详情之外，不再赘述，业内人士通过参照附图，可明晓本发明的实施方式的多种形式。在全部附图中，同一机构采用同一参照特性。
附图中：
图1A是具有润滑层的机械交互作用表面的示意图；
图1B是具有交互作用粗糙点的机械交互作用表面的示意图；
图1C(i)-(ii)是经过传统的研磨处理的工作面示意图；
图2表示本发明一个方面的一般概念；
图3A是本发明的沟槽筒的侧视图；
图3B表示本发明的的金属板及沟槽工作面；
图4A表示本发明实施方式的加密正弦沟槽；
图4B表示本发明实施方式的正弦沟槽；
图4C表示本发明实施方式的正弦沟，包括研磨波形；
图4D表示本发明实施方式的沟槽凹坑；
图4E表示本发明实施方式的菱形沟槽；
图4F表示本发明实施方式的螺旋沟槽；
图5表示本发明实施方式的采用下凹区的加工面处理流程；
图6A表示本发明的交互作用表面；
图6B表示图6A的交互作用表面侧面；
图7A是预加工表面的剖视图；
图7B是水平表面的剖视图；
图7C是经过微形沟加工的水平表面的剖视图；
图7D是具有脊部的沟槽表面的剖视图；
图8A本发明的工作面处理之前的剖视图；
图8B是经过微型加工的工作面的剖视图，该微型沟槽四周环绕凸棱；
图8C是经过研磨的水平微型沟槽表面的剖视图；
图9A是本发明的研磨之前研磨工具-工作面界面的剖视图；
图9B是本发明中经过研磨的研磨工具-工作面的剖视图；
图9C(i)-(iii)是经过研磨处理的工作面的剖视图；
图10A-1及图10A-2是初始覆油的基准工作面湿润图形的照片，其中图10A-1表示油滴落下5秒后的现有技术的工作面，图10A1-2表示油滴落下60秒后的同一工作面；
图10B-1及图10B-2是初始覆油的示例工作面湿润图形的照片；其中图10B-1表示油滴落下5秒后的本发明的工作面，图10B1-2表示油滴落下60秒后的同一工作面；
图11A是预涂覆表面的剖视图；
图11B是图10A的涂覆表面的剖视图；
图11C是本发明实施方式中图10B表面的微型沟槽的剖视图；
图12是本发明另一种实施方式中覆盖凹坑塑料的工作面的剖视图；
图13是本发明的试验盘的设置等角图；
图14表示本发明中辊子的摩擦学性能的“一滴试验”评估试验装置；
图15表示各辊子止动点试验的摩擦系数，
图16表示摩擦系数(μ)及磨损量(h)相对摩擦长度(L)的函数。
具体实施方式
本发明涉及一种经过改进的工作表面、以及一种用于制作该改进表面的系统。
参照附图及说明，可进一步理解本发明的原理及动作。
在详细说明本发明实施方式之前，应明晓本发明的应用并非限定于下列说明或附图所述的结构及设置。本发明可适用于其它实施方式，也可以以各种方式来实施。此外还应理解，本文所用的术语及词语只用于进行说明，并非构成限定。
根据本发明，对相对滑动的被润滑表面进行处理，从而在交互作用过程中产生较小的磨损。简言之，在本发明中，在工作面上形成两个区域，一个区域具有较高的润滑剂排拒性，另一个区域相对润滑剂具有吸附性。如后所述，这两个区域互相交叉。一个区域在工作面上形成良好分散的结构，对润滑剂具有明显的吸附性。图2表示本发明的概念，以下以此为基准。图中的工作面由这二个区域来组成。区域A是润滑剂吸附区，区域R是润滑剂排拒区。
在本发明的一种实施方式中，各区域之间润滑剂吸附性的不同，与结构性差异有关。附图3A-B表示本发明实施方式中的结构性。在图3A中，圆筒50表面的结构是，在表面上刻有一个或多个沟槽，比如螺旋沟槽52。在典型情况下，该沟槽的最大深度约为5-30微米，其宽度约为100-1000微米。原表面的剩余部分是一个或多个脊部，在本示例中，是螺旋脊部54。这样，圆筒50外部便包括两个区域，而内部则具有脊部及凹槽区，包括沟槽。在本发明中，在图3B中设有金属条60。工作面在与其它机构的摩擦性交互作用之后(未示出)，设有成为凹槽区的沟槽62，还设有另一个脊部64，其形成金属条60的工作面的表面区域。
区域图形
如上所述，在本发明的一种优先实施方式中，以凹槽来作为润滑剂吸附区，并以上脊部来作为润滑剂排拒区。在附图4A-F中，配有凹槽图形，比如微型沟槽，其适于本发明实施方式的结构。图4A-B表示各种密度的正弦图；图4C表示正弦图，包括研磨正弦图；图4D表示凹坑图；图4E表示菱形图，图4F表示螺旋图。有各种自选图形，上述示例只是一种代表。
工作面处理
根据本发明来进行处理，包括形成表面处理润滑剂排拒区。在本发明实施方式中，表面是一种合成表面，包括润滑剂吸附区和润滑剂排拒区。最好，润滑剂排拒区处于工作面之上，可对工作面进行机械处理而获得，也可以对表面区涂覆润滑剂-排拒剂。
在某些实施方式中，为进行机械处理工作面，从而具有摩擦性能，需要改变工作面。在处理工作面时，在前述的图5中，形成凹槽区，并处理表面区，其方法如下：在步骤90，磨削及/或研磨工作面，从而得到高度平坦的表面层。在步骤92，按下述方法来形成凹槽区，在步骤94，对表层区进行处理。
可以采用研磨，尤其对该表层区。研磨可达到良好的平坦度及表面光洁度。研磨工艺采用自由流动的磨料材料，这与固定磨料不同。
图6A表示交互作用表面100，根据本发明实施方式来对工作面102进行处理。图6B是表面剖视图，表示附图7A-D剖面的放大部位。图7A表示预加工面106。图7B中，被加工的表面是水平的。图7C中，表面106在微型沟槽108之后形成。在下一个步骤，如图7D所示，工作面的表层区109被转换成具有润滑剂-排拒性能。新层在表层区内形成，该层由110来表示。研磨步骤最好处于微型沟槽形成阶段之后的原因在于，在表面上形成凹槽微型结构后，会产生凸棱。即使在激光切削之后，也会形成该凸棱。如图8A-B所示，以下以此为参照。图8A中，工作面剖面由线条120来表示。图8B中，微型沟槽120与凸棱122一起形成。图8C中，表层区被研磨，磨平凸棱，从而形成塑性层124，该层具有润滑剂排拒性。如果微型形成步骤不能影响表层区的外观及性能，则微型形成步骤可放在最后。
如上所述，研磨最好采用机械加工法，从而获得本发明的机械结构特性。在研磨中采用研磨工具，其表面软于机械零件的工作面。磨料装置必须硬于研磨工具的表面，而且硬于被处理的工作面。重要的是，磨料装置不能太硬或太脆，否则，金刚石装置便不适于本发明的研磨技术。氧化铝是适于本发明各种研磨表面及工作面的合适的磨料材料。
图9A-B表示本发明的工作面研磨过程的处理步骤。图9A表示初始显微条件。工作面132的不规则部分(处于工件131上)朝向研磨工具134，并由不规则的距离所分割。研磨颗粒136部分沉于研磨工具134内，少量处于工作面132内。工作面及研磨工具按箭头138方向来运动。该运动的瞬间幅度为V。
图9B表示已进行了某种程度的研磨，因而工作面132变得不太规则。表面之间的相对运动的结果是，研磨颗粒，比如研磨颗粒139，变得较为圆整，在相对表面的摩擦中，已失去了某些棱角。
在一开始，研磨颗粒136透入工作面132内，在其上磨去部分材料，接下来，研磨颗粒变得较为圆整，从被处理部分上不再磨下大量的碎屑。研磨运动影响工件131的工作面132的塑性变形，以致于使得工作面132的微型硬度得到改善。工作面132上的硬化层具有相对润滑剂的排拒性性能。
图9C(i)-(iii)表示在研磨过程中被处理的工作面及本发明系统。图9C(i)中，工件131的工作面132朝向研磨工具134的接触面135。研磨膏内含有研磨颗粒，其中，典型的研磨颗粒136处于工作面132与接触面135之间。在传统的研磨技术中，研磨工具134的接触面135的材料相对工作面132具有较大的耐磨性及较低的硬度。在选择研磨颗粒的成分及大小分布时，应能易于磨削工作面132，从而将表面粗糙度降至预定的粗糙度。
在表面132与135之间垂直施加负荷，使研磨颗粒136透入工作面132及接触面135内，从而使压力P作用到内置于工作面132中的研磨颗粒136部分上。研磨颗粒136进入工作面132的透入深度由ha2来表示；研磨颗粒136进入接触面135的透入深度由hb2来表示。研磨颗粒136透入研磨工具134内的深度远大于透入工件131内的深度，即hb2＞＞ha2。由于本发明的接触面135的变形弹性特性，研磨颗粒136进入接触面135的透入深度远大于现有技术中同一研磨颗粒进入接触面的透入深度(在同一压力P下)，即，
                  hb2＞hb1，
其中，hb1如图1C(i)所示。研磨颗粒136进入工作面132的透入深度ha2远小于现有技术中的相应的透入深度ha1，即，
                 ha2＜ha1。
图9C(ii)中，工件131及研磨工具134以相对速度V来移动。工件131及研磨工具134的压力P及相对速度V的大小为：研磨颗粒136起着刀片作用，从工件131上磨削表面材料。该碎屑远小于传统的研磨技术中的碎屑。
图9C(ii)-(iii)中，相对速度V的选择原则是：相应的剪切力Q相对压力P足够大，合力向量F在研磨颗粒136上的方向使研磨颗粒136转动。在该转动中，研磨工具134及接触面135的弹性率小于传统技术中研磨颗粒136的内应力，从而使研磨颗粒136不破碎，而使表面边棱变得较为圆整。图9C(iii)表示这种理想的圆整现象。
本发明的工作面的内在微型结构会影响表面的各种宏观性能。根据理论得知，本发明的研磨系统会影响工作面的塑性变形，从而改善工作面的微型结构。
微型结构得到改善的一个证明是微型硬度得到大大改善。微型结构得到改善的另一个证明是本发明的表面特性湿润性能，如图10B-1及图10B-2所示。图10A-1及图10A-2表示基准表面的特性湿润性能。
基准表面试样及本发明的表面试样采用退火SAE 4340钢(HRC＝54)。在各试样的整个表面上滴下一滴C22油，从而100％覆盖或湿润。湿润区是时间的函数。图10A-1表示油滴分布5秒后的基准工作面，图10A1-2表示油滴分布60秒后的工作面。基准表面试样被油层完全覆盖，并在整个试验期间保持覆盖(24小时)。
图10B-1及图10B-2是最初覆盖油的本发明的工作面的湿润图，其中图10B-1表示油滴分布5秒后的本发明的工作面，图10B1-2表示油滴分布60秒后的同一工作表面。与基准试样明显不同，湿润区在数秒后迅速减小。
特征无量纲湿润系数表示为：
其中，A(t)表示工作面的标准湿润区，它是时间的函数，A0表示工作面的标准表面区，在t＝0时，从1开始降低，5秒后降至0.85左右。在1分钟后，特征无量纲湿润系数降至0.25以下。如上所述，本发明的工作面的液体排拒质量与摩擦及磨损的下降有关，从而可减小卡滞危险，延长机械机构的该表面的工作寿命。
研磨工具的接触面的机械标准
已发现在研磨工具上涂覆薄层(比如，0.05-0.4mm)弹性层后，会提高工作面的微型硬度及润滑剂排拒性。该层面的机械标准包括：
1.在研磨过程中采用研磨膏后的耐磨损性；
2.各研磨颗粒进入层面后的弹性变形；当各研磨颗粒与工作面接触从而发生转动时，根据施加于颗粒与工作面之间的各压力，弹性变形可使层面透入一定深度。研磨颗粒相对工作面发生转动，并变得较圆，而不是破碎(成为细粉末)。
3.在选择层面硬度时，层面不应破碎或碾磨磨料粉末；
4.使层面与研磨工具基座强固粘接。
如示例所示，环氧树脂胶与聚氨酯的混合重量比从10∶90至30∶70，这一范围适合于研磨工具接触面的形成。在环氧树脂胶/聚氨酯混合物中，环氧树脂为研磨工具基底提供硬度及粘度，其中，聚氨酯可提供所需的弹性及耐磨性。
本发明的接触面(研磨表面)应具有下列物理性能及机械性能：
●布氏硬度为2-10kg/mm2；
●耐冲击性为30-70kg·m/cm2；
●足以与研磨工具基底相粘接，适用于研磨工具基底。
最好能由业内人士开发各种材料或材料组合，从而满足所需的物理及机械性能。
在本发明的另一实施方式中，塑性覆层被施加到工作面上，从而取代表层区的机械处理。工作面被覆盖一层塑性覆层，其具有前述的机械性能。工作面的覆盖过程包括：首先，对工作面覆盖一层预定的覆层。本发明实施方式中工作面的主要处理步骤如下述图11A-C所示。图11A中，工作面由150来表示。图11B中，塑料覆层152处于工作面150上。在覆盖覆层152之后，除去部分覆层152，如示例所示，对工作面150及覆层152进行微型刻沟处理，如图11C所示。微型沟槽或凹槽154透入塑料覆层152内，并进入工作面150内。在该示例中，脊部153的表面由塑料覆层152来构成，从而形成表层区，其中，凹槽154形成凹槽区。凹槽区与表层区相比，可吸附更多的润滑剂。
在本发明的另一实施方式中，工作面被实施碾磨处理。然后在表面上施加一层配有孔眼的润滑剂排拒带。图12表示该处理结果。在工作面160上覆有塑性孔眼层162，其中，该孔眼164在覆盖之前钻孔。
形成凹槽区
为了形成凹槽区，工作面是一种微型结构，从而可获得多个凹槽。在该过程中可采用各种已知方法，包括机械切割，激光雕刻及化学蚀刻。M.Levitin及B.Shamshidov在“圆盘润滑平坦磨损试验”，摩擦试验杂志4-2，1997年12月，(4)，159一文中，提出了规则的微观机械部分的形成方法，以下参照其内容。
                                  示例
参照下列示例及上述说明，来陈述非限制性方式。
                                  示例1
图13表示一种下列试验方式。可换性碳钢盘的直径为30mm，圆盘186可围绕轴线来转动，其相对对立平板192来转动，用于测量磨损。该圆盘的材料是碳钢1045，其硬度为HRC27-30。由电机或齿轮190来提供转矩。对立板192的材料是铜合金(UNS C93700(HRC＝22-24))，平均粗糙度(Ra)为0.4微米。对立板192配有一个支撑194，其高度可调，用于控制施加到圆盘186上的力。
在本发明中，控制盘具有传统的碾磨面(Ra＝0.4微米)，该试验盘还刻有圆盘微型沟槽面196，然后进行研磨。在试验中，在对立板192的方向上，将永久负荷100N施加到圆盘上。在启动电机前，将一滴美国石油公司(Amoco)工业油32(相当于ASTM 150透平油)滴到干燥的摩擦表面上，从而达到恒定的转速250转/分(rpm)。此外还测量了卡滞时间，该时间是从转动开始至因卡滞而停止转动的累积时间。
在16-18分钟之后，所有的控制圆盘均卡滞。通过对比可看出，进行了微型沟及研磨处理的本发明圆盘，可以在40小时试验时间内连续运转而不停止。经过处理的圆盘未发生卡滞现象。
根据本发明，在另一试验中，圆盘的转速为180转/分(rpm)。对一组控拆圆盘进行了碾磨。对第二组圆盘进行微型刻沟。对第三组圆盘进行微型刻沟及研磨。一滴试验的结果如表1所示。其中计算了圆盘在卡滞前的路径、摩擦系数及磨损强度(测量因圆盘摩擦而在对立板上形成的凹坑)。
                表1：圆盘相对对立板表面的滚动结果
圆盘表面处理   所计算的圆盘在卡滞前的路径(Km) 摩擦系数   磨损强度(mm3/Km)
  碾磨   1.5   0.1-0.2   0.2
  碾磨+微型刻沟   8.7   0.08-0.12   0.02
  碾磨+微型刻沟+研磨 至少29.7 0.03-0.04 0.001
本发明的包含了各种机械机构所产生的摩擦力的工作面，能够减小摩擦及磨损，卡滞危险，延长机构的工作寿命。通过钻孔，使工作面的质量得到改善，功耗可降低30％。
在内燃机中，本发明的工作面及本发明的系统采用120mm汽缸套柴油机以及108mm直径的摩托车发动机。试验结果表明，在一定的性能下，如果采用具有本发明的工作面的缸套，则与传统的缸套相比，可以降低燃油消耗。此外，如果采用具有本发明的工作面的缸套，则可延长使用寿命，并可降低油耗。
在本说明书及权利要求中，术语“液体吸附区”，系指下列工作面区域：即，在油初次滴到工作面上之后60分钟内，特征无量纲湿润系数大于0.95，典型情况下大于0.98。
在本说明书及权利要求中，术语“特征无量纲湿润系数”定义为：
A ( t ) A 0
其中A(t)是正常的工作面湿润区对时间的函数，A0是工作面的正常表面面积，其中，用于确定A(t)的液体是No.22工业油。
在本说明书及权利要求中，术语“No.22工业油”、“C22工业油”等，系指标准的工业油，其用于机械用作，在40℃温度下的粘度为22厘沲(centistokes)。
在本说明书及权利要求中，术语工作面的“正常表面面积”，系指基于地球物理尺度的表面面积，并非指微型结构。因此，4cm×4cm工作面的正常表面面积便为16cm2。
                                  示例2
采用堵转摩擦试验机上的辊子来评估本发明的辊子的摩擦性能，在“一滴试验”中。试验装置如前述图14所示。转动辊2在一定的负荷P下与固定块3相接触，并在接触面上施加少量的润滑剂(一滴)。采用力转换器4来测量摩擦力F，并采用接近探头9来测量各种间隙，由此来提供辊子2与块体3的全部磨损。摩擦及磨损被作为时间函数来连续监测并记录。当发生下列三种事件之一时，便停止试验：(a)摩擦系数＝F/P达到0.3；(b)在辊子与块体之间发生卡滞(其特征在于，摩擦力突然且急剧地增加，同时伴随噪声增大)，(c)摩擦力达到最大值，然后开始降低。试验持续时间为从试验开始至因下列事件而结束试验这一时间：上述(a)或(b)，或者在(c)情况下达到对应于最大摩擦力的时间。在场合(c)下，在完全停止之前，试验持续20分钟并超过“试验持续时间”。在进行任何新的试验时，从支座6上水平取下块体3，从而从新接触。
对6个钢辊试样中的每一个，进行上述试验，并采用青铜块作为对立面。辊子#1及辊子#6是基准辊子，如下列表2所示。根据本发明，在辊子#2-5上设置组合式微型凹凸面，并配用各种沟槽图形及沟槽面积。采用室温下的SAE 40油来作为润滑剂。在辊子2上滴落一滴油，使其与青铜块3进行轻载接触(18N负荷)，并转动(手动)二周，从而使油在整个周面上扩散。用干净的纸巾擦去转移到块体上的多余油量，从而只使辊子得到润滑。当负荷增加到P＝150N后，开始试验，其辊子速度为105±5转/分(rpm)。
表2表示各辊子的试验持续时间，单位是分钟，并表示停止试验的各原因。图15表示各辊子停止时的摩擦系数。
基准辊子#1在6分钟这一极短的时间后停止，其摩擦系数＝0.23。辊子#6的摩擦力持续增加，在21分钟后停止试验，摩擦系数＝0.3，并开始卡滞。根据本发明(辊子#2至#5)，所有被处理的辊子的摩擦力增加到某个最大值，然后摩擦力下降。这4个辊子中的最大摩擦系数大于0.18。辊子#5的摩擦系数为0.11，在六个辊子中是最低的摩擦系数。
摩擦系数(μ)及磨损(h)是摩擦长度(L)的函数，如图16所示。
                                        表2
辊子#   1(基准) 2 3 4 5   6(基准)
辊子材料   SAE4340钢   SAE4340钢   SAE 4340钢   SAE4340钢   SAE4340钢   SAE4340钢
  辊子特性   地表面   本发明的   本发明的   本发明的   本发明的   无凸棱的
热处理 Ra≈0.2μHRC 52-54   CMRRa≈0.2uHRC 52-54   CMRRa≈0.2μHRC 52-54   CMRRa≈0.2μHRC 52-54   CMRRa≈0.2μHRC 52-54   规则微型凹凸面Ra≈0.2uHRC 52-54
  测试持续时间(分钟) 6 52 53 25 37 21
  停止事件   B   C   C   C   C   A&B
尽管在上述结合具体的实施方式，说明了本发明，但业内人士可进行各种改动及改进。因此，包括本权利要求范围内的各种改动、改进及变动。本说明中引用了所提到的各出版物，这些出版物在此作为参照。此外，本申请中的任何引用或参照不应被解释为是本发明的现有技术。

Claims (28)

1.一种机械机构，包括：
(a)一个工件，其有一个与液体相接触的第一工作面，前述工作面至少有一个液体排拒区，
所述的液体排拒区用于与液体进行交互作用，
所述的液体排拒区的特征无量纲湿润系数小于0.95。
2.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，前述液体排拒区的所述的特征无量纲湿润系数小于0.8。
3.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，前述液体排拒区的所述的特征无量纲湿润系数小于0.6。
4.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，前述液体排拒区的所述的特征无量纲湿润系数小于0.3。
5.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，前述液体排拒区的所述的特征无量纲湿润系数小于0.2。
6.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，前述液体排拒区的所述的特征无量纲湿润系数小于0.1。
7.根据权利要求1所述的机械机构，其还包括：
(b)第二表面，其一般处于所述的金属工作面的对面，和
(c)液体，其处于所述的第一工作面与所述的第二表面之间，
其特征在于，至少一个所述的金属工作面及所述的第二表面用于承载负荷。
8.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的液体是润滑剂。
9.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的金属工作面包括一个钢工作面。
10.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的金属工作面至少包括一个润滑剂吸附区，其处于所述的润滑剂排拒区之间。
11.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的金属工作面至少包括一个凹槽，其处于所述的润滑剂排拒区之内。
12.根据权利要求11所述的机械机构，其特征在于，所述的至少一个凹槽包括多个沟槽，其最大深度为5-30微米，其宽度为100-1000微米。
13.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的液体排拒区的表面能低于所述的液体的表面张力。
14.根据权利要求1所述的机械机构，其特征在于，所述的第二表面包括至少一个润滑剂吸附区。
15.一种机械机构，包括：
(a)一个相对工作面移动的接触面，
所述的接触面提供相对多个研磨颗粒的至少部分弹性交互作用，
所述的研磨颗粒处于所述的接触面与所述的工作面之间，
所述的接触面的布氏硬度处于2-10kg/mm2之内，
所述的接触面的耐冲击性处于30-70kg·m/cm2之内。
16.根据权利要求15所述的机械机构，其还包括：
(b)所述的工作面，其一般处于所述的接触面的对面，和
(c)所述的研磨颗粒，其处于所述的接触面与所述的工作面之间。
17.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的布氏硬度处于2-7kg/mm2之内。
18.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的布氏硬度处于2.5-5kg/mm2之内。
19.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的布氏硬度处于3.0-4.5kg/mm2之内。
20.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的耐冲击性处于40-60kgm/cm2之内。
21.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的耐冲击性处于45-55kgm/cm2之内。
22.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的布氏硬度处于2.5-5kg/mm2之内，而且，所述的耐冲击性处于40-60kg·m/cm2之内。
23.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的接触面处于研磨工具之上。
24.根据权利要求16所述的机械机构，其特征在于，所述的研磨颗粒包括氧化铝颗粒。
25.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的接触面的成分包括聚氨酯。
26.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的接触面的成分包括环氧树脂材料。
27.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的接触面的成分包括聚氨酯及环氧树脂材料。
28.根据权利要求15所述的机械机构，其特征在于，所述的接触面的成分包括聚氨酯及环氧树脂材料，其重量比为90∶10至70∶30。
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