激光工艺参数对改善编织摩擦材料性能的研究 7页

激光工艺参数对改善编织摩擦材料性能的研究970?激光工艺参数对改善编织摩擦材料性能的研究谢志平，权变利(1•贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳550001;2.贵州大学材料与冶金学院，贵1,1贵阳550003)摘要:利用激光扫描编织摩擦材料能明显提高其摩擦｝生能.采用正交试验设计的方法优化激光工艺参数，以激光电流，扫描速度，离焦量和扫描轨迹为试验因素•试验结果表明,影响编织摩擦材料的摩擦性能最主要因素是温度，激光扫描编织摩擦材料的最佳试验参数:激光电流为13.5A,扫描速度为700mm/min,离焦量为2mm,扫描轨迹是间距为O.Snlrn的矩形波.揭示了激光扫描后编织摩擦材料热衰退机理.关键词:编织摩擦材料激光正交设计热衰退中图分类号:Till17文献标识码:A文章编号:11302—6886(2o10)02—0Cr7O一03StudyonthePerfornmnceofWeaveFrictionMaterialsbyLaserProcessingParametersXIEZhiping,QUANBianliAbstract:Wovenfrictionmaterialsusinglaserscanningcanimprovethefrictionalperformanceevidently.Theoptimizationoflaserpro—cessingparametersbythewayoforthogonaldesign,andlasercurrent5scanspeed,distancefromthefocusandscanorbitwerethetrialfacto匚Theresultshowedthattheprincipalfactorsweretemperatureontheperfon〜nceofweavematerials,meanwhile,theoptimumtechnologicalconditionsoflaserscanningwovenfrictionmaterialswerethatlaserelectriccurrentwasl3.5 A.scanspeedwas700ram/min,distancefromthefocus2mm.scanorbitwas0.5,am,rectangularwave.Revealsthehotdeclinemechanismofwovenfrictionmaterialsafterlaserscanning.Keywords:weavefrictionmaterial;laser;orthogonaldesign;thermaldecay0引言摩擦材料是以酚醛树脂为基体复合各种有机纤维和无机纤维而制作的.II前对摩擦材料的研究，主要是采用改性基体树脂來提高摩擦材料的性能•研究发现树脂改性后摩擦性能的提高只是在摩擦材料运行一段时间后才会显现，而在摩擦的早期其『牛能的提高并不明显,不稳定•高速，高效设备的应用对摩擦材料的早期性能提出了更高的要求.从使用的安全和可靠性来看，应该尽快越过性能不稳定的早期阶段•研究表明，采用激光扫描编织摩擦材料能促进树脂进一步固化，能明显提高编织摩擦材料的热衰退临界温度，摩擦系数和抗热衰退能力,缩短摩擦材料性能不稳定的早期阶段.本文着重研究了激光工艺参数对编织摩擦材料的性能影响，以激光电流，扫描速度,离焦量和扫描轨迹为试验因素，设计了四因素三水平的正交试验设计•通过对试验的分析比较，得岀了较好的激光参数,对用激光处理改善摩擦材料的早期性能的应用进行了有益的探索.1试验部分1.1试验样品的制备1)摩擦材料样品的制备详见文献[3].作者简介:谢志平(1980—)，男，汉族，讲师，硕士研究生，从事摩擦学研究.收稿日期〜2009—12—192)将摩擦材料样品切割，打磨制成25innlX251nlnX7Him的摩擦试样.用激光照射扫描摩擦试样.1.2正交试验设计考虑到激光诸多因素对编织摩擦材料性能的影响，本文在预试验的基础上选定四个因素，每种因素选择了三个水平(见表1),按(3)进行正交试验设计.1.3测试与分析条件(1)实验与检测设备 武汉楚天工业激光有限公司牛产的JRL一1GY一500A连续激光器;咸阳新益摩擦密封材料设备研究所生产的XDMSM定速式摩擦试验机.摩擦试样表面成份分析在口本岛津EPM1600电子探针上进行.表1正交试验设计因数水平表(1)实验标准摩擦磨损实验标准:采用xD-MsM型定速式摩擦试验机，分别测试试片在100°C,150,200°C,250°C,300°C时的9■71?摩擦系数和磨损率屈盘转速n=400r/min〜500r/min,试片压力p=0.98MPa,旋转5000圈.2结果与分析2.1正交试验结果及极差分析编织摩擦材料盼能用摩擦系数和磨损率()作为评价指标,而摩擦系数评价指标:一个是样品在不同温度下的平均值，另一个是表征其离散程度的值s().厂—■一丁一)(1)()：(2)式中:表示样品不同温度下的摩擦系数值，表示摩擦系数均值,n表示个数,,〃s(肛)表示摩擦系数标准偏差,()相对标准偏差.表2Lq(3)正交试验结果激光电流扫描速度离焦量扫描轨迹一，,,X10I7J于号（A）（i•瑚n）C（n瑚）D,f cm/N.m正交试验结果见表2,由此可见：1）对摩擦系数的均值而言，摩擦系数越大越好，各因素影响大小顺序为:>尺>R.>R,最佳组合方案为cD,,即激光电流为13.5A,扫描速度为700nmCmin,离焦量为2H1IT1,激光扫描轨迹是间距为0.51砌的矩形波；2）s（）是表征摩擦系数离散程度的值,s（）值越小越好,表明摩擦系数越稳定，齐因素影响大小顺序为:>R>R>尺最佳组合方案为AB,cD;3）对磨损率而言，磨损率越小越好，各因素影响大小顺序为:R.>>R・>R,最佳组合方案为Ac,D.2.2试验结果的方差分析结合极差尺和偏差平方和的判研，认为口因素（扫描速度）,c因素（离焦量）和D因素（激光扫描轨迹）对样品的摩擦1生能的影响比较小，故将它们归为系统误差中.由方差表3,表4和表5可知，激光电流对摩擦系数的均值和s（）影响显着，而各因素对磨损率影响不显着.和对摩擦系数的均值和磨损率V,（）可作为参考指标，因此得出最佳组合方案为AjBcD,此结果与极差分析基本一致.表3方差分析表2.3激光扫描后编织摩擦材料热衰退机理因此,编织摩擦材料要获得良好的性能，可选取最佳激光工艺参数:激光电流为13.5A,扫描速蕃度为700mm/rnin,离焦量为2m,激光扫描轨迹是间距为0.5nml的矩从图1看到，激光扫图2描过的样品的摩擦系数在温度/°C磨损率随温度变化的曲线屮国机械采购网.婚簿彝 蜕銅钾瑚跚III掰mm档犍2,22㈣)\LLn〜.mi2,2.22,.:2朋坡LLln.LLLLLO222,,,拍聊猫a,460RK疋K972?很大温度范围内保持稳定,温升至200°c才开始衰减,而未经过激光扫描的样品在150°C就开始衰减，激光扫描过的样品抗衰退温度提高了近50•从图2也可以清晰看出,激光扫描过的样品的磨损率稍微比未扫描的样品低些.但lOOoC时激光扫描过的样品的磨损率高于未扫描的样品，因为激光扫描过的样品表面瞬间高温发生碳化.由此可以看出:通过激光扫描编织摩擦材料可以提高其热衰退临界温度和摩擦系数，但对磨损率的影响不是很大.摩擦材料运行中的表层描述为由表至里的四层结构:残碳层，裂纹分布层，变形强化层和基体，树脂在高温时会发生热分散或热降解反应生成苯，甲苯，甲醛,cH4,CO,CO,以及焦油和固态的残碳.图3中可以看出摩擦运行后的表面成分中C/O比显着增加，表明碳化较严重，该结论与文献［5］中存在残碳层的结论是一致的. a)摩擦前表面成分(h)摩擦后表面成分图3编织摩擦材料摩擦前后表面成分变化摩擦材料的固化温度一般不超过180oC,其中必然存在些未充分I古I化的树脂,未充分I古I化的树脂在相应的温度下会继续固化.如果使用较高的温度和较长的时间固化，可使早期性能得到改善，但会导致摩擦材料的柔韧1生下降，其至脆化，而且设备占有时间也较长•利用激光对摩擦片按一定图案进行扫描，可使未充分固化的树脂快速固化，就形成了在图案轨迹上为坚硕的骨架,而未扫描的仍为柔软材质的表层.在早期的摩擦过程屮，由于存在一定厚度的坚硬层，表层的树脂受热分解被抑制，磨损减缓，从而保证了摩擦材料在摩擦热的作用下有足够的时间形成稳定的四层结构•因此在一定温度范围里摩擦在较坚固的裂纹分布层与残碳层附近表面进行，故摩擦系数能保持稳定•图4所示，黑色区域是碳化层，灰色部分是变形层•当温度进步升高时，树脂剧烈分解，碳化，磨损加剧.3结论图4摩擦运行后的形貌扫描电镜图1)通过正交试验设计研究了激光扫描编织摩擦材料的最佳激光试验参数:激光电流为13.5A,扫描速度为700mrn/min,离焦量为2mln,激光扫描轨迹是间距为0.5him的矩形波.2)温度对编织摩擦材料的摩擦系数的均值和8()影响显着，对磨损率影响不显着.3)激光扫描编织摩擦材料能明显提高摩擦材料的热衰退临界温度和摩擦系数，提高摩擦材料抗热衰退能力,降低磨损率. 参考文献[1]Rymucaz.EnergyConceptoftheCoefficientofFriction[J].Wear,1996,(199):187—196[2]周元康，疏达，李屹等.双重改性树脂改善编织摩擦材料性能的研究[J]•非金属矿,2o06,29(4):60-62,66[3]黄勤,谢志平，周元康等.激光处理改善编织摩擦材料早期性能的研究[J]•现代机械,2007,(1):51.52,73[4]吴培熙•摩擦材料用树脂性能评述[J]・塑料科技,1999,133(5):27・31[5]盛刚,马保吉•制动摩擦材料研究的现状与发展[J]•西安工业学院学报,2000,20(5):131—130⑹李屹，周元康,姚进等.用于摩擦材料的硼一桐油改性酚醛树脂性能的研究[J]•润滑与密封,2006,173(1):86-87,90辛?幸?争?夺?夺?夺?争?夺?夺■一？寺?夺?夺?夺?幸?夺?牵?夺?夺?夺■夺■夺?寺?夺?+?幸?夺?夺?牛?夺?争?争?串?夺?辛?夺?一？宁?寺?一?寺?夺?夺？々？夺?寺？（上接第58页）加快了变电站系统的设计及建设速度,具有良好的经济效益.2007.6[3]张炳达，张瀑.虚拟现实开发平台在变电站仿真系统中的应用•高电参考文献[1]刘扬,向俊杰，付涛.探讨基于虚拟现实技术的变电站三维仿真技术•广西电力.2008.3[2]潘海鹏.快速成型制造屮分层处理技术的研究.博士学位论文.压技术.2008.2[4]杨磊，刘浩，杜忠友等•数字城市中大楼的计算机三维重建技术.山东建筑工程学院,2004.6[5]张照彦，段新会，王兴武等.虚拟现实在变电站仿真中的应用.计算机仿真,2008.2