Page 16 - 《摩擦学学报》2020年第6期

第 6 期 高贵, 等: 表面织构对PTFE复合材料摩擦磨损行为的影响 699

描电子显微镜450FEG分析试样磨损表面形貌. 试验 z/μm
33
前后试样表面用丙酮超声清洗并烘干，用分析天平 1 000 28
23
−4
(精度为10 g)称重并记录. 摩擦系数由试验机软件直 y/μm 500 19
接采集，体积磨损率由公式(1)计算： 0 14
9
0 500 x/μm 1 000 1 500 4
∆m 0
K = (1)
ρNL Contact Contact Contact
area area area
式中：Δm为试验前后的试样质量变化，g；ρ为试样密
3
度，g/mm ；N为法向载荷，N；L为总滑动行程，m.

Load

Sliding direction (0°) Sliding direction (45°) Sliding direction (90°)

Fig. 3 Schematic diagram of friction and wear test scheme
Holder 图 3 摩擦磨损试验方案示意图
PTFE composite
materials 回归系数；k为设计变量个数.
Counterpart (Pin)
(Steel plate) 2 结果与讨论
Sliding direction
2.1 模型建立与显著性分析
BBD试验设计及结果列于表2中. 采用Design-
Fig. 2 The schematic diagram of reciprocating friction pair Expert 10 软件根据式(2)对试验数据进行二次回归分
图 2 往复摩擦副原理图 析，分别获得摩擦系数和体积磨损率的非线性二次回

归模型，如式(3~4)所示. 对该模型进行方差分析和显
1.3 试验设计
著性检验，结果见表3和表4. 方差分析结果中的F值表
采用响应面法设计试验方案，运用Design-Expert
明因素的显著性与模型的可靠性，P值为结果可信程
10软件根据BBD的中心组合试验设计原理，选择对摩
度的递减指标，表明原假设被拒绝的概率，F值与P值
擦系数和体积磨损率具有显著影响的3个因素：对偶
[22]
之间以一定的统计学原理相关联 . F值越大、P值越
表面织构槽宽(X )、织构槽间距(X )和摩擦角度(X )进 2
3
1
2
行三因素三水平的响应面分析，以摩擦系数(Y )和体 小表示二次回归模型越可靠，R 值越大表示模型的拟
1
[23]
合度越高 .
积磨损率(Y )为响应变量. 各试验因素水平均列于
2
−4
−4
表1中，三水平编码规定为−1、0、+1，分别对应低值、中 Y 1 =0.20875−2.3875×10 X 1 −1.5875×10 X 2 +
−7
−4
6.0×10 X 3 −1.5010 X 1 X 2 −1.16667×
间值和高值，沟槽深度均为20 μm，具体试验方案如 −6 −7
10 X 1 X 3 +2.77778×10 X 2 X 3 +5.25×
图3所示. −7 2 −7 2 −6 2
10 X 1 +3.25×10 X 2 −4.19753×10 X 3 (3)

表 1 Box-Benhnken试验设计的因素与水平 Y 2 = −22.59475+0.06389X 1 +0.13242X 2 −0.0367X 3 +
−4
−5
7.175×10 X 1 X 2 +1.75556×10 X 1 X 3 +
Table 1 Factors and the levels of experiment of BBD
−4 −4 2
1.27778×10 X 2 X 3 −1.48925×10 X 1 −
Levels
Factors −4 2 −4 2 (4)
−1 0 1 2.70925×10 X 2 −2.4037×10 X 3
Groove width, X 1 /μm 200 300 400 对摩擦系数模型(Y )方差分析(见表3)发现，模型
1
Groove spacing, X 2 /μm 200 300 400
的F值为3.76，对应的P值为0.047 4，小于0.05，具有统
Friction angle, X 3 /(°) 0 45 90
计学意义，表示摩擦系数的二次回归模型显著. 其中，
2 2
1
1 3
试验结果采用二次回归模型进行拟合 [21] ，如公 二 次 项 X (P=0.042 0)和 X (P=0.005 1)， 交 互 项 X X
3
(P=0.046 1)对摩擦系数影响显著；失拟项(P=0.199 9)，
式(2)：
2
对摩擦系数影响不显著；校正确定系数R =0.828 5(>0.8)，
k
k ∑ k ∑
∑∑
2
Y i = b 0 + b i x i + b ii x + b ij x i x j (2) 表明该模型的预测值与试验值之间的相关性为82.85%，
i
i=1 i=1 i<j 模型拟合度较高(见图4)，可对影响摩擦系数的表面织
式中：Y 为响应值；x 、x 为设计变量；b 为常数；b 、b 为 构参数进行准确地分析和预测.
0
ii
ij
i
i
j