Page 19 - 《摩擦学学报》2020年第6期

702 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

表 5 摩擦系数典型分析结果(特征向量) 磨损率随着摩擦角度的增大呈增大趋势，摩擦角度为
Table 5 Canonical analysis(Eigenvectors) of friction
0°时体积磨损率较小，而摩擦角度为90°，槽宽为300 μm
coefficient
左右时体积磨损率最大. 由图7(c)可以发现，体积磨损
Eigenvalues X 1 X 2 X 3
0.005 999 0.937 216 −0.297 192 −0.182 492 率随着槽间距的增大先增大后减小，随着摩擦角度的
0.003 004 0.299 312 0.954 013 −0.016 467
增大逐渐增大，与图7(b)所示变化规律相似.
−0.009 003 0.178 993 −0.039 189 0.983 070
由体积磨损率典型分析结果(见表6)可以看出，

2.2.2 织构参数对体积磨损率的影响 3个因素的特征值(均为负)表明此二次响应面是山丘
图7所示为PTFE复合材料体积磨损率与织构参数 形曲面，有极大值存在. 为了确定最大值点的取值，对
的3D响应曲面. 从图7(a)可见，复合材料的体积磨损 二次回归方程求一阶偏导并令其等于零，求解方程组
率与摩擦系数呈相反的变化趋势，存在极大值点，当 可得3个因素的值以及其对应的体积磨损率的极大值.
槽宽和间距在300 μm左右时，复合材料的体积磨损率 即在沟槽宽度为331.1 μm、沟槽间距为307.6 μm、摩擦
最大. 如图7(b)所示，体积磨损率随着槽宽的增大先增 角度为87.6°时，由二次回归方程预测得体积磨损率为
大后减小，槽宽300 μm左右时，体积磨损率最大；体积 8.11×10 mm /(Nm).
3
−5

Design points above predicted value Design points above predicted value Design points above predicted value
Design points below predicted value 10 Design points below predicted value 10 Design points below predicted value
Y 2 /(Volume wear rate) [×10 −5 mm 3 /(Nm)] 8 6 4 2 Y 2 /(Volume wear rate) [×10 −5 mm 3 /(Nm)] 8 6 4 2 Y 2 /(Volume wear rate) [×10 −5 mm 3 /(Nm)] 8 6 4 2
10

0

400 0 400 0
400 350 80 400
X 1 /(Groove width/μm)
350 300 60 350 80 60 350
X 1 /(Groove width/μm)
300 40 300 40 300
250 250 20 250 20 250
200 200 X 3 /(Angle/°) 0 200 X 3 /(Angle/°) 0 200 X 2 /(Spacing/μm)
X 2 /(Spacing/μm)
(a) (b) (c)
Fig. 7 3D response surfaces of volume wear rate of PTFE composites and texture parameters
图 7 PTFE复合材料体积磨损率与织构参数的3D响应面

表 6 体积磨损率典型分析结果(特征向量) 2.3 摩擦磨损机理分析
Table 6 Canonical analysis(Eigenvectors) of
图9所示为对偶表面磨损后形貌的SEM照片，图
volume wear rate
片右上方为磨痕边缘形貌(包含了原始表面和磨痕表
Eigenvalues X 1 X 2 X 3
−0.286 147 0.350 960 0.161 400 0.922 376 面)，白色箭头为试样的滑动方向. 图9(a)所示为光滑
−1.578 401 0.905 795 0.191 225 −0.378 112
0.30 12
−2.820 703 −0.237 409 0.968 185 −0.079 083 (I) Non-textured surface
(II) Textured surface with the lowest friction coefficient
0.25 (III) Textured surface with the highest volume wear rate 10
2.2.3 预测结果与试验结果对比 0.20 0.184 Predicted value 8.11 8.61 8
BBD预测结果与试验结果对比如图8所示，与无 0.151 0.165
织构表面相比表面织构降低了PTFE复合材料的摩擦 Friction coefficient 0.15 0.147 6 Volume wear rate/[10 −5 mm 3 /(Nm)]
系数，增大了体积磨损率. 响应面法预测的具有最小摩 0.10 2.58 3.44 4
−5
3
擦系数(0.147)和最大体积磨损率[8.11×10 mm /(Nm)] 0.05 2
的织构表面，其摩擦系数和体积磨损率的试验值分别
0.00 0
−5
3
为0.151和8.61×10 mm /(Nm)，分别比预测值增大了 (I) (II) (III)
Counterpart surface
2.7%和5.8%. 由此可见，基于BBD建立的二次回归模
Fig. 8 The comparison of BBD predicted results with the
型能够较为准确地反应出表面织构对PTFE复合材料 experimental results
摩擦磨损性能的影响. 图 8 BBD预测的结果与试验结果对比