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摩擦力是指两个接触表面之间产生的阻碍其相对运动的力,摩擦力的方向一定是和运动的方向相反的。肉眼看上去很光滑的固体表面,只要放大到一定的倍数,就会发现它们的表面是相当粗糙的,当两接触表面间有相对运动的趋势时,由于摩擦力的作用,两表面纹理间的剐蹭是不可避免的,这就是表面磨损的产生机制。因此,要采取一定的措施来保护互相接触、并有相对运动的机械零部件,这对于提高产品产量、生产效率和设备可靠性,以及维护环境来说都是非常重要的。
当两接触零部件由静止状态转换为相对运动状态时,摩擦力也由两者表面之间的静摩擦转换为动摩擦。
由于轴在转动时,会把润滑油带到轴孔的接触区域,这样可以有效减少面与面间的剐蹭作用,摩擦力会相应降低。随着轴的转速不断增加,两接触表面间的润滑油薄膜的完整性和厚度也会不断增加,进而摩擦力也会更低。当润滑油膜将轴和孔完全分离开时,此时摩擦力最小。但是,如果转速继续增大并超过一定的临界点后,润滑油膜的厚度反而会对轴的运动产生一定的粘性阻力,摩擦力反而会变大。
润滑方式
在种类众多的润滑机制中,有三种主要的润滑类型需要在这里做逐一说明:
◆边界润滑:在这种润滑机制下,摩擦力的大小完全取决于接触表面的特性,而与润滑油的性质无关。
◆混合润滑:在这种润滑机制下,摩擦力的大小由润滑油和接触表面的特性共同决定,两者的影响程度多少取决于相对运动的速度。
◆液体动力润滑:在这种润滑机制下,摩擦力的大小完全取决于润滑油的粘度,而与接触表面的特性无关。
在很多应用场合中,减小摩擦力并不是润滑的唯一目标。对于机床导轨的润滑而言,减小摩擦力还不够。要让滑块在导轨上运行地更流畅更精准,需要认真考量润滑油的摩擦性能。摩擦控制的缺失,会造成滑块位置不精准,进而导致切削效率降低,最终使机床无法达到预期的产能。
导轨,有时也称作直线轴承,也遵循上述润滑机理。不同之处仅仅在于两接触表面为平面而非圆柱面,相对运动为直线运动而非转动。理论上,可以将这种平面接触形式的轴承设计成在液体动力润滑机制下运行,当滑块到达导轨终端时,机械力会迫使它停下来,然后开始沿导轨的相反方向运动。但是,事实上滑块通常会以阶梯变速方式运行,同时,滑块在导轨上的运动极易受到一种称为“粘滑效应”的现象的影响,这就使得采用混合润滑机制变得十分必要。
导轨润滑中的“粘滑效应”
粘滑效应产生的原因在于静摩擦与动摩擦之间的不断切换。当静摩擦力超过动摩擦力时就会发生这种现象。具体来说,当对导轨上的滑块施加一定的驱动力时,滑块并不会立刻运动起来,而是受到静摩擦力的作用继续处于静止状态。此时,就像弹簧蓄能一样,驱动力会不断积蓄。至到驱动力克服了静摩擦力开始做功,滑块也就开始运动了。这时摩擦力也完成了从静到动的转化,驱动力会继续推动滑块加速运动,但是就像弹簧弹力卸载一样,驱动力释放地也非常快。最终,驱动力释放完了,阻碍滑块运动的摩擦力开始显现。滑块的速度会逐渐慢下来,混合摩擦机制下的摩擦力增长得非常快,最后滑块停止运动,一个运动周期也结束了。这种不稳定的运动状态通常被称为“粘滑效应”。
尽管粘滑效应是一种肉眼不可见的现象,但是它却无处不在,并且还会给我们带来一些特殊的听觉感受。美妙的小提琴乐曲是粘滑效应的副产物,老师写粉笔字时发出的刺耳噪音也是它的产物,还有火车进入站台后的刹车声也是这样产生的。由粘滑效应引起的噪音现象不胜枚举,比如汽车挡风玻璃上的雨刷器运动时发出的声音,还有传动带张紧变松时所发出的吱吱声。汽车急转弯或急刹车时所发出尖锐噪声,都是因为粘滑效应。以此可以看出,粘滑效应所带来的大多是不好的体验。在机床中更是如此,粘滑效应可以引起滑块以及滑块所带动的工件或刀具的不稳定运动。这种不可控的运动方式,最终会导致加工的尺寸偏离和产量下降。
更好地控制摩擦力
为了让滑块运行的更平稳流畅,我们通常会在润滑油中添加一种有助于控制摩擦力的特殊添加剂。现代的导轨润滑油中通常包含一种具有改变摩擦特性作用的混合添加剂,在一定条件下,这会使滑块的运动更加平滑可控,停止位置更精确。
现代的机床和导轨中,会大量应用润滑油和润滑剂。这是为了使运动部件的速度更快,载重更高,精度更好,没有高品质的润滑油,这样的目标就无法实现的。另外,不同摩擦材料相匹配的情况也越来越常见了,比如金属和塑料材料之间的摩擦匹配,这就意味着所需要的润滑油的种类也越来越多了。
现代的导轨润滑油的配方,必须做到基础油和添加剂配比的完美平衡,才能达成下列目标:
◆降低静摩擦力以便于快速启动;
◆能够在静止和运动状态之间随意不断切换;
◆重载情况下也能平稳运行。
降低摩擦力保证生产力
机床导轨润滑油的选择是非常重要的,它关系到零部件耐磨防护的效果,粘滑效应的预防,以及机加设备生产力的提高。以下是几个被广泛采用并认可的摩擦学测试,可用于评估导轨润滑油的性能优劣:
◆摩擦性能测量;
◆摩擦力测量仪。
这些测试可用于评估润滑油的静态和动态摩擦特性,以及各种导轨和滑块材料的摩擦性能。
要从众多工业用润滑油中,挑选出一款称心如意的油品并非易事。深入了解摩擦力的产生原理、各种润滑方式的优缺点以及润滑过程中有可能发生的粘滑效应才有可能事半功倍。