潤滑劑特性的激光干涉法測量

摩擦與潤滑在工業(yè)金屬薄板形成工藝中起著(zhù)重要的作用。摩擦決定著(zhù)金屬薄板的變形類(lèi)型和無(wú)撕裂情況下的變形程度。
　　適當地潤滑可以避免金屬間的直接接觸，減少了模具和工件不必要的磨損，降低了成本。同時(shí)，潤滑減少了由于粘附作用引起的工件表面的損傷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長(cháng)了模具壽命。金屬薄板成型的精確塑性分析，常依據一種含糊而使人誤解的摩擦條件假設。其分析結果幾乎無(wú)任何實(shí)用意義，尤其對那些工藝結構性能較差的工件，更是如此。
　　在簡(jiǎn)單的拉伸成型工藝中，廣泛采用的流體潤滑理論是由Wilson和Waog提出的。該理論認為，潤滑膜是由在沖頭和薄板結合處的邊緣所形成的楔形入口帶產(chǎn)生的。在沖頭接觸中心薄膜最厚，在連接邊緣附近，則逐漸變薄。正是在這個(gè)區域，以后會(huì )出現破裂。這里沖頭與薄板的接觸，與齒輪和滾珠軸承中的情況類(lèi)似，為了測量這種接觸中的潤滑薄膜的厚度，已開(kāi)發(fā)了幾項實(shí)驗技術(shù)。其中，分割入射光振幅的光干涉測量法最為成功。在類(lèi)似鋼球和光學(xué)平面形成的彈性流體接觸中，用光干涉測量技術(shù)能穩定精確地測量出油膜厚度。
　　為了研究金屬薄板成型的潤滑過(guò)程，我們將討論光干涉的應用。特別要闡述用球形沖模在有潤滑的條件下，軸對稱(chēng)拉伸工藝的油膜厚度的局部、瞬時(shí)測量。我們研究的主要目的是驗證Wilson一Wang理論的正確性，從而加深我們對該理論的理解。
　　光干涉法測量
　　于涉曾經(jīng)廣泛地用于固態(tài)薄膜處理技術(shù)的研究和拋光效率、拋光平面度的測量中。在潤滑特性研究中，把入射光波長(cháng)作為潤滑薄膜厚度的測量標準，通過(guò)光干涉進(jìn)行精密測量。干涉是由于視頻波的波動(dòng)性而形成的。當兩列或兩列以上的光波相遇時(shí)，會(huì )產(chǎn)生與這些光波的疊加結果不同的合波。這種差異是由一個(gè)光源發(fā)出的兩種或兩種以上光波間的相位差引起的。由于潤滑薄膜的存在，諸光波間產(chǎn)生了誤差。當兩種光波再次相遇時(shí)，它們便形成了明暗交替的波帶，統稱(chēng)為干涉條紋。
　　這里所用的主光源是功率為5毫瓦、輻射波長(cháng)為0.6微米鮮紅色光的He一N。激光。此束光直射到空間頻率濾光片上，產(chǎn)生一種呈高斯幅射分布的發(fā)散激光束，此時(shí)，光強幾乎降　　低了一半。
　　用激光產(chǎn)生的干涉條紋比普通白色或單色光形成的條紋清晰和高級得多。氦氖激光能分辨小到0.10微米厚的薄膜。為觀(guān)察干涉條紋，我們設計、制造并專(zhuān)門(mén)鍍制了兩個(gè)作為透明光學(xué)沖頭的平凸透鏡。透鏡材料是非常耐用且精細退火的Schott玻璃(BK7一A)。在每個(gè)透鏡的平l可側鍍四分之一波長(cháng)厚的氟化鎂以降低反射。
　　在透鏡凸面，鍍四分之一波長(cháng)厚的Hfo2介質(zhì)層研究雙束干涉。HfO:在較大的負荷下相當耐用。此膜的物理厚度為0.07微米，折射　率為2.10。用這些參數調諧到玉le一Ne激光波長(cháng)，而四分之一波長(cháng)厚度則確保來(lái)自該層的反射光在相位上變化180度。射到HfO:層上的這些光，14多被反射，5形被吸收，81拓透射到油膜。當透射光射到拋光片表面時(shí)，其中60廠(chǎng)被反射。反射部分從油膜方射到HfO:鍍層上，其大部分透過(guò)HfO2層返回沖頭，只有很少部分被返回油膜中。后一種光線(xiàn)由于強度大減，不會(huì )再引起任何附加的干涉，僅在兩束光線(xiàn)間生產(chǎn)干涉。位于窄環(huán)中所有干涉點(diǎn)的總和形成一種干涉帶。當光正常地入射到?jīng)_頭一薄板結合面時(shí)，在Hf02層附近形成干涉帶。
　　第二塊沖頭鍍厚度為四分之一波長(cháng)的介質(zhì)二氧化欽(TIO2)，以利于多束干涉條紋的形成。TIO2層的物理厚度為0.06微米，折射率為2.67。這兩個(gè)量也都能調諧到He一Ne激光的波長(cháng)。
　　在射到TIO2層的光中，30%被反射，70%被透射到油膜中，吸收部分可忽略不計。由于TIO2層的反射率高，加之薄板表面的反射，透射光在油膜內經(jīng)過(guò)一系列的反射。經(jīng)薄板表面最初反射的光線(xiàn)，部分透射返回沖頭，部分反射到油膜中，振幅進(jìn)一步發(fā)生了變化。這樣，多束光線(xiàn)在上述薄板與沖頭結合面上某一點(diǎn)的疊加便產(chǎn)生了干涉。
　　該點(diǎn)的光強約為雙光束在同點(diǎn)強度的二倍。光強的增加使多束干涉條紋中的明帶變寬，暗帶變窄。雙束條紋中的明帶比多束條紋中的略暗略窄一些。
　　樣品制備
　　試驗樣品是由直徑為3英寸的3003一H14熟鋁合金毛壞制成的。每個(gè)樣品的厚度是0.02英寸。屈服應力為21千磅/英寸“。為了控制來(lái)自薄板表面的反射光量，必須調整工件的表面反射率，使其大體上等于沖頭凹面的反射率。為此，研究了一種金相加工法，經(jīng)七次拋光，達到鏡面光潔度。然后，把拋光樣品在48多氟化氫溶液中腐蝕2~4分鐘，便可得到所需的反射率。在靠近正常入射的地方，用激光功率表測量樣品表面對He一Ne激光的反射率?？磥?lái)30%~48%的反射率已夠用了。
薄膜厚度計算
　　根據沖頭和薄板表面的反射率，便能導出確定潤滑膜厚度的簡(jiǎn)單公式。這個(gè)公式可用于雙束和多束干涉。