关键词： 滚珠丝杠副   摩擦力   超声减摩   扭转振动   模态分析  

摘要： 随着现代制造业的发展,数控机床的定位精度越来越受到人们的重视。滚珠丝杠副是数控机床的重要部件,该部件摩擦力的大小对数控机床的性能影响很大。本文以某型滚珠丝杠副为研究对象,提出了利用超声振动减小滚珠丝杠副的摩擦力的减摩方法。本文从理论与实验两方面,对滚珠丝杠副的超声振动减摩进行了探究。在理论方面,利用赫兹接触理论和坐标变换理论,对滚珠丝杠副进行了运动学分析,建立了滚珠丝杠副动态接触模型,确定了滚珠与滚道间的摩擦力。确定了减摩振子的组合结构及滚珠丝杠副超声振动减摩系统的组成。结合超声减摩的基本原理,分析了滚珠丝杠副的超声减摩原理。建立了滚珠丝杠副减摩振子的有限元模型并对其进行模态分析,确定减摩振子采用二阶扭转振动模态进行超声振动减摩。在实验方面,加工制作了压电振子并组装了减摩振子,测试了减摩振子的振动模态与共振频率。搭建了滚珠丝杠副超声振动减摩系统,测试了减摩系统的减摩效果。实验结果证明,该减摩振子可明显地降低滚珠丝杠副的摩擦力。

关键词： 振动钻削   平均摩擦力   动载荷   表面粗糙度  

摘要： 在振动钻削加工原理的基础上建立振动钻削过程中平均摩擦力的数学模型,分析动载荷对平均摩擦力的影响规律。在超声振动钻削试验装置上对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢进行了普通钻削和超声振动钻削试验,对比分析了孔壁表面粗糙度、钻头磨损形貌和切屑形状。结果表明:超声振动钻削能够减少平均摩擦力;通过观察加工后钻头与孔的表面形貌,超声振动钻削钻头磨损程度低,孔壁表面粗糙度值小,具有更好的断屑、排屑性能。

关键词： 超声振动钻削   减摩   振幅   切屑形态   粗糙度  

摘要： 针对高温合金钻削困难、钻削过程中摩擦力大等问题,采用超声振动技术加工.首先,分析了超声振动减摩机理,构建了平均摩擦力与振动参数之间的关系,并得出了平均摩擦力与振幅之间的变化趋势.建立轴向超声振动钻削系统,利用该系统对高温合金进行钻削加工.结果表明:振动振幅对孔壁表面质量的影响符合超声振动钻削的减摩特性.利用优化后的振幅超声振动钻削,与普通钻削相比,切屑形态更加规整,孔壁表面粗糙度值更小,表面质量更好.

关键词： 超声辅助压装   过盈   减摩   有限元  

摘要： 过盈连接组件采用传统压入式方法装配时,由于组件界面间摩擦力较大,造成磨损严重,装配后连接力降低。为了减小过盈连接组件压装时的摩擦力,提出一种超声辅助压装技术。试验表明,在压头上施加轴向超声振动可以显著降低组件压装过程中的界面摩擦力。实验结果显示,过盈量越小,超声振动冲击带来的减摩效果越明显。当过盈量为14μm时,引入超声振动冲击后的摩擦力可减小29.12%。采用Abaqus软件建立过盈连接组件二维轴对称有限元模型,探讨不同过盈量的过盈组件在超声振动冲击影响下的界面摩擦行为。将仿真计算得到的摩擦力与实测值进行比较,仿真值与实验测量值相符,模型合理。然后利用该模型仿真分析超声压装过程中的振幅、频率、压装速度、过盈量、摩擦系数和减摩率的关系,结果表明:压头振动频率和压装速度对减摩率无影响;一般引起摩擦力增大的因素(过盈量增加、摩擦系数增加)都会使减摩率降低;其它因素不变时,压头振幅增加,减摩率增加。

关键词： 压电粘滑驱动器   超声减摩   对称性   平顺驱动方法   位移回退运动  

摘要： 压电粘滑驱动技术因具有定位精度高、行程大、无电磁干扰等特点,在原位微纳米测试、精密光学仪器等技术领域得到了广泛应用。然而,驱动器在快速变形驱动阶段由定、动子间的滑动摩擦阻力导致的类锯齿状位移回退削弱了其输出性能,成为制约该技术发展的主要问题。据此,本文提出了一种基于超声减摩效应的压电粘滑平顺驱动方法,通过将微幅高频的正弦波耦合施加于锯齿波的快速变形驱动阶段,利用超声减摩效应降低了滑动摩擦阻力,抑制了位移回退运动,提升了输出性能。通过分析传统锯齿驱动方法激励下杆式压电粘滑驱动器定、动子间的摩擦力变化状态,指出了快速变形驱动阶段驱动器定、动子间的滑动摩擦阻力是产生位移回退运动的主要原因。通过分析典型杆结构件的纵向、扭转和弯曲振动理论,得出了在驱动器定子上激发超声振动的三种设计方案,分析了压电粘滑平顺驱动方法的工作原理,阐明了平顺驱动方法的实现机理,提出了基于超声减摩效应的压电粘滑平顺驱动方法的实现方案。开展了杆式压电粘滑驱动器原理样机的结构设计与仿真分析,本文以定子的一阶纵向振动模态作为平顺驱动方法中超声减摩部分的设计核心,提取了驱动器定子的一阶纵向振动模态仿真云图,获取了定子的一阶纵向振动频率,利用该纵向振动模态致使驱动器定、动子的接触面间产生超声减摩效应,以此确定了驱动器定子及整机的结构尺寸参数,提出了平顺驱动方法可行的实现方案。研制了平顺驱动方法激励下杆式压电粘滑驱动器的实验物理样机,该样机主要由压电堆叠、摩擦杆和滑块三部分组成。其中,压电堆叠和摩擦杆构成了驱动器的定子部分,滑块构成了驱动器的动子部分。压电堆叠的截面尺寸参数为5 mm×5 mm,高度为10 mm;摩擦杆的直径为4 mm,长度为40 mm。搭建了样机实验测试系统,进行了平顺驱动方法的输出特性实验研究。实验条件如下:锯齿波的峰峰值电压和频率为30 V和300 Hz,正弦波的峰峰值电压和频率为6 V和39 kHz。实验结果表明:提出的平顺驱动方法抑制了驱动器的位移回退运动,提升了其有效步距。相比于传统锯齿驱动方法,平顺驱动方法将驱动器的输出速度提升了147.24%,负载能力提升至2.88倍,驱动能力提升了466.13%,输入功率降低了89.56%;此外新方法有效扩宽了驱动器的对称性工作范围,也实现了对称电信号(如三角波的)对驱动器的有效驱动,具有驱动信号调控的功能。

关键词： 纳米石墨片   超声震荡   减摩  

摘要： 通过在液体介质中对膨胀石墨超声波震荡制备纳米石墨片。使用扫描电子显微镜(SEM)观察产物形貌,并且研究它作为润滑油添加剂的减摩性能。减摩效果的影响因素包括:纳米石墨片和基础油的质量比、超声波震荡介质和震荡时间。结果显示,在优化的工艺条件下,纳米石墨片具有良好的减摩效果。

关键词： 超声振动   悬浮支承   悬浮间隙   振动模态   气膜  

摘要： 设计一种用于支承电机转子的超声波悬浮轴承,该轴承由圆锥形压电换能器辐射端面与连接在电机转子端的圆锥环构成。压电换能器在振动过程中在轴承间隙形成稳定的承载气膜,对电机转子悬浮。对承载气膜产生的承载能力进行分析和测试,获得悬浮力与悬浮间隙之间的关系,从理论上分析在超声悬浮支承条件下,悬浮间隙变化与气膜刚度对电机转速的影响,对转子最高转速与悬浮间隙的关系进行实验研究。结果表明,利用压电换能器圆锥辐射面与圆锥环构造的超声波悬浮轴承,能够形成对电机转子的轴向和径向支承;通过减小悬浮间隙,能够增强间隙气膜的刚度,并提高转子的最高转速,轴承间无摩擦。

关键词： 超声振动   减摩   气动   执行器   摩擦力  

摘要： 超声振动带来的减摩效应具有减摩效果好、控制方便、高效节能且无污染等优点,得到了国内外学者较为广泛和深入的研究,并已成功应用于提高加工质量、减小机械摩擦及改善仪器测量精度等领域。近几年这项技术也逐渐引起了气动领域相关学者的兴趣,研究表明超声振动对气缸摩擦力的改善有明显效果,同时为流体传动与控制领域研究学者提供了一种全新的摩擦与运动控制手段。该研究将从超声减摩的起源与发展入手,对气动领域中超声减摩的核心问题及未来研究的前景予以阐述。

关键词： 气缸运动副   摩擦力   超声振动   减摩   量纲分析  

摘要： 气缸作为气动系统中常见的执行机构,被广泛用于自动化生产等工业场合中。气缸内部动、静摩擦力的差值导致气缸爬行现象的产生,降低了定位精度,影响了加工质量,限制了气动技术的发展。近年来,超声减摩技术作为一种有效减小摩擦力的手段得到了广泛关注。本文将超声振动施加于橡胶条-钢板这对模拟气缸内部活塞处摩擦的运动副上,分析其减摩机理。气缸内部的摩擦力主要受活塞密封部位的影响,通过将气缸沿中心轴周向展开,建立了与活塞处橡胶密封圈-气缸缸筒运动副等效的橡胶条-平面钢板运动副的物理模型。结合刚性体之间的摩擦和弹性体与刚性体的摩擦的区别,在充分分析现有摩擦理论的基础上,讨论各摩擦理论对计算橡胶条-钢板这对运动副间摩擦力的适用性。最终确定利用粘附理论和滞后理论推导无超声振动下的橡胶条-钢板间的摩擦力数学模型。此摩擦力与真实接触面积成正比,因此分别利用单峰接触理论和赫兹接触理论计算了真实接触面积,确定了关于橡胶材料、橡胶条直径、法向载荷、橡胶条长度、粗糙度的摩擦力数学模型。并对模型进行简化,对摩擦力与各影响因素之间的关系进行了定性分析。利用超声振动的传播方程分析超声振动波的性质,确定超声振幅最大处,奠定实验的理论基础。根据超声波的性质,利用接触表面的力学作用和滑动摩擦过程的特点进行了超声减摩基本原理的分析。分析得知,超声振动通过减小真实接触面积进而减小了摩擦力。基于本课题组以往对超声减摩的研究,可知随着超声振幅的越大,摩擦力越小,减摩效果越好。利用振型测试拟合出超声振幅与超声电压的回归方程,在本课题组对超声减摩研究的基础上拟合了振动前后摩擦力之比与超声激励电压的关系,进而建立了施加超声振动后的摩擦力关于超声振幅的数学模型。根据此模型利用MATLAB进行摩擦力的数值仿真,得出各影响因素和摩擦力的关系。研制摩擦力测试实验台。利用Solidworks三维建模进行了各组件和装配方法的确定。采用ANSYS对超声振幅进行有限元仿真确定了超声振动组件中钢板尺寸和换能器参数。利用实验验证了第三章中各影响因素对摩擦力的影响,测试了不同橡胶-钢板间摩擦力的减摩效果,摩擦力最大可减少36.6%。建立了本试验台条件下的摩擦力模型。根据实验数据利用量纲分析法拟合了摩擦力经验关联式,拟合程度为99.8%,对比理论推导的数学模型,验证其正确性,分析差异原因和模型的通用性。最终通过理论和实验相结合的方式分析得知,减小静摩擦力改善爬行现象的方法是:减小法向载荷W,减小橡胶条直径D,增大混合弹性模量E*,减小拉伸强度σmax、增大超声振幅YA。

关键词： 减摩性能   超声剥离   膨胀石墨   石墨烯   正交试验  

摘要： 采用液相超声直接剥离法对膨胀石墨进行超声剥离制备石墨烯。用扫描电子显微镜分析了石墨烯的微观结构和形貌，通过正交试验法优化了制备工艺参数，并在多功能往复摩擦磨损试验仪上研究了其减摩性能，对其润滑机理进行了初步探讨。结果表明，膨胀石墨被成功剥离，石墨烯薄片厚度为10－150nm，属于纳米级别，各参数对摩擦系数影响程度大小的顺序为：超声处理时间〉膨胀石墨浓度〉超声功率〉超声与间歇时间比，优化后制备的石墨烯表现出优异的减摩性能。