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关键词： Cu-6Ni-6Sn合金   高温摩擦磨损   磨损机制   响应曲面  

摘要： 铜镍锡合金因其优异性能常被用作滑动轴承,但其工作环境极其恶劣,长期磨损会造成零件失效,因此对其摩擦磨损性能研究成为了如今探索要点。本文通过理论研究与试验分析相结合,分别对Cu-6Ni-6Sn合金材料从组织成分及表面摩擦磨损,深入研究不同工况下对表面磨损程度的影响规律以及磨损机理转变过程展开分析,并通过响应曲面法对Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损不同工况因素的影响显著性,为进一步研究Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损性能提供了理论指导。主要研究内容如下:基于高温摩擦学理论,研究了铜锡合金自润滑的耐磨损性能和接触应力与摩擦学的原理,根据不同载荷和温度参数设定试验,探究摩擦磨损性能。本研究使用销-盘式高温高载荷磨损试验机对Cu-6Ni-6Sn合金材料进行边界润滑滑动摩擦磨损试验,分析温度、载荷两个工况因素对Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦磨损特性的影响,并对其研究磨面磨损机理。基于响应曲面法,建立温度、载荷分别与摩擦系数、磨损量的二次回归方程,并对其进行ANOVA方差分析与三维响应曲面模型,分析贫油状态下温度与载荷对轴承材料Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦系数与磨损量的影响顺序。研究结果表明:在低载荷时,摩擦系数随着温度的增长呈现不同阶段增长趋势;中、高载荷时摩擦系数随着温度增长呈现先减小后增大趋势。温度为50℃、100℃时,摩擦系数随着载荷增大而减小;温度为150℃时,摩擦系数随着载荷增大而增大;温度为200℃时,摩擦系数随着载荷的增大先增大后减小。磨损量随着载荷增大而呈现上升趋势;磨损量随着温度升高而呈现先减小后上升趋势。随着温度的升高,磨损机制由轻微磨损向严重磨损转变。Cu-6Ni-6Sn合金材料摩擦系数与磨损量受温度的影响要较大于受载荷的影响。采用Design-Expert 12.0软件对试验参数进行优化,得到温度84℃、载荷70N为最优试验参数。利用回归方程对摩擦系数和磨损量进行了预测和验证。

关键词： 石墨烯   复合材料   摩擦磨损   铣削仿真   单颗粒切削模拟  

摘要： 石墨烯具有高强度、高弹性模量,同时还是导电、导热性能最好的材料之一,作为增强相对金属基复合材料性能的提升起到显著效果。将石墨烯与铝硅粉末结合,并少量添加Cu、Mg等元素,制备得到石墨烯质量分数0%～0.7%的四组石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料。通过XRD衍射仪观察发现,石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料微观组织由铝基体、硬质硅颗粒及金属间化合物MgSi、AlCu组成;金相显微镜显示,四组复合材料中硬质硅颗粒的尺寸在3～10um左右,石墨烯含量为0.5%的复合材料硅颗粒轮廓尺寸最小。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料力学和物理性能进行测试。布氏硬度测量结果显示,石墨烯含量在0%～0.7%的复合材料硬度值由76.5HBW提高到86.14HBW;强度实验结果显示,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别由132.77MPa、157.77MPa提高至177.77MPa、252.83MPa;热导率实验结果表明,石墨烯含量为0.5%的复合材料导热性能最优,达到219.44 W/m·K。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料摩擦性能进行测试。摩擦实验结果显示,随着石墨烯含量的增加,复合材料最大摩擦系数由0.992下降至0.365;计算复合材料摩擦实验前后质量发现,复合材料磨损量随石墨烯含量的增加从0.0287g下降至0.0141g;观察摩擦表面磨痕形貌,石墨烯含量为0%的复合材料磨损机理以粘着磨损为主磨粒磨损次之;石墨烯含量为0.5%的复合材料磨痕形貌较规则,划痕笔直且深度较浅,以轻微的磨粒磨损为主粘着磨损次之。复合材料摩擦性能的提升源于石墨烯对基体强度的提高和对硅颗粒尺寸的细化。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料进行切削有限元仿真,建立刀具工件三维模型,对切削层等效简化,选用Johnson-Cook材料本构模型和Ductile Damage切屑分离准则,分析石墨烯含量对切削力的影响。实验结果显示,在相同参数下,实验和仿真切削力曲线变化趋势总体相似;随着石墨烯含量的增加,切削力从167.66N降低至135.45N;当进给量和切削深度增大时,切削力分别由157.03N、135.45N增加至290.1N、472.2N;而随着主轴转速的提高,石墨烯含量为0.5%的复合材料切削力从940N降低至178N。石墨烯的添加细化了复合材料中的晶粒和组织,增强了铝基体界面结合力,改善了复合材料的切削性能。对石墨烯/Al-18Si-3Cu-0.5Mg复合材料进行单颗粒模型切削仿真。结果显示,复合材料产生的切屑主要分为Al基体单独成屑和Al基体与Si颗粒混合成屑两种,当石墨烯含量为0.5%时,易出现基体与Si颗粒混合成屑;Si颗粒的去除方式主要包括Si颗粒在刀具作用下产生断裂和整体随基体脱落两种类型,不含石墨烯的复合材料易发生Si颗粒随基体脱落的情况。

关键词： 液固两相流   数值模拟   矿浆泵   非球形颗粒   磨损  

摘要： 由于陆地矿产资源的日益枯竭,开发海洋能源已经成为全球各国的重要战略目标。矿浆泵作为深海采矿输送系统的关键设备之一,水力性能是考察泵工作的标准,易磨损是泵存在的主要问题。本课题旨在通过将理论分析与CFD-DEM数值模拟方法相结合,对矿浆泵内液固两相流场进行数值模拟,研究矿浆泵内液固两相流动和导叶磨损特性,解决矿浆泵输送技术存在的问题。本文的重点研究内容及结论如下:首先,基于流固耦合理论和牛顿运动定律,研究颗粒在不同输送环境下的运动和受力特性,选用了本文研究非球形颗粒的升力模型和曳力模型。分析矿浆泵输送系统的实际运行情况,采用合适的内置计算模型,确定液固两相的参数。其次,依据矿浆泵的工作环境,确定矿浆泵的设计参数,对矿浆泵进行三维建模。分析流量对泵的扬程、效率、功率的影响,并将结果与他人的实验结果相比较,确定矿浆泵模型的可靠性。针对矿浆泵的水力性能进行数值模拟,通过比较五种不同叶片螺旋角度矿浆泵的流场状况和水力性能指标,确定矿浆泵最佳的叶片螺旋角度。结果表明:当螺旋角度为30°时,泵的脱流现象减少,扬程和效率分别达到最大值,泵所消耗的功率较低。然后,采用CFD-DEM耦合方法,对矿浆泵内液固两相流进行数值模拟,研究不同工况(如转速、流量、颗粒粒径和颗粒形状)对矿浆泵的内部压力、速度和颗粒浓度的影响。发现泵内产生了漩涡和二次流现象,会增大泵的水力损失,降低泵的运行效率。结果表明:在高转速、低流量、小粒径颗粒和球形颗粒工况下,叶轮区域内漩涡范围最大;在高转速、低流量、大粒径颗粒和圆柱形颗粒工况下,导叶压力面进口区域二次流强度最高;在低转速、大流量、大粒径颗粒以及球形颗粒工况下,导叶吸力面漩涡范围和二次流强度最大。最后,基于离散相模型,对矿浆泵内颗粒运动受力状态进行数值模拟,揭示了不同转速、流量、颗粒粒径和颗粒形状工况下固相间、固相与过流部件壁面发生碰撞的数目以及磨损特性规律。结果表明:在高转速,小流量,小粒径颗粒以及圆柱形颗粒工况下,固相间碰撞的数目最多;在高转速,小流量,小粒径颗粒以及三棱柱颗粒工况下,固相与导叶的碰撞数目最多;在高转速,大流量,大粒径颗粒以及三棱柱颗粒工况下,导叶压力面的磨损情况最严重,磨损位置主要集中分布在中间转向区域。

关键词： 变动态特性机械系统   频响函数   子结构法   机器人   动力学   铣削稳定性  

摘要： 随着科技的发展和生产力的提高,传统制造业正在向着智能制造的方向转型,各类复杂、先进的机械系统被越来越多的应用于工业生产实践。围绕航空航天、汽车、制造、军工等行业的工业机器人、精密数控机床得到了极大的发展。在各类高端机械的设计、制造和应用过程中,强度检验、结构优化、可靠性分析和稳定性分析是必不可少的环节。动力学分析作为这些分析和计算的基础,能够提供关键的动态特性参数,从而帮助工程师更好地掌控机械系统的运行状态。然而,大多数机械系统并非恒定不变的,其动态特性往往会随着系统关键参数的变化而改变。因此,探寻并研究更加适用于变动态特性机械系统的动力学建模方法与分析技术,对高端机械设备的设计、制造和应用均具有重要的推进意义。在上述的行业发展背景与工程需求下,本论文研究了变动态特性机械系统频响函数建模方法,并提出了广义响应耦合子结构法(Generalized receptance coupling substructure analysis,GRCSA)。以GRCSA为理论基础展开,研究了该方法在变界面、变空间姿态和变子结构三类典型的变动态特性机械系统中的应用,建立了一种新型五自由度混联机器人的频响函数预测模型并分析了空间姿态对系统频响特性的影响规律。研究了钻铣类刀具的精确建模方法,并提出了等效圆环法。最后,基于广义响应耦合子结构法和钻铣类刀具的精确建模方法,建立了混联机器人加工系统刀尖频响函数预测模型并研究了该机器人铣削碳纤维增强复合材料过程中的稳定性。具体研究工作如下:针对复杂的变动态特性机械系统频响特性建模与预测困难的问题,研究了变动态特性机械系统频响函数建模方法。全面地考虑了机械系统中界面、空间姿态关系和子结构的可变性,提出了广义响应耦合子结构法。该方法通过对系统中的子结构、界面和空间姿态关系进行建模与计算,并在频域内将各个子结构耦合,最终可以获得系统频响特性关于系统变量的解析函数模型。基于GRCSA的推导过程与求解结果,将变动态特性机械系统分为三类基本情况:变界面系统、变空间姿态系统和变子结构系统。为了充分阐述GRCSA在变动态特性机械系统动力学分析方面的应用,选取工程实践中三个基本类别的典型实例进行了研究,分别为螺栓紧固系统(变界面系统)、3R机器人(变空间姿态系统)和机床加工系统(变子结构系统)。阐述了各类变动态特性机械系统的建模过程并详细推导了各系统的频响函数预测模型,给出了不同子结构频响函数矩阵的计算方法和界面参数的标定方法,并分析了系统变量对固有频率的影响规律。针对一种新型2UPU/SP+RR混联机器人的频响特性进行了研究。基于混联机器人的运动学分析,获得了运动过程中各构件之间的空间姿态关系。考虑子结构和关节(驱动与非驱动方向)的柔性,基于GRCSA建立了该机器人的频响函数预测模型。基于所建立的预测模型,预测了不同空间姿态下混联机器人末端的频响函数。在较大的空间姿态范围内,研究了关节变量对混联机器人频响特性的影响规律。针对钻铣类刀具的刀刃部分动力学建模困难的问题,提出一种全新的等效直径计算方法——等效圆环法。该方法的主要思想是将截面外接圆分割为一系列的圆环,将圆环与截面相交部分的比例作为圆环惯性矩的权重,定义该权重为圆环系数。将圆环惯性矩与相应的圆环系数的乘积累加,即可获得截面的惯性矩,进而计算截面的等效直径。该方法考虑了刀刃部分横截面的复杂形状与螺旋角引起的截面相位变化的平均力学特性,且计算过程简单。基于等效圆环法对常见的4种钻铣类刀具进行了研究,并通过实验和仿真的方法验证了等效圆环法的正确性。结合混联机器人频响函数预测模型和钻铣类刀具精确建模方法,基于GRCSA建立了混联机器人加工系统刀尖点频响函数的预测模型,并预测了不同空间姿态下机器人刀尖点的频响函数。建立了碳纤维增强复合材料铣削的切削力模型,并提出在铣削力模型的刃口力项中引入衰减函数,使得铣削力模型对于刀齿切入和切出附近切削力的预测更为精确。建立了二自由度碳纤维增强复合材料动态铣削系统,并基于零阶近似法推导了稳定性极限的计算公式。对混联机器人不同空间姿态下的铣削稳定性进行了分析,并通过一系列铣削实验验证了铣削稳定性预测结果的正确性。

关键词： 高速激光熔覆   强力旋压   热处理   组织演变   耐磨性  

摘要： 传统工业装备的飞速发展,造成大量的高附加值重型装备进入报废高峰期,加重了资源和能源的浪费。高速激光熔覆采用同步送粉方式,汇聚于基体上方,通过激光束照射快速熔化和冷却,形成与基体成冶金结合的涂层能修复受损零部件,延长其使用寿命。受限于激光熔覆的工艺特点,其成形表面形状和尺寸难以到达使用要求,传统的机械加工方法与激光熔覆技术相结合是目前主要处理手段,但势必会造成涂层材料的浪费。因而表面强化技术被运用于激光熔覆涂层,改善涂层表面质量的同时进一步优化涂层特性。本文以液压支架常用材料27Si Mn钢为基体材料制备Fe-19.66 Cr-2.69Ni-1.06Si-0.1C(wt%)涂层。采用数值模拟的方法,建立强力旋压高速激光熔覆筒型件有限元模型,分析强力旋压作用于涂层表面应力情况、多道次作用后涂层中的应力应变情况及旋轮工作区隆起情况。结果表明:二道次后涂层表面整体较为平整,波动减少,表面质量有了一定的提升,开始出现缩颈现象,已成形区整体压下量到达0.4mm左右,稳旋阶段,表层在旋轮的作用下产生较大的变形,等效应力由361MPa增加至466MPa,对于结合区而言,二道次旋压后增加50MPa,能减少作用力对结合区的影响。在数值模拟的基础上,采用强力数控旋压机进行旋压试验,进行强力旋压高速激光熔覆涂层一、二道次试验,其中各道次均采用压下量为20μm,转速600r/min,进给量2mm/r,利用SEM、XRD、EBSD、TEM等手段研究不同旋压道次下涂层表面形貌、组织演变机理和微观力学性能改变。结论如下:涂层随旋压道次的增加,表层晶粒沿进给方向倾斜,表层组织得到细化,以变形组织为主分布在表层中,随道次增加,变形组织占比增多,出现了较多的低角晶界和几何位错。强力旋压能有效地改善熔覆层的宏观成形质量,旋轮多次作用,涂层表面波峰金属向波谷流动,降低了熔覆层的表面粗糙度。晶粒细化和位错密度增加的共同作用使表层的显微硬度提高,进一步摩擦磨损测试表明,强力旋压后磨损机制的转变,有利于提升涂层耐磨性。然而,旋压过程中涂层表面发生较大的塑性变形,形成冷变形织构,致使在成形涂层中存在较大残余应力。通过在350℃、450℃、550℃退火两小时后,对其残余应力、显微硬度、耐磨性等进行测定。结果表明,热处理后,涂层中残余应力明显降低,在试验参数范围内熔覆层表层硬度随温度的升高而出现一定的下降。350℃去应力退火后,枝状共晶得到均匀细化,组织变得更加致密且位错密度降低,材料的强度下降但塑形有所提高,表现出更优异的耐磨性。综上,本文利用强力旋压工艺对高速激光熔覆涂层进行后处理,研究了旋压道次对涂层耐磨性的影响,揭示了强力旋压激光熔覆涂层的微观结构及组织演变,拟改善熔覆涂层的表面形貌和粗糙度,并进一步提升耐磨性,为涂层后处理提供新的方案,有助于拓宽强力旋压的应用领域,并推动高速激光熔覆的应用和发展。

关键词： TiZr合金   激光氮化   显微组织   温度场模拟   显微硬度   真空摩擦磨损  

摘要： TiZrAlV合金由于其优异的高比强度和尺寸稳定性等而被考虑为一种极具应用潜力的航空航天等领域用结构材料,而硬度、耐磨损和抗疲劳等表面性能不佳也导致了其在恶劣工况服役时易发生表面磨损失效。本文采用激光表面氮化(Laser Surface Nitriding:LSN)技术,通过改变激光束直径、扫描速度等LSN参数在Ti Zr Al V合金表面制备出了高硬度和高耐磨的氮化层,使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)及电子探针X射线显微分析(EPMA)等手段研究了氮化层的相组成及微观组织随LSN参数的演变规律,利用ABAQUS软件对Ti Zr Al V合金在LSN处理过程中的温度场分布进行了模拟。此外,本文采用显微硬度计获取了样品沿表面向基体内部延伸方向的硬度分布及演变规律,利用摩擦磨损试验机进行了真空摩擦磨损实验并分析其磨损机理。开展了不同激光参数下氮化层相组成和显微组织演变规律的研究,结果表明:不同激光束直径或扫描速度条件下的氮化样品,其主要组成相均为α相和氮化物相(Ti(Zr)N和Ti(Zr)N),并且随着激光束直径或扫描速度的降低,α相的(002)和(101)峰逐渐减小,Ti(Zr)N的(200)和Ti(Zr)N的(101)峰逐渐增强,说明氮化物的含量逐渐增多,致密度逐渐增大。此外,随激光束直径逐渐从3 mm减小至1 mm时,氮化物层的平均厚度显著增加(光斑直径为1 mm时～397μm),扫描速度逐渐从25 mm/s降低到10 mm/s时,氮化层厚度展现出了相似的演变趋势(扫描速度为10 mm/s时～334μm),这主要归因于激光能量密度的增大。EPMA和EDS等元素分布结果证实了氮化物主要为Ti(Zr)x Ny,同时,可证实Zr、Al、V等元素在激光氮化后的分布发生了变化。利用ABAQUS模拟软件分析了热源移动过程中的温度场分布。结果表明:试样表面峰值温度位置与光斑中心有所偏离,处于其后侧位置。熔池宽度方向的温度梯度在熔池中心为零;而在熔池深度方向,温度梯度的最大值处于激光氮化表层。随着激光束直径或扫描速度的降低,表面峰值温度逐渐增大(激光束直径从3 mm减小到1 mm时,表面峰值温度由1980℃升至3009℃;扫描速度从25 mm/s减低到10mm/s时,表面峰值温度由1648℃升至2175℃),熔池深度和宽度也逐渐增大,并且导致熔池深度和宽度方向上温度梯度的升高。开展了不同激光参数下表面氮化层显微硬度和摩擦磨损形貌的演变规律研究,结果表明:随激光束直径或激光扫描速度的降低,激光氮化层的硬度逐渐增加(激光束直径为1 mm时硬度为～897 HV,扫描速度为10 mm/s时硬度为～871 HV),而氮化层摩擦系数和磨损质量失重逐渐降低,(激光束直径为1 mm时样品具有最低的摩擦系数(COF),约为0.333,与原始样品相比下降了15.98%,磨损体积和磨损率最小,分别为0.0096 mm和0.85×10 mm/Nmm)。其原因是激光氮化处理可以细化表层晶粒和生成硬质氮化物,随着光斑直径的减小,或者扫描速率的降低,氮化物在液化过程中的溶解量会增加,所生成的氮化相在液化中所占的比例也会随之增加,从而提高了合金的硬度和耐磨性。研究证实了基体材料磨损为粘着磨损,氮化层的磨损主要是磨粒磨损,表现为显微切削和硬质相的剥落。