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关键词： 氮化硅陶瓷   轴承钢   摩擦磨损行为   仿真分析   实验研究  

摘要： 随着我国航空工业的进步,航空发动机朝着大推重比、高转速、高温等工况发展,服役环境变得更加苛刻,其主轴轴承在运转时会产生大量的摩擦热,对工作的稳定性和可靠性有着重要影响,如何准确预测摩擦温升对摩擦副的设计、维护及性能提升具有重大意义。摩擦热的产生会使材料出现软化现象,可能会引起磨损失效或热胶合失效。针对以上问题,本文研究了航空发动机主轴轴承应用摩擦副氮化硅陶瓷球与8Cr4Mo4V钢不同工况下的应力场和稳态温度场分布规律;在温度场结果之上,基于氮化硅陶瓷球与8Cr4Mo4V钢的Archard磨损模型与有限元耦合分析,模拟了磨损过程;最后,对氮化硅陶瓷球与8Cr4Mo4V钢、氮化硅陶瓷球与40Cr Ni Mo A钢(镀银层)和氮化硅陶瓷球与G13Cr4Mo4Ni4V钢的摩擦磨损性能开展了实验研究。 考虑了机械力和摩擦热的作用,建立了氮化硅陶瓷球与8Cr4Mo4V钢的热弹性点接触模型,基于共轭梯度法求解了模型的表面压力矩阵,通过傅里叶积分变换求解了模型的弹性位移、次表面应力和表面稳态温度的频域解,通过影响因子矩阵转换算法求解了与表面温度、应力和位移的影响因子矩阵,采用离散卷积求和快速傅里叶变换算法(DC-FFT)计算了热弹性场的数值解并且与有限元方法进行了对比,本模型精度更高,误差约0.03%。基于热弹性点接触模型分析了载荷、滑动速度、滑滚比对配副表面稳态温度场和次表面应力场分布规律的影响。 基于热弹性点接触模型求解的温度场结果,考虑温度对材料性能的影响,建立了氮化硅陶瓷球与8Cr4Mo4V钢配副的磨损模型,使用Fortran语言编写了UMESHMOTION磨损子程序,将实验得到磨损系数耦合于子程序中,模拟了不同载荷条件下的磨损过程,探讨了磨损量的变化规律,仿真发现,磨损初期,磨损趋势较快,随着距离的增加,磨损增大的趋势逐渐降低。通过实验与磨损仿真的结果对比发现磨损量变化的趋势吻合度较高,磨损量的平均误差为36%。 基于UMT-3摩擦磨损试验机,设计了航空发动机主轴轴承三种应用摩擦副的实验方案和加工工艺,开展了摩擦磨损性能实验,研究发现载荷和滑动速度对摩擦系数的影响呈非线性变化,与摩擦接触区的润滑状态、表面质量有关;载荷和温度的增加会使磨痕的表面质量下降;通过对比同等工况下8Cr4Mo4V球配副的摩擦系数,氮化硅陶瓷球配副的摩擦匹配性更好;在材料耐磨损性能方面:8Cr4Mo4V>G13Cr4Mo4Ni4V>40Cr Ni Mo A(镀银层)。

关键词： Ti-25Nb-3Zr-2Sn-3Mo合金   复合强化层   TiN/Sn颗粒增强涂层   梯度结构   腐蚀磨损   协同效应  

摘要： 新型β系钛合金由于其较高的比强度及出色的生物相容被广泛应用于骨科植入物,但耐磨性差的问题一直是制约钛合金种植体安全、有效和长期使用的瓶颈。在人体复杂环境下,长时间服役材料还会受到腐蚀磨损的相互作用进而降低植入材料的使用寿命。表面改性技术是提高耐磨、耐蚀性的一种有效手段。本文在室温下通过表面机械复合强化技术在Ti-25Nb-3Zr-2Sn-3Mo合金表层制备复合强化层,以期达到改善耐磨性的目的。研究分析了不同粉末配比（10%Sn,20%Sn,30%Sn,40%Sn）下复合强化层的形貌、组织结构、微观力学性能,探讨了复合强化层组织结构与性能之间的关系以及复合强化层的形成机制,并对比讨论了表面机械复合强化处理前后试样在不同载荷（2N、4 N）、不同介质（空气、SBF模拟体液）和不同电化学条件（开路电位、阴极保护、阳极腐蚀）下的摩擦学性能。主要研究结果如下:（1）复合强化层由表层TiN/Sn复合涂层和次表层的机械变形层共同组成;随着Sn含量的增加,复合涂层的厚度和粗糙度增大,而机械变形层厚度减小,10%-40%Sn涂层的厚度分别为8.08μm、14.05μm、18.33μm、23.55μm;不同粉末配比下制备的复合强化层的表面硬度较基体而言均明显提高,10%-40%Sn涂层的表面硬度分别为590 HV、529 HV、465 HV、400 HV;微米划痕测试表明复合强化层与基体结合良好。（2）电化学测试和浸泡腐蚀结果表明,复合强化试样的耐蚀性随着Sn含量的增加而提高;相比于Ti-25Nb-3Zr-2Sn-3Mo合金基体,复合强化层的耐蚀性能下降,但腐蚀倾向降低,耐蚀性能的下降归因于球磨过程中严重塑性变形所导致的表层位错缺陷密度增加,这为腐蚀介质的进入提供了更多的通道。（3）在相同磨损条件下,复合强化试样的摩擦系数和磨损量相比于原样均降低,复合强化层的形成起到一定的减摩和抗磨作用。在空气和SBF模拟体液中,复合强化试样的耐磨性均随着Sn含量的增加呈先提高后下降的趋势;不同的是,在干磨损和阴极保护下,Sn含量为20%的样品耐磨性最好,而在开路电位和阳极腐蚀条件下,Sn含量为30%的样品耐磨性更好。（4）在干磨损试验中,原样的磨损机制为以粘着磨损为主,同时伴随磨粒磨损,复合强化样的磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损,同时伴随氧化磨损。与干磨损试验相比,原样及复合强化样在SBF模拟体液中由于液体的润滑作用,摩擦系数降低且相对稳定。（5）对原样及复合强化样而言,腐蚀磨损过程中纯机械磨损所带来的体积损失（VW）在腐蚀磨损分量中占据主导作用,腐蚀磨损协同效应引起的体积损失（VS）随着Sn含量的增加而减小;且腐蚀磨损协同效应中磨损对腐蚀的促进作用（SC）及腐蚀对磨损的促进作用（SW）均随着载荷的增加而增大。

关键词： 铝-钢摩擦副   摩擦磨损   磨损机制   数值模拟  

摘要： 7×××系铝合金由于其高强度、低密度等性能优势,在轻量化与减少能源损耗等领域中得到了广泛的应用。然而,7×××系铝合金在特殊零件上并不能实现全面替代,且在铝合金温热成型等生产加工过程中也存在大量铝-钢摩擦副,从而显露出大量的铝-钢磨损问题。为了准确预测各种零件的磨损寿命,目前已吸引了大量学者对7×××系铝合金等材料的磨损行为进行研究。针对不同温热成型工艺中7A04铝合金与模具钢之间的磨损问题,本文开展了不同温度、载荷和滑动速度下7A04铝销-50CrMo4钢盘的干滑动摩擦磨损研究。首先,进行了7A04铝销-50CrMo4钢盘的快速磨损试验,对摩擦副两侧材料各自的磨损表面、磨损亚表层以及产生的磨屑进行分析,揭示不同状态下的磨损机制。然后,根据试验结果修正Archard磨损模型,利用ABAQUS有限元对修正模型进行模拟,并与试验结果比较验证。因为在生产与实际应用中,温度与载荷、滑动速度等服役条件相互独立,并能为后续不同载荷与滑动速度的磨损分析建立基础。所以首先对室温至225℃下7A04铝销-50CrMo4钢盘摩擦副的摩擦磨损进行研究。结果表明,随温度升高7A04铝合金磨损率先降低后升高,降低原因是形成了高硬度的机械混合层,升高原因是基体开始软化并萌生微裂纹;50CrMo4钢磨损率随温度升高先升高后降低,其主要原因是磨粒磨损强度先增加后减少,其亚表层硬度也得到了提高。研究表明温度升高对摩擦副磨损的影响主要体现在对材料性质的改变,从而影响磨损机制。7A04铝销的磨损机制始终以磨粒磨损为主,而50CrMo4钢盘的混合磨损机制中剥层磨损逐渐消失。此外,根据材料表面黏着情况,修正模拟磨损进行验证,最终模拟结果与试验结果相符。然后在不同温度的研究基础上,进行了100 N至300 N载荷下7A04铝销-50CrMo4钢盘的摩擦磨损研究。结果表明,随载荷增大7A04铝合金磨损率升高,主要原因是严重磨粒磨损使其无法形成耐磨的机械混合层;50CrMo4钢磨损率随载荷增大而出现小幅度波动,主要影响因素是磨粒磨损的程度以及塑性变形和动态再结晶对亚表层性能的改变。研究表明载荷对摩擦副磨损的影响主要体现在磨粒磨损效应上,7A04铝销磨损机制为磨粒磨损与剥层磨损,50CrMo4钢盘的混合磨损机制中剥层磨损逐渐转化为剥落磨损,磨粒磨损程度大幅提高。不同载荷下有限元模拟后的结果符合试验结果。最后在不同温度与载荷的研究基础上,进行了30 r/min至150 r/min滑动速度下7A04铝销-50CrMo4钢盘摩擦磨损研究。结果表明,7A04铝合金磨损率随滑动速度增大而减小,主要得益于机械混合层的保护以及塑性变形层的强化;随滑动速度的增大,50CrMo4钢磨损率整体呈下降趋势,主要原因是磨屑形态发生改变对磨粒磨损产生影响以及塑性变形强化了材料表面。研究表明,滑动速度对摩擦副的影响不单体现在材料表面性质的改变上,还体现在磨屑磨粒形态的改变,7A04铝合金磨损机制几乎不变,50CrMo4钢的混合磨损机制中剥层磨损逐渐转化为剥落磨损。此外,不同滑动速度下有限元模拟后的结果同样符合试验结果。

关键词： 骨钻削   刀具磨损   钻削状态监测   小波包分析   双向长短时记忆网络  

摘要： 随着信息技术的发展,骨切削技术在临床应用上突飞猛进。骨切削过程中如果使用创伤较小的手术刀具,细胞活力得到保留,可加速患者术后康复。骨钻削作为骨切削过程主要形式之一,钻头的磨损加剧了其与周围骨组织之间的摩擦,导致较高钻孔温度和钻削力的产生,造成骨组织及其周围组织的严重损伤并影响病人术后的康复效果。因此,搭建骨材料钻削过程刀具磨损状态监测实验平台,监测骨材料钻削过程,构建深度学习模型对骨材料钻削过程刀具磨损程度进行分类,对骨科手术技术发展及相关设备的开发具有重要意义。本文研究内容主要分为以下四个部分:(1)研究骨材料的结构组成、材料特性、力学特性;分析骨材料钻削过程刀具磨损机理,及分析骨材料二元切削机理;建立横刃及主切削刃力学模型。(2)建立骨材料钻削过程刀具磨损状态监测实验平台,采集骨材料钻削过程三个方向力信号及振动信号。综合真实手术应用手持骨钻相关参数,分析不同进给速度及转速对轴向力的影响,确定构建骨材料钻削过程刀具磨损数据集钻削参数;根据钻削轴向力变化划分骨材料钻削过程的不同阶段。(3)构建骨材料钻削过程刀具磨损数据集,采集钻削过程力信号及振动信号,将每次钻削前刀具后刀面磨损量作为标签。提取时域特征、频域特征及时频域特征制备特征向量,通过小波包分析对时频局部化特征进行分析,并根据特征间皮尔逊相关系数删除部分相关性极强的特征。(4)研究骨材料钻削过程刀具磨损状态识别方法,基于BI-LSTM双向长短时记忆网络构建刀具磨损程度识别模型,并引入多头注意机制对重要特征进行筛选,得到ABI-LSTM模型并调节超参数,与SVR、RNN及CNN模型进行性能对比,并基于ABI-LSTM模型构建骨材料钻削过程刀具磨损状态监测系统。

关键词： 碳纤维复合材料   有限元分析   铣削力   刀具磨损   表面质量  

摘要： 碳纤维复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer,CFRP)经过几十年的发展,其应用越来越广泛,由于其质量轻、比强度和比模量高、耐腐蚀等特性因而广泛应用于普通日用品、汽车、高铁、航空航天等各个领域。模压成型得到的CFRP构件需经过铣削加工才能达到精密设备的尺寸和装配精度要求,由于CFRP本身各向异性,导致材料在铣削时容易出现严重的表面损伤,影响材料的服役寿命,为提高CFRP铣削加工后的表面质量,增加其在服役期间的可靠性,因而进行碳纤维复合材料铣削加工及刀具磨损研究,本文主要研究内容如下:(1)以双参数弹性地基梁理论为基础,从前刀面切屑区、后刀面回弹区以及刀尖纤维断裂区三个区域建立微观尺度下单纤维铣削力模型,推导从微观尺度下单纤维铣削力到宏观尺度下铣削力预测模型,研究未切削材料厚度对铣削机理和材料表面质量的影响。结果表明:未切削材料厚度的值越小,加工材料表面越容易生成毛刺,且纤维中最大拉伸应力出现的位置也受未切削材料厚度的影响。(2)进行CFRP本构模型及损伤理论研究,建立碳纤维、树脂材料的本构模型,选用三维Hashin准则作为失效准则,用脚本程序直接进行CFRP层合板几何模型的建立,以便可以快速地修改层合板的纤维角度。通过仿真分析不同的纤维角度以及切削参数对铣削力、Mises应力、纤维损伤的影响。结果表明:CFRP层合板因纤维角度的不同其失效形式也不同,Mises应力、主切削力的大小在纤维角度为90°时达到峰值,且Mises应力的延伸方向受纤维角度的影响。(3)对单向的CFRP层合板进行铣削力试验,采用单因素法设计试验方案,研究各加工参数、纤维角度()对铣削力数值、主切削力波动情况的影响以及对层合板表面质量的影响。通过铣削试验得出径向力与纤维角度呈正相关,在<90°时主切削力与纤维角度呈正相关,而当>90°时主切削力与纤维角度呈负相关。径向力与主切削力随着切削速度的增加而减小,随着切削厚度、每齿进给量的增加而增大。主切削力的波动幅度在=0°时达到最大,纤维角度越靠近90°,主切削力的波动幅度越小,这也是造成纤维角度为90°时主切削力最大而加工表面质量最好的主要原因。采用正交试验法分析各个参数对铣削力影响的权重,得出在0°到180°范围内,对主切削力影响最大的是纤维角度,其次是切削厚度。并使用多元线性回归方法推导出铣削力经验公式,经过回归显著性分析表明经验公式拟合度较优。(4)进行刀具磨损试验研究,分析不同刀具在铣削时的磨损机理以及对材料表面质量的影响,结果表明硬质合金刀具主要发生磨粒磨损、黏结磨损、氧化磨损,Ti Al N涂层刀具主要发生磨粒磨损、黏结磨损、涂层剥落、氧化磨损,PCD刀具主要发生基体剥落、刃崩、氧化磨损。三种不同材质刀具的后刀面磨损值与铣削长度之间呈正相关,且PCD刀具的磨损量最小,铣削的材料表面质量最好、毛刺数量最少。Ti Al N涂层刀具在铣削长度为10.4m之前,其磨损量小于硬质合金刀具,而当铣削长度大于10.4m时,其磨损量反而大于硬质合金刀具。

关键词： Tools  

ISBN: (纸本)9787576323085

关键词： GH4169   凹坑微织构   刀具磨损   磨损模型  

摘要： 镍基高温合金GH4169具有高强度、高硬度、耐腐蚀以及耐高温等优秀的性能,通常会被用来制作耐高温和耐磨的零部件。GH4169是难加工的材料,使用普通的刀具进行切削时,往往会在短时间就造成严重的磨损,甚至崩刃等情况。为了能够在切削镍基高温合金时减少刀具磨损,本文设计加工出了凹坑微织构刀具。刀具的磨损的测量需要通过试验测量,较为麻烦,因此本文在汽雾冷却条件下采用凹坑微织构刀具对镍基高温合金进行磨损仿真分析和切削试验,结合试验与仿真构建出凹坑微织构刀具的磨损预测模型。具体研究内容如下:(1)依据仿生学的原理在硬质合金刀具前刀面设计出圆形凹坑和方形凹坑的微织构。通过对微织构刀具发生磨损区域的分析,设计出合理的微织构面积以及微织构参数取值范围,并加工硬质合金微织构刀具。(2)针对设计的凹坑微织构刀具使用DEFORM软件在汽雾冷却条件下进行切削仿真,并根据仿真结果分析微织构形貌对刀具磨损的影响。在其他微织构参数一定的条件下改变凹坑微织构的凹坑深度和凹坑边长,通过仿真结果得到微织构刀具前刀面磨损量达到最小时的微织构参数。在切削深度和进给量一定情况下,改变切削速度对方形凹坑微织构刀具进行切削仿真,分析切削速度对微织构刀具磨损的影响。(3)构建无织构刀具的粘结磨损、扩散磨损以及磨粒磨损的经验模型,然后采用仿真得出的凹坑微织构刀具的数据,分析微织构参数与磨损模型之间的关系,从而构建出体现凹坑边长或凹坑直径的凹坑微织构刀具的粘结磨损模型及体现凹坑深度的凹坑微织构刀具的磨粒磨损模型。最后根据仿真的数据通过Matlab软件拟合求解出经验模型中未知参数。(4)采用凹坑微织构刀具进行切削试验,通过试验设备测量得到切削力和切削温度等数据。用微元法计算凹坑微织构刀具的磨损面积,以此验证凹坑微织构刀具的磨粒磨损、粘结磨损的预测模型。

关键词： RV减速器   磨损   形变   中间变量   精度损失  

摘要： RV减速器作为机器人的核心部件,其传动精度决定了整个传动系统的综合性能。磨损与形变作为机械传动不可避免的损伤,将严重影响减速器传动精度以及使用寿命,且磨损与形变在传动过程中的相互影响,让两者的作用效果多变,使得传动精度优化十分困难。现有研究在分析磨损与形变对RV减速器传动精度的影响时,大多将两者进行单独研究,只考虑磨损或形变,分析不全面,不足以准确反映减速器传动精度的实际情况。为此,本文围绕RV减速器重要性能指标—传动精度,通过理论分析、力学仿真以及传动精度实验,在同时考虑磨损与形变的前提下,分析不同磨损量与形变量对传动精度变化影响,主要研究内容如下: (1)建立RV减速器传动精度模型。利用集中参数法建立RV减速器等价力学模型,在综合考虑基础误差与形变所造成的微位移后,利用力与力矩的平衡关系,建立了RV减速器传动精度模型。采用中间变量法,通过改变扭矩获得不同的形变量,从而分析了不同形变量对减速器传动精度损失的影响情况,并针对主要啮合部位进行了啮合力分析。结果表明,形变所造成的影响使得误差整体趋势变大,而精度损失量与扭矩增量不成线性关系。50 Nm至200 Nm扭矩作用下,减速器传动精度由21''降低至27'',精度损失量达到6''。各级传动机构中摆线轮与针轮间总啮合力最大,曲轴与摆线轮次之,太阳轮与行星轮最小。 (2)利用虚拟样机技术分析磨损对传动精度损失的影响规律。根据Archard公式计算了摆线轮的磨损量及其分布情况,通过虚拟样机技术建立了RV减速器三维模型。依照摆线轮磨损情况,通过修改摆线轮齿廓大小,模拟齿轮不同的磨损情况。采用ADAMS软件,通过控制变量法,探究不同磨损量作用下,RV减速器传动精度损失的变化规律。结果表明,磨损量较小时,精度损失量与磨损量关系呈现近线性,磨损量由0.02 mm增加至0.1 mm,传动精度由17'降低至21',精度损失量为4''。摆线轮的磨损将影响RV减速器内部其他零件的基础误差,随摆线轮磨损量增大,其他零件基础误差对整机传动精度影响变大。 (3)考虑磨损与形变的RV减速器传动精度仿真与实验。利用ANSYS软件对不同磨损情况的虚拟样机模型进行柔性化,实现磨损与形变的共存。采用ADAMS软件,通过控制变量法,控制磨损量与形变量,其中形变量控制以中间变量法完成,通过改变扭矩实现。探究不同磨损与形变共同作用下RV减速器传动精度与精度损失变化情况,最后,搭建了RV减速器综合性能检测平台,对仿真结果进行验证。结果表明,由80 Nm-0.1 mm的工况改变至400 Nm-0.5 mm的工况,精度损失量分别为5''、7''、6''、7'',传动精度降低了25''。形变增加相较磨损增加,能显著增大减速器内部其他零件基础误差对传动精度的影响。