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关键词： 立铣刀   小切深   磨损量   PSO-BP监测模型  

摘要： 在半精铣削、精铣削加工过程中,铣刀的磨损会导致工件表面的最终质量降低。铣刀磨损了就需要被更换,换早了则浪费铣刀的铣削能力,换晚了则被加工表面的粗糙度达不到设计要求。有关刀具磨损监测的研究有很多,但尚未有专门针对小切深铣削条件下的立铣刀磨损量监测的研究,故本文在小切深铣削条件下,采集立铣刀铣削过程中的各种信号来实现立铣刀的磨损量监测。搭建实验平台进行立铣刀小切深铣削实验,在铣削过程中采集振动、电流等信号,在每次铣削完后测量铣刀的磨损量。提取所采集的信号的时域和频域特征,还提取小波分解后的各频段能量值作为时频域特征。筛选出与磨损量相关性高的特征组成融合特征向量,作为模型的输入。建立基于BP神经网络和PSO-BP网络的立铣刀小切深磨损量监测模型。PSO-BP监测模型的测试集的平均相对误差为4.36%,比BP神经网络监测模型的平均相对误差低1.87个百分点,说明PSO-BP监测模型在监测立铣刀小切深磨损时的准确性优于BP神经网络。从实际应用角度考虑,为了降低成本和降低对加工过程的影响,将采样频率设为中等频率,用立铣刀铣削不同工件材料,分别建立PSO-BP铣刀小切深磨损量监测模型。验证了在中等采样频率和较少样本的情况下依旧可建立具有较高的监测精度的模型。最后,提出适合立铣刀小切深铣削的磨损判据,设计磨损量监测流程,用于实时监控各种数据和换刀提醒。

关键词： 纳米孪晶金刚石刀具   表层材料   去除机理   耐磨损特性  

摘要： 纳米孪晶金刚石的硬度和断裂韧性均高于单晶金刚石，是切削刀具、高压物理等领域的理想材料。纳米孪晶金刚石在压缩、断裂、压痕作用下的力学性能和变形机理研究已取得显著成果。然而关于纳米孪晶金刚石刀具制造中的表层材料去除机理及其耐磨损特性还未开展深入的研究，为了从原子尺度分析纳米孪晶金刚石独特的晶体结构在不同形式载荷作用下的微观变化机制，本文采用分子动力学模拟方法，对比单晶金刚石研究了纳米孪晶金刚石在纳米刮擦条件下的表层材料去除以及纳米切削中纳米孪晶金刚石刀具的磨损过程。　　首先，基于分子动力学的计算原理，建立了金刚石磨粒纳米刮擦纳米孪晶金刚石和纳米孪晶金刚石刀具切削单晶碳化硅的计算模型，并选择合适的积分算法、势函数和边界条件等参数。针对纳米孪晶金刚石的各向异性，建立了典型晶体取向的纳米孪晶金刚石工件和刀具。　　其次，在纳米刮擦中系统研究了切屑和亚表面损伤的形貌、温度、应力分布、亚表面损伤的形成过程和塑性变形机理。与单晶金刚石相比，纳米孪晶金刚石的塑性变形更为明显。单晶金刚石的主要位错为全位错，位错滑移平面是与刮擦方向倾斜的{111}面，然而纳米孪晶金刚石的主要位错类型为肖克利分位错，且位错仅沿着平行于孪晶面的{111}面滑移。此外，在亚表面损伤形成过程中，除原子非晶化外还可以观察到退孪晶现象。　　最后，在纳米孪晶金刚石刀具的纳米切削中，分析了刀具磨损形貌、磨损率、非晶化过程和切削过程中刀具应力、温度的演化，以及探究了不同晶体取向与不同孪晶界分布位置对刀具磨损率的影响。孪晶界不影响刀具的非晶化过程，即完美晶体结构转变为非晶态sp3杂化原子结构，继而转变为非晶态sp2杂化原子结构。非晶态sp2杂化结构的一部分原子转变为sp1杂化结构并脱离刀具，另一部分原子直接以sp2杂化结构脱离刀具。纳米切削中金刚石刀具原子的非晶化过程主要由应力诱导而非温度。随切削深度增加金刚石刀具磨损率也呈现增加趋势。上述研究结论可以为纳米孪晶金刚石材料在切削刀具制造和刀具切削性能方面的应用研究提供理论支持。

关键词： γ-TiAl合金   本构模型   scCO2-MQL技术   刀具磨损   切屑形态  

摘要： γ-TiAl合金具有高温抗蠕变、高弹性模量的特点,且因重量轻,具有较高的比刚度和比强度。γ-TiAl合金优良的物理特性使其在航空领域中的发动机叶片以及气压机定子挡风板等关键零部件有重要应用。然其性能也导致γ-TiAl合金加工性能较差。加工时易生成针状切屑,且切削刀具会在加工中产生严重的粘结,产生高的切削力,这导致了刀具的加速失效。为解决刀具磨损严重的问题,本文进行γ-TiAl合金力学性能研究,结合切削仿真及γ-TiAl合金铣削试验,研究切削过程的切削力,同时分析超临界二氧化碳低温微量润滑(scCO-MQL)条件下的刀具磨损情况,并对切屑形态进行讨论。研究内容主要包括以下几方面:首先,进行γ-TiAl合金的力学性能研究。通过压缩试验机,进行准静态压缩试验,使用霍普金森压杆装置进行不同温度及应变率的动态压缩试验。分析其力学性能变化趋势,同时采用线性回归方法,将数据进行拟合,以获取该合金的J-C本构模型。其次,基于获取的本构模型,使用ABAQUS软件,建立γ-TiAl合金的有限元仿真。通过进行γ-TiAl合金的干切削铣削试验,针对加工过程中的切削力和切削振动进行分析。并且,对比仿真及试验结果的切削力,比较切屑形态,用于验证所拟合出的本构模型。最后,针对γ-TiAl合金切削时严重的刀具磨损问题,开展超临界CO-MQL下的铣削研究。采用干切削对照的方式,对刀具磨损机制进行具体对比阐述。讨论不同加工条件及切削参数对于磨损情况和切屑形态的影响,为γ-TiAl合金的高效铣削提供参考。

关键词： 钛合金   机械合金化   电化学腐蚀   摩擦磨损性能   生物相容性  

摘要： 钛及钛合金具有良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性等优点,已经被广泛用于制作种植体和其他牙科修复体。最早应用于牙科领域的Ti-6Al-4V合金在服役中释放的铝离子和钒离子具有生理毒性,会引起炎症、疼痛等不良反应。Nb作为β稳定元素,对钛合金有固溶强化作用,不仅可以提高钛合金的强度,而且可以提高钛合金的耐蚀性与生物相容性;Sn作为常用的中性元素,常和其他元素同时加入,起补充作用。选择合金元素Nb和Sn,设计新型牙科合金,有望提高合金的耐蚀和耐磨性能。本文通过机械合金化结合模压烧结方式制备Ti-Nb-Sn牙科材料,并用Ti-6Al-4V合金作为对比材料,首先研究高能球磨工艺对Ti-13Nb-5Sn混合粉末特性、材料微观组织、耐蚀性与耐磨性的影响规律;然后在最佳球磨时间下,研究Nb对钛合金微观结构、腐蚀行为、摩擦学性能和生物相容性的影响规律及机理。随着球磨时间从3 h增加到48 h,Ti-13Nb-5Sn混合粉末分布均匀,Nb扩散于Ti晶格中形成Ti(Nb)置换固溶体,Sn充分扩散到Ti和Nb的晶格中,产生Ti(Nb Sn)固溶体;Ti-13Nb-5Sn合金相对密度逐渐上升,等轴组织逐渐转变为魏氏组织。球磨48 h后,合金在人工唾液中具有更高的腐蚀电位(E)、更低的腐蚀电流密度(I)、更大的极化电阻(R)以及更宽的钝化区间(ΔE),表现出更好的耐腐蚀性;合金具有更高的硬度,更低的摩擦系数,更小的磨痕深度和磨损率,表现出更好的耐磨性。微观组织研究表明Ti-Nb-Sn合金由α相和β相组成,随着Nb含量从13 wt.%增加至25 wt.%,主峰由α-Ti逐渐转变为β-Ti,魏氏组织逐渐转变为针状组织且出现纯β区。电化学测试表明,在人工唾液和酸性人工唾液溶液中,Ti-Nb-Sn合金表现出相似的电化学行为,说明酸性环境对合金的影响不大;极化曲线表明Nb的添加有利于增强合金耐腐蚀性,莫特肖特基曲线说明Nb可以提高合金钝化膜的稳定性,交流阻抗谱显示Nb含量越多,合金近电容性响应特征越明显,X射线光电子能谱表明合金表面生成Ti O、NbO和Sn O等钝化膜。随着Nb含量的增加,Ti-Nb-Sn合金由亲水性转变为疏水性,进一步验证Nb含量的增加有利于提高合金的耐腐蚀性能。Ti-Nb-Sn合金晶界随着Nb含量增加由棒状逐渐变为条状α相,晶内面积逐渐增加,合金的相对密度和硬度呈下降趋势。摩擦磨损测试表明,在空气与人工唾液介质中,合金的摩擦系数均呈上升趋势,但湿摩擦系数平均值较低,表明人工唾液具有很好的润滑效果;磨痕微观形貌表明合金的磨损机理主要为磨粒磨损与粘着磨损,但湿摩擦磨损程度较轻且具有较低的磨损率。细胞在Ti-25Nb-5Sn合金表面黏附与铺展,且Ti-13Nb-5Sn和Ti-25Nb-5Sn两种合金的细胞活力均高于对照组,说明Ti-Nb-Sn合金有利于细胞增殖和生长,具有良好的体外细胞相容性。

关键词： 固态硬盘   RAID   负载均衡   磨损均衡   数据交换  

摘要： 基于闪存芯片的固态硬盘由于其性能优势,逐渐替代机械硬盘成为了主流存储设备。但是闪存芯片只能承受有限次的擦除操作,过多的擦除操作会带来大量的磨损,不但会使固态硬盘的数据可靠性变差,还会降低固态硬盘的使用寿命。于是RAID(Redundant Arrays of Independent Disks,独立磁盘冗余阵列)机制被应用在固态硬盘上以提高其系统级的可靠性,其通过为每个条带维护一个校验块来保证数据的可靠性,当固态硬盘因损坏而造成数据丢失时,RAID机制能够及时有效地对丢失的数据进行恢复。支持RAID的固态硬盘在进行数据更新时,不但要更新数据块,还需要更新同一条带的校验块,这一操作将会产生大量的校验块更新,且新数据必须写入原数据所在的通道,所以会导致固态硬盘的各个通道间出现磨损程度与I/O负载程度不均衡的现象,进而使固态硬盘寿命下降并降低其I/O性能。因此,如何提高固态硬盘内各通道间的均衡性,显得尤为重要。针对上述问题,本文完成了以下工作:首先,研究了固态硬盘内部的不均衡状况,并验证了部分数据块会比校验块产生更多的更新操作,为本文提供动机。随后针对各通道间的均衡性,设计了一个用于评估固态硬盘内各通道间均衡程度的数学模型。模型综合考虑了多项相关指标,用于判断当前固态硬盘内部各通道间是否处于均衡状态,并对系统的不均衡程度进行了量化,为数据交换操作提供了指导与依据。其次,针对固态硬盘内部磨损和负载不均衡的现象,本文提出了基于页交换的磨损与负载均衡优化机制。当数据更新请求到达时,综合考虑数据块和奇偶校验块的访问热度,以及各通道间的磨损和负载程度,由此选择合适的数据交换模式。经过所建立的数学模型进行评估,当固态硬盘各通道间的均衡程度能够有所改善时进行数据交换操作。通过对各通道情况及数据本身情况的综合考量,将磨损或负载情况较重的通道内的部分磨损和负载转移至程度更轻的通道内,以此实现负载与磨损均衡,达到提升固态硬盘使用寿命,降低系统I/O响应时间的目的。最后,为了验证所提出的优化机制的有效性,本文在SSDSim模拟器上使用真实数据集获取了本机制的实验结果,并与相关工作进行了对照。实验结果表明,所提出的机制不仅能够有效地提高固态硬盘内部各通道间负载的均衡性,降低系统的I/O响应时间,还使固态硬盘内部各通道间的磨损程度更为均衡,延长了固态硬盘的使用寿命。

关键词： 绝缘轴承   绝缘性能   磨损缺陷   冲击力   轴电压  

摘要： 轴承在应用于轨道交通电机、风力发电机、矿用变频电机等大功率变频电机中时,由于电机磁路不平衡、电枢电流存在高次谐波等原因,会在电机轴的两端产生轴电压,当轴电压达到一定程度,击穿轴承油膜形成轴电流,导致轴承出现轴电流损伤。在轴承外圈表面喷涂绝缘材料制成绝缘轴承可有效抑制轴电流,是减缓轴电流损伤的有效方法,但在轴承运行一定时间后,轴电流损伤仍会出现,尤其在轴承长期负载外滚道磨损后更为明显,但是绝缘轴承外滚道磨损影响其绝缘性能机理不清。针对上述问题,论文开展了绝缘轴承外滚道磨损对其绝缘性能影响机理的研究,为提升绝缘轴承绝缘性能的设计、制造提供理论依据,为进一步抑制轴电流损伤提供支撑,具有重要意义。论文具体研究内容与研究结果如下: (1)轴承外滚道表面疲劳磨损冲击力模型构建。根据轴承外滚道疲劳磨损缺陷特点,建立缺陷几何模型,结合Hertz接触理论,构建了干摩擦和油膜润滑状态下磨损冲击力模型,研究了载荷、转速等工况及磨损缺陷边缘曲率对冲击力的影响规律,结果表明,冲击力随载荷、转速的增大而增大,随缺陷边缘曲率增大呈先迅速降低后略增大的趋势;干摩擦状态下最大冲击力总大于油膜润滑状态。 (2)磨损冲击力对涂层绝缘性能影响研究。根据绝缘涂层的结构特点,构建冲击应力波在涂层的传播模型,计算涂层界面应力与应变量大小,建立绝缘涂层等效电路模型,研究不同工况下冲击应力对涂层等效电阻和等效电容的影响规律,结果表明,不同载荷、转速工况下,微磨损引发的最大冲击力对涂层等效电阻和等效电容的影响非常小。 (3)磨损冲击力对润滑油膜绝缘性能影响研究。基于中心油膜厚度计算方法,计算冲击力作用下油膜厚度,分析在不同工况下油膜厚度对等效电阻和等效电容的影响,建立油膜等效电路,计算并分析油膜分压和耐压的变化规律,结果表明,在高频轴电压下,油膜分压随载荷增大而降低,随转速增加而升高,缺陷处油膜耐压值比分压值低,从而在缺陷边缘处产生放电击穿。 (4)针对以上研究进行实验平台搭建,通过加模拟轴电压对健康、缺陷轴承进行实验测试,并与理论值进行对比分析,验证了理论模型的合理性。

关键词： 激光熔覆   表面改性   铁基合金   微观组织   耐磨性能  

摘要： 通过表面耐磨涂层、表面处理和后处理等来改善金属合金材料的摩擦磨损性能具有重要经济和社会价值,因为当今世界中能源储备量不断减少、不可再生的材料资源紧缺以及环境问题逐渐突出。在某些特定摩擦工况下,摩擦部件本身不仅要具有抗磨减摩性能,还要保证对磨件有良好的磨损情况。针对这些问题,本文以40Cr钢作为基体材料,设计了铁基Ni/MoS2与Cu自润滑涂层,研究了不同固体添加量对涂层物相、组织结构、显微硬度的影响,在模拟轮胎硫化工况下进行了摩擦磨损试验,研究了改性涂层保护对磨件不被磨损的作用机理,分析了铁基涂层渗硫、深冷处理以及热处理后的摩擦磨损性能。主要工作如下:(1)研究了熔覆层的微观组织和显微硬度受Ni/MoS2与Cu材料配比的影响。设计了五种新型合金粉末(C1:FeCrNiMo、C2:FeCrNiMo+10 wt.%Ni/MoS2、C3:FeCrNiMo+20 wt.%Ni/MoS2、C4:FeCrNiMo+20 wt.%Ni/MoS2+10 wt.%纳米铜和 C5:FeCrNiMo+20 wt.%Ni/MoS2+10 wt.%微米铜),其中C1铁基涂层的主要相成分为马氏体、残余奥氏体、M7C3硬质碳化物相,固溶体。由于Ni是形成并稳定奥氏体的元素,它具有扩大奥氏体相区域的作用,因此添加Ni/MoS2后涂层中奥氏体含量增多,硬度下降。MoS2可以消除铁基涂层中的硬相,原位生成CrxSy自润滑相,这有助于减少对磨件的磨损。微米铜在涂层中形成大颗粒的明亮相,纳米铜则会溶解在晶粒中。(2)研究了所制备铁基复合涂层在模拟轮胎硫化工况下的摩擦磨损规律。与对磨件(轮胎模具40Cr氮化层)模拟硫化条件下进行摩擦磨损试验中发现,五种涂层中C4与C5涂层中的软金属Cu与CrxSy协同作用,在摩擦界面生成完整的润滑膜,使摩擦副形成一种“硬—软—硬”层状的结构,从而避免40Cr渗氮层的磨损,耐磨性优于原始设计中使用的铜基耐磨板。(3)研究激光熔覆铁基涂层不同后处理工艺对其组织和耐磨性的影响。采用CETR UMT-2球对盘磨损试验机进行了 25℃、20N载荷下1h的干滑动磨损试验,经测试表明,通过试验表明几种后处理工艺可有效提高涂层的耐磨性。。在相同的磨损条件下,渗硫具有最小的磨损体积,仅为铁基涂层的27%,其摩擦副表面存在一层润滑膜。深冷处理后磨损体积较原铁基涂层降低66%,深冷处理后的试样基体中弥散分布着大量的微细碳化物。在磨损过程中,这些弥散的“铆钉”不易脱落,材料的稳定性和承载性大大提高。随着热处理温度的提高,涂层抗磨损能力不断提高,磨损体积逐渐减小,磨损表面更加光滑。

关键词： 滑雪板   碳纤维   缝合   摩擦磨损性能   分形理论   粗糙表面  

摘要： 碳纤维增强复合材料因具有出色的比强度、比刚度、比模量、疲劳强度大等优良性能而广泛应用于航空航天、汽车、建筑、生物医学等工业领域,近年来在体育器材领域的应用也日益增长。碳纤维复合材料在应用过程中会和其他装配件产生摩擦磨损,同时复合材料层合结构层间结合性能较弱,遇到外力作用时常容易产生分层破坏。如何抑制分层,并且提高其抗摩擦磨损性能成为该领域研究的重点问题。 本课题通过对不同缝合密度、不同缝合方向的正交对称铺层的碳纤维布进行缝合,采用树脂传递模塑成型工艺对缝合碳纤维铺层织物进行固化成型。通过对复合材料表面硬度、相同载荷及不同载荷下不同缝合参数的复合材料摩擦系数、复合材料表面磨损率的测量,以及对其表面形貌的观察,分析不同缝合参数的碳/环氧树脂缝合复合材料的摩擦磨损性能,结果表明,在载荷为40N时,缝合方向为45°时,缝合密度为10 mm×10 mm的试样耐磨效果最差,而在缝合方向为0°和90°时,此缝合密度下的耐磨性能更好;在缝合密度为5 mm×5 mm,载荷为40 N,在缝合方向为45°时,线数量为1股的试样耐磨效果更好,在其余缝合方向时,缝线数量为2股的试样耐磨效果更好;在缝合方向为0°、45°和90°时,最终摩擦系数都极为接近,其中缝合方向为45°和90°时,最终摩擦系数都在0.30到0.35之间波动,而缝合方向为0°的三种试样,最终摩擦曲线仍呈现相交的趋势。 碳纤维复合材料在滑雪板等体育运动器材领域的应用呈现涨势,其在与雪地接触的运动过程中的摩擦磨损性能是衡量滑雪板性能的一个重要指标。本课题基于碳纤维缝合铺层复合材料的摩擦磨损性能的基础上,通过W-M分型函数,使用Matlab软件建立二维及三维粗糙表面的轮廓,探究不同分形维数对粗糙表面轮廓的影响。提取三维粗糙表面轮廓的点云坐标,使用Solidworks软件进行拟合得到双粗糙表面模型,将其导入Abaqus软件中进行有限元分析,完成了双粗糙表面在不同的下压距离和不同的摩擦滑动速度,计算得到粗糙表面的应力场分布和变化状况。结果如下:通过对不同分形维数的上粗糙表面施加相同的位移载荷,上粗糙表面逐渐下压的过程中,上粗糙表面和下粗糙表面开始接触,双粗糙表面的距离减小会导致微凸体的接触变形增大,所以真实接触面积及总接触载荷都开始逐渐增大;对不同分形维数的双粗糙表面在滑动过程中的平均摩擦系数进行分析计算,当分形维数D=2.25时,摩擦力曲线和法向接触力曲线值最大,当分形维数D=2.20时,摩擦力曲线和法向接触力曲线值最小。

关键词： 激光熔覆   热力学计算   有限元仿真   Ni基涂层   原位TiC  

摘要： 以45钢为原材料的机械零部件的失效形式大部分发生在工作表面,采用激光熔覆技术在45钢表面制备原位TiC增强Ni基涂层,能够显著提高基体表面的性能,可在保证较低成本的前提下达到修复受损工作表面、强化表面质量的目的,满足工程领域的需求,大幅降低因零部件失效造成的经济损失,促进国家绿色可持续发展战略的实行。为在45钢基体上制备机械性能尤其耐磨损性能优异的Ni基涂层,本文开展了原位陶瓷颗粒增强Ni基涂层的热力学计算、不同工艺参数与不同石墨含量对激光熔覆涂层温度场及应力场的影响分析以及激光熔覆制备涂层的理化与耐磨损性能研究等,具体包括:基于热力学理论,计算了Ni60、Ti、C体系中可能的化学反应的生成焓变与吉布斯自由能。发现TiC、Ni Ti、FeTi、NiTi反应的生成焓变在50 K至2500 K内小于零,CrC和CrC反应的生成焓变在2500 K时分别为-175.23 k J和-1130.29 k J,在高温下均为放热反应。TiC、CrC、CrC反应的吉布斯自由能在2500 K时分别为-145.42 k J、-476.40 k J、-236.46 k J,在高温下化学反应能够自发进行,生成物能够稳定存在。基于有限元理论,完成了不同工艺参数与不同石墨含量的单道Ni基涂层的温度场及应力场的模拟仿真,揭示了不同因素对涂层的温度场及应力场的作用效果。发现激光功率的升高会导致涂层温度场及应力场的数值增长;扫描速度的增加会降低温度场的数值,使纵向温度场的等温线密集,降低基体表面的应力数值,增长涂层中间界面与涂层表面至基体底面的应力;添加石墨能微幅减小模拟涂层的温度数值,降低涂层熔覆区域的应力数值;模拟涂层峰值温度最低为2949 K,可满足涂层与基体的良好冶金结合。制备了原位陶瓷颗粒增强Ni基涂层,分析了不同工艺参数与石墨添加量对涂层的组织及性能的影响。发现激光功率、扫描速度和石墨添加量增加,组织晶粒减小,内生颗粒弥散分布在晶界处,抑制晶粒生长;随激光功率增加,涂层显微硬度增加,涂层表面摩擦系数增大,磨损率减小,激光功率为1600 W时,涂层硬度达到401.4 HV,较1200 W时提高了37.9%,磨损率为8.518×10 g/m,较1200 W时减少了11.5%;随扫描速度增加,涂层硬度增加,涂层表面的摩擦系数和磨损率减小,扫描速度为150mm/min时,涂层硬度达到416.5 HV,摩擦系数和磨损率为0.27和4.074×10 g/m,较50 mm/min时减少了42.6%和52.2%;随着石墨添加量的增加,显微硬度逐渐减小,涂层表面摩擦系数、磨损率明显降低,石墨添加量为0.7 wt.%的涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.25和3.333×10g/m,较未添加石墨涂层降低了46.8%和60.9%。