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关键词： 绝缘轴承   氮化铝薄膜   磁控溅射法   摩擦磨损性能  

摘要： 绝缘轴承作为电机中使用绝缘技术的关键部件之一，能够在高速、高温、高湿等恶劣环境下防止电流对轴承的腐蚀和损伤，提高电机的运行稳定性和可靠性，有效解决电机寿命缩短和性能下降问题。然而，传统绝缘轴承所采用的氧化铝涂层中往往存在着针孔状结构缺陷，影响轴承的绝缘性能与耐磨性能。氮化铝具有高硬度和良好的绝缘性能等特点，利用磁控溅射技术制备的氮化铝薄膜结构致密，因此可以被有效地用于替代氧化铝，从而显著提高轴承的绝缘性能。然而，目前对氮化铝薄膜的摩擦磨损机理研究较少，磨损去除机理尚不明确。本文采用射频反应磁控溅射法在 GCr15 轴承钢基体上制备氮化了铝绝缘薄膜，确定了不同溅射参数对沉积薄膜的晶体结构和表面形貌的影响。同时，通过摩擦磨损实验和有限元软件相结合，确定了氮化铝薄膜的摩擦磨损性能和磨损机理。　　通过控制沉积过程中射频功率、溅射气压、氮气浓度、Al 过渡层以及退火气氛等参数，研究了其对氮化铝薄膜晶体结构和表面形貌的影响。结果表明，适量提高射频功率有利于多晶薄膜的生长，但功率过高会导致晶粒尺寸不均匀，薄膜表面粗糙度上升。减小溅射气压则有利于(002)晶面的生长，而增大溅射气压则有利于(200)晶面的生长。氮气浓度的增加会使晶面取向由多晶面混合取向逐渐转变为(002)取向，但结晶质量逐渐变差。Al 过渡层可以降低薄膜表面的粗糙度并提高晶粒的均匀性。氮气退火可以进一步提升薄膜质量，其效果优于氩气退火。　　通过摩擦磨损试验机对制备的薄膜样品进行了实验，确定了单因素条件下工艺参数对氮化铝薄膜摩擦磨损性能的影响。研究结果表明：随着射频功率从 100W 增加到300W，摩擦系数逐渐下降，薄膜磨损率逐渐降低，随着功率的升高，氮化铝薄膜的晶粒尺寸逐渐减小、结晶质量提高、晶体取向由(200)晶面变为多晶面混合取向，提高了薄膜承受载荷的能力;当功率从300W上升到400W时，摩擦系数与薄膜磨损率上升，因为沉积速率过快会导致薄膜晶粒大小不一，使薄膜表面变得粗糙。在溅射气压为0.3Pa 时，摩擦系数和磨损率最小，因为低气压下薄膜更为致密、均匀;当溅射气压为0.4Pa 和 0.5Pa 时，摩擦系数和磨损率没有显著差异，因为薄膜晶粒尺寸相似、晶面取向相同;但当溅射气压为0.6Pa时，摩擦系数和磨损率均增加，因为气压过高导致薄膜表面粗糙度增加，且晶面取向趋向于载荷抵抗能力较弱的(200)晶面。氮气浓度升高会导致摩擦系数和磨损率上升，在氮气浓度为 50%时，出现了靶中毒现象，薄膜表面质量提高，晶面取向转变为混合晶面取向，薄膜的抵抗载荷能力也会增强;但当氮气浓度为 83%时，摩擦系数和磨损率显著上升，由于过高的氮气浓度，薄膜中氮元素含量偏高，容易在磨损中开裂脱落。过渡层的引入可以改善薄膜的应力状态并降低基底表面粗糙度，使晶粒更加细小均匀提高薄膜耐磨性能。真空退火会造成薄膜发生热分解，导致薄膜耐磨性能下降。在氩气气氛下退火可以提高薄膜表面质量和抵抗载荷能力，而在氮气气氛下退火则可以降低摩擦系数和磨损率。　　基于摩擦磨损实验数据，通过有限元软件建立了氮化铝薄膜的摩擦磨损模型，分析了氮化铝薄膜磨损去除的机理。在磨损过程中，薄膜会受到交变接触应力，逐渐形成裂纹并扩散，裂纹连通导致材料局部剥落。剥落的颗粒会随磨球的运动挤压撞击薄膜表面，进一步破坏薄膜。在裂纹扩散过程中，裂纹所在材料的等效受力面积会逐渐减小，引起拉应力和切向应力增加，当应力超过材料的屈服极限时，材料就会断裂剥落。此外，拉应力和剪切力还会导致断裂区域周围的晶胞发生塑性形变和滑移，从而使薄膜残留大量应力。

关键词： 电连接器   微动磨损   疲劳松弛   有限元   振动试验  

摘要： 电连接器作为装备系统中用于传递电信号的关键元器件,在各种应用场景中占有重要地位,接触件作为电连接器内部的核心组件,对电连接器的可靠性有着决定性影响。振动应力对接触件的电接触性能具有较大影响,是导致电连接器发生电接触失效的主要因素之一。因此,分析振动条件下电连接器的性能退化情况,对提高电连接器整体可靠性水平具有重要意义,可进一步提升装备系统服役时的稳定性和安全性。为此,本文选取接触件结构尺寸较大的YXXP圆形航天电连接器为研究对象,通过理论分析、仿真计算和振动试验相结合,研究其在振动条件下接触件微动磨损与插孔簧片疲劳松弛问题,为振动环境下电连接器的可靠性设计、优化提供参考。首先,基于Hertz接触理论,利用半无限大平面上受分布力作用的变形方法,引入第一类、第二类完全椭圆积分公式和接触变形协调方程,求解了接触椭圆面的长短轴参数,该理论结果与后续进行的有限元仿真、试验测试值具有较好的一致性。进而依据Holm电接触理论与GW接触模型,引入粗糙度表面密度与概率柱面函数,建立了接触电阻理论模型,分析了该模型中各变量对接触电阻的影响关系,并引入插孔簧片悬臂梁模型,建立了插孔簧片初始收口量(挠度)与初始接触电阻间的数学关系。通过正弦振动仿真,得到了不同振幅下接触件相对位移。设计并开展了正弦振动试验,监测并分析了接触电阻、插孔簧片对角距离(开口直径)、插头外壳加速度信号和插针接触表面微观形貌的变化情况,总结了接触电阻与微动磨损的变化机制,分析了振动条件下接触件的微动磨损机理。试验发现,在单向振动激励条件下,安装方向的不同对电连接器的性能退化有着极大的影响,其中横向布置的电连接器连接处卡口出现磨损,连接功能下降使得电连接器的电接触性能发生严重退化。并根据试验测试数据并结合初始接触电阻模型,给出了插孔簧片初始收口量的最优区间,为接触件的可靠性设计提供了参考。建立了考虑电连接器装配关系和接触件连接情况的有限元模型,利用Hyper Mesh联合ANSYS进行随机振动仿真分析,并等效合成不同振动量级下簧片根部的米塞斯应力功率谱密度。使用非均匀离散傅里叶逆变换,计算得到插孔簧片根部的时域载荷历程,根据随机载荷循环计数法,考虑插孔簧片根部预应力,建立了应力均值与应力幅值的二维联合概率分布函数和当量载荷模型,并基于Miner累积损伤理论,给出了插孔簧片根部随振动时间和不同振动量级的疲劳累积损伤情况。最后,设计并开展了电连接器随机振动试验,分析了簧片对角距离与疲劳累积损伤值的相关性;对金相组织进行测试发现,插孔簧片根部附近产生塑性变形,根部边缘材料出现不规则蠕动,且越靠近外侧蠕动趋势越强,由外向内逐渐减小,随试验时间的增加,这种变化趋势更为明显。

关键词： 架构创新   核心组件   变更预测方法   冲突解决原理   架构变更范围  

摘要： 随着我国制造业的不断发展,机械产品非线性、时变特性、开放性与功能耦合等重要特征日益凸显,在卫星、控制系统、飞机、架桥机等复杂系统中表现更为突出。在功能层次通过改变功能实现原理指导产品设计实现全局理想化会大大增加设计周期和成本。而架构创新在重用原有技术系统核心技术或原理的前提下,通过改变组件的结构属性、组合及交互关系,能够打破技术壁垒涌现出更高的性能,缩短开发时间,快速响应市场,节约成本的同时降低企业承担的风险。 架构创新的关键在于驱动因素的选择,以及架构变更范围的确定。本课题在前人研究的基础上,针对企业研发人员,面向潜在需求,在架构创新的驱动组件—核心组件的确定、核心组件自冲突识别与消除、架构变更范围的确定及后续改进四个方面展开研究,结合变更预测方法和TRIZ理论开发一套核心组件变更驱动的机械系统架构创新设计过程模型,并以DF900D导梁式架桥机的架构创新设计方案的生成验证了此模型的有效性。主要研究内容如下: 1.基于DSM模型表示技术系统物理架构,针对机械系统组件间连接类型的不同,根据变更传播可能性转化量表对直接变更传播可能性进行赋值,基于组件组合变更传播概率的计算方法确定各组件的耦合度,继而确定核心组件。基于图的深度优先搜索遍历过程和变更传播概率的计算方法对该过程进行算法设计与界面实现,以简化搜索与计算过程。 2.通过建立需求-工程参数关联矩阵进行核心组件目标判定与冲突解决图分析识别自冲突,引用发明原理进行冲突解决并提出变更方案。 3.建立客户需求、工程参数和产品组件的多域矩阵,识别核心组件变更引起的互冲突组件,并基于变更风险分析确定潜在高风险连接组件,将两者作为核心组件变更传播过程中的焦点组件,选择核心组件至焦点组件的最优传播路径,由此确定架构变更的范围;在该范围内基于TRIZ工具识别与解决由核心组件变更引起的交互关系的改变以及后续组件改进的问题。 4.构建核心组件变更驱动的机械系统架构创新设计过程模型,在该过程模型的引导下对DF900D导梁式架桥机进行创新设计,解决了隧前末孔架设困难和整机过隧效率低的问题,验证了该设计方法的可行性。

关键词： 双目相机标定   立体匹配   加权最小二乘滤波   边缘检测   三维重建  

摘要： 随着计算机的快速发展,双目视觉技术已经成为计算机视觉领域的重要组成部分,其中,三维重建是双目视觉中的一个重要研究领域,三维重建主要研究如何在三维空间中获取各个物体的三维信息。双目相机拍摄的图像可以获得真实场景的三维信息,其主要是模拟人类的视觉感知。如何快速、准确地对物体进行三维重建已成为了三维重建的主要研究方向。 本文主要研究基于双目视觉三维重建,主要集中在双目相机标定、立体校正、立体匹配算法、三维重建等方面。研究的主要内容如下: (1)首先研究了相机的成像原理,对线性及非线性模型进行了探讨。然后研究了相机的标定方法,选择了张正友标定法作为本文的标定方法,它具有较高的精度,且操作更加简便,符合本文双目相机标定的要求。随后利用Matlab2020a双目相机标定工具和Visual Studio2019编译器以及Opencv4.5库编程,分别对双目相机进行了标定,并对结果进行了分析和比较,选择了精度更高的Matlab2020a双目相机标定工具标定结果作为本文双目相机标定结果。最后进行了图像立体校正的研究以及实验。 (2)研究了双目立体匹配技术,探讨了多种算法的优劣。使用BM立体匹配算法和SGBM立体匹配算法进行实验,分析对比所得到的视差图,并选用了具有更高精度的SGBM立体匹配算法,并对该算法进行了改进。 (3)提出了一种基于改进边缘检测的SGBM立体匹配视差填充算法。在视差优化方面,采用加权最小二乘滤波对视差图进行优化,在视差填充方面,采用边缘检测和最大类间方差法进行视差填充。编程时使用Visual Studio2019和Opencv4.5库,对未填充视差图、SGBM算法填充视差图和基于改进边缘检测的SGBM立体匹配视差填充算法填充视差图进行分析比较,验证了本文算法具有较好的视差填充效果以及具有较好的鲁棒性。 (4)本文研究了三维重建算法,将相机内外参数和基于改进边缘检测的SGBM立体匹配视差填充算法得到的视差图结合起来,利用三角测量原理得到各点的三维坐标,使用Visual Studio2019编辑器和Opencv4.5、PCL以及相关的库文件进行机械零件的三维重建可视化。输出了部分点的坐标,并对进行了深度误差分析,验证了本文三维重建算法的精度较高。

关键词： Ti-6Al-4V   干铣削   AlCrN   DLC   超细晶粒硬质合金  

摘要： 随着科学技术的不断进步与发展,现代制造业对零部件的加工提出了新的要求,传统的刀具已经不能适应当前高精度、高效率的需求,一些性能优异的刀具的出现为现代制造业的发展指明了新方向。Ti-6Al-4V作为应用最广的钛合金之一,因其化学活性高、强度高、切削温度高、导热性差、加工硬化严重、弹性恢复大等特点,使之加工比较困难,如何高效生产一直是一个备受关注的问题。近年来,人们期望能够找到一个合适的加工刀具,在工件质量和生产成本之间形成一个更好的平衡,因此研究Ti-6Al-4V的干铣削性能及其加工刀具的磨损机理十分重要。本文首先对刀具基体材料(W6Mo5Cr4V2Al钢)、常规氮化物涂层(AlCrN涂层)和自润滑涂层(DLC涂层)的基础属性,如涂层表面形貌、元素含量、膜-基结合力、硬度和表面粗糙度等属性进行了测验,分析了三者在不同载荷和往复速度下的摩擦磨损特性、磨损形貌及磨损机理;然后以Ti-6Al-4V为铣削对象,研究了AlCrN涂层铣刀、DLC涂层铣刀和超细晶粒硬质合金铣刀的干铣削性能,阐明了铣削弯矩和能耗与铣削参数(a、a、f和n)之间的关系,评估了刀具的耐用度;最后对三种铣刀经不同铣削参数铣削后的磨损形貌及机理进行了剖析。经过以上分析,得出如下结论:(1)表面形貌方面,W6Mo5Cr4V2Al钢表面最为光滑,DLC涂层表面最为粗糙。硬度方面,AlCrN涂层硬度最高,DLC涂层略低,W6Mo5Cr4V2Al钢硬度最低。表面粗糙度方面,DLC涂层>AlCrN涂层>W6Mo5Cr4V2Al钢。膜-基结合力方面,DLC涂层的膜-基结合力大于AlCrN涂层。摩擦系数方面,W6Mo5Cr4V2Al钢>AlCrN涂层>DLC涂层。磨损机理方面,W6Mo5Cr4V2Al钢的主要磨损为氧化磨损、磨料磨损和扩散磨损;AlCrN涂层的主要磨损为氧化磨损、磨料磨损和扩散磨损;DLC涂层的主要磨损为氧化磨损和磨料磨损。(2)铣削性能方面,铣削弯矩随着主轴转速的增加呈先减小后增大趋势,对AlCrN和DLC涂层铣刀的影响相近,对超细晶粒硬质合金铣刀的影响最大;铣削弯矩随着铣削宽度的增大而增大,对DLC涂层铣刀的影响最大,AlCrN涂层铣刀次之,超细晶粒硬质合金铣刀的影响最小;铣削弯矩随着铣削深度的增加而增加,对AlCrN涂层铣刀的影响最大,其次是超细晶粒硬质合金铣刀,对DLC涂层铣刀的影响最小;铣削弯矩随着进给量的增大而增大,对AlCrN涂层铣刀的影响最大,超细晶粒硬质合金铣刀次之,DLC涂层铣刀的影响最小。铣削能耗方面,铣削能耗随着主轴转速、铣削宽度和铣削深度的增大而升高,对AlCrN涂层铣刀的影响最大,对DLC涂层铣刀的影响次之,超细晶粒硬质合金铣刀的影响最小;铣削能耗随着进给量的增加而降低,对三种刀具的影响相差不多。(3)铣削弯矩和能耗预测模型方面,AlCrN涂层铣刀铣削弯矩和能耗的预测模型的误差率分别为9.2%和5.4%,DLC涂层铣刀铣削弯矩和能耗的预测模型的误差率分别为6.2%和7.5%,超细晶粒硬质合金铣刀铣削弯矩和能耗的预测模型的误差率分别为2.6%和4.2%。铣刀寿命方面,AlCrN涂层铣刀的寿命为126min,DLC涂层铣刀的寿命为181min,超细晶粒硬质合金铣刀的寿命为242min。(4)铣刀磨损机理方面,AlCrN涂层铣刀主要存在粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损,DLC涂层铣刀主要存在粘结磨损、磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损,超细晶粒硬质合金铣刀主要存在粘结磨损、磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损。

关键词： 脂润滑   弹流润滑   冲击-滑动磨损   光干涉技术   微观结构  

摘要： 在工业链传动中,多边形效应会引起套筒在销轴上滑动和冲击载荷的发生。同时,在滚动轴承中滚珠和保持架之间的碰撞通常会产生冲击-滑动运动。针对冲击-滑动运动引起的表面损伤问题,作者设计并搭建了一台利用光干涉技术同时可以实现载荷变化的球-盘试验机,通过光干涉实验观察在脂润滑条件下润滑脂膜的形状和厚度。需要说明的是,由于存在加工误差,套筒和销轴之间会存在点接触区,本文主要针对点接触进行相关研究。主要研究内容如下:作者首先在点接触光干涉弹流试验台上对自制锂基脂润滑的膜厚演化进行纯冲击试验研究。钢球和玻璃盘的初始间隙设置为零,冲击载荷按三角波往复变化。结果发现,在第一个冲击周期内,接触区存在大块的增稠剂纤维团,该纤维团造成接触区内的脂膜凹陷。随着冲击周期的增加,接触区内的大块增稠剂纤维团消失,脂膜厚度逐渐降低,润滑状态进入到薄膜润滑状态,最后发生了表面损伤。在任何一个冲击周期内,中心膜厚和最小膜厚大部分的时间都呈现固定值。中心膜厚随着冲击周期数的增加而减小,最小膜厚在最初的100个周期内变化很小,此后逐渐降低,最后为零。在冲击运动的基础上,将滑动工况考虑在内,进一步探究运动学参数对冲击-滑动复合磨损的影响。在实验中使用两种商用润滑脂:Klüber Centoplex3和Centoplex 2EP,此时玻璃盘以恒定速度滑动,同时钢球进行冲击。通过PLC编程实现滑动和冲击运动的控制。实验结束后,利用DIIM软件测量中截面的润滑脂膜分布。结果表明,即使在第一个工作循环中,表面损伤也会迅速发生,并且这种现象受到滑动速度、最大冲击载荷和润滑脂稠度的影响。当滑动速度较低时,在接触区内部出现多个粗糙峰直接接触,并发展成粘着磨损。当滑动速度增加时,在弹流润滑马蹄形的两侧耳垂处开始出现表面磨损,并随着时间的推移而扩展,伴随着明显的表面划痕。探究了此种工况下的磨损机理,为进一步研究包含冲击工况在内的复杂运动工况提供有价值的信息。由于在工业应用中,脂润滑条件下发生的冲击-滑动磨损是非常普遍的,因此应引起高度重视。由于商业润滑脂的某些成分和参数无法得知,为了进一步研究在脂润滑工况下对冲击-滑动运动存在影响的因素,作者分别使用四种自制的锂基润滑脂进行冲击-滑动实验,结合场发射显微镜和双光干涉技术,可视化探究了润滑脂的基础油黏度、增稠剂含量以及增稠剂纤维团的形态结构对润滑效果的影响。研究发现,较高的润滑脂基础油黏度对冲击-滑动下弹流润滑有益。在润滑脂的成分中,对润滑脂膜厚度影响最大的因素是基础油的黏度,在其它参数相同的条件下,基础油黏度越高,润滑脂的中心膜厚越厚。同时需要指出,润滑脂中增稠剂的含量需要控制在合理范围内,增稠剂的含量并非越高越好,在实验中,8%含量的润滑脂表现优于16%的含量。增稠剂纤维结构的体积和纠缠程度会影响润滑脂的流动性和承载能力。增稠剂纤维的体积越大,流动性和可恢复性越差;纤维结构分布纠缠程度越大,润滑脂的承载能力越强。在冲击-滑动工况下,考虑到润滑脂流动性和承载能力的局限性,存在最佳的润滑脂增稠剂纤维体积和纠缠程度,以达到最优的成膜性能。

关键词： 角接触球轴承   油气润滑   油气两相流   轴承温升   黏温效应  

摘要： 地面模拟装置用于模拟飞行器在发射和飞行状态下光纤从线管上高速释放的状态。飞行器释放速度的提升使得装置主轴转速要求提高,由此引起的主轴轴承转速高、温升快、寿命短、可靠性差的问题亟待解决。鉴于此,本文首先针对地面模拟装置的工况,在分析了各类轴承的优缺点后,确定了以具有抗高温、超强度等特性的陶瓷球为滚动体的角接触球轴承作为主轴轴承,确定油气润滑作为其配套的润滑方式,随后设计了喷嘴结构。并以此为物理模型,基于轴承动力学和计算流体力学等理论,建立了有限元分析计算模型,对地面模拟装置中主轴轴承油气润滑两相流流场和温度场进行了深入分析。最终搭建了油气润滑系统并对其进行了调试。以下为本文的主要研究内容:(1)为了模拟地面模拟装置主轴轴承腔内气液两相流的分布,本文基于多重坐标系法基本方程,分析计算了角接触球轴承中滚珠与保持架的运动状态,建立了轴承的固体域和流体域模型及其对应的网格模型,确定了以VOF模型、RNG k-ε湍流模型、滑移网格模型作为求解模型,分析了轴承加载的边界条件与求解方法的设置;采用数值计算的方法对轴承腔内两相流流场分布进行了计算,并针对供油量、供气压力和转速对润滑油分布的影响进行了分析。(2)轴承的温度是衡量其工作状态的一个重要指标。本文以H7009Cy角接触球轴承为例,通过对轴承油气润滑条件下生热与传热方式的分析,计算了轴承内外套圈的负荷、滚珠的自旋角速度、轴承生热率和对流换热系数,并以此为热边界条件,采用数值计算的方法对轴承腔温度场分布进行了计算,并从供油量、供气压力和转速对轴承腔温度场的影响进行了分析。(3)由于润滑油的黏度会随着温度的变化而改变,本文在考虑温度对润滑油黏度影响的前提下,探索了黏温效应对轴承腔内润滑油分布与温度场分布的影响规律。发现考虑黏温效应的情况下,轴承内外滚道和滚珠的温度均比润滑油黏度为常数条件下的要高,且三者中的外滚道温度最低,滚珠温度最高。

关键词： 旋风分离器   数值模拟   磨损形变   流场  

摘要： 旋风分离器是依靠含尘气体旋转产生离心力实现颗粒分离的多相流分离设备,是很多工业流程中不可或缺的净化设备。然而,当用于分离超硬固体颗粒时壁面存在冲蚀磨损导致器壁穿孔失效,会造成巨大的安全隐患和经济损失。为此,进行旋风分离器壁面磨损特性及其对设备分离性能影响机制的研究可为旋风分离器的安全稳定运行提供依据,具有十分重要的理论价值和现实意义。本工作在欧拉-拉格朗日数值计算方法下,应用雷诺应力模型（RSM）、颗粒随机轨道模型（DPM）及Oka磨损方程探讨了旋风分离器气固两相流磨损特性及磨损对设备流场和性能的影响机制。本工作的研究方法及结果如下:对旋风分离器磨损特性进行分析,发现设备壁面整体磨损呈螺旋带状分布,磨损严重部位主要集中在筒体顶部、入口正对筒体壁面处及锥体底部排尘口附近。入口速度恒定时,颗粒与壁面的冲击角大致相同,磨损严重部位集中在筒体入口正对壁面处、筒体顶部及锥体底部排尘口附近,且磨损率随着颗粒浓度及粒径的增大而增大,在颗粒浓度为Cp=15 g/m3,入口气速为Vin=15 m/s条件下,粒径为20μm对设备壁面的最大磨损率约为1.23×10-4 kg/m2·s。通过对旋风分离器磨损形变分析,提出了旋风分离器磨损形变模型,并通过粒子图像测速（PIV）系统对其流场进行了实验研究,设备壁面磨损导致筒体内部出现明显的短路流与局部涡流,锥体内颗粒运行轨迹与设备轴线的夹角由未磨损时近45°增大至60°,越靠近磨损位置颗粒运动轨迹越接近水平旋转。旋风分离器局部磨损厚度对其流场及性能亦存在重要影响,壁面磨损加剧,切向速度逐渐降低,轴向速度和径向速度逐渐增高,致使原本圆周运动的含尘气体,产生了向旋风分离器中心运动的速度分量,导致颗粒向边壁处运动的阻力加大,不利于固体颗粒的分离;其中细颗粒在升气管底部的停留时间变长,粗颗粒旋流路径趋于重合,易形成高浓度灰环;都会增大颗粒短路效应。旋风分离器磨损导致分离性能下降,局部磨损厚度为δ=15 mm时,切向速度最大值下降约17.5%,最小切向速度向径向位置的一侧平均偏移23%;对于4μm粒径的颗粒分离效率由未磨损时100%降低至93%,切割粒径d50由1.3μm增大至1.9μm,设备压降降低了约46.7%。锥体磨损螺旋角对旋风分离器流场及性能的影响研究表明,磨损螺旋角对切向速度、轴向速度大小影响较小,但会导致分离空间内准自由涡分离区域减少,准强迫涡核处滞留减弱,削弱了准强迫涡区的稳定性,其中与未磨损时（α=0°）相比,磨损螺旋角α=30°,设备可完全分离粒径由壁面未磨损时的4μm增大至8μm,设备对3μm颗粒的分离效率从99%下降至81%。锥体磨损厚度对旋风分离器流场及性能的影响研究表明,锥体底部磨损导致锥体内部纵向偏心涡流区域扩大,加剧了涡核旋进（PVC）的影响,致使轴向速度加大,切向速度降低,造成颗粒所受离心力降低。与未磨损时旋风分离器相比,锥体局部磨损厚度δ=20 mm时,切向速度约降低了约27%,向心加速度增加了约11%,对于粒径为4μm的颗粒分离效率由未磨损时100%降低至93%,切割粒径d50由未磨损时1.3μm增至1.9μm,设备压降下降约40%。

关键词： 超声铣削   金属间化合物Ti3Al   切削力   切削温度   刀具磨损  

摘要： Ti-Al系金属间化合物可以有效提高航空发动机的推重比,并在高温下仍能保持稳定的物理机械性能,这使其在航空航天领域上的应用拥有光明前景。但该类材料属于典型的难加工材料,在传统切削加工过程中,存在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、面质量差和加工成本高等难题,限制其广泛应用。本文以Ti3Al金属间化合物为研究对象,采用纵扭超声铣削技术,围绕切削力、切削温度和刀具磨损机理展开研究,主要研究内容及结论如下: （1）研究了纵扭复合超声铣削运动学轨迹,基于直角切削和斜角切削理论构建了刀具未磨损和磨损后的切削力模型;采用热源法分析了剪切区、刀具-切屑摩擦区和刀具-工件摩擦区的切削温度。建立了考虑刀具后刀面磨损的切屑、刀具、工件的切削温度模型。 （2）搭建纵扭超声铣削Ti3Al金属间化合物试验平台,研究切削参数和声学参数对铣削过程中切削力、切削温度和刀具磨损的影响规律。结果表明:与普通铣削相比,在相同铣削参数下沿径向切深方向的力Fx和进给方向的力Fy分别降低了34.6%和25.6%,切削温度降低了21.3%,表明超声加工下刀具分离特性可以有效降低切削力和切削温度,同时通过对刀具形貌分析发现,超声铣削技术可以减少刀具崩刃,延长刀具使用寿命。 （3）基于正交试验和单因素试验,分析了不同切削参数对切削力和切削温度的敏感度和影响规律。试验结果表明:径向切深对Fx和Fy的影响较大,其贡献率分别为42.64%和32.46%,切削速度对切削温度的影响比较显著,其贡献率为42.15%。随着主轴转速、径向切深和每齿进给量的增加,切削力和切削温度均呈现出不同趋势的增加;随着超声振幅的增加,两者均先下降后缓慢增大。这表明在一定的超声振幅范围内,刀具分离特性越来越明显,而随着超声振幅的继续增加,刀具对加工区域的冲击幅度增大,分离特性减弱使得切削力和切削温度缓慢升高。 （4）基于正交试验和单因素试验,分析了不同切削参数对刀具后刀面磨损形貌和磨损宽度的敏感度和影响规律。试验结果表明:切削速度和径向切深对刀具后刀面磨损宽度影响比较显著,其贡献率分别为42.16%和41.63%。随着切削速度、径向切深和切削长度的增加,刀具后刀面磨损呈现出不同趋势的变化。切削速度主要影响刀具的粘结磨损,径向切深主要影响刀具的崩刃和切削刃破损。随着超声振幅的增加,刀具形貌和后刀面磨损宽度均先出现好转,当超声振幅达到4μm时,刀具磨损增加,说明超声振幅达到一定程度,刀具对加工区域的冲击会增大,使刀具磨损加快。使用切削液时,刀具粘结磨损减少,后刀面磨损带变得均匀,说明在超声铣削Ti3Al金属间化合物时,刀具磨损主要受切削温度影响,且刀具的磨损形式主要以粘结磨损为主。 图43幅,表13,参考文献76篇。