一种模拟热成形工况的高温摩擦试验机的设计及探讨

销-盘摩擦试验机是摩擦学领域的标准摩擦实验设备，但是面对热成形过程中的摩擦过程，销-盘摩擦试验机中的往复摩擦引起磨屑在轨道内快速堆积，与热成形实际工况并不一致。提出一种新的高温滑移摩擦试验机设计方案，该方案控制模具钢销在板料滑条上单向长距离滑移，用以实现对连续热成形摩擦过程的模拟。通过分析销-盘摩擦试验机和高温滑移摩擦试验机的实验结果，发现后者的实验过程更接近热成形的实际工况，利于展开对摩擦磨损机制的定性定量分析。     

不同温度下铝合金摩擦机制的分子动力学研究

铝合金成形过程中与模具接触会发生摩擦磨损,直接影响零件成形质量和模具使用寿命,且铝合金摩擦性能受温度影响。基于分子动力学方法,针对原子尺度研究了铝合金摩擦机制的温度相关性,分析不同温度下铝合金摩擦过程中力学性能、摩擦系数、表面形貌和内部结构变化。结果表明：铝合金抗变形能力随着温度降低而增强,600K下的摩擦系数比83K低7%;随着温度升高,铝合金塑性变形程度增大,形变原子数量增多;在铝合金内部,因变形产生的缺陷原子数量和位错运动范围与温度呈正相关趋势。因此,高温有利于降低铝合金成形摩擦,而低温可以提高铝合金抗变形能力,有利于减少磨损,提高零件成形质量。     

考虑表面粗糙度及摩擦热的冷挤压模具磨损模型研究

基于Archard磨损模型,提出了考虑表面粗糙度及摩擦热的修正Archard冷挤压模具磨损模型,对DEFORM 3D V6.1进行二次开发,将该修正的磨损模型嵌入有限元软件模拟真实冷挤压成形过程,进行了挤压过程中冲头及凹模的磨损分析,得到了冲头及凹模磨损最严重的区域。通过对比分析,研究了模具表面形貌、摩擦热及相对滑动速度对模具磨损量的影响,计算结果表明,使用修正的磨损模型预测模具寿命与试验结论具有较好的一致性。该考虑表面粗糙度及摩擦热的修正Archard冷挤压模具磨损模型,能较好地预测冷挤压模具磨损的情况,有利于更好地预测冷挤压模具使用寿命及失效时间。     

核主泵水润滑推力轴承试验磨损颗粒研究

某核主泵水润滑推力轴承在试验浸银石墨瓦时,在类似热瞬态工况时出现异常振动及噪声,拆机发现石墨推力瓦和推力盘硬化层表面均出现较严重磨损,且石墨推力瓦出现局部剥落。采用化学、光学、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、电子探针等方法研究水润滑轴承试验的磨损颗粒相结构、形貌、成分、组织和磨损表面特征;明确热瞬态时不锈钢推力盘硬化层与石墨推力瓦的摩擦磨损形式和过程,得出水润滑推力轴承已经进入边界润滑状态,局部发生干摩擦的结论;提出一些改进建议,如将水润滑轴承瓦面材料改为碳素纤维复合材料以增加抗磨性能,改善瓦面形状以减少热变形,增加接触曲面硬化层以控制高应力曲面接触的微动磨损。     

B1500HS硼钢800℃冲压界面粉末润滑特性研究

高强钢热冲压成形件由于其高比强度广泛应用于汽车零部件制造,但高温冲压成形界面的摩擦磨损非常严重,对产品质量有着重要影响。以石墨、氮化硼粉末为固体润滑剂,在800℃高温下对硼钢B1500HS进行了冲压成形实验,结合干摩擦和润滑条件下的成形件表面宏微观形貌的对比分析,对热冲压界面粉末润滑机制进行了研究。结果表明:使用这两种润滑剂均可以有效地提高B1500HS钢成形件表面质量,冲压后润滑膜会均匀或离散地附着于成行件表面;六方氮化硼润滑效果较石墨更高效,并在一定程度上抑制热冲压件表面的氧化;热作模具的加载作用会使粉末润滑层产生滑移,润滑膜延展,从而提高成形件表面质量。     

核主泵水润滑推力轴承试验的磨损颗粒研究

某核主泵水润滑推力轴承在试验浸银石墨瓦时,在类似热瞬态工况时出现异常振动及噪声,拆机发现石墨推力瓦和推力盘硬化层表面均出现较严重磨损,且石墨推力瓦出现局部剥落。采用化学、光学、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、电子探针等方法研究水润滑轴承试验的磨损颗粒相结构、形貌、成分、组织和磨损表面特征;明确热瞬态时不锈钢推力盘硬化层与石墨推力瓦的摩擦磨损形式和过程,得出水润滑推力轴承已经进入边界润滑状态,局部发生干摩擦的结论;提出一些改进建议,如将水润滑轴承瓦面材料改为碳素纤维复合材料以增加抗磨性能,改善瓦面形状以减少热变形,增加接触曲面硬化层以控制高应力曲面接触的微动磨损。     

冲击载荷条件下高硬度模具钢的磨损特性及影响因素

通过对三种高合金冷作模具钢的冲击磨损试验,及磨损表面的SEM 形貌分析,联系钢的力学性能和显微组织,分析了试验钢的磨损行为。试验结果表明,高硬度冷作模具钢的磨损特性受其基体韧性及碳化物的影响很大;新型冷模具铡GM 的耐磨性优于Cr 12 MoV 和D 2钢,可望在精密、耐磨冷冲模具上获得广泛应用。     

地铁刚性弓网系统接触线磨损特性试验研究

为研究地铁刚性接触网系统接触线磨损的规律,以地铁刚性接触网系统常用的浸金属碳滑板/铜银合金接触线作为摩擦副,通过模拟地铁弓网系统运行参数,使用载流摩擦磨损试验机研究有、无电火花放电情况下,浸金属碳滑板与铜银合金接触线直流电滑动过程中磨损量、摩擦因数、载流效率随滑动距离的变化。试验结果表明：电火花放电会使得接触线与浸金属碳滑板磨损量显著上升,出现电火花放电时摩擦因数较小,弓网系统载流效率会明显降低同时出现大幅波动。试验后对碳滑板和接触线表面形貌的观察可知：电火花放电会使得浸金属碳滑板表面烧蚀坑数量和尺寸大小增加,同时会出现滑板材料大面积剥落和表面裂纹增多的问题,接触线表面形貌变得更加粗糙。     

粗糙表面基于G-W接触的三维瞬态热结构耦合

工程表面是粗糙的,其对磨损有较大影响.为了研究磨损过程的热动力学,文中基于G-W (Greenwood-Williamson)接触模型,将两个粗糙表面简化为一规则形状微凸体与一理想平面,分析在移动热源作用下接触面的边界条件,着重考虑摩擦滑动过程中两物体的弹性变形以及摩擦接触温度与接触区域应力的耦合问题,利用热-结构顺序耦合建立三维瞬态有限元计算模型.从而揭示粗糙表面滑动摩擦副的温度和热应力分布规律,为进一步研究热-机械失效问题及磨损机理奠定理论基础.     

高温下轴向柱塞泵滑靴副干滑动摩擦磨损性能*

采用Rtec摩擦磨损试验机模拟不同温度、载荷和转速等工况,研究轴向柱塞泵滑靴副在高温下干滑动的摩擦学规律。通过试验测得的摩擦因数、磨损体积和借助白光干涉三维表面轮廓仪所测得的表面形貌以及磨痕截面曲线,分析其润滑行为及摩擦磨损规律。结果表明：高温下滑靴副的摩擦因数随温度和转速的增大逐渐减小,随载荷的增大而增大;磨损体积随温度的升高先增大后减小,随载荷的增大逐渐增大,随转速的增大先减小后增大;温度和载荷对高温下磨痕的深度影响显著,转速对磨痕的深度和宽度都有影响。研究表明：在高温条件下,在温度为300 ℃、载荷为50 N、转速为75 r/min工况下滑靴副的减摩抗磨效果最好。     

基于动力学特性的挖掘机工作装置端面摩擦副间隙磨损机理研究

机械动力装备中常因为作业工况恶劣导致关节端面摩擦副间隙处磨损严重,为了探讨关节端面摩擦副间隙处作业过程中磨损变化行为及作用机理,以某型号挖掘机为例,基于动力学模拟分析两种典型工况下得到动臂关节处动态载荷数据基础上,利用有限元数值模拟技术并修正Archard磨损模型计算得出端面摩擦副间隙处磨损深度与磨损次数的关系,在端面磨损试验机上验证两种工况下关节间隙处耐磨垫片磨损变化过程,在扫描电镜下观察磨损后的表面形貌分析磨损作用机理。结果表明：两种工况下,磨损区域均为环形区域;偏载工况磨损主要与接触应力值大小和偏载角度有关,磨损过程中表面产生锥刺凹坑和交叉犁沟等,磨损机制由疲劳磨损向黏着磨损转化,同时伴随有少量的磨粒磨损;满载启动回转工况磨损主要与接触碰撞程度有关,磨损形式主要为黏着磨损与磨粒磨损。此分析方法对工程机械行业分析其它动力装备关节摩擦副和工程应用具有较好的参考价值。     

SLM成形表面织构对TC4钛合金干摩擦磨损性能的影响

基于一步法思路,采用金属3D打印机基于激光选区熔化（SLM）技术制备表面带有凹坑织构的TC4钛合金试样,采用光学相机、超景深显微镜和扫描电镜观察织构成形情况,利用激光共聚焦位移测试仪和显微维氏硬度计分别测试表面粗糙度和表面硬度,在干摩擦条件下采用摩擦磨损试验仪考察不同载荷下织构密度对TC4钛合金试样摩擦学性能的影响,并使用扫描电镜对摩擦实验前后的表面形貌进行分析。研究结果表明：一步法SLM成形能够在TC4钛合金表面获得成形良好的直径500 μm的织构;随着织构密度的提高,钛合金试样表面粗糙度增大,表面硬度有所降低;干摩擦条件下,提高TC4钛合金试样织构密度有利于磨屑的收集从而减少试样的三体磨损,提高载荷有利于改善摩擦副接触状态;5 N载荷下40%织构密度试样的平均摩擦因数和磨痕宽度均最小,与无织构试样相比,平均摩擦因数和磨痕宽度分别降低12%和16%;40%织构密度下,载荷提高会引起摩擦因数的降低和磨损量增大,磨损表面犁沟和片状剥落增多。在干摩擦条件下,3D打印一步法制备的表面织构可以显著改善TC4钛合金的磨粒磨损和黏着磨损。     

柱塞泵配流副滑摩界面摩擦磨损及热力耦合分析

针对轴向柱塞泵配流副滑摩过程中由摩擦温升所引起的摩擦磨损问题,建立配流副轴对称非稳态热传导方程,利用ABAQUS有限元软件进行配流副摩擦磨损及热力耦合特性分析,并利用端面摩擦磨损试验机进行试验验证。结果表明:在滑摩初期,相比于中低压力,高压力工况更易发生磨粒磨损;随着滑摩进行,材料表面粗糙峰被磨平,加之温度上升,材料强度下降,高转速取代高压力成为接触面温度和摩擦系数增大的主要影响因素,此时的磨损机制主要为黏着磨损;在滑摩过程中,外径出现了应力集中现象,且接触压力高于内径;转速及压力对配流副摩擦温升及磨损特性的影响是非线性的,在相同PV值下,转速比压力的影响更为显著。     

蜂窝状铝合金高速加工刀具粘附行为及其作用机理研究

通过高速铣削试验方法对蜂窝状铝合金高速铣削刀具的粘附行为及粘附机理进行了研究。结果表明,由于初期铝屑粘附在刀具表面上,致使后期切削加工中的铝切屑与刀具表面的化学活性近似,使得铝屑进一步强化粘附在刀具表面,且由于高速加工中产生的高温和高压作用,使得粘附层材料发生变形。后续切屑划擦初期的粘附层,使粘附层出现变形和犁沟现象,加剧刀具与工件间的摩擦状态。同时,铝合金高速加工中高的塑性变形特征是发生粘附磨损的另一重要作用机制。此外,切屑表层材料受到剧烈剪切变形引起表面积增加,使切削形成的金属表面膜破裂,在与刀具表面紧密接触的近乎为真空环境下刀具不断切削新的表面,活性非常高,极易发生摩擦化学反应,较高摩擦化学反应形成的表面厚度达到临界值时将发生磨损,导致刀具粘附磨损加剧。     

表面粗糙度对铜基粉末冶金/铬青铜摩擦副载流摩擦磨损性能影响的研究

以铜基粉末冶金/铬青铜摩擦副为对象,应用销盘式摩擦磨损模拟试验,研究载流条件下摩擦副的表面粗糙度对摩擦学特性的影响规律.结果表明:表面越粗糙,越易起弧,形成更高的电弧能量,磨损形式主要是磨粒磨损、电弧侵蚀;表面越光滑,燃弧时间越长,电弧能量越高,摩擦因数越低,磨损形式主要是黏着磨损、电弧侵蚀;表面粗糙度有一个最佳值,在这个表面粗糙度下电弧能量最小、质量磨损率也最小.     

激光织构和碳基薄膜复合处理提高钛合金摩擦学性能研究

在重载滑动干摩擦条件下，对比不同织构密度的钛合金表面的摩擦学性能；在耐磨性最好的织构密度钛合金表面再制备碳基薄膜，并与直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦学性能进行对比。结果表明：3种低织构密度条件下，TC4钛合金的摩擦因数减小、磨损率降低；随着织构密度的增大，钛合金材料的摩擦因数变化极小，磨损率有所增加；在织构密度5.95%的钛合金表面制备的碳基薄膜，因织构微凹处产生的小微湍流，减少了摩擦阻力，使得其摩擦因数相比直接在钛合金表面制备的碳基薄膜的摩擦因数有所减小。织构化碳基薄膜的磨损率比钛合金的磨损率降低了99.31%，比直接在钛合金表面制备碳基薄膜的磨损率也降低了约60%，这是因为高接触应力摩擦过程中触发石墨化转变，被磨损的石墨化颗粒碎片嵌入织构微凹中，抑制了摩擦接触界面的磨损行为。     

选择性激光熔化技术制备的Cu-10Sn合金的载流摩擦学性能

为提高Cu-10Sn合金接触线的力学及载流摩擦学性能,利用选择性激光熔化（SLM）技术制备Cu-10Sn合金,分析Cu-10Sn合金的组织结构及硬度等,研究不同载荷和电流对Cu-10Sn合金的载流摩擦学行为的影响;利用扫描电子显微镜对摩擦表面进行微观分析,揭示其磨损机制。试验结果表明：与载荷为10 N时相比,30 N时摩擦副的平均摩擦因数增大,接触电阻和电弧能量降低,磨损加剧;Cu-10Sn合金与GCr15球对摩,合金表面被氧化,铜元素被转移并粘附于对摩球上形成黏着磨损;与纯机械摩擦行为相比,载流条件下Cu-10Sn合金表面磨痕加深,黏着物、氧化物的数量明显增加,摩擦因数和磨损体积发生显著变化;小载荷小电流下磨痕表面出现电弧烧蚀现象;而电流为10 A时,磨损表面形成的氧化膜的润滑作用,减缓了材料的磨损。在无电流条件下磨损机制主要为疲劳磨损和黏着磨损;而在载流条件下,电化学氧化和黏着磨损显著增强。研究结论为SLM技术制备的铜锡合金应用于接触线等电传导接触材料提供参考。     

表面粗糙度对碳/铜载流摩擦副摩擦磨损性能的影响

通过环-块式摩擦磨损试验研究了表面粗糙度对碳/铜载流摩擦副摩擦磨损性能的影响,并分析了磨损形貌及机制。结果表明:其摩擦因数与电弧行为密切相关,无电弧时摩擦因数曲线平滑;对磨环的表面粗糙度越大越容易产生电弧,电弧的烧蚀导致块试样的磨损加剧;不同表面粗糙度下均存在临界起弧法向压力,且随着表面粗糙度的增大而增大;载流摩擦副的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损、电弧烧蚀及材料转移。     

试验参数对人工滑液边界润滑条件下超高分子量聚乙烯/Ti6Al4V往复摩擦磨损行为的影响

采用自行研制的往复摩擦磨损试验机,在法向载荷50 N、往复频率1 Hz、摩擦副接触形式为圆环外圆周/平面、初始线接触长度为6 mm、相对湿度为80%的试验条件下,研究了钛合金表面粗糙度、试验环境温度、试验延续时间、滑液成分等试验参数对UHMWPE/Ti6A14V摩擦副的往复摩擦磨损行为的影响.结果表明,这些试验参数均显著影响UHMWPE/Ti6A14V摩擦副的往复摩擦磨损行为;在环境温度20℃、25%小牛血清去离子水溶液边界润滑、180 min往复摩擦磨损试验条件下,当钛合金表面粗糙度由Ra0.04 μm增加至Ra0.06μm时,摩擦副的平均摩擦因数由0.033增加至0.096,UHMWPE试样磨损量由0.131 mm3,增加至0.149 mm3;在钛合金表面粗糙度为Ra0.06μm、25%小牛血清去离子水溶液边界润滑、180 min往复摩擦磨损试验条件下,当试验环境温度由10℃上升至37℃时,摩擦副的平均摩擦因数由0.135减少至0.077,UHMWPE试样磨损量由0.188 mm3减少至0.134 mm3.     

浸渍磷酸盐石墨与9Cr18Mo不锈钢配副的摩擦磨损性能研究

针对航空发动机石墨密封常用的摩擦副浸渍磷酸盐石墨(M234Ao)和9Cr18Mo不锈钢材料,在UMT-TriboLab试验机上进行球-盘、销-盘接触摩擦试验,研究其低速轻载、高速重载工况以及干摩擦、油润滑下的摩擦磨损性能,利用接触式形貌仪、金相显微镜等对摩擦副表面进行观察分析,并分析其磨损机制。结果表明：在油润滑及面-面接触下的摩擦因数和磨损率明显低于干摩擦和点-面接触下;添加油介质可以降低界面摩擦剧烈程度,抑制金属氧化以及降低摩擦因数,特别是在高速重载工况下;M234Ao和9Cr18Mo配副间的磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主,伴随有犁沟、微裂纹及擦伤现象。