基于Archard理论的滚珠丝杠磨损预测

在数控机床等自动化设备中,滚珠丝杠副具有相对封闭结构特性。为了研究其磨损特性,基于Archard模型的增量形式建立了滚珠丝杠副的磨损模型,并通过分析滚珠丝杠副运转过程中的接触变形和接触角的变化,求出接触点的相对速度。考虑到轴向载荷、接触面间的相对速度、离心力和陀螺力矩的影响,推导出滚珠丝杠副磨损后的轴向位移,用数值方法得到了滚珠丝杠副的磨损规律,同时在试验台上进行了实验验证。实验结果表明,在滚珠丝杠副运行中的黏着磨损阶段,磨损模型的理论值与实测值吻合较好,所建立的滚珠丝杠副磨损模型能够反映黏着磨损阶段的实际磨损变化规律。     

数控机床滚珠丝杠副织构化减摩设计及仿真

针对数控机床进给系统滚珠丝杠副高速运行时润滑不良、磨损较大的情况,基于Hertz接触理论对滚珠丝杠副的接触应力进行计算并确定了织构的加工位置,建立了有、无织构的滚珠丝杠副分析模型,对滚珠丝杠副的接触应力和润滑特性进行有限元分析,并对比分析了有、无织构时滚珠丝杠副的接触与润滑性能。结果表明,有织构时虽会增大滚珠丝杠副的接触应力,但在织构两侧产生的流体动压可使滚珠丝杠副形成流体摩擦,极大改善其润滑性能,从而起到很好的减摩效果。     

2(3PUS+S)型并联机构驱动部件刚度特性分析

针对2(3PUS+S)型并联机构进给驱动部件,提出并研究了对其刚度分析的新思路和方法,该并联机构以直线模组作为驱动部件,整体刚度主要由滚珠丝杠的刚度、滚珠丝杠副的刚度以及支承轴承的刚度这三大部分组成。计算时先将系统进行简化,同时考虑到滚珠丝杠副在工作状态下滚珠和滚道在面接触点处的弹性变形,以及滚珠丝杠副和支承轴承中结合部的变形,结合理论力学和赫兹接触理论相关理论知识,对滚珠丝杠刚度、滚珠丝杠副轴向刚度以及支撑轴承轴向刚度分别推导求取,最终整合得到整个系统的刚度。此方法概念明确,计算简便,研究结果对此并联机构稳定工作以及动态性能的优化提供了依据。     

基于滚珠过盈量的滚珠丝杠副预紧力计算模型

预紧力是滚珠丝杠副最重要的参数之一,为了计算和调整预紧力水平,需要建立精确的滚珠丝杠副预紧力计算模型。通过分析滚珠丝杠副的接触变形和滚珠受力平衡,考虑到滚珠丝杠副的接触角、螺旋角、有效承载滚珠个数、滚珠直径和滚道的型面参数等因素,建立了基于滚珠过盈量的滚珠丝杠副预紧力计算模型。通过测量滚珠丝杠副的空载扭矩得到滚珠丝杠副的预紧力,与理论结果进行比较,相对误差在8%以内,表明该模型的计算结果与实验结果一致性较高,从而验证了此模型的准确性。     

高速滚珠丝杠副轴向结合部动态刚度特性分析

为提高滚珠丝杠副的动态刚度,基于弹性力学中的赫兹接触理论,推导了滚珠丝杠副结合部接触刚度的计算方法,根据滚珠丝杠副动态受力分析模型,考虑速度、加速度对载荷的影响建立了滚珠丝杠副轴向动态接触变形模型。分析了工况和结构参数对滚珠丝杠副轴向接触变形的影响规律,速度的增大会使螺母侧的变形增大,丝杠侧不变;加速度的增大会导致螺母侧和丝杠侧的变形都迅速增大;螺旋升角和滚道曲率比对接触变形的影响不大;接触角增大会使螺母侧和丝杠侧的变形都减小。运用有限元软件对滚珠与螺纹滚道组成的结合面进行建模并对其进行接触变形分析,结果验证了模型的准确性。     

滚压强化对高承载滚珠丝杠轴向刚度的影响研究

首先根据金属表面滚压强化原理,分析了金属表面滚压过程,以及在加、卸载过程中所产生的残余应力;然后利用滚珠丝杠副在高承载工况下的弹塑性变形理论,提出了一种利用滚珠在滚道螺旋面上的循环滚压接触,改善滚道面加工工艺,提高滚珠丝杠副轴向刚度的方法;最后对滚压前后两组滚珠丝杠的轴向刚度做对比试验研究。结果显示,滚压后的滚道表面比滚压前表面光滑,表面毛刺和加工痕迹随着滚珠的滚压变得平整,丝杠副的轴向刚度得到明显提升。     

滚动直线导轨副的磨损预测模型与精度保持

针对滚动直线导轨副的精度保持性问题,对其在受垂直载荷条件下的磨损过程进行建模和仿真分析。基于Hertz接触理论建立滚动直线导轨副的接触变形,考虑受垂直载荷后上排滚珠和下排滚珠接触角的变化情况。由滚动直线导轨副的磨损机理可知粘着磨损和磨粒磨损在磨合阶段和稳定磨损阶段占据主导,运用Archard磨损理论和显微切削磨损理论分析了滚动直线导轨副的磨损过程,考虑在磨损过程中预紧力随着跑合距离的增加而逐渐变小,滚珠的接触角发生变化的情况,在此基础上建立了滑块垂直位移的磨损计算模型。选取国内滚动直线导轨副进行精度保持性对比试验,试验结果与仿真结果进行对比分析,验证了模型的正确性,进一步探究了磨损与精度之间的关系。     

螺母副摩擦热对高速空心/实心滚珠丝杠热特性影响分析

针对滚珠丝杠的热变形问题,提出了一种采用通有冷却油的空心滚珠丝杠。通过理论计算了螺母副摩擦热及热边界条件,运用ANSYS有限元分析软件首先对空心/实心滚珠丝杠温升与载荷、温度与转速的关系进行了分析,然后分析了冷却油的流速对空心滚珠丝杠温升的影响,最后对比分析了空心/实心滚珠丝杠的变形情况。结果表明:通有冷却油的空心滚珠丝杠在高速高载荷的工况下更优于实心滚珠丝杠。     

基于滚道型面参数和摩擦力矩匹配的滚珠丝杠副高效装配

为实现滚珠丝杠副滚道磨损后摩擦力矩的快速恢复,基于赫兹理论,提出了基于丝杠、螺母型面参数和滚珠直径的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型。改变滚珠的直径,通过丝杠型面检测试验台和螺母型面试验台分别测量出丝杠、螺母的型面参数,计算出理论摩擦力矩。理论摩擦力矩与通过滚珠丝杠副摩擦力矩试验台得到的不同滚珠直径下的实际摩擦力矩相比较,最大偏差为5.96%,表明该模型的计算结果与实验结果一致性较高,总体精度满足要求。最后对摩擦力矩衰退的滚珠丝杠副进行型面检测,通过滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型计算出丝杠螺母滚道磨损后,恢复摩擦力矩所需的滚珠大小,有利于快速装配。     

滚珠丝杠副滚道磨损的有限元模拟分析

滚珠丝杠副磨损是导致机床精度降低或丧失的主要原因。针对滚珠丝杠副滚道磨损问题,基于弹性接触理论分析得出丝杠滚道接触应力大于螺母滚道,二者接触应力差异导致磨损的差异。建立三维模型结合ANSYS软件对滚珠丝杠副磨损过程进行模拟分析,结果表明丝杠滚道磨损大于螺母滚道。基于表面织构化机制,提出对丝杠滚道表面进行织构化,通过ANSYS软件对改造后的滚珠丝杠副磨损进行分析,得到了丝杠滚道表面织构化后磨损量由5.89 μm下降到5.15 μm,织构化后磨损量下降了0.74 μm,同比下降了12.6%,表面织构化对丝杠滚道起到了一定的减磨效果     

联合外载荷作用下角接触球轴承内部载荷分布和变形的数值迭代计算

为了研究联合外载荷作用下球轴承的内部载荷分布和变形特性,提出一种基于赫兹接触理论的数值迭代计算方法.以角接触球轴承为对象,考虑在预紧力、轴向力、径向力等联合外载荷工况条件下内外圈滚道接触角的变化,以及滚珠载荷分布、载荷大小随接触角的变化,利用滚道接触角与滚珠载荷之间的关系式进行数值迭代求解,来寻找轴承受载后内部的平衡状态.通过与典型有限元分析结果的比较可以看出:所提方法不仅详细计算出了轴承内部的载荷情况,而且更为准确地分析了联合载荷对轴承变形的影响机制.搭建了模拟联合外载荷工况的轴承试验台,测量了轴承的变形,验证了该方法的正确性.     

基于Archard修正模型的角接触球轴承磨损有限元分析

在分析轴承受力和运动的基础上,研究了轴承运行时球与滚道接触区的滑动,计算了一定条件下接触区滑动速度的分布,指出了球在滚道上运动时纯滚动点的存在。开展了球盘摩擦磨损试验,得到了轴承钢在边界润滑条件下的摩擦因数和磨损系数。利用有限元方法和Archard磨损计算模型,建立了球与内圈磨损的仿真计算模型,并分析了运行时间、径向载荷、接触角等因素对轴承磨损的影响。     

Optimization of the surface mechanical strength of AISI 316L physically vapour deposited nitrogen-doped coatings on AISI 316L substrates

High load Vickers indentation, scratch testing under constant and progressive loading as well as pin-on-disc wear testing were used to assess the overall strength of coated specimens. In scratch testing, the major damage mechanism was found to be brittle, by thickness cracking of the coating with growth defects the dominant crack intiators. No adhesive failure was observed within the load range considered (0–200 N, 1.58 mm WC ball as pin).

Under high load, WC ball-on-disc wear testing with significant plastic deformation, analogous brittle cracking mechanisms were observed. The coating process parameters optimized simultaneously with respect to scratch and wear resistance were the percentage of reactive nitrogen in the plasma, related to the level of nitrogen-doping and hardness of the coating, and the substrate bias voltage. During wear testing, an adhesive transfer layer built up on the WC ball during the run-in phase was found to have a detrimental influence on the long-term wear rate.     

Examining the Effect of the Die Angle on Tool Load and Wear in the Extrusion Process

The tool durability is a crucial factor in each manufacturing process, and this also includes the extrusion process. Striving to achieve the higher product quality should be accompanied by a long-term tool life and production cost reduction. This article presents the comparative research of load and wear of die at various angles of working cone during the concurrent extrusion. The numerical calculations of a tool load during the concurrent extrusion were performed using the MSC MARC software using the finite element method (FEM). Archard model was used to determine and compare die wear. This model was implemented in the software using the FEM. The examined tool deformations and stress distribution were determined based on the performed analyses. The die wear depth at various working cone angles was determined. Properly shaped die has an effect on the extruded material properties, but also controls loads, elastic deformation, and the tool life.     

滚道椭圆化对高速角接触球轴承接触特性及疲劳寿命的影响

针对制造公差和装配误差导致轴承滚道的椭圆化变形,分析了角接触球轴承滚道的径向偏差。依据赫兹接触理论和滚道控制理论,在考虑惯性载荷的情况下,建立联合载荷下角接触球轴承滚道椭圆化的拟静力学模型,研究外轨道椭圆化对轴承接触特性的影响机制;用改进的L-P理论估算轨道椭圆化轴承的疲劳寿命。结果表明:滚道椭圆化程度越大,部分滚动体的接触参数发生突变越剧烈,轴承的接触刚度和疲劳寿命越小;滚道椭圆化对疲劳寿命影响较显著,沿椭圆长轴方向施加径向载荷时轴承寿命降低较慢。该研究为多工况下轴承的设计和应用提供理论分析依据。     

纳米SiC微粒作为润滑油添加剂对钢/钢摩擦副磨损机制转变影响的研究

本文采用经过表面修饰的纳米SiC微粒作为润滑油添加剂,在M200磨损试验机上进行磨损试验,通过磨损表面的显微分析和能谱分析,研究载荷为400~1300 N、滑动速率为0.42~0.84 m/s范围内,纳米SiC微粒对油润滑条件下钢/钢摩擦副磨损机制转变的影响,并建立磨损机制图。结果表明：低速低载荷条件下,纳米SiC微粒的添加破坏润滑油膜的连续性,造成磨损量增加;高速高载荷条件下,纳米SiC微粒通过隔离摩擦副,变宏观滑动磨损为微观滚动磨损,并抑制黏着磨损的产生,提高了润滑油在恶劣环境下的润滑能力,降低了磨损量。     

航空面齿轮传动接触应力计算方法研究

随着齿轮研究的不断进步,许多新型齿轮不断涌现,其中尤以面齿轮为代表。由于面齿轮在高速重载下的传动优点,其在航空传动件中有很大的应用潜能。根据齿轮接触分析(TCA)原理,求解正交直齿面齿轮的接触轨迹与接触椭圆;利用点接触赫兹理论,计算正交面齿轮理论接触应力;运用ABAQUS对正交面齿轮进行有限元分析,得到面齿轮接触应力的仿真结果。理论计算与仿真结果的对比验证了该计算方法的正确性。     

接触载荷对TC4钛合金微动磨损行为的影响

目的在不同的载荷和位移幅值下,结合微动图研究微动接触状态、滑移状态、损伤体积三者对微动摩擦磨损的影响以及不同微动接触状态和滑移状态下材料的损伤机理,为机械构件的微动磨损防护设计提供一定的理论支持。方法在相对湿度为50%、干摩擦条件下,运用SRV-V摩擦实验机,采用球/平面接触形式研究了TC4钛合金/GCr15钢球摩擦副的微动摩擦磨损行为。实验后,用原子力显微镜、纳米压痕仪、三维光学轮廓仪、场发射扫描电子显微镜及其自带的EDS,测试TC4试样的表面形貌及粗糙度、弹性模量与硬度、磨损体积与截面形貌和显微结构及磨斑、磨屑形貌成分等。结果在较低法向载荷下,完全滑移(GSR)占主导地位。磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损以及疲劳脱层是主要的损伤机理。另一方面,在较高法向载荷下,混合滑移(MSR)、部分滑移(PSR)占主导地位。损伤机制是由于高的应力集中,导致疲劳裂纹。此外,不同的微动运行条件下和材料损伤区域也不相同。完全滑移条件下,损伤主要集中在磨斑中心,而部分滑移条件下,损伤主要集中在磨斑边缘。结论切向摩擦力、微动振幅是影响微动磨损的重要因素。小位移幅值下,磨屑可以减缓接触面钛合金基体材料的微动磨损;而大位移幅值下,磨屑会加剧接触面基体材料的微动磨损。