面向再制造低拆解损伤需求的过盈配合界面织构试验研究

过盈配合界面在再制造拆解过程中,易形成划痕、犁沟、黏着堆积等干摩擦损伤,增加修复成本,降低再制造品过盈联结的可靠性。为降低界面拆解损伤,将表面织构引入配合表面,以KMN与40CrNiMo7为材料对象,通过试验研究了圆形凹坑织构对界面拆解损伤的影响。发现因织构的存在,降低了拆解滑动表面上的游离磨粒数量,界面拆解损伤明显减弱。且由承载能力试验发现,该织构能有效提高配合面初始承载能力。在结合面压力50～200 MPa范围内,织构表面的静摩擦因数（μ）较无织构表面提高了0.1左右。但拆解导致的微观划痕破坏了织构周边的环状熔融区,使得μ随拆解次数的增加而递减,经过两次再制造拆解模拟试验后,织构表面的μ值仅高于无织构表面0.01～0.03。     

过盈配合接触界面的研究

通过W-M函数建立具有分形特征的等效粗糙表面与刚性平面的接触模型,模拟压缩机叶轮与轴过盈配合下界面的接触。将接触模型导入到有限元软件Ansys中,分析接触模型接触面积、接触压力、滑移面积、粘着面积与变载荷的关系和表面路径上的应力与变形。结果表明,接触时只有个别较高的微凸体发生接触,微凸体肩部区域的应力较大,微凸体中心位置变形量最大,接触界面在一定的法向载荷下接触面积减小,粘着面积增大,配合件发生了宏观的变形。     

转子-球轴承过盈配合接触有限元分析

基于ABAQUS/Explicit中热-力耦合模块,以某风电机组中发电机的转子-球轴承为研究对象,采用加热转子轴颈使其膨胀的方式仿真转子轴颈与轴承内圈过盈配合,同时引入联轴器不对中产生的动态力,建立转子-球轴承接触动力学有限元模型。分析出转子球轴颈与轴承过盈配合接触面的接触压力、滑移速度及滑移量的分布与大小。通过分析过盈量大小及联轴器对中情况对过盈配合面接触状态的影响,结果表明:过盈量大小对过盈接触面滑移有较大影响,随过盈量增大,滑移量逐渐减小,减少速率先快后慢;不对中时前端轴颈接触面较后端滑移严重且不对中合力与重力方向相同时对应的前端局部处滑移非常严重。     

不同过盈量和工作压力下螺杆泵定子与转子接触压力的有限元分析

螺杆泵定子与转子间接触压力对其使用寿命至关重要，而定子与转子间过盈量和工作压力对螺杆泵定子与转子间接触压力有重要影响。建立螺杆泵的三维模型，采用有限元方法研究螺杆泵装配条件下不同过盈量(0.4～0.7 mm)和工作压力(0.03、0.06、0.09 MPa)对螺杆泵定子与转子接触压力的影响。结果表明：随着过盈量的增大，定子与转子的接触压力增大，定子与转子的接触面积也随之增大，且接触压力的最大值出现在密封线吸入端的螺旋段部分；但随着过盈量的增加，接触压力的增大趋势变缓；定子与转子的接触压力随着工作压力的提高而增大，工作压力导致螺杆泵的最大接触压力向排出端偏移，接触压力的最大值出现在靠近介质排出端的螺旋段上。     

过盈量对植入体与骨接触压力的影响

为了探讨植入体骨界面的应力特征,采用各向异性的三维有限元和接触单元法,建立一个立方体颌骨与圆柱体植入体的局部模型,研究过盈量对界面接触压力的影响。嵌合界面按100％骨结合率,计算不同过盈量下植入体骨界面、骨内各节点的应力。结果表明界面接触压力沿植入体中轴线非对称分布,接触压力大小与过盈量呈正比的关系,在近远中向达到最大,颊舌向的压力最小;在深度方向皮质骨层接触压力最大,在骨孔底部松质骨层接触压力最小;在半径方向上离界面越远应力越小;皮质骨对植入体的力学稳定性贡献较大。     

表面织构动压滑动轴承界面滑移研究

利用力学平衡方程与流体力学方程并结合楔形模型,建立无界面滑移、单边界面滑移以及双边界面滑移状态下的力学模型,采用有限元方法对表面织构分布位置及不同界面滑移对滑移速度与摩擦力的作用规律进行研究。研究表明:油膜发生界面滑移时,在升压区和降压区油膜滑移速度分别表现为非线性的凹形和凸形变化规律;油膜在上表面和下表面发生滑移时,最大剪切力分别发生在油膜上表面和下表面;而上、下表面均发生界面滑移时,油膜最大剪切应力发生在上、下表面,且二者最大剪切应力数值相同,此时摩擦力显著减小且仅为无滑移时的4%～17%;相比表面织构布置在入口与中部位置的模型,表面织构在出口处的模型呈现出优异的承载和减摩效果。表面织构轴承界面滑移产生的机制主要是润滑油具有牛顿流体的黏滞特性。     

空心轴过盈配合结构循环微动磨损的仿真研究

基于Archard磨损模型建立空心轴过盈配合结构的微动磨损模型,通过有限元计算得到两种过盈量空心轴在微动循环周次的变化下配合面磨损轮廓和接触压应力、摩擦切应力、滑移幅值等微动参量,并与其中一种过盈量的实心轴过盈配合结构相应计算结果进行对比。结果表明,在相同过盈量和外载条件下,空心轴过盈配合结构的微动磨损程度大于实心轴过盈配合结构;在微动磨损对配合面形貌的影响下,空心轴配合面上的微动参量随循环周次增加的变化规律与实心轴结构基本一致:循环周次增加,接触压应力、摩擦切应力和滑移幅值随之增大;接触压应力峰值位置向配合中心移动;摩擦切应力峰值由粘着-滑移交界处向磨损-未磨损交界处转移,并向配合中心移动;增大空心轴过盈配合结构的过盈量能减小空心轴微动磨损的程度。     

铜基粉末冶金刹车闸片磨损形貌演变研究

采用多功能销-盘摩擦磨损试验机，开展铜基粉末冶金/Q235-B摩擦副的摩擦磨损试验，在载流和无载流的工况下，研究接触压力(0.4、0.7、1.0和1.3 MPa)对铜基粉末冶金材料闸片磨损表面形貌的影响。结果表明：在无载流工况下，随着接触压力的增大，摩擦因数和磨损率均缓慢上升，试样表面损伤加剧，粗糙度升高，主要的损伤机制为磨粒磨损和剥层；在载流工况下，0.4 MPa时的摩擦因数和磨损率最大，损伤最严重，粗糙度最高，当接触压力增大到0.7 MPa后，表面形貌损伤的变化趋势与无载流工况一致，磨损机制在磨粒磨损和剥层的基础上增加了电弧烧蚀；载流工况下材料表面的粗糙度普遍高于无载流工况下，表面损伤更为严重。     

表面粗糙度对过盈配合轴承的影响

基于滑动轴承的表面粗糙度会对过盈配合的性质产生一定的影响的假设,提出一种通过自底向上建模的方式和APDL语言编程构造出符合高斯分布的表面形貌三维模型的新方法.该方法利用表面粗糙度和轮廓算术平均偏差的关系,以及高斯随机数生成函数模拟表面粗糙度对过盈配合滑动轴承性能的影响.结果表明:计入表面粗糙度的影响时,在相同的过盈量下,得到的接触压力更大,且接触压力云图按轴向均匀分布,符合所加对称约束条件,证实滑动轴承的表面形貌在一定程度上影响着过盈配合的性质.     

过盈配合微动损伤的关键参数

微动损伤广泛存在于各类工程机械和结构之中,接触压力、滑移幅值以及摩擦剪切力是微动损伤的重要参数.过盈连接部件在旋转弯曲载荷下,易于在接触区域产生微动损伤,降低构件的使用寿命.以过盈微动疲劳试验中的试样为研究对象,在有限元软件ABAQUS中建立接触模型,充分考虑高应力梯度区和接触对网格划分的要求,同时在远离接触区域划分粗糙网格,减少计算机时.通过分布加载和改变相关参数的方法,分析套管长度、套管厚度、摩擦因数以及过盈量对接触压力、摩擦剪切力等影响规律.结果表明,轴套过盈配合承受弯曲载荷下,接触压力和摩擦剪切力沿轴向分布不均匀,随着各参数的变化而明显变化,摩擦因数、套管厚度和套管长度对接触边缘的应力奇异性有较大影响,摩擦因数显著地影响了滑移区域的大小.     

304不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能

为改善304不锈钢耐磨性及润湿性，在空气与液相2种介质下使用激光加工技术在304不锈钢表面制备离散型圆形凹坑织构。借助白光干涉仪、扫描电子显微镜及能谱、接触角测量仪对织构试样表面形貌、元素含量及润湿性进行了表征，并通过摩擦磨损试验考察了织构试样在干摩擦和油润滑下的摩擦学性能。结果表明：空气介质下激光加工增强了试样表面疏水性能，接触角为123.3°；液相辅助激光加工增强了试样表面润湿性，接触角为29.3°；液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀，无明显的氧化及熔融物重铸现象，这是因为液相在激光加工时对试样起到了冷却及保护作用；液相辅助激光加工表面织构在2种摩擦工况下的摩擦因数均最小，且磨损有一定改善。液相辅助激光制备的织构表面较为均匀、无较大的微凸峰，且具有较好的润湿性能，有利于润滑油的存储及铺展，进而改善了界面摩擦行为。     

界面滑移对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响

为研究不同的滑移情况对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响,建立含有圆柱形凹坑织构的滑动轴承在不同界面滑移状态下的摩擦力计算模型,探究影响织构化滑动轴承摩擦力的参数,并借助ANSYS分析不同滑移情况下界面滑移对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响规律。结果表明:织构化滑动轴承的摩擦力主要是由轴颈线速度、油膜滑移比、轴承的进出油口压力、织构处油膜压力、织构深度、油膜厚度和承载力决定;不同滑移情况下织构模型的摩擦力均小于无织构模型;且在上下表面均滑移时,圆柱形凹坑织构在出口位置时表现出最优的承载和减摩效果;适当地增加圆柱形凹坑织构的深度可以改善模型的摩擦性能,但是过深的凹坑织构并不能发挥出其性能。     

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。     

Laplace pressure measurement on laser textured thin-film disk

To increase the recording density of hard disk drives (HDD), head and disk surfaces must be very flat. This will make the friction between them large when liquid bridges are formed. This is a result of Laplace pressure in the liquid bridge. Therefore, the study of Laplace pressure in real HDD interface is of an interest for head-disk interface engineers. However, Laplace pressure of perfluoropolyether (PFPE) lubricant on carbon coated thin-film disk surface was not clear until now.We measured Laplace pressure between transparent flat pins and carbon coated thin-film disks with laser texturing. Using laser textured disks, we could control the distance between two surfaces precisely by the bump height. The friction coefficient between the pin and the disk surfaces was determined when the interface was fully wet by liquids. It was 0.16 and 0.1 for water and a PFPE lubricant. The Laplace pressure was then calculated using the friction force and liquid wet area when the interface was partially wet by a liquid. The liquid wet area was measured by the observation of the contact point through the transparent pins.The results showed that the Laplace pressure at the lowest bump height (11 nm) was about 2.8 MPa for the PFPE lubricant. Results agreed well with calculated curves. We consider that PFPE acts as liquid down to 11 nm.     

Development and machining performance of a textured diamond cutting tool fabricated with a focused ion beam and heat treatment

This paper presents the fabrication method and machining performance of a textured diamond cutting tool. To improve the machining performance, a texture was fabricated on the rake face of the diamond tool with a depth of 43 nm and width of 1.8 μm by utilizing a focused ion beam (FIB) followed by heat treatment. In addition, a FIB-induced non-diamond phase that adversely affects the machining performance was removed. A machining experiment using aluminum alloy and nickel phosphorus was conducted to evaluate the proposed method. A significant decrease in friction was observed at the tool–chip interface after texturing. This corresponds to a reduced cutting force, which indicates that the machining performance of the tool was improved by texturing. The magnitude of the effect depends on the shape and direction of the texture. The textured tool was able to machine a surface topography similar to that with a non-textured tool, which indicates that the texture effect can be obtained while maintaining the quality of the machined surface by fabricating the texture far from the cutting edge.     

织构化可控界面对汽轮机调节阀泄漏影响规律及机制

基于流体润滑理论,应用有限元法计算了汽轮机调节阀压力分布及泄漏量,分析了织构化可控界面对调节阀泄漏影响的规律,明确了织构化调节阀的作用机理,实现了界面调控。结果表明：所设计的亲水、疏水织构满足预期的润湿性能;微凹坑流体动压润滑效果较差,动压平衡织构具备动压楔形效应,存在明显的涡流,有效改善了阀杆阀套间隙动压润滑效应,但动压平衡织构增大了上下壁面的联通面积,不利于密封。织构的减漏率影响从大到小依次为：疏水织构、组合织构、亲水织构、动压平衡织构。当调节阀所受压力超过3.5 MPa时,减漏率变化变得平缓。动压效应、密封坝效应以及凹槽内涡流能量交换与能量耗散的协同,使得组合织构在提高阀杆稳定性及降低泄漏方面优于其他织构。     

沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的作用机制

在球-盘接触状态下,研究具有不同宽度的沟槽型织构表面对界面摩擦学特性的影响,并揭示沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的作用机制。试验结果表明:沟槽型织构表面显著地改变界面的摩擦学行为,特定尺寸参数的沟槽型织构表面能有效改善界面的摩擦磨损特性;沟槽的存在改变摩擦界面的接触状态,从而引起界面的法向位移和法向力信号产生突变;具有合理尺寸参数的沟槽型织构表面,能充分捕获界面的磨屑,避免对摩试样之间产生强烈的撞击作用,从而有效地改善界面摩擦学行为。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。     

A novel textured design for hard disk tribology improvement

A novel textured design with characteristics of low glide avalanche, low stiction and long wear durability has been studied. The novel textured design contains a normal laser process and mechanical texture process. The first step was to create the conventional crater circular laser bump, the second step was to modify the bump shape using different sizes of texture slurry. The mechanical texture consists of three-stage process from grinding bump rim to flatting bump rim. This novel bump design has large volume and small curvature of bump rim to minimize the level of impact between head and disk. The new design also has high roughness of bump rims to reduce the contact area of interface, and the grooves of the texture line on the bump rim providing paths to improve the reflow of lube. We have shown that the new design has the lower stiction, longer wear durability, less lube degradation and carbon overcoat wear, less probability of tipping occurrence and lower glide avalanche than that of the conventional design.