表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理.将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化.结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主...     

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。     

基于粗糙接触界面微通道模型的切削液用量估算

针对刀-屑界面切削液的用量估算,建立刀-屑界面滑移区数值接触模型,仿真并分析了界面内切削液的渗入及存储,以此为基础估算了切削液的用量,利用金属切削试验对评估结果进行了验证,为进一步丰富和发展MQL切削技术奠定了基础。     

微通道中电渗流滑移现象的数值模拟

为了研究疏水表面微通道中电渗流(EOF)的输运及滑移特性,针对具有特定滑移长度的疏水表面微通道,建立了微通道EOF的控制方程。基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,分析了微通道高度、外加电场强度和固液界面边界滑移长度等对EOF的影响。结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在毫秒量级,大小与微通道尺度的平方成正比,符合黏性扩散定律;EOF速度大小与电场强度和边界滑移长度成正比,与微通道高度无关。     

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。     

固体接触界面微通道流体流动特性研究

建立了固体接触界面间层流流动模型,研究了不可压缩粘性流体在无规则微通道中的流动特性.该模型通道为二维、三维模型,用无规则微凸体模拟了微通道内的界面结构形式,定义了宽高比、长度比等物理量.分析了他们对流体流动的速度、压力的影响.模拟仿真结果表明微通道内微凸体的速度、压力随微凸体占微通道的面积比的增大而增大,微凸体的长度不...     

铝合金材料切削用织构刀具性能研究

对铝合金材料切削用织构刀具的性能进行了综合对比研究。分析了在切削液条件下微/纳织构刀具的切削效果,并以此为基础对织构刀具干切削铝合金材料时的织构尺度范围进行了重新界定。实验结果表明,切削液条件下刀具表面的微/纳织构均能够改善刀具的切削效果,使刀具的切削力下降,且纳米织构效果好于微米织构;干切削铝合金材料时,刀具表面织构的尺度可扩展至微米级,但当织构宽度超过30μm后,刀具表面织构的效果变差。上述实验结果出现的原因为润滑条件下微米织构不宜存储切削液,而干切削时切屑材料又易于嵌入,恶化了刀具表面的材料黏附现象。     

在刀-屑界面持续润滑刀具切削45钢的性能及润滑机理

为提高刀具润滑性能,尽量减少切削液的使用,制备出在刀屑界面持续润滑的新型刀具,能够将切削液通过微通道直接输送到刀屑接触界面内部。采用该新型刀具与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下分别进行切削45钢试验,测量了切削三向力,对刀具前刀面磨损面进行SEM微观形貌分析及元素检测,分析了刀具的摩擦磨损特性及润滑机理。试验结果表明,与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下相比,刀屑界面持续润滑刀具能够有效减少切削过程中的摩擦磨损,而切削液用量只有传统浇注式切削的1/120。分析前刀面的元素可知,切削液能够更加深入到离主切削刃更近的区域,并能持续供给,这是该刀具具有更好的减摩抗磨效果的主要原因。尽管新型刀具的黏结情况大大缓解,但刀具的磨损机理仍然以黏结磨损和氧化磨损为主。     

刀-屑接触区摩擦润滑的毛细管模型研究

切削时刀-屑接触区为边界摩擦状态,冷却润滑剂难以进入,其作用可用毛细管理论解释.在切削试验与理论分析的基础上,提出了圆锥形毛细管模型.动力学分析结果表明:冷却润滑剂的微粒尺寸越小,冷却润滑效果越好.刀-屑接触面的吸附作用能形成边界润滑膜,圆锥形毛细管能限制冷却润滑剂的渗透深度,负压力可为冷却润滑剂的渗透提供动力.     

基于Navier滑移的油膜缝隙微流动特性数值分析

针对液压系统中微米级油膜缝隙流动内的近壁面滑移微观尺度效应,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法分析壁面滑移作用对微米级油膜缝隙流动规律特性的影响。在对静压支承系统中封油边内油膜缝隙流动进行边界条件处理时,采取了壁面滑移速度与壁面滑移系数和当地局部速度梯度都成正比的Navier滑移模型边界条件。在数值模拟和理论基本吻合的基础上,进一步讨论分析壁面滑移系数对微米级油膜缝隙流动特性的影响,侧重分析考虑壁面表观粘度系数、温粘特性和非牛顿流体属性对微米级油膜缝隙流动特性分布和缝隙壁面滑移速度大小的影响。研究表明在微观尺度下具有界面滑移的油膜缝隙流动区别于无滑移的缝隙流动特性,壁面材料特性系数φ=0.01时,缝隙壁面的滑移速度越大,油膜缝隙流动分布均匀。其温粘特性将最大限度地影响壁面滑移速度大小和缝隙流动特性分布。     

基于原子沉积法的纳米Al2O3涂层微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数研究

采用原子沉积法(Atomic Layer Deposition,ALD)分别在点状微织构和条状微织构YT5硬质合金刀具(微织构刀具)上制备了纳米Al_2O_3涂层,通过直角切削实验研究了纳米Al_2O_3涂层对微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数的影响,并将纳米Al_2O_3涂层微织构刀具与微织构刀具、YT5硬质合金刀具进行对比。结果表明,微织构能降低刀具刀-屑界面间的摩擦系数;纳米Al_2O_3涂层能进一步降低微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,其中厚度为100 nm的Al_2O_3涂层微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数最小,当点状微织构间距为0.15 mm时摩擦系数值最优,当条状微织构方向垂直于主切削刃时摩擦系数值最优;刀具刀-屑界面间的摩擦系数随着切削速度的增加而增大。纳米Al_2O_3涂层与微织构相结合将刀-屑界面间的摩擦由滑动摩擦转变为滑动-滚动复合摩擦的形式,降低了微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,改善了摩擦性能,有利于提高刀具耐用度。     

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。     

微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应.结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的.增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动.     

Y型微通道中两相界面特性变化分析

利用追踪运动界面的两相流模型数值研究对流Y型微通道中两相界面形貌变化特性。发现对流Y型微通道Y型角度、连续相毛细数、两相流量对液滴生成时间、速度、大小有重要影响。其中连续相毛细数与Y型角度越小,所生成的液滴体积越大,而随着分散相与连续相流量比例的增大,其对液滴体积的影响变小,但流量比不能无限增大或减小,当比值大于0.5或小于0.05时,此时分散相只能以液柱或液丝的形式出现,无法产生液滴;当分散相流量越大,相应液滴的生成速度也几乎成比例增大,且分散相流量的变化对液滴长度的演变过程有更大的影响。此外随Y型角度的增加,液滴在形成过程中,填充时间变长,缩颈时间变短,液滴脱离机理主要是因为来自连续相正应力的作用。     

高速切削时刀屑摩擦区的熵产生

高速切削时,切削温度常高达1000℃以上,刀具在高的切削温度作用下发生剧烈磨损和破损,如何提高刀具寿命已成为切削领域研究的重要课题之一。文中用热力学的方法推导了高速切削时刀屑摩擦区的熵产生模型,对熵产生的特点进行了分类探讨。结果表明:切削速度的变化对熵产生的影响最大,但该函数模型无极值,无法预测效率最高时的最佳切削用量,研究结果可对切削过程的优化和刀具材料的选择提供参考。     

微凹槽织构化表面在往复运动条件下的摩擦学特性

采用自主研制的激光微织构加工设备在45#钢试样表面制备出具有不同间距和夹角的微凹槽织构,在UMT-Ⅱ摩擦试验机上进行往复运动摩擦学性能试验。结果发现:在富油润滑条件下,当载荷较低、速度较大时,微凹槽织构具有较好的润滑减摩效果,织构面的平均摩擦因数最大比未织构面下降超过60%;凹槽夹角对摩擦因数的影响受载荷大小的影响,在给定的在载荷下,存在最优的夹角使摩擦因数最小;在其他几何参数相同的情况下,存在最优的槽间距使得平均摩擦因数达到最小,且最优的槽间距基本不受载荷大小的影响。     

内燃机缸套-活塞环微织构设计与研究进展

微织构作为一种良好的表面改性技术已经被广泛应用于改善发动机缸套-活塞环摩擦副的摩擦性能。以微织构的研究方向为依据,分析微织构改善缸套-活塞环表面润滑摩擦性能的作用机制,总结和阐述织构复合化、组合织构以及织构仿生化等方面的研究现状和进展,最后,指出表面织构研究中存在的不足和对下一步研究重点的展望。     

刀具表面微织构对刀——屑界面特性的影响研究

刀—屑界面的剧烈摩擦和高温会导致刀具快速磨损和加工效率低下。微织构作为用于刀具表面改善刀—屑界面特性和提高金属切削性能的一种方法,经证明效果明显。目前,关于微织构对刀—屑界面特性的影响机理及量化关系的研究较少,刀具微织构技术发展缓慢。本文利用激光打标机在刀具表面加工出不同参数的微织构,通过金属切削试验和理论模型解析,得到微织构刀具对刀—屑界面摩擦特性、刀—屑接触长度和刀—屑界面应力场等的影响关系。研究结果表明:刀具表面微织构降低了刀—屑界面的摩擦系数,减小了刀—屑接触和粘结区长度,改变了切削刃处的正应力和刀具表面应力场,为刀具表面微织构的研究和设计提供理论参考。     

微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier—Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型，对等壁温、等热流及无温度梯度工况下，气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势（Cf·Re）和传热特性（努塞尔数）进行了数值研究。结果表明：气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数，增大气体流速；壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反，温度跳跃的影响更大；等热流加热与等壁温加热两种情况下，努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。     

界面滑移对动压气体轴承间隙流动特性的影响*

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性箔片对间隙气膜流动特性的影响。结果表明：流固界面滑移状态对转静子间隙流动及其轴承性能具有显著的影响;转子侧滑移发生在压力上升区,这使得高压区压力减小;而静子侧滑移发生在压力下降区,使得高压区压力增大;与无滑移情形相比,局部滑移时间隙气膜压力峰值变化增幅达12%。在研究的参数范围内,随着偏心率减小和间隙高度增大,间隙界面滑移状态逐渐由转子侧滑移占主导向静子侧滑移占主导转变;耦合弹性箔片时,滑移区域增大1~4倍,滑移速度增大2~8倍,间隙气膜压力呈现双峰值分布。