钢背—衬层传动螺母用的SCF/PEEK复合材料的制备与研究

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滑动螺旋副构造简单,成本低,应用广泛,但其传动效率较低。现有一种高效,承载能力强的钢背-衬层传动螺母,以环氧树脂为基体,碳纤维布为增强体制备的衬层用以减摩,钢为螺母基体来支撑和载荷传递,制备成碳纤维(CF)衬层复合材料滑动螺旋副,其摩擦系数较低,传动效率较高。但这种螺母表面质量较差,尺寸精度低,螺纹的偏差将直接影响到螺旋传动的效率和传动精度,且由于使用了碳纤维布增强,螺旋面成型后无法使用二次机械加工从而进一步提高精度。聚醚醚酮(PEEK)是一种耐高温、自润滑、易加工和高机械强度的热塑性材料,目前PEEK基复合材料的应用逐渐增多,为此本研究采取SCF/PEEK复合材料制备新型传动螺旋副的衬层,保证其精度的同时也有良好的抗压和摩擦磨损性能。本文对SCF/PEEK复合材料的制备方法、机械性能和摩擦性能进行了研究,探索了钢背螺母的成型工艺。第一,开展了SCF/PEEK复合材料的模压制备工艺研究。首先,通过对比,混料使用溶液混料的方式,获得分布均匀的SCF/PEEK粉料;通过对材料进行热性能测试,得出材料的玻璃转化温度为157.43℃,熔融温度为338.48℃,开始分解的温度为507.03℃,并由此预设模压工艺参数;通过对不同的模压工艺参数制备的样品进行冲击性能和摩擦学性能的测试,最终确定360℃,30min为最佳的模压工艺参数。预设了材料配比,并制备了不同配比的样品。第二,探索了SCF/PEEK复合材料组成对力学性能的影响。测试了不同配方对样品进行维氏硬度、冲击性能和压缩性能测试,探索材料组成对力学性能的影响。试验表明SCF和PTFE的加入对材料的力学影响不同,SCF可以改善材料的力学性能,PTFE的加入则会使材料的力学性能降低。通过对比得出PEEK/10PTFE/10SCF为综合力学性能最佳的材料组成,其维氏硬度为45.1HV,冲击性能为19.43KJ/m~2,压缩性能为114.9MPa,符合衬层材料的性能要求。第三,研究了SCF/PEEK复合材料摩擦磨损性能。通过样品摩擦试验,研究材料组成对材料摩擦学性能的影响。试验表明PTFE和SCF的加入可以增大材料的散热性能,使材料在摩擦过程中保持稳定。其中SCF的加入会提高PEEK基复合材料的摩擦系数,但会使其承载能力提高,降低磨损量,PTFE的加入可以降低材料的摩擦系数,但是PTFE的机械性能较差,使材料的机械性能有所下降,磨损量增大。最终结合摩擦因数和磨损量,得出PEEK/10PTFE/10SCF的摩擦学性能最佳,其摩擦系数0.126,磨损量为343.01μm~3。最后对SCF/PEEK复合材料衬层螺母的制备工艺进行探索。研究了SCF/PEEK衬层材料与钢背的结合性能,为提高衬层和钢背螺母的结合,在螺母的内螺纹表面制备了PPS涂层,作为中间结合层对其结合力进行了测试,对比课题组前期的研究结果,符合使用要求;采用优化的模压工艺和材料配方,制备钢背螺母,通过改良了加压模式,从一次冷压变成多段加压,制备出来衬层组织致密好的螺母。探索了螺母二次加工问题,使螺母的内表面尺寸精度得以提高,最终制备出钢背/PEEK基复合材料衬层传动螺母样品。
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