机床滑动导轨织构化表面摩擦特性的研究

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表面织构技术作为一种在材料表面配置微小结构以达到改善材料接触面摩擦学特性的新型技术在众多领域被证实其有效性。机床作为全球机械大生产中的一环,其重要性不言而喻,机床导轨磨损现象不仅破坏了系统运动的稳定性,还严重制约了被加工件的表面质量。解决导轨摩擦磨损的常用方法包括表面淬火和表面贴塑,但是这两种方法都有其弊端。针对以上导轨面临的问题,本文创新的将已在其他领域被证实有效性的表面织构技术运用到滑动导轨上,进而考察织构化导轨表面的摩擦性能。首先,建立机床滑动导轨织构化表面模型,采用有限体积法对流体动压润滑方程进行求解,选择承载力F与油膜刚度K作为表面摩擦性能参数。然后通过改变三种不同类型微孔、沟槽织构化导轨表面几何参数研究其摩擦性能,研究表明:椭圆孔织构化导轨相比于其他微孔织构化导轨具有更强的流体动压效应,承载力F与油膜刚度K也较大;矩形槽织构化导轨在织构深度hp、织构面积率Sp变化过程中表现更好。接着建立单一椭圆孔织构、单一矩形槽织构、复合织构化导轨模型,考察不同参数下三种织构化导轨的表面摩擦性能参数,研究表明:凹槽织构对提高承载力F与油膜刚度K具有良好效果;在矩形槽偏转角度为60°和90°时选择较大偏转角度的椭圆孔织构可以增大承载力F与油膜刚度K。最后建立三种不同排布方式的复合织构(上孔-下槽型、左孔-右槽型、二层复合槽孔型),初步考察不同排布方式下工况参数与结构参数对机床滑动导轨表面摩擦性能参数的影响,研究表明:承载力F与油膜刚度K的大小取决于导轨表面摩擦副间楔形效应的显著性,楔形效应越显著,油膜动压力越大,承载力F与油膜刚度K越大;二层复合槽孔型织构导轨表面摩擦副间的承载力F与油膜刚度K最大,说明二层复合槽孔型织构化导轨具有最佳的楔形效应;增大导轨移速u可以明显提高油膜承载力F与油膜刚度K。
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