点磨削零件表面形貌特征及摩擦学特性研究

摘要

在点磨削加工过程中，砂轮轴线与零件轴线之间存在砂轮倾斜角，点磨削外圆零件的表面形貌不同于普通外圆磨削，零件表面完整性好且表面纹理方向具有可调整性。点磨削零件表面形貌对零件摩擦学性能和接触特性具有重要影响。
　　本论文是结合国家自然科学基金资助项目(51075065):基于点磨削复合加工的表面完整性控制技术及理论研究完成的。分析了点磨削加工参数对表面形貌的影响规律并对点磨削零件表面形貌进行了科学表征，研究了流体润滑条件下以及干滑动接触条件下点磨削零件的表面形貌对摩擦学性能的影响，分析了流体润滑条件下表面纹理方向与油膜承载能力的关系以及干滑动接触条件下表面纹理方向对接触应力、接触长度等的影响规律。在上述理论分析和试验研究的基础上提出点磨削零件表面形貌的设计和实现方法。具体研究内容如下：
　　(1)分析了点磨削加工参数对表面粗糙度和表面纹理特征的影响规律。通过试验分析了表面纹理特征对表面粗糙度评定参数的影响规律，研究表明，当表面纹理方向角取10°～15°时，表面轮廓曲线波动范围最小，表面粗糙度数值较小。
　　(2)在分析传统表面粗糙度的表征参数以及基于分形理论的粗糙表面的表征与模拟的基础上，基于点磨削加工的特点，采用理论分析与试验研究相结合的方法，研究了表面纹理方向对表面分形维数和尺度系数的影响规律，建立了点磨削零件表面分形维数和尺度系数的理论计算公式。试验结果表明，当表面纹理方向角为60°时，表面分形维数最大，尺度系数最小;当表面纹理方向角为30°时，表面分形维数较小，尺度系数最大。
　　(3)从理论上推导考虑零件表面纹理的润滑油膜厚度表达式以及单个微凸峰的Reynolds方程，确定Reynolds方程的边界条件，并对Reynolds方程进行无量纲化，对无量纲的Reynolds方程进行数值求解。根据理论研究和数值求解结果，分析了点磨削表面纹理方向对零件平均油膜压力、承载能力和摩擦力的影响，同时也分析了最小油膜厚度对承载能力和摩擦力的影响。
　　(4)通过分析表面纹理方向对表面支承长度率的影响，得到表面纹理方向对零件耐磨性影响规律，并通过试验分析表面纹理方向对表面支承长度率曲线的影响规律。基于分形理论建立点磨削零件的接触力学模型，建立实际接触长度与接触应力之间的关系方程。用Matlab软件对接触力学模型进行分析，得出应力—实际接触长度曲线与各个变量的关系。
　　(5)通过试验分析了流体润滑条件下和干滑动接触条件下表面纹理方向对零件摩擦学特性的影响。结果表明，在流体润滑条件下，当载荷和速度合适时，表面纹理方向角为30°的零件表面摩擦因数较小。在干滑动接触条件下，表面纹理方向为30°和表面纹理方向为60°的零件表面，其摩擦因数波动较小，摩擦因数较小，零件摩擦学性能较好;当摩擦副表面纹理方向之间的角度为45°时，零件磨损量达到最小值。
　　(6)根据表面纹理方向在流体润滑条件下和干滑动接触条件下对零件摩擦学特性的影响规律，提出特定工况条件下表面形貌设计的理论，得到使摩擦学性能最优的表面形貌参数。应用表面形貌参数与点磨削加工参数之间的关系，确定合理的点磨削加工参数，从而得到合适的表面形貌。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与课题研究的意义

1．2 点磨削零件表面形貌研究

1．2．1 点磨削加工原理

1．2．2 表面完整性评价指标

1．2．3 点磨削零件表面形貌的研究现状

1．3 表面形貌的摩擦学效应研究现状

1．3．1 摩擦学定义

1．3．2 表面形貌的摩擦学效应

1．4 本文主要研究内容

第2章 点磨削加工参数对表面形貌的影响

2．1 点磨削加工的特点

2．2 点磨削加工参数对表面粗糙度的影响

2．3 点磨削加工参数对表面纹理特征的影响

2．3．1 点磨削加工参数对表面纹理方向的影响

2．3．2 点磨削加工参数对表面纹理凹坑宽度、深度的影响

2．3．3 点磨削加工参数对表面纹理面积占有率的影响

2．4 表面纹理特征对表面粗糙度评定参数影响的试验研究

2．4．1 试验条件

2．4．2 试验分析

2．5 本章小结

第3章 点磨削零件表面分形表征

3．1 表面粗糙度的传统表征参数

3．2 粗糙表面的分形表征

3．2．1 分形几何理论基础

3．2．2 粗糙表面的分形表征

3．3 点磨削零件表面的分形表征

3．3．1 点磨削零件表面分形维数的确定

3．3．2 点磨削零件表面尺度系数的确定

3．4 本章小结

第4章 点磨削零件表面动压润滑特性研究

4．1 Reynolds方程的推导

4．1．1 润滑状态

4．1．2 流体动压润滑机理

4．1．3 Reynolds方程的推导

4．2 点磨削零件表面流体动压润滑模型

4．2．1 表面纹理对流体动压油膜形成的影响机理

4．2．2 考虑点磨削表面纹理时Reynolds方程的形式

4．2．3 考虑点磨削表面纹理方向的膜厚方程

4．3 Reynolds边界条件

4．3．1 边界条件

4．3．2 Reynolds边界条件

4．4 Reynolds方程的无量纲化

4．4．1 无量纲参考量的选择

4．4．2 Reynolds方程的无量纲化

4．4．3 膜厚方程的无量纲化

4．5 点磨削零件润滑方程的数值求解

4．5．1 点磨削零件润滑方程的数值求解

4．5．2 无量纲方程化为差分方程

4．5．3 逐点松弛迭代法解线性方程组

4．5．4 收敛准则

4．6 点磨削零件表面润滑仿真与分析

4．6．1 编程软件MATLAB及程序流程图

4．6．2 仿真结果与分析

4．7 本章小结

第5章 点磨削零件表面干滑动接触特性研究

5．1 干滑动接触下表面形貌对零件摩擦学特性的影响

5．1．1 轮廓支承长度率对零件摩擦学特性的影响

5．1．2 表面纹理方向对零件摩擦学特性的影响

5．2 点磨削零件表面接触模型的建立

5．2．1 基于Hertz理论的弹性接触力学模型

5．2．2 基于统计学理论的接触力学模型

5．2．3 基于分形理论的点磨削零件表面接触力学模型

5．3 点磨削表面接触力学模型分析

5．3．1 参数确定

5．3．2 载荷—实际接触长度与各个量之间的关系分析

5．3．3 应力与各个量之间的关系分析

5．4 本章小结

第6章 点磨削表面纹理摩擦学特性试验研究

6．1 流体润滑条件下点磨削表面纹理摩擦学特性试验研究

6．1．1 试验系统

6．1．2 试验参数确定

6．1．3 试验数据分析

6．2 干滑动接触下点磨削表面纹理摩擦学特性试验研究

6．2．1 试验系统

6．2．2 试验参数确定

6．2．3 试验数据分析

6．3 本章小结

第7章 点磨削零件表面形貌设计与实现

7．1 特定工况下点磨削零件表面形貌设计

7．1．1 流体润滑条件下点磨削零件表面形貌设计

7．1．2 干滑动接触条件下点磨削零件表面形貌设计

7．2 点磨削零件表面形貌实现

7．3 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的论著

攻读博士学位期间参加的科研项目