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高效重载钢背衬碳织物/环氧树脂复合材料螺旋副研究

周先辉  
【摘要】: 重载螺旋副是成形装备中应用广泛的关键部件,它具有结构简单、增力比大的优点,但由于摩擦损失大、传动效率低,严重制约了成形装备性能的进一步提高。交流伺服驱动是现代成形装备发展的新方向,目前普遍采用重载滚珠丝杠副,由于其承载能力低、价格昂贵,成了这种新设备发展的瓶颈之一。成形装备的新发展迫切需要一种效率高、承载能力大、动态性能好、结构简单、价格低廉的新型螺旋传动方式。 目前关于螺旋副材料的研究有两个不同的发展方向,其一是新型金属螺母材料开发和螺杆表面改性;再就是聚合物整体螺母。本文提出了一种高效重载螺旋传动新的解决方案,即钢背衬碳织物/环氧树脂复合材料螺旋副。该螺旋副的螺母以钢为基体,内螺纹衬层为聚合物自润滑复合材料,螺旋面摈弃传统的切削加工,而采用成型加工,同时形成润滑油道,兼有优良的减摩耐磨性能和高的承载能力。通过传动螺旋副受力分析,优化螺母外形结构,可使螺旋各圈受力均匀,降低实际工作应力,进一步提高螺旋副工作性能。 通过对复合材料制备工艺、材料选择、粘结剂配方对材料摩擦磨损特性影响的研究,获得了一种具有稳定的低摩擦系数、高耐磨性的CF/EP复合材料配方及制备工艺,为高效、重载、精密滑动螺旋副的实现提供了基础。工艺研究表明,半干法制备的含胶量≥40 vol.%的CF/EP复合材料较湿法制备工艺易获得稳定的摩擦系数—时间特性。石墨、MoS_2加入粘结剂中有效增强了材料的减摩性能,当MoS_2与石墨以1.5∶1的质量比加入到30wt.%润滑组分改性的CF/EP复合材料中时,获得了具有最低稳态平均摩擦系数(0.14)的复合材料,每转磨损量为纯CF/EP复合材料的25.6%。磨损表面SEM、EDS分析表明,未添加润滑组分的CF/EP复合材料主要表现为粘结磨损特性,MoS_2通过抑制树脂向钢环表面的粘结使材料主要表现为疲劳磨损特性,疲劳碎裂的磨屑均布在偶件钢环表面起到了减摩作用。 研究了CF/EP复合材料油润滑的摩擦磨损性能。试验表明,优选的CF/EP复合材料油润滑下摩擦系数可下降至干摩擦系数的(1/3~2/3);摩擦面开设润滑油道可大大改善润滑效果,开设对数螺线油槽的试样μ值降至0.026,与无油槽时相比下降了近30%;轻载高速启动可进一步降低复合材料油润滑下的μ值。试环磨损表面微观分析表明,平纹织物增强的复合材料,碳纤维之间的间隙及平织物形成的表面纹理使得润滑油能深入到摩擦试环各区域,增强了滑动面流体润滑效果。开设对数螺线油槽后,复合材料偶件表面的粘结环区中央粘结区消失,表现出完全流体润滑特性。 采用螺旋面织物纤维铺放工艺及复印成型工艺成功制备出对开及整体式钢基体背衬CF/EP复合材料螺母,自润滑材料螺旋面及其上润滑油道均为整体成型。自行研制开发了螺旋传动效率测试装置,模拟重载螺旋副工况,对比了铜螺母与复合材料螺母在不同状态下的摩擦特性。测试表明,复合材料螺母在重载下表现出优良的摩擦学特性,油润滑状态下复合材料螺母上的摩擦阻力矩较铜螺母下降了53.5%,传动效率较钢—铜螺旋副相对提高了近一半。 建立了螺旋传动受力分析的弹簧组模型,提出了均化载荷分布的几种方案,并进行了有限元模拟。结果表明,优化后的阶梯及锥、柱形组合结构外形钢基螺母,配合相应的接触面约束形式,使各圈旋合螺牙轴向载荷分布均方差相对等截面圆螺母下降了81.5%,螺牙最大轴向载荷下降32.2%,单个螺牙最大轴向载荷约为最小轴向载荷的2倍,较等截面时下降了31.0%。螺母承载能力及使用寿命得以提高。 本研究开辟了高效重载精密螺旋传动技术一个新的方向,新型自润滑重载滑动螺旋副的开发,可以大大提高设备效率、降低能耗、提高工作可靠性和运转寿命。不仅对伺服压力机的发展具有重要的推动作用,而且对于所有采用螺旋传动的机械装备而言,都具有革命性的意义。作者认为,进一步优化CF/EP复合材料配方及工艺,研究螺杆表面改性方法以减小粘着磨损,完善螺母的润滑油道结构以更好地实现固/液润滑相结合,将进一步发挥出该新型滑动螺旋副的优良特性。


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