高效重載鋼背襯碳織物-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料螺旋副研究.pdf

1、重載螺旋副是成形裝備中應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵部件，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增力比大的優(yōu)點(diǎn)，但由于摩擦損失大、傳動(dòng)效率低，嚴(yán)重制約了成形裝備性能的進(jìn)一步提高。交流伺服驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代成形裝備發(fā)展的新方向，目前普遍采用重載滾珠絲杠副，由于其承載能力低、價(jià)格昂貴，成了這種新設(shè)備發(fā)展的瓶頸之一。成形裝備的新發(fā)展迫切需要一種效率高、承載能力大、動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的新型螺旋傳動(dòng)方式。 目前關(guān)于螺旋副材料的研究有兩個(gè)不同的發(fā)展方向，其一是新型金屬螺母材

2、料開(kāi)發(fā)和螺桿表面改性；再就是聚合物整體螺母。本文提出了一種高效重載螺旋傳動(dòng)新的解決方案，即鋼背襯碳織物/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料螺旋副。該螺旋副的螺母以鋼為基體，內(nèi)螺紋襯層為聚合物自潤(rùn)滑復(fù)合材料，螺旋面擯棄傳統(tǒng)的切削加工，而采用成型加工，同時(shí)形成潤(rùn)滑油道，兼有優(yōu)良的減摩耐磨性能和高的承載能力。通過(guò)傳動(dòng)螺旋副受力分析，優(yōu)化螺母外形結(jié)構(gòu)，可使螺旋各圈受力均勻，降低實(shí)際工作應(yīng)力，進(jìn)一步提高螺旋副工作性能。 通過(guò)對(duì)復(fù)合材料制備工藝、材料選擇、粘

3、結(jié)劑配方對(duì)材料摩擦磨損特性影響的研究，獲得了一種具有穩(wěn)定的低摩擦系數(shù)、高耐磨性的CF/EP復(fù)合材料配方及制備工藝，為高效、重載、精密滑動(dòng)螺旋副的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。工藝研究表明，半干法制備的含膠量≥40 vol.％的CF/EP復(fù)合材料較濕法制備工藝易獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù)一時(shí)間特性。石墨、MoS2加入粘結(jié)劑中有效增強(qiáng)了材料的減摩性能，當(dāng)MoS2與石墨以1.5:1的質(zhì)量比加入到30wt.％潤(rùn)滑組分改性的CF/EP復(fù)合材料中時(shí)，獲得了具有最低穩(wěn)態(tài)平

4、均摩擦系數(shù)(0.14)的復(fù)合材料，每轉(zhuǎn)磨損量為純CF/EP復(fù)合材料的25.6％。磨損表面SEM、EDS分析表明，未添加潤(rùn)滑組分的CF/EP復(fù)合材料主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損特性，MoS2通過(guò)抑制樹(shù)脂向鋼環(huán)表面的粘結(jié)使材料主要表現(xiàn)為疲勞磨損特性，疲勞碎裂的磨屑均布在偶件鋼環(huán)表面起到了減摩作用。 研究了CF/EP復(fù)合材料油潤(rùn)滑的摩擦磨損性能。試驗(yàn)表明，優(yōu)選的CF/EP復(fù)合材料油潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)可下降至干摩擦系數(shù)的(1/3～2/3)；摩擦面開(kāi)設(shè)

5、潤(rùn)滑油道可大大改善潤(rùn)滑效果，開(kāi)設(shè)對(duì)數(shù)螺線(xiàn)油槽的試樣μ值降至0.026，與無(wú)油槽時(shí)相比下降了近30％；輕載高速啟動(dòng)可進(jìn)一步降低復(fù)合材料油潤(rùn)滑下的μ值。試環(huán)磨損表面微觀分析表明，平紋織物增強(qiáng)的復(fù)合材料，碳纖維之間的間隙及平織物形成的表面紋理使得潤(rùn)滑油能深入到摩擦試環(huán)各區(qū)域，增強(qiáng)了滑動(dòng)面流體潤(rùn)滑效果。開(kāi)設(shè)對(duì)數(shù)螺線(xiàn)油槽后，復(fù)合材料偶件表面的粘結(jié)環(huán)區(qū)中央粘結(jié)區(qū)消失，表現(xiàn)出完全流體潤(rùn)滑特性。 采用螺旋面織物纖維鋪放工藝及復(fù)印成型工藝成功制備

6、出對(duì)開(kāi)及整體式鋼基體背襯CF/EP復(fù)合材料螺母，自潤(rùn)滑材料螺旋面及其上潤(rùn)滑油道均為整體成型。自行研制開(kāi)發(fā)了螺旋傳動(dòng)效率測(cè)試裝置，模擬重載螺旋副工況，對(duì)比了銅螺母與復(fù)合材料螺母在不同狀態(tài)下的摩擦特性。測(cè)試表明，復(fù)合材料螺母在重載下表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，油潤(rùn)滑狀態(tài)下復(fù)合材料螺母上的摩擦阻力矩較銅螺母下降了53.5％，傳動(dòng)效率較鋼-銅螺旋副相對(duì)提高了近一半。 建立了螺旋傳動(dòng)受力分析的彈簧組模型，提出了均化載荷分布的幾種方案，并進(jìn)行了

7、有限元模擬。結(jié)果表明，優(yōu)化后的階梯及錐、柱形組合結(jié)構(gòu)外形鋼基螺母，配合相應(yīng)的接觸面約束形式，使各圈旋合螺牙軸向載荷分布均方差相對(duì)等截面圓螺母下降了81.5％，螺牙最大軸向載荷下降32.2％，單個(gè)螺牙最大軸向載荷約為最小軸向載荷的2倍，較等截面時(shí)下降了31.0％。螺母承載能力及使用壽命得以提高。 本研究開(kāi)辟了高效重載精密螺旋傳動(dòng)技術(shù)一個(gè)新的方向，新型自潤(rùn)滑重載滑動(dòng)螺旋副的開(kāi)發(fā)，可以大大提高設(shè)備效率、降低能耗、提高工作可靠性和運(yùn)轉(zhuǎn)壽