液壓升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)
液壓升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì),液壓升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì),液壓,升降,舞臺(tái),設(shè)計(jì)
一、 傳統(tǒng)涂料和現(xiàn)代涂料之間摩擦性質(zhì)的對比
畢章 劉小兵 鄧朝暉 和建盟都是美國CTO6292機(jī)械工業(yè)部門和各大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)。
電郵:zhang@enger.ucom.edu
簡介:
這篇文章對比了傳統(tǒng)材料在固定的摩擦力和空間摩擦力作用下的表面摩擦性質(zhì)。材料成型機(jī)械是和微結(jié)構(gòu)理論(材料的粒度)相聯(lián)系的。材料粒度的減少對變形材料的摩擦性質(zhì)的影響正在研究之中。
1.說明
陶瓷制品的摩擦過程影響已經(jīng)在深入的研究之中。例如:Kirchner 和Brinksmeier,1998Blake,1998)摩擦對材料微型結(jié)構(gòu)的影響同等重要。材料的微型結(jié)構(gòu)就是粒度,它將影響機(jī)械性能。例如:硬度和韌性。所以也將影響到陶瓷的摩擦性質(zhì),在這方面幾乎還未取得研究上的突破。
Both和Tonshoff在1993年研究了不同粒度的鋁在滑動(dòng)摩擦和靜摩擦方面的摩擦性質(zhì)。對n-Al2O3/13TiO2和n-WC/12Co兩種涂料來說,其硬度和韌性比同等或粒度大的其他材料來說要髙的多。在塑性變形條件下,材料的硬度是不變的。由于固有位置的移動(dòng),塑性變形將會(huì)被削弱。粒度越大,越會(huì)對材料的移動(dòng)和塑性變形的束縛。
和傳統(tǒng)材料不同的是,材料硬度的降低并不會(huì)導(dǎo)致材料韌度的降低。(由于更大的纖維化,更大的流動(dòng)壓力和更高的撓曲力)(Jia,1998)對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來說,硬度和韌度的差別是涂料的摩擦性質(zhì)得的影響。大量的砂眼,裂紋和微裂紋是由于膨脹過程對材料中各成分的比率產(chǎn)生了很大的影響。對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料來說,硬度和韌度的不同并不僅僅是由于體積的不同。表1說明了傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Wc/12Co和Al2O3/13TiO2)兩種涂料的成分比率。
一般來說,摩擦性質(zhì)可根據(jù)材料的滑移率,材料所承受的摩擦力,樣本表面的結(jié)合率作
出預(yù)測。在這篇報(bào)告中,傳統(tǒng)的摩擦力,空間摩擦能是作為傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料對照。除此之外,微電子掃描技術(shù)被用來預(yù)料粒度對材料滑移機(jī)械的影響。
表1:傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Wc/12Co和Al2O3/13TiO2)的百分比
C-Wc/12Co n-Wc/12Co C-Al2O3/13TiO2 n-Al2O3/13TiO2
邊界力:82.7 89.6 15.5 20.7 (MPa)
粒度:1.3 0.04 2.5 0.05 (um)
物體密度:14.2 14.5 3.5-4.0 3.7-4.1 (g/cm3)
維氏硬度:12.00 12.50 10.44 10.57 (GPa)
韌度:1/2 16.0 16.5 3.3 3.5 (MPa/m)
2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)
2.1預(yù)加工特征圖表
傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料都是由低碳鋼制成,其晶格大小為25×75×4mm3,晶格在熱膨脹之前將會(huì)爆炸。傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Wc/12Co)是用高壓氧流的方法生產(chǎn)的。傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Al2O3/13TiO2)是用等離子下熱膨脹的方法預(yù)制的。所有的涂層都有大約0.5mm厚的硬殼。材料樣本被削減為25×4×4mm3。
表1說明了用微電子掃描技術(shù)對c/n-Wc/12Co涂料的觀察結(jié)果。表1(b)揭示了小粒度的Wc在材料鈷的邊界結(jié)合在一邊。用微電子掃描技術(shù)在傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Wc/12Co)中可觀察到大量的裂紋。
表2說明了在熱膨脹作用下,傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料(Al2O3/13TiO2)的典型表面
特征:孔隙,裂紋,微裂紋和與材料微裂紋垂直相交的部分結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的摩擦測試以前,為了降低材料的毀壞,外表是帶有15um的金鋼粒的砂輪。盡管這種準(zhǔn)備過程在熱膨脹的影響下非常有效,但要浪費(fèi)時(shí)間和精力。
2.2摩擦試驗(yàn)
摩擦試驗(yàn)是用計(jì)算機(jī)對精密摩擦機(jī)械(Dover Model 956-S)進(jìn)行了大量的控制而完成的。這臺(tái)機(jī)器在它的測量軸及X Y Z 坐標(biāo)方向上都有空間靜止齒輪。測量軸在軸向由0.05um的竄動(dòng),三坐標(biāo)軸向上有0.1um-25mm的直線度誤差。機(jī)器上安裝的激光干涉儀能夠?qū)x Y Z軸向上0.07um的回路誤差進(jìn)行反饋。機(jī)器上這種回路的剛度為50N/um。
在此項(xiàng)研究中,用金剛摩擦輪(5D 600N 100V)在不同的環(huán)境下(和樣本比較而言)摩擦涂料。輪速設(shè)置為33m/s或3500r/min。為了預(yù)測在殘余應(yīng)力作用下材料滑移率的影響,切深設(shè)置為2,5,15,30 um補(bǔ)償率為1,4,8mm/s(在摩擦試驗(yàn)中)用冷卻液作為水系統(tǒng)。
2.3后摩擦預(yù)測
輪廓曲線用于測量材料在摩擦方向上的成型表面微電子探測儀(JOEL Model Jsm840)用于觀察材料表面。微電子探測儀的觀察部件能夠在材缺陷中區(qū)分出摩擦損壞。 大量的材料缺陷,例如:砂眼,熔融粒子,裂紋和微觀裂紋,在飛濺中都能被檢測出來。
因?yàn)槠渲械囊恍┤毕莺苋菀妆徽`認(rèn)為摩擦毀壞,所以微電子探測儀能夠在飛濺材料的檢測中探測出這些缺陷。熱膨脹過程中的毛孔一般呈現(xiàn)光滑的邊緣。表1和表2中,飛濺材料的裂紋和微裂紋彼此相連。依據(jù)摩擦材料,摩擦破壞將能被檢測出來。
3研究成果與發(fā)現(xiàn)
3.1普通摩擦力的對比
普通摩擦力在表征摩擦過程中非常重要。表3對c/n-Al2O3/13TiO2和c/n-Wc/12Co在相同摩擦環(huán)境下作用的普通摩擦力進(jìn)行了對比。對n-Al2O3/13TiO2來說,普通摩擦力要高于傳統(tǒng)的配對物。
人們也觀察到:對n-Al2O3/13TiO2來說,抱剎力要大的多。它表明了:n-Al2O3/13TiO2和傳統(tǒng)的配對物相比增加了機(jī)械性能(硬度和韌度),所以n-Al2O3/13TiO2得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)觀測,摩擦中c/n-Al2O3/13TiO2具有類似的趨勢:在大的切深下,摩擦力對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料的不同影響變得非常小。這也表明在非常低的材料滑移率下,材料粒度對摩擦力的影響非常大。當(dāng)切深或材料滑移率增大時(shí),對摩擦過程干擾儀來說,切深的影響成為次要因素。
由于在摩擦?xí)r大的負(fù)前角的從存在,切向摩擦力比普通摩擦力小的多。摩擦力如下:(a)c-Wc/12Co
(b) n-Wc/12Co
(a) c-AL2O3/13TiO2
(b) n-Al2O3/13TiO2
表2:微電子探測儀觀測到了飛濺的c/n-AL2O3/13TiO2。
表1:微電子探測儀觀測到了飛濺的c/n-Wc/12Co。
222222000000-mm 1200mm
表3表明了對切向摩擦力Ft來說,普通摩擦力的相對數(shù)量級為Fn,并被定義為:
t n F F L=(1)
表4說明了摩擦力率和切深。摩擦力率對c/n-AL2O3/13TiO2來說要高于c/n-Wc/12Co 。c/n-AL2O3/13TiO2比c/n-Wc/12Co要硬的多。在同樣的摩擦條件下,脆性特征要比c/n-AL2O3/13TiO2明顯的多。
c/n-Wc/12Co在摩擦?xí)r,大量的可逆流導(dǎo)致切向摩擦力相對高的多,所以導(dǎo)致摩擦力率降低。據(jù)觀測:當(dāng)摩擦力率對n-AL2O3/13TiO2和n-AL2O3/13TiO2的不同不重要時(shí),n-AL2O3/13TiO2的摩擦力率和c-AL2O3/13TiO2的摩擦力率有明顯的不同。
隨著材料的滑移率或切深降低時(shí),這四種材料的摩擦力率也相應(yīng)的降低。另一方面,這四種材料的摩擦力率相對很窄,這說明了材料滑移機(jī)相對于給定的切深范圍并不能變動(dòng)太大??臻g摩擦能U被定義為去除單位材料所需的能量??臻g摩擦能是由切向摩擦能推倒出的。
F tc wdv Fv u=(2)
Vc指摩擦速度,W指工件寬度,d指切深 vf指反饋率
表5表明了粒度對空間摩擦能的影響以及空間摩擦能隨著切深的變化。(a)傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料AL2O3/13TiO2(b)傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料Wc/12Co表3對作用了傳統(tǒng)材料和普通材料上的普通摩擦力做了對比。
0 10 20 30
0
2
4
6
8
Depth of cut, m
Normal grinding force, N/mm2
Nano.
Conv.
Wheel speed: 33 m/s
Feedrate: 4 mm/s
Wheel: 600V
0 10 20 30
0
2
4
6
8
Depth of cut, m
Normal grinding force, N/mm2
Nano.
Conv.
Wheel speed: 33 m/s
Feedrate: 4 mm/s
Wheel: 600V
Fig. 4 Comparison of grinding force ratio.
00 10 20 30
3
6
9
12
Depth of cut, m
Grinding force ratio, l
n-WC/12Co
c-WC/12Co
n-Al2O3/13TiO2
c-Al2O3/13TiO2
Wheel speed: 33 m/s
Feedrate: 4 mm/s
Wheel: 600V
Fig. 5 Comparison of specific grinding energy.
0 10 20 30
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Depth of cut, m
Specific grinding energy, 103 J/mm3
n-WC/12Co
c-WC/12Co
n-Al2O3/13TiO2
c-Al2O3/13TiO2
Wheel speed: 33 m/s
Feedrate: 4 mm/s
Wheel: 600V
4.
四種材料的摩擦能隨著切深漸進(jìn)的達(dá)到極限。在小的切深處,空間摩擦能非常高,這暗示了一部分摩擦能是和構(gòu)件外形有關(guān)(Malkin,1989)一般來說,一部分摩擦能是由構(gòu)件成型時(shí)儲(chǔ)存的能量upl,切削能usl ch pl sl 組成。即U=U+U+U (3)除了uch,空間摩擦能的其他部分來自在小的切深下工件和磨粒的滑動(dòng)和切削。
在比較大的切深下,滑動(dòng)變得并不重要,構(gòu)件成型也很普遍。然而,切削仍然存在,并影響到摩擦和材料表面。僅僅uch完全用于材料滑移和形成新的表面。理論上,表5中漸進(jìn)極限是uch對c/n-AL2O3/13TiO2進(jìn)行相對平坦的切割。由于材料的易脆性,切削能并不多。對現(xiàn)代材料來說,小的粒度似乎增大了材料的空間摩擦能。由于現(xiàn)代材料硬度的提高,所需的切削能增多。韌度越大,也意味著通過摩擦形成新的摩擦表面需要更多的能量。
3.3 表面粗糙度的對比
表面粗糙度是對材料的表面特征的度量。表6說明了粒度對材料的表面粗糙度的影響非常重要。和摩擦力和空間摩擦能相反,粒度越小將導(dǎo)致現(xiàn)代材料表面粗糙度的降低。這在材料滑移機(jī)械中做了很好的解釋。由微電子探測儀拍攝的圖片可觀察到(表7和表8)當(dāng)可塑流在n-AL2O3/13TiO2摩擦中其主要作用時(shí),脆性材料在n-AL2O3/13TiO2摩擦中起支配作用。
盡管可塑流是c/n-Wc/12Co在摩擦中的主要的材料滑移成分,據(jù)觀測晶格或許也很大程度上成因于c-Wc/12Co的表面粗糙度。和摩擦力類似,在很大的切深下,傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代材料的表面粗糙度之間非常接近。這也說明了,現(xiàn)代材料粒度的減少并不能提高材料的滑移率。
3.4微電子探測儀的表面觀測和對比
表7表明了在相同的摩擦條件下,微電子探測儀對c/n-Wc/12Co的觀測結(jié)果。c-Wc/12Co的表面分片很多,并且大量的Wc微粒能夠被觀測到。和n-Wc/12Co表面相比,n-Wc/12Co表面被一層塑性材料完全覆蓋住了。Wc微粒邊界幾乎觀測不到。表8表明了用微電子探測儀對c/n-AL2O3/13TiO2觀測結(jié)果的對比。通過聲音和平坦的表面,來自熱膨脹的缺陷將被觀測到。
表6 表面粗糙度的對比
n-WC/12Co
c-WC/12Co
n-Al2O3/13TiO2
c-Al2O3/13TiO2
Wheel speed: 33 m/s
Feedrate: 4 mm/s
Wheel: 600V
0 10 20 30
0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Depth of cut, m
Surface roughness Ra, 102 nm
(a) n-WC/12Co (b) c-WC/12Co
Fig. 7 SEM observations of ground c/n-WC/12Co
coatings.
(a) n-Al2O3/13TiO2 (b) c-Al2O3/13TiO2
Fig. 8 SEM observations of ground c/n-
Al2O3/13TiO2 coatings.
2121210 mm 2121210 mm
2121210 mm 2121210 mm
5. AL2O3/13TiO2表明了可塑性流是主要的滑移材料。脆性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致c-AL2O3/13TiO2的表面粗糙。斷片和晶體組織占據(jù)了c-AL2O3/13TiO2的大部分。表面觀察結(jié)果表明了表面具有不同的粗糙度。
4.總結(jié)
從摩擦力的對比中可看出:空間摩擦能成形表面,現(xiàn)代材料和傳統(tǒng)材料的表面形態(tài)??煽偨Y(jié)為:粒度在材料的摩擦滑移中起到了重要的作用。
當(dāng)表面粗糙度隨著粒度一起增加時(shí),摩擦力,切削力和空間摩擦能是和粒度密切相關(guān)的。摩擦?xí)r,可塑性流和脆性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生同樣的變化。摩擦?xí)r,粒度影響著可塑性流的數(shù)量,它支配著材料的最終表面。粒度減少,邊界增大可增強(qiáng)現(xiàn)代材料的硬度和韌度。所以它將影響到這些材料的摩擦。然而,在比較高的材料滑移率的條件下,粒度的影響并不重要。
備注:
[1]H.P.Kirchner和J.C.Conway“用陶瓷滑移學(xué)和材料破壞學(xué)的機(jī)理闡明了陶瓷摩擦原理”陶瓷材料的機(jī)械加工。
[2]H.K.Tonshoff和E.Brinksmeier“磨料以及對材料表面溫度的影響”。
[3]P.Blake,T.Bifano,和R.O.Scattergood“陶瓷材料的應(yīng)用前景”。
[4]P.Roth和H.K.Tonshoff“微觀組織對氧化鋁陶瓷材料性質(zhì)的影響”。
[5]K.Jia,T.E.Fischer和BGallois“現(xiàn)代材料和傳統(tǒng)材料Wc-Co的微觀組織硬度和韌度”。
[6]S.Malkin“摩擦理論,摩擦技術(shù)以及磨料的應(yīng)用”。
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