高效重載鋼背襯碳織物-環(huán)氧樹脂復(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)簡單、增力比大的優(yōu)點，但由于摩擦損失大、傳動效率低，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、動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的新型螺旋傳動方式。 目前關(guān)于螺旋副材料的研究有兩個不同的發(fā)展方向，其一是新型金屬螺母材

2、料開發(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新的解決方案，即鋼背襯碳織物/環(huán)氧樹脂復(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，同時形成潤滑油道，兼有優(yōu)良的減摩耐磨性能和高的承載能力。通過傳動螺旋副受力分析，優(yōu)化螺母外形結(jié)構(gòu)，可使螺旋各圈受力均勻，降低實際工作應(yīng)力，進(jìn)一步提高螺旋副工作性能。 通過對復(fù)合材料制備工藝、材料選擇、粘

3、結(jié)劑配方對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、精密滑動螺旋副的實現(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)一時間特性。石墨、MoS2加入粘結(jié)劑中有效增強了材料的減摩性能，當(dāng)MoS2與石墨以1.5:1的質(zhì)量比加入到30wt.％潤滑組分改性的CF/EP復(fù)合材料中時，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通過抑制樹脂向鋼環(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)合材料油潤滑的摩擦磨損性能。試驗表明，優(yōu)選的CF/EP復(fù)合材料油潤滑下摩擦系數(shù)可下降至干摩擦系數(shù)的(1/3～2/3)；摩擦面開設(shè)

5、潤滑油道可大大改善潤滑效果，開設(shè)對數(shù)螺線油槽的試樣μ值降至0.026，與無油槽時相比下降了近30％；輕載高速啟動可進(jìn)一步降低復(fù)合材料油潤滑下的μ值。試環(huán)磨損表面微觀分析表明，平紋織物增強的復(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滑油能深入到摩擦試環(huán)各區(qū)域，增強了滑動面流體潤滑效果。開設(shè)對數(shù)螺線油槽后，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、出對開及整體式鋼基體背襯CF/EP復(fù)合材料螺母，自潤滑材料螺旋面及其上潤滑油道均為整體成型。自行研制開發(fā)了螺旋傳動效率測試裝置，模擬重載螺旋副工況，對比了銅螺母與復(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％，傳動效率較鋼-銅螺旋副相對提高了近一半。 建立了螺旋傳動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％，單個螺牙最大軸向載荷約為最小軸向載荷的2倍，較等截面時下降了31.0％。螺母承載能力及使用壽命得以提高。 本研究開辟了高效重載精密螺旋傳動技術(shù)一個新的方向，新型自潤滑重載滑動螺旋副的開發(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轉(zhuǎn)壽