滚动直线导轨副摩擦磨损机理研究

作     者：钱鑫宇 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王哲;周宁

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：滚动直线导轨副 摩擦磨损机理 磨损预测模型 微观形貌 

摘      要：滚动直线导轨副在工作过程中,不可避免地受到外力和环境条件的影响而造成性能衰减,其中滑块、导轨和滚珠的摩擦磨损问题尤为突出。摩擦磨损不仅缩短了导轨副的使用寿命,还显著影响了其精度、摩擦力和振动等关键性能参数。鉴于摩擦磨损机理的复杂性和多因素性,对其深入研究至关重要。本文主要研究了: (1)搭建了跑合试验台,使滚动直线导轨副在持续受载的同时做往复直线运动进行跑合,当出现精度丧失时停止跑合。根据滚动直线导轨副的工作运动特性,将导轨副分为加减速区、匀速区、未跑合区。利用扫描电镜、显微硬度仪和应力测定仪等多种仪器设备对导轨副各部分的磨损形貌、金相组织、残余应力和硬度进行了详尽的观察和分析,识别摩擦磨损的特征,并深入分析磨损形貌与导轨副性能之间的关联。 (2)按照摩擦磨损类型分别分析粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳磨损的摩擦磨损机理。一是,结合滚动直线导轨副的生产工艺和材料磨损原理对粘着磨损和磨粒磨损的机理进行理论分析。二是,使用Abaqus软件对不同位置的裂纹进行仿真分析裂纹发展的方向和速度,以此分析接触疲劳磨损机理。在理解摩擦磨损机理的基础上,对滚动直线导轨副进行接触角变化分析和静力学分析,了解导轨副在受载时的接触角变化。随后,结合Hertz接触理论探究了接触区域形变和接触应力,结合Archard磨损理论探究了粘着磨损的磨损情况,结合显微切削理论探究了磨粒磨损的磨损情况。基于上述理论分析提出了磨损预测模型。 (3)使用摩擦磨损试验机,通过在低、中、高载荷条件下,进行低、中、高转速摩擦磨损材料试验,优化磨损预测模型。通过试验确定粘着磨损和磨粒磨损的比例,将试验结果与理论结果进行拟合,验证模型的正确性。同时,进行导轨副垂直平行度试验和摩擦力试验,通过试验确定了导轨副失效的里程范围。根据磨损预测模型,可以得到磨损量与径向变化量的关系,当径向变化量等于初始形变量时视为精度丧失。将精度试验结果与模型预测结果进行拟合,优化磨损预测模型,调整粘着磨损和磨粒磨损的比例,进一步验证模型的正确性。 通过本文的研究,分析总结了滚动直线导轨副的摩擦磨损机理,并建立了导轨副的摩擦磨损预测模型,该模型可以预测导轨副的寿命里程,对滚动直线导轨副的设计使用有重要意义。