1MN電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)【含7張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 翻譯資料 中文題目： 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 英文題目： Prototype fretting-wear testing machine and some experimental results 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 摘要：一種新型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)被開發(fā)，并且其功能性已經(jīng)被評(píng)估。在該試驗(yàn)機(jī)中，是由計(jì)算機(jī)控制裝置驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷半導(dǎo)體致動(dòng)器控制球形試樣的振蕩。因此，一種任意輸入的波形，如正弦波、三角波等，可以容易地控制球狀試樣的振蕩。這就是該試驗(yàn)機(jī)的特殊功能。例如，使用平板式的鋼試樣和一個(gè)軸承鋼球試樣進(jìn)行微動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)壓電致動(dòng)器輸入一個(gè)正弦波形，邊界有微動(dòng)的幅度，超出該微動(dòng)幅度，試樣的磨損質(zhì)量或體積將突然增大。 1 簡(jiǎn)介 發(fā)生在往復(fù)運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)接觸面之間的小振幅微動(dòng)持續(xù)很多的周期，在接觸區(qū)域內(nèi)的滑動(dòng)幅度或微動(dòng)振幅比接觸面積的區(qū)域和磨屑小，所以微動(dòng)磨損現(xiàn)象比通常的磨損現(xiàn)象表面條件影響更為顯著?；旧弦郧拔?dòng)磨損的研究主要通過接觸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布了解其特點(diǎn)。為了證實(shí)實(shí)際應(yīng)用中的各種工程材料的微動(dòng)磨損特性進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，被測(cè)試的材料包括軟鋼，過共析鋼，軸承鋼，不銹鋼，鉻鉬鋼，鋁合金，鈦和鎳合金以及強(qiáng)化復(fù)合材料。同時(shí)也研究了等離子或激光處理對(duì)表面氧化，潤(rùn)滑和表面完整性的影響。通過測(cè)量檢體的配置和試樣的擺動(dòng)的方式，已經(jīng)證實(shí)了下面的趨勢(shì)。迄今使用的試樣類型是：球面型、柱面型以及面面型。在球面、圓柱面，平面上的試驗(yàn)機(jī)上的球面，柱面和平面在某些情況下是振動(dòng)的，試樣振動(dòng)裝置是偏心凸輪機(jī)構(gòu)、液壓致動(dòng)器和電磁裝置。以此一種檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的試驗(yàn)機(jī)也被構(gòu)造出來，在前人研究的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)和構(gòu)造了一種新的原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)。我們的測(cè)試設(shè)備是價(jià)格便宜的，而且可以輕易地改變?cè)囼?yàn)條件。同時(shí)在這里我們也將得出鋼球平坦的表面上的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 2.1 機(jī)械的構(gòu)造 微動(dòng)磨損在兩個(gè)表面之間往復(fù)滑動(dòng)幅度的范圍從幾微米到是十幾微米，微動(dòng)磨損受到往復(fù)滑動(dòng)振幅，法向力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，微動(dòng)周期數(shù)，環(huán)境和物理材料的影響，因此，微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的這些影響參數(shù)在很寬的范圍內(nèi)改變是容易的同時(shí)在實(shí)際的使用中是有利的。 在我們的原型微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)中，鉛鋯鈦酸半導(dǎo)體（PZT）的致動(dòng)器可以通過壓電產(chǎn)生一個(gè)小的往復(fù)位移，用來作為驅(qū)動(dòng)元件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)試樣。PZT致動(dòng)器是非常有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)橥鶑?fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種波形可以容易地通過計(jì)算機(jī)控制的PZT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電壓來實(shí)現(xiàn)，PZT致動(dòng)器的電動(dòng)和機(jī)械性能位于表1中。 我們的試驗(yàn)機(jī)采用的是球面和平面的試樣（球面型）的組合。 下文給出微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的草圖。由于每臺(tái)機(jī)器組成部分具有彈性變形，因此試驗(yàn)機(jī)必須具有剛性，以盡量減少由壓電陶瓷致動(dòng)器引起的小的往復(fù)滑動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，球形試樣直接連接到驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷致動(dòng)器部分。出于這個(gè)原因，使用由軸承鋼制成的直徑20毫米的球面試樣，因此，一個(gè)大小不同的球狀試樣可容易地在測(cè)試設(shè)備沒有經(jīng)過任何改變的的情況下在本試驗(yàn)機(jī)中使用。為了使球形試樣方便夾持，將試樣夾持在兩個(gè)相同的平面標(biāo)本之間。通過引入這樣的結(jié)構(gòu)，作用在球形試樣之間的摩擦力片刻可以被消除，并且可以將球面試樣很牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。試?yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器和球形試樣被布置在垂直的方向上，因此試驗(yàn)機(jī)占用的空間較少。如圖2，運(yùn)動(dòng)元件被懸在兩套平行板簧之間。因此，壓電陶瓷致動(dòng)器的移動(dòng)方向平行于試樣之間的接觸表面。如圖1，靜負(fù)載加載在正常負(fù)載之上，因此在實(shí)驗(yàn)過程中負(fù)載可以保持恒定。 表一：壓電陶瓷致動(dòng)器的參數(shù) 相對(duì)介電常數(shù) 1800 損耗角正切 0.02 彈性模量 44GPa 居里點(diǎn) 230°C 制造者 日本電裝公司 尺寸大小 直徑 20mm 長(zhǎng)度 120mm 規(guī)格 最大位移 100um 最大驅(qū)動(dòng)力 2kN 最大工作頻率 100Hz 容許溫度上限 0-50°C 控制電壓 0-5 V 附一：損耗角正切（電容器的有功功率P與無(wú)功功率Q的比值稱做為該電容器的損耗角正切） 圖1 原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 通過個(gè)人計(jì)算機(jī)可以對(duì)PZT致動(dòng)器所產(chǎn)生的位移進(jìn)行控制，個(gè)人計(jì)算機(jī)控制電壓為0-5V，通過放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0-600V。計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)可以通過任意波形來驅(qū)動(dòng)的球形試樣。 兩個(gè)35平方毫米的平面試樣連接每一個(gè)階段，由于直線導(dǎo)軌可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)。層次之間的線條通過滑輪進(jìn)行延伸，在階段之間存在著靜負(fù)載的拉伸力。球形試樣在兩個(gè)完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來測(cè)量試樣間往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 通過個(gè)人計(jì)算機(jī)可以對(duì)PZT致動(dòng)器所產(chǎn)生的位移進(jìn)行控制，個(gè)人計(jì)算機(jī)控制電壓為0-5V，通過放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0-600V。計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)可以通過任意波形來驅(qū)動(dòng)的球形試樣。 兩個(gè)35平方毫米的平面試樣連接每一個(gè)階段，由于直線導(dǎo)軌可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)。層次之間的線條通過滑輪進(jìn)行延伸，在階段之間存在著靜負(fù)載的拉伸力。球形試樣在兩個(gè)完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來測(cè)量試樣間往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)的式樣 圖3 鋼板彈簧傳感器來測(cè)量相對(duì)往復(fù)滑動(dòng) 每個(gè)傳感器都包括板簧和貼片。所述傳感器的貼片上被固定在階梯面上。板簧的前端被布置在球面試樣的上方。粘貼在板簧兩側(cè)的應(yīng)變儀測(cè)量壓電陶瓷致動(dòng)器的變形或是球形，扁平試樣之間的相對(duì)往復(fù)滑動(dòng)。為了降低噪聲，所有的導(dǎo)線都被安裝護(hù)套。兩個(gè)傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果附在表4中。應(yīng)變儀的輸出電壓與相對(duì)性往復(fù)滑動(dòng)被證明具有良好的線性關(guān)系。輸出的噪聲約是0.01 MY，這相應(yīng)于0.5 FLM的往復(fù)滑動(dòng)位移。因此，試樣之間的相對(duì)往復(fù)滑動(dòng)可以由這些傳感器精確測(cè)量得到。 2.2 原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能 通過不同的校準(zhǔn)測(cè)試檢查原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能。首先，圖5給出了一個(gè)微動(dòng)幅度隨時(shí)間變化的示圖。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，壓電致動(dòng)器的輸入電壓的波形是正弦的，振幅和頻率分別是360 V和10HZ。在該圖中，球形的軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出在法向力的四個(gè)層次上。下文微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)中使用這種材料組合，在最初的2000個(gè)微動(dòng)周期內(nèi)，微動(dòng)幅度迅速減小。微動(dòng)振幅的遞減像正常力變大那樣顯著，在微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前用甲基醋酸清洗磨損試驗(yàn)的試樣表面使之脫脂。在初始階段微動(dòng)振幅的迅速下降，可誘導(dǎo)的表面氧化膜或潤(rùn)滑油膜略有變化。在這之后，微動(dòng)振幅的變化被記錄，直到微動(dòng)周期達(dá)到10^2。與微動(dòng)振幅有關(guān)的法向力的大小幾乎是恒定的。圖6中示出力從3000到10^4內(nèi)的微動(dòng)周期與微動(dòng)振幅的關(guān)系。微動(dòng)振幅隨著法向力的增加幾乎呈線性下降的趨勢(shì)，它們之間的關(guān)系可由（1）式確定： A=-0.24Fn + A0 （1） 式中：A是微動(dòng)振幅（FLM），F(xiàn)n表示的法向力（N）。A0 是微動(dòng)振幅，黨法鄉(xiāng)里為0時(shí)振幅為0。 當(dāng)法向力增大時(shí)，微動(dòng)幅度減小。因?yàn)樵嚇又g的摩擦作用力隨著法向力的增大而增大。因此，摩擦力可以由微動(dòng)振幅的大小來計(jì)算。然后，圖7給出了平均微動(dòng)幅度和輸入電壓的幅度之間的關(guān)系，恒定的輸入電壓的頻率為10HZ。在該圖中，其中給定的兩個(gè)級(jí)別的法向力0N和66 N。平均的微動(dòng)振幅與輸入電壓的幅度呈線性變化，表示它們之間的關(guān)系線彼此平行。微動(dòng)振幅的減少是由于摩擦力的效果不會(huì)受到輸入電壓幅度的影響。如圖7所示，當(dāng)法向力為0時(shí)，平均微動(dòng)幅度由式（2）表示。 A0 = 0.13Va - 15 （2） Va是PZT致動(dòng)器的輸入電壓的幅度（V），由方程（1）和（2），微動(dòng)振幅可以寫成如下： A = 0.13Va - 0.24Fn - 15 （3） 圖4 鋼板彈簧傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果 圖5 動(dòng)循環(huán)次數(shù)在輸入電壓幅值360 V，頻 率為10 Hz時(shí)微動(dòng)幅度的變化 最后，對(duì)輸入電壓頻率的進(jìn)行研究。圖8示出在66 N的正常力的情況下，PZT致動(dòng)器的輸入電壓為600 V。直到頻率為20HZ時(shí)，平均微動(dòng)幅度幾乎是恒定的。高于這個(gè)頻率，微動(dòng)振幅隨著輸入電壓的頻率增加而降低。從結(jié)果中，得出微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的限制輸入電壓頻率大約是20赫茲。 圖 6 當(dāng)輸入電壓為360 V，頻率為10 Hz 圖7 壓電致動(dòng)器微動(dòng)幅度在輸入電壓頻率時(shí)，法向力對(duì)微動(dòng)幅度的影響 為10 Hz時(shí)輸入電壓幅值的變化 2.3 摩擦力的估算 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)未裝配用來測(cè)量摩擦力傳感器，摩擦力的大小可以近似地用如下公式估算。如圖6所示，摩擦力用當(dāng)法向力為0時(shí)的微動(dòng)幅度A0和施加力時(shí)的微動(dòng)振幅A的差值進(jìn)行計(jì)算。如圖9所示為力的作用示意圖，如圖所示為球體試樣的滑動(dòng)方向沿M方向，球體試樣上向下的摩擦力2Q，平面試樣上和階面向上的摩擦力Q。在這個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)被設(shè)定為Rd和階面上的摩擦系數(shù)Rs，由于摩擦力的變化影響微動(dòng)幅度的變化ΔX可由下式計(jì)算： 2Q/Rd + Q/Rs =ΔX （4） 剛性系數(shù)由下式進(jìn)行計(jì)算：驅(qū)動(dòng)元件上所附的球體試樣的一部分由彈簧拉著，球體試樣的位移由千分表讀取，如圖10所示。由拉力和位移計(jì)算驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)Rd，通過相同的方法獲得階面上的剛性系數(shù)Rs，因此，驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)Rd=16.54N/um，階面的剛性系數(shù)Rs=8.7N/um，由方程（4）式得摩擦力計(jì)算公式，如下式： Q = 4.24 ΔX （ 5） 摩擦系數(shù)也可由力Fn除以摩擦力得到，如圖11，摩擦系數(shù)的變化可由這個(gè)過程計(jì)算。計(jì)算中，輸入電壓的頻率是10HZ，其電壓幅值為480V，施加的法向力為66 N。除了微動(dòng)周期的初始階段，穩(wěn)定時(shí)期的摩擦系數(shù)可從圖中查得。 圖 8 微動(dòng)振幅在法向力為66 N和輸入電壓為600V 時(shí)，對(duì)壓電致動(dòng)器的輸入電壓頻率的影響 圖9 試樣上的摩擦力 圖10 驅(qū)動(dòng)單元的剛度 圖11 法向力為66N，輸入電壓幅度480V，頻率為10 Hz的摩擦系數(shù)估算 2.4 磨損量的估算 圖12示出了軸承鋼的球體試樣和中碳鋼扁平試樣在以下情況下微動(dòng)磨損的硬度。由表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)得表面粗糙度，在這里，所施加的法向力是66 N，輸入電壓的頻率為20Hz，在微動(dòng)振幅35 um和微動(dòng)周期數(shù)是105。 表2 試樣的化學(xué)成分和維氏硬度 化學(xué)成分（%） 維氏硬度 C Si Mn Cu Ni Cr p S Hv 中碳鋼 0.55 0.23 0.75 0.05 0.15 0.12 0.02 0.02 235 軸承鋼 1.05 0.15 0.20 0.12 0.15 1.48 0.01 0.01 850 圖12 在法向力為66N時(shí)，微動(dòng)頻率為20HZ，微動(dòng)振幅位移 35 um，微動(dòng)周期為105微動(dòng)磨痕的測(cè)量 扁平試樣上的磨損痕跡具有圓錐形狀，它的半徑大約是600um，深度為約14 um。磨痕的中心有一個(gè)小的高坡，其半徑和深度約占磨損部分的三分之一。在這附近，沿著磨痕邊緣有一個(gè)2.5um高和100um寬的駝峰。另一方面，球體上試樣的磨痕是略小于扁平試樣的磨痕。它的半徑約為570um，類似于扁平式樣在中心的高坡上。除了中央的高坡，其他表面的磨痕幾乎是光滑的。許多文獻(xiàn)講述過的微動(dòng)磨痕與其相似。通過微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的觀察到的磨損現(xiàn)象被認(rèn)為是微動(dòng)磨損。由平均磨痕半徑r和瘢痕深度d計(jì)算出微動(dòng)磨損的體積，這很容易由面粗糙度測(cè)試儀測(cè)出。假設(shè)該形狀可以被視為一個(gè)球體，磨損體積Vr可由下式計(jì)算： Vr= d/6（3r^3+d^3) （6） 在球體試樣表面粗糙度曲線上測(cè)得磨痕深度d是極其困難的。所以，磨痕表面的曲率半徑大約可視為球面試樣的半徑，磨痕深度可由公式（7）計(jì)算。球面試樣的磨損體積可由公式（6）、（7）計(jì)算： （7） 其中，R和r分別代表球體試樣半徑和的平均磨損傷痕半徑。 3 鋼試樣的實(shí)驗(yàn)分析 用軸承鋼球試樣和中碳鋼扁平試樣進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)，確定設(shè)備的有效性。試樣的化學(xué)成分和維氏硬度列于表2中，球形試樣的半徑為20mm，扁平試樣是一個(gè)正方形板，板厚10mm，長(zhǎng)40毫米。微動(dòng)磨損試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行不同的一些參數(shù)影響的微動(dòng)磨損特性。 3.1 微動(dòng)循環(huán)次數(shù)的影響數(shù) 檢查周期數(shù)對(duì)微動(dòng)的影響，不同的微動(dòng)的循環(huán)數(shù)在103和106之間變化，恒定的法向力為66N，微動(dòng)振幅的位移為35um，頻率為20HZ。圖13是試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。球體試樣和扁平式樣的微動(dòng)磨損率可以通過上文提到的磨損體積來轉(zhuǎn)換計(jì)算。微動(dòng)磨損率定義為單位滑動(dòng)磨損體積的微動(dòng)位移和法向力的乘積。在不同的微動(dòng)磨損的條件下定量比較磨損，磨損率的概念是很重要的。球形試樣和扁平試樣的磨損率的大小接近，在該圖中可以清楚地看出，與微動(dòng)的循環(huán)數(shù)的增加，磨損率變小。磨損率與微動(dòng)循環(huán)次數(shù)之間呈線性關(guān)系。關(guān)系如下： （8） 圖13 微動(dòng)磨損率在法向力66N,頻率為20HZ，微動(dòng)振幅為35um時(shí)的的影響 4 通過電子掃描顯微鏡觀察磨痕 在前面的討論中，在扁平式樣中有一個(gè)邊界振幅。通過電子顯微鏡觀察磨痕表面，微動(dòng)磨損機(jī)理被認(rèn)為與微動(dòng)振幅上的應(yīng)力有關(guān)系。 5 結(jié)論 本文評(píng)價(jià)了原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能和構(gòu)造，其中一個(gè)球體試樣是由壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。此試驗(yàn)機(jī)最有利的特征是試樣的往復(fù)滑動(dòng)位移是由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制的壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該試驗(yàn)機(jī)最有利的特征是往復(fù)滑動(dòng)位移的正弦波，三角波或其他的可以容易的實(shí)現(xiàn)。壓電陶瓷致動(dòng)器的性能可以由的實(shí)驗(yàn)條件和微動(dòng)振幅的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的闡述。利用這個(gè)關(guān)系，可以對(duì)試樣上的摩擦力或摩擦系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，本試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的最大輸入電壓的頻率為20 Hz。例如，進(jìn)行球形軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的磨損測(cè)試，同時(shí)控制由正弦波控制的球形試樣。證實(shí)有一個(gè)邊界放大器使扁平式樣的微動(dòng)磨損體積急劇增加。邊界幅度的變化誘導(dǎo)微動(dòng)磨損機(jī)制變化，通過電子掃描顯微鏡觀察磨痕可以確定。在后續(xù)的研究中，我們計(jì)劃在微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)中研究各種先進(jìn)工程材料試樣的微動(dòng)磨損特性。 參考文獻(xiàn) 【1】 巴徹勒 《工程摩擦學(xué)》 1993 【2】 S. Faanes, Int. J. 《固體結(jié)構(gòu)學(xué)》 1996