磨損量確定方法、滑動接觸件製造方法及滑動接觸件的製作方法
2023-05-20 15:46:41 3
專利名稱：磨損量確定方法、滑動接觸件製造方法及滑動接觸件的製作方法
技術領域：
本發明涉及滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法、帶固體潤滑塗層的滑動接觸件的製造方法以及如此製造出來的滑動接觸件。
背景技術：
固體潤滑塗層已經應用在很多產品中，因為它能為零件間的機械接觸提供很好的潤滑。但是由於在不同情況下塗層的磨損行為是變化的，塗層的耐磨壽命對於實際應用很關鍵。通常需要大量的實驗以確定合適的塗層，滿足實際應用的壽命的需要。本發明與預測固體潤滑塗層的耐磨壽命及磨損輪廓的預測有關。在此方面，已知有兩個石if 究。在文獻[1] (Jiaren Jiang，R. D. Arnell. On therunning-in behaviour of diamond-like carbon coatings under the ball—on—diskcontact geometry, Wear， Vol. 217，1998，p. 190-199)中，類金剛石塗層的磨損用Archard理論來模擬，但是由於使用赫茲接觸分析方法計算分層材料的接觸壓力，精度較低。在文獻[2](N.LMcC00k et al. CumuIativedamage modeling of solid lubricant coatings that experience wear andinterfacial fatigue. Wear, Vol. 262，2007，p. 1490-1495)中，建立了一種遞增模型用以預測固體潤滑塗層的磨損與界面疲勞累積失效，但是由於使用了有限元方法，計算時間非常長。現存的固體潤滑塗層的磨損預測方法或者很耗時，或者由於有不恰當的假設而準確性較低。此外，它們都不能以合理的時間和準確度預測出塗層磨損輪廓的演變，而這在某些精密配合零件中應用塗層是非常重要的，因為塗層磨損導致間隙增大可能會使零件配合失效。
發明內容
本發明旨在解決現有技術中存在的問題，即提供一種高效的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法以及一種高效的帶固體潤滑塗層的滑動接觸件的製造方法，其中，滑動接觸件上的固體潤滑塗層可被精確地、快速地確定，從而高效地在滑動接觸件上塗敷形成精確控制的固體潤滑塗層，以使得滑動接觸件的可靠性和使用壽命提高。為此，本發明提出了一種滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，所述滑動接觸件具有基體，所述固體潤滑塗層形成在該基體上，所述滑動接觸件與對配體以非協調接觸的方式滑動並且二者之間存在接觸壓力，所述確定方法包括下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基於載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數而計算出滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布；以及b)磨損量確定過程，其中，基於所述滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對運動速度、固體潤滑塗層的磨損係數確定固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量。作為本發明的一個優選實施方式，在接觸壓力確定過程中，利用互補問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動接觸件上塗層的接觸壓力分布。作為本發明的一個優選實施方式，所述接觸壓力確定過程包括依次進行的下述步驟步驟1 設置初始載荷，固體潤滑塗層接觸區幾何形貌，材料參數，初始壓力的分布；步驟2 使用快速傅立葉變換計算彈性變形；步驟3:計算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計算得到當前共軛方向；步驟5:計算步長；步驟6 根據步長和共軛方向更新接觸壓力；步驟7 如果計算壓力小於零，強制等於零；步驟8 由壓力計算載荷，更新壓力；步驟9:估計相對誤差，若相對誤差大於誤差限定值，則轉步驟2，否者，接觸壓力確定過程結束。作為本發明的一個優選實施方式，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成後依次進行的下述步驟步驟10 由壓力計算各節點處磨損深度；步驟11 計算總滑動時間中劃分的微小時間段內的磨損體積；步驟12 根據磨損體積更新固體潤滑塗層接觸區的幾何形貌；步驟13 如果未到總滑動時間，則轉所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計算總磨損體積，輸出各時刻磨損輪廓，磨損量確定過程結束。作為本發明的一個優選實施方式，所述滑動接觸件與對配體之間的接觸為外凸曲面、內凹曲面、平面等等之間的任何可能形式的非協調接觸。本發明還提供了一種滑動接觸件製造方法，所述滑動接觸件具有基體和形成在該基體上的固體潤滑塗層，所述滑動接觸件與對配體以非協調接觸的方式滑動並且二者之間存在接觸壓力，所述製造方法包括在如前所述確定了固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量之後依次進行的c)固體潤滑塗層初始輪廓參數確定過程，其中，基於固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量和滑動接觸件的工作壽命，得出固體潤滑塗層的初始輪廓參數；d)固體潤滑塗層施加過程，其中，基於初始輪廓參數在滑動接觸件的基體上塗敷形成固體潤滑塗層。作為本發明的一個優選實施方式，所述初始輪廓參數包括固體潤滑塗層的厚度和表面幾何形狀。作為本發明的一個優選實施方式，所述固體潤滑塗層的材料為粘結固體潤滑塗層，類金剛石塗層，金屬塗層，或金屬複合材料塗層。作為本發明的一個優選實施方式，所述固體潤滑塗層直接形成在基體上或藉助於粘合劑施加在基體上。作為本發明的一個優選實施方式，所述固體潤滑塗層通過下述工藝形成在基體上噴塗，雷射塗敷，氣相沉積。
作為本發明的一個優選實施方式，所述對配體也具有基體和形成在該基體上的固體潤滑塗層，並且所述滑動接觸件製造方法還用於製造出所述對配體。本發明還提供了根據前述滑動接觸件製造方法製造的帶固體潤滑塗層的滑動接觸件。可以看出，本發明主要的創新是利用互補問題建模、快速傅立葉變換(FFT)和共軛梯度法(CGM)求解非協調接觸的帶有塗層的兩配對體的接觸壓力，然後基於該壓力分布與磨損率，計算固體潤滑塗層的磨損量和磨損輪廓。此方法的計算時間僅為有限元方法的 1%，計算誤差僅為0. 5%。這樣，滑動接觸件上的固體潤滑塗層可被快速地確定，並且具有精確的尺寸和表面輪廓，從而固體潤滑塗層可被高效地、精確地塗敷在滑動接觸件上，並且帶有這種固體潤滑塗層的滑動接觸件的可靠性和使用壽命均得到提高。本發明還可用於確定零件的剩餘壽命，更換處於壽命邊緣的零件；或者進行塗層與零件的修復，達到延長零件使用壽命或過時零件性能升級的目的。
圖1是根據本發明的帶固體潤滑塗層的滑動接觸件的示意圖。
具體實施例方式圖1中示出了彼此非協調接觸的帶固體潤滑塗層的滑動接觸件(對配體)1和2， 二者作相對滑動。滑動接觸件1具有基體Sl和形成在該基體上的固體潤滑塗層Cl，並且滑動接觸件2具有基體S2和形成在該基體上的固體潤滑塗層C2。然而，滑動接觸件1和2中可以僅有一個僅有固體潤滑塗層。基體Sl的材料具有彈性模量Els和泊松比Vls，基體S2的材料具有彈性模量E2s和泊松比、。固體潤滑塗層Cl具有外表面曲率半徑Rl和厚度hl，以及材料彈性模量Ele和泊松比Vle ；固體潤滑塗層C2具有外表面曲率半徑R2和厚度h2，以及材料彈性模量E2e和泊松比v2。。所述固體潤滑塗層的材料為粘結固體潤滑塗層，類金剛石塗層，金屬塗層，或金屬複合材料塗層等。固體潤滑塗層C1、C2各自具有名義外表面a和因表面粗糙度而導致的實際外表面 b。滑動接觸件1和2的外表面曲率半徑Rl、R2可以為正值，即外表面具有圖中所顯示的外凸形狀。曲率半徑Rl、R2之一也可以為負值或無窮大，只要確保滑動接觸件1和2 之間為非協調接觸即可。例如，本方法適用於外凸曲面(外凸球面、外凸柱面等)、內凹曲面(內凹球面、內凹柱面等)、平面等等之間的任何可能形式的非協調接觸。在外凸曲面與內凹曲面之間非協調接觸的情況下，二者的曲率半徑的絕對值必須有較大差異。例如，在軸孔接觸中，軸的橫截面尺寸要比孔小得多；在球窩接觸中，球的尺寸要比窩的尺寸小得多。本發明的一個優選實施方式是球面間的接觸。本發明同樣適用於非球表面接觸， 如平底壓頭(面積較小)和帶固體潤滑塗層的滑動接觸件(面積較大，平面或外凸曲面)之間接觸。此外，每個滑動接觸件外表面可以不只具有單一的曲率半徑，而是還可以具有多個曲率半徑之間的組合。在工作中，滑動接觸件1和2相對滑動，同時滑動接觸件1向滑動接觸件2施加載荷L，由此在滑動接觸件1和2之間形成接觸壓力。根據本發明，在帶固體潤滑塗層的滑動接觸件的製造方法中，需要精確地確定所需固體潤滑塗層的外輪廓(包含塗層厚度、幾何形狀等信息)；而為了確定固體潤滑塗層的外輪廓，首先要根據本發明的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法計算出固體潤滑塗層的磨損量。下面描述在滑動接觸件1和2相對滑動過程中相應固體潤滑塗層的磨損量確定方法。首先，可將總滑動時間T劃分為Q個微小時間段dt，在[t,，tq+dt]時間段內相應對陪同的磨損體積dV,可通過對接觸區劃分網格求得
權利要求
1.一種滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，所述滑動接觸件具有基體，所述固體潤滑塗層形成在該基體上，所述滑動接觸件與對配體以非協調接觸的方式滑動並且二者之間存在接觸壓力，所述確定方法包括下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基於載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數而計算出滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布；以及b)磨損量確定過程，其中，基於所述滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對運動速度、固體潤滑塗層的磨損係數確定固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量。
2.根據權利要求1所述的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，其中，在接觸壓力確定過程中，利用互補問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動接觸件上塗層的接觸壓力分布。
3.根據權利要求1或2所述的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，其中，所述接觸壓力確定過程包括依次進行的下述步驟步驟1 設置初始載荷，固體潤滑塗層接觸區幾何形貌，材料參數，初始壓力的分布； 步驟2 使用快速傅立葉變換計算彈性變形； 步驟3 計算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計算得到當前共軛方向； 步驟5:計算步長；步驟6 根據步長和共軛方向更新接觸壓力； 步驟7 如果計算壓力小於零，強制等於零； 步驟8 由壓力計算載荷，更新壓力；步驟9 估計相對誤差，若相對誤差大於誤差限定值，則轉步驟2，否者，接觸壓力確定過程結束。
4.根據權利要求3所述的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，其中，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成後依次進行的下述步驟步驟10 由壓力計算各節點處磨損深度； 步驟11 計算總滑動時間中劃分的微小時間段內的磨損體積； 步驟12 根據磨損體積更新固體潤滑塗層接觸區的幾何形貌； 步驟13 如果未到總滑動時間，則轉所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計算總磨損體積，輸出各時刻磨損輪廓，磨損量確定過程結束。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法，其中，所述滑動接觸件與對配體之間的接觸為外凸曲面、內凹曲面、平面之間的任何可能形式的非協調接觸。
6.一種滑動接觸件製造方法，所述滑動接觸件具有基體和形成在該基體上的固體潤滑塗層，所述滑動接觸件與對配體以非協調接觸的方式滑動並且二者之間存在接觸壓力，所述製造方法包括依次進行的下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基於載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數而計算出滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布；b)磨損量確定過程，其中，基於所述滑動接觸件與對配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對運動速度、固體潤滑塗層的磨損係數確定固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量；c)固體潤滑塗層初始輪廓參數確定過程，其中，基於固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量和滑動接觸件的工作壽命，得出固體潤滑塗層的初始輪廓參數；d)固體潤滑塗層施加過程，其中，基於初始輪廓參數在滑動接觸件的基體上塗敷形成固體潤滑塗層。
7.根據權利要求6所述的滑動接觸件製造方法，其中，在接觸壓力確定過程中，利用互補問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動接觸件上塗層的接觸壓力分布。
8.根據權利要求6或7所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述接觸壓力確定過程包括依次進行的下述步驟步驟1 設置初始載荷，固體潤滑塗層接觸區幾何形貌，材料參數，初始壓力的分布； 步驟2 使用快速傅立葉變換計算彈性變形； 步驟3 計算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計算得到當前共軛方向； 步驟5:計算步長；步驟6 根據步長和共軛方向更新接觸壓力； 步驟7 如果計算壓力小於零，強制等於零； 步驟8 由壓力計算載荷，更新壓力；步驟9 估計相對誤差，若相對誤差大於誤差限定值，則轉步驟2，否者，接觸壓力確定過程結束。
9.根據權利要求8所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成後依次進行的下述步驟步驟10 由壓力計算各節點處磨損深度； 步驟11 計算總滑動時間中劃分的微小時間段內的磨損體積； 步驟12 根據磨損體積更新固體潤滑塗層接觸區的幾何形貌； 步驟13 如果未到總滑動時間，則轉所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計算總磨損體積，輸出各時刻磨損輪廓，磨損量確定過程結束。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述滑動接觸件與對配體之間的接觸為外凸曲面、內凹曲面、平面之間的任何可能形式的非協調接觸。
11.根據權利要求6至10中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述初始輪廓參數包括固體潤滑塗層的厚度和表面幾何形狀。
12.根據權利要求6至11中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述固體潤滑塗層的材料為粘結固體潤滑塗層，類金剛石塗層，金屬塗層，或金屬複合材料塗層。
13.根據權利要求6至12中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述固體潤滑塗層直接形成在基體上或藉助於粘合劑施加在基體上。
14.根據權利要求6至13中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述固體潤滑塗層通過下述工藝形成在基體上噴塗，雷射塗敷，氣相沉積。
15.根據權利要求6至14中任一項所述的滑動接觸件製造方法，其中，所述對配體也具有基體和形成在該基體上的固體潤滑塗層，並且所述滑動接觸件製造方法還用於製造出所述對配體。
16.一種根據權利要求6至15中任一項所述的滑動接觸件製造方法製造的帶固體潤滑塗層的滑動接觸件。
全文摘要
公開了滑動接觸件固體潤滑塗層磨損量確定方法、滑動接觸件製造方法以及滑動接觸件。所述磨損量確定方法包括基於載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數而計算出滑動接觸件與對配體間的接觸壓力分布；基於接觸壓力分布、接觸部位的相對運動速度、固體潤滑塗層的磨損係數確定固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量。所述製造方法包括在確定了固體潤滑塗層的與時間相關的磨損量後，基於磨損量和滑動接觸件的工作壽命，得出固體潤滑塗層的初始輪廓參數；基於初始輪廓參數在滑動接觸件的基體上形成固體潤滑塗層。本發明的滑動接觸件上的固體潤滑塗層可被快速地確定，並且具有精確的尺寸和表面輪廓，並且滑動接觸件的可靠性和使用壽命得到提高。
文檔編號G01B21/20GK102278966SQ20101020673
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者王戰江, 胡元中, 韓衛軍 申請人:清華大學, 羅伯特·博世有限公司