（材料加工工程专业论文）单颗粒凿削磨损的动态测量与分析.pdf

辽宁工程技术人学硕士学位论文 摘要 本文介绍了单颗粒凿削磨损测试系统的原理，结构，测试系统元件的选取， 集成，并介绍了其在镁合金表面电弧喷涂锌铝合金的涂层质量检测中的应用。实 验中对试样划痕形貌尺寸进行测量和计算，利用单片机测试系统对力学信号进行 采集，基于m a t l a b 数据处理计算软件来对实验中的各种参数包括能耗，比能耗， 磨损体积，切向动态硬度，法向动态硬度等进行计算，从而绘制比能耗与磨损体 积，比能耗与切向动态硬度，比能耗与法向动态硬度的多条关系曲线。从对凿削 磨损的开始到结束的整个磨损过程的动态分析和对多条曲线的观察，不仅可以确 定获的最佳耐磨性能的喷涂工艺参数，而且还可以为磨损机理研究提供更多的细 节。实验结果表明：用改装的单颗粒冲击磨损试验机来研究凿削磨损过程中能量 的消耗是可行的；电弧喷涂中电压、电流、空气压力这三种工艺参数只有有效的 结合起来才能使涂层的表面具有最佳的耐磨性。 关键词：凿削磨损；动态测量：磨损比能耗 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e t h es t r u c t u r eo ft h ei m p a c ta b r a s i v et e s k n gs y s t d n ， a i 幢c h o o s i n ga n dt h ei n t e g r a t i o no ft h ec o m p o n e r i t sv 能i n t r o d u c e d b a s e d0 1 1t h i s s y s t e m ，t h es u r f a c eq u a i l t y o f e l e c 城c a r cs p r a y i n gz i n c - a u m i n i u ma l l o ys a m p l e s w e r e t e s t e d t h el e n g t ho fg r o o v ea n dt h ef o r c ec o u l db em e a s u r e & b yu s i n gt h es o f t w a r eo fm a ：na b ， s o l n ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sc o u l db ec a l c u l a t e d i n c l u d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , s p e c i f i c e n e r g yc o n s u m p t i o n a n d o i na d d i t i o n , s o m er e l a t i o n s h i pc i i r 、7 e si n e l u d i n gs p e 蚵f i c e n e r g ya n da b r a s i o nv o l u m e ，s p e c i f i ce n e r g ya n dt a n g e n t i a ld y n a m i ch m d n e s s ，s p e c i f i ce n e r g y a n dt l o r l t l a ld y n a m i eh a r d n e s sw e r ea l lo b t a i n e d f r o mo b s e r v i n gt h e s er e l a t i o n s h i pc u r v e sa n d a n a l y s i n gt h ec o u r s eo fg o u g i n ga b r a s i o n , m o md e t a i l sw g i bp r o v i d e df o ri n v e s t i g a t i o no f a b r a s i o nm c c h a n l s m a f t e rd e a l l n gv d t ht h ed a t 丑t h eb e s te l e c t r i ea r cs p r a y i n gt e c h n i c i t d m e t e r sw e r eo b t a i n e d 耶1 et e s tt e s s i t ss h o w e dt h a tt h er e s e a r c h0 1 1t h ee n e r g yc o m q u m i n g o fg o u g i n ga b r a s i o nb a s e do i lm o 曲m gi m p a c tm a c h i n ei sp o s s i b l e ，a n dt h ec o o p e r a t i o no f v o l t a g e ，e l e e t r i c i t ya n da i rp r e s s u r ec m d dm a k et h ec o a t i n gh a v et h eb e s tm a r l a b r a s i o n p r o p e r t y k e yw o r d s ：g o u g i i l ga b r a s i o n ；d y n a m i cm e a s u r e r n e l i t , s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 材料的磨损 磨损是物体或零件相互接触并相对运动的系统中的一种现象，这种现象普 遍地存在于生产和生活之中。它是造成机器零件，构件失效的主要原因之一， 不仅由于频繁地更换零件，会造成生产率的下降，整体设备的使用寿命也会降 低，而且还直接造成金属材料和能源的极大浪费。据统计f 1 1 ，世界工业化发达 国家的能源约有3 0 是以不同形式消耗在磨损上的。美国每年由于磨损造成的 经济损失约1 5 0 亿美元；前联邦德国技术科学部估测，磨损造成的损失每年达 1 0 0 亿马克；据不完全统计，我国每年磨损造成的损失达4 0 0 亿美元。因此，磨 损问题越来越引起人们的普遍重视，深入地研究有十分重要的经济意义。 材料的磨损是两个相互接触的物体产生相互移动和摩擦时，由于对接触表 面施加压力的结果，以致接触表面的部分材料从表面上脱落或产生位移的现象 1 2 。磨损是非常复杂的系统性很强的动态过程，它牵涉到摩擦系统中工件的外 部因素和材料的内部因素。外部因素是指载荷，相对运动形式，运动速度和持 续时间，环境温度，介质和润滑状态等；内部因素主要是指材料的化学成分， 组织结构和力学性能等。摩擦系统中任一因素的变化都可能引起磨损规律和磨 损机制的变化。由上述有关介绍，可以看到材料一机械的零部件发生磨损的主 要三要素是：材料的表面特性，与另一物质( 包括固体、液体、气体) 的接触特性 ( 包括接触方式、力的传递、表面变形、相互作用等) 以及相对运动等。 1 2 磨损的分类 为了便于研究磨损和把握其规律并制定相应的对策，有必要对磨损进行分 类。目前比较通用的磨损分类方法是以j t b t t r w e l l 和c d s t r a n g 提出的按照磨损 机理的分类方法，即将磨损分为【3 j ：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损， 腐蚀磨损及微动磨损等。英国的t s e y r e 曾对工业领域中发生的各种磨损类型 所占比例作了如表1 1 的估计，但是，他并没有将疲劳磨损专门考虑为一种磨损 类型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 由表1 1 可见，在各种磨损类型中，约有5 0 左右是由于磨料磨损造成的 d , 4 1 。它的广泛存在使磨料磨损造成的经济损失无疑是最大的，因而磨料磨损是 磨损研究领域中最重要的研究方向之一。 1 2 1 磨料磨损的定义 磨料磨损又叫磨粒磨损。由于硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦作用而 造成物料迁移，导致表面材料发生损耗的磨损，称为磨粒磨损。这种磨粒或 凸出物一般是非金属磨料如石英、矿岩、砂土等，但也包括硬金属对软金属表 面的磨损。 1 2 2 磨料磨损的分类 磨粒磨损是一个包含有多相、不同形状的颗粒( 矿石等) 以不同的能量与各 种材料的工件相接触、摩擦以至碰撞的复杂过程，因此工业上倾向于对磨粒磨 损进行定性的分类。磨粒磨损的分类方式很多，根据不同的分类方式，磨粒磨 损的种类也有差异。例如，就磨料与工件相对硬度的大小可分为硬磨料磨损和 软磨料磨损；根据经受磨损的工件和磨料的组合，可以把磨粒磨损分为二体和 三体磨粒磨损。不过，在工业上，常见磨粒磨损的一般分类方式是根据其作用 力的情况划分为低应力磨粒磨损、高应力磨粒磨损、凿削式磨粒磨损以及冲击 磨粒磨损等四种类型吲： 1 1 低应力磨粒磨损即作用在磨粒上的压力低于其破碎强度下的磨损。这 时松散磨粒自由地在表面上产生滑动，磨粒不产生破碎。 2 ) 高应力磨粒磨损存在于工件表面问的磨粒被接触应力破碎，即作用在 磨粒上的压力高于它的破碎强度下的磨损。如，研磨机上工作部件的磨损等。 3 ) 凿削式磨粒磨损有一定的冲击载荷，这种磨损通常形成很高的应力， 经常在输送和破碎大块材料时发生。如，矿业用凿岩机凿头，挖掘机斗齿等零 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 部件经受矿石的磨损情况。 4 1 冲击磨粒磨损是指磨粒垂直或以一定的倾角落在材料表面上，其局部 应力比较高。 1 2 3 磨料磨损的机理 磨料磨损是一种严重的金属失效形式。关于磨料磨损机理，目前尚没有完 全一致的意见。随着试验机的改进，观察手段的发展，人们对磨料磨损机理提 出了很多见解，丰富和发展了这方面的知识。这方面的研究与模拟此类工况的 试验机的发展紧密相关。揭示金属材料磨料磨损机理，确定它与材料的物理， 机械性能之间的关系，对研制耐磨材料，合理选择抗磨措施有着重要的意义。 归纳起来主要有微观切削机理、多次塑交的犁沟机理、疲劳机理和微观断裂机 理用。 1 ) 微观切削机理 在三十年代t o n n 等人就持有这种观点，他认为磨料磨损是磨料在金属表面 上切下微切屑造成的 3 1 。磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分 力。法向力使磨粒压入表面引起材料表面塑性变形，并形成压痕；切向力使磨 粒向前推进，使材科表面产生微切削而磨损。当磨粒形状与运动方向适当时， 磨粒如同刀具一样，在表面进行切削。但这种切削的宽度和深度都很小，因此 切削也很小，所以称之为微观切削。近年来的工作表明，这种切屑一般可分为 节状、带状、单元和崩碎四类，其共同的特征是磨屑一面较光滑，有规则的条 沟，另一面有滑动台阶，边缘平直，并有卷曲，确实具有合适攻击角的磨料所 产生显微切削的结果。 2 1 多次塑变磨损机理 在磨料磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部分把材 料推向两边或前缘，这些材料的塑性变形很大，但却没能脱离母体，在沟底及 沟槽附近的材料也有较大的变形。犁沟时可能有一部分材料被切削而形成切 屑，一部分则未被切削而在塑变后被推向两侧和前缘。犁沟或犁皱后堆积在两 侧和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到随后的磨粒作用时，可能把已堆积 的材料压平，也可能使已变形的沟底材料遇到再一次的犁皱变形，如此反复塑 变，导致材料产生加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 3 ) 疲劳磨损机理 疲劳磨损是因材料表层微观组织受到周期载荷作用而产生疲劳裂纹进而 产生磨屑的。目前对疲劳磨损机理仍存在着不同的观点，它们的破坏形式和条 件等都在不断地讨论之中。 4 ) 微观断裂磨损机理 有些材料尤其是脆性材料，可能是断裂机理占主要地位。h e r b o g e n 最早把 磨损中脆性碎屑的形成和断裂韧性联系起来，认为当磨粒在脆性材料表面划过 时，切削几乎不发生，这时碎屑的产生是由于磨粒压入金属表面时，压痕周围 产生裂纹而产生剥落的。研究人员证实了，脆性材料在硬磨粒压入表面时，压 瘦四角带有明显的表面裂纹，这些裂纹向材料内部伸展，无出口裂纹，当这 些裂纹相互交叉并扩展到表面对，就形成脆性碎裂的磨屑。脆性材料的压痕断 裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺寸以及周围环境等，其内部 条件决定于材料的硬度和断裂韧性等。 综上所述，材料在磨料磨损过程中的去除主要有两种机制 。 1 ) 由塑性变形机制引起的去除过程 当被磨材料具有一定的塑性时，主要会发生两种主要的材料去除过程。一 类是磨粒的运动方向和棱角有利于切削时，将对金属表面产生显微的切削作 用，图1 1 即是这种切削过程的模型；另一类是如果磨粒棱角不够锐利，或是刺 入表面的角度不适合切削，将使材料表面产生犁沟变形，图l - 2 即是磨粒推挤材 料的模型，磨粒具有负前角，不能切削材料，只能推挤材料或犁沟材料而交形。 图i 1 显徽切削模型 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 图1 2 磨柱推挤材料模型 2 ) 由断裂机制引起的去除过程 这种去除过程在脆性材料中显得特别重要。如陶瓷碳化物和玻璃等。当载 荷较大，磨料尖锐以及材料的断裂韧性与硬度的比值越低时，材料越趋向断裂， 材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度。如果压痕深度大于产生断裂的临 界深度时，材料因断裂机制产生的去除过程就会优先发生。 总之，在磨料磨损过程中，无论是塑性材料或脆性材料，都可能同时发生 塑性变形及断裂两种机制。只是由于磨损环境条件及材料特性不同，某一种磨 损机制会占主导地位。而且，常常随条件的变化，一种磨损机制向另一种机制 的转换。在实际工况中，材料的去除往往是塑性变形机制和断裂机制综合作用 的结果。 1 2 4 磨料磨损的简化模型 许多著作中都采用拉宾诺维奇在1 9 6 6 年提出的磨粒磨损简化模型，见图 1 3 ，并导出定量计算公式f 3 ，们。模型计算的假设条件：1 ) 磨粒磨损中的磨粒简 化为一个圆锥体；2 ) 被磨材料简化为不产生任何塑性变形的刚体；3 ) 磨损过 程视为简单的滑动过程。 图l 3 磨粒磨损的简化模型 利用这个简单模型，可以很容易计算出在一个圆锥体的磨料颗粒作用下， 滑动一定距离所磨损掉的材料体积( 阴影部分) 。即， 辽宁工程技术大学硕十学位论文 6 矿：三2 ，x l = r x - 三- o - 1 ) 式中：矿一磨损掉的体积； r 一磨粒圆锥体的半径； z 一磨粒压入金属材料的内深度； 三一滑动距离。 磨料压入金属材料内的深度，取决于压力的大小和材料硬度的比值，所以 _ r = r t g o 。( 1 - 2 ) 胛2 = 尸，曰( 1 - 3 ) 式中：口一磨料三角形截面底角： p 一法向载荷； 一材料的硬度。 v i l = p i m - i t g e ( 1 4 ) 令磨粒磨损系数 j 毛= t g o d r ( 1 5 ) v i l = 如，p 日一( 1 - 6 ) 陆k p 日l 。( 1 - 7 ) 此式表明，在一定磨料条件下，单位距离内滑动磨损体积与施加的载荷成 正比，而与材料的硬度成反比。 在实际的磨料磨损过程中，磨损机理往往要比这种简单模型复杂得多。因 为在磨损过程中所发生的现象是十分复杂的，不是单个的磨粒而是许多磨粒在 起作用；材料经常会发生塑性变形；磨损过程中还常常会伴随有冲击的作用、 受环境温度、湿度、腐蚀介质的影响以及外部载荷、施力情况、磨粒硬度、相 对运动、迎角与材料的组织和性能等影响。尽管如此，这个简化的磨粒磨损模 型仍然具有理论价值和实际意义。当前许多研究者都在此模型基础上加以修 正，为使它更完善，更符合实际而工作。 1 3 磨损常用的分析方法 由于磨损给人们的日常生活带来的巨大危害，所以寻求一种切实可行的磨 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 损的分析方法，一直是摆在科学研究工作者的一道难题，现阶段的常用的磨损 分析方法 9 1 大致分为五种： 1 ) 表面粗糙仪：测定发生摩擦磨损的表面的粗糙度，以避免外界因素对摩 擦磨损性能的影响，如表面粗糙度太低或表面襁髓度不一致等。 2 ) 硬度仪：测定材料的宏观硬度，以确定发生摩擦的两表面相对硬度大小， 明确摩擦副材料耐磨程度，为分析磨损机理奠定基础。 3 ) 轮廓仪或精密电子天平：用于测量试样被磨损的纵表面面积或质量，通 过计算得出体积磨损和质量磨损，计算得出磨损率，以评价材料的耐磨性能。 4 ) 扫描电镜：用于观察发生磨损材料的形貌特征，包括被磨损的材料表面、 对磨面以及磨损产物磨屑等，为分析磨损机理做解释。 5 ) 电子探针、能谱仪、x 衍射仪：用于分析磨损产物的成分和含量，以确 定其磨损产物及为磨损机制提供分析资料。当然，随着科学技术的发展，现在 分析磨屑成分和含量的工具还很多，可以用铁谱仪或其他工具。 1 4 磨损测试设备的国内外研究现状 磨损所造成的能耗过程一般包括变形能耗，表面能耗，滑动摩擦热能耗以 及机械振动等其他能耗。由于磨粒磨损过程的复杂性，很多研究者从能量消耗 的角度来解释磨损过程，并利用单个磨粒进行动态磨损的测试设备来研究，认 为这样更具系统性。近年来，出现了很多测量磨损的方法，其中比较容易控制 磨损条件的单摆冲击试验机得到了人们的青睐。单摆冲击划痕法是七十年代末 由瑞典的u p p s a l a 大学的o v i n g s b o 【l0 l 等人首先提出的，其应用背景主要是为 有效模拟材料的磨损并节约试验费用、降低试验周期。它能较好模拟单个磨粒 以一定冲击力滑过材料表面的单元过程，具有磨粒磨损的微犁削和微切削作用 及冲蚀磨损的冲击加载特点。这种方法对研究冶金矿山机械和农业机械等领域 普遍存在的冲击磨粒磨损行为具有重要的实用意义【1 1 叫扪。 v i n g s b o 、b l a m y f e k e n n e d y 1 2 1 和李诗卓1 3 1 等人都已经利用单摆试验 机分别对常规材料、封严涂层和薄膜复合材料进行了研究。后期，黄林国【1 4 l 等人利用改制的单摆冲击划痕试验机用于改性表面及非均匀材料表层力学行 为的研究，提出了将应力和能耗突变作为膜，基结合情况的标志，而与之对应的 法向载荷f n 定义为评价膜基体系承载能力的判据。粱亚南等人研究了单摆冲 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 击划痕法分别在磨粒磨损和冲蚀磨损研究中的应用。而在凿削磨损研究方面， 瑞典的b r y g g m a n 等人在这方面做出了突出的贡献15 1 ，他们利用冲击试验机改 装的单摆试验机，对多种材料的凿削磨损过程中的能耗进行测量，以此来衡量 材料的耐磨性。与现场实际工作情况的比较，发现这种方式评价材料更为接近 实际。为更好地与实际工况条件比较，他们提出能耗率的概念( 单位磨屑体积、 重量所消耗的能量) ，并且，从磨屑的形成及表面、亚表面的变形分析了能耗 的构成。即总的能耗可分为变形能耗( 包括基体和屑片的弹塑变形能耗) ，磨 屑形成时的裂纹生核扩展生成新表面的能耗，由于摩擦和变形生成的热能耗等 等。可以预见，如果能耗的测量准确而符合实际的话，对评价材料乃至推断磨 损微观机理都有重要意义。 1 5 本课题的研究意义 材料在磨损过程中的能量消耗是衡量材料磨损性能的重要指标之一因 此，提高磨损过程中所消耗能量的测量精度是发展和改进材料磨损测试仪器的 主要目标之一。单摆划痕仪是近几年才发展起来的新型材料摩擦磨损测试仪 器，使用该设备已获得了许多有意义的成果1 1 6 - i 9 1 。该机虽然兼铡滑动磨损和 冲击磨损的特点，能较好的模拟单一磨粒以一定的冲击力犁削材料表面的过 程，区别于削盘式或往复式等磨损试验机的平稳加载工况，因而更接近于大多 数工件的服役条件1 2 们，但是，很多研究者是利用该设备的刻度盘法测量划痕过 程中所消耗的能量，测量精度受到一定限制，有必要对其进行改进，以期待进 一步提高其操作的简易性和铡量的精确度。同时该机对力学信号的采集是利用 x y 纪录仪，因为是人工进行读数，所以读数中难免造成了误差。另外该机在 使用中不灵活，不能按实际的实验要求对其进行修改。而本次实验中采用单片 机数据采集系统，将采集到的力学信号的原始数据送到计算机进行处理，可根 据实际需要来设计数据处理程序，也可根据试验条件的变化来动态地修改程 序，例如，如果在测试的精度上要求更高，那么实验中不必要对试验设备做更 多的调整，只需调整放大倍数，或者更换一个更高精度的a i d 转换等，即可达 到目的。而且还能较好地解决测量精度不高的问题。同时采集的数据，可以进 行存储，以备以后做数学建模使用，根据计算模型中划痕体积的计算公式，可 计算出划动过程中每一个时刻点的划痕体积。因为不同的时刻点的划痕体积不 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 同，故不需对每个试样进行反复试验、测量，只需对每个试样进行一次实验， 即能满足实验目的，从而简化了试验过程和试验设备。 现阶段，对于涂层的耐磨性能检测中，常进行的磨粒磨损试验如橡胶轮磨 粒磨损试验和销盘式磨粒磨损试验，虽然这两种试验操作简便，但是都具有一 定的局限性，橡胶轮磨粒磨损试验，虽然磨粒在接触试样的时候有变力产生， 但是磨粒对试样产生的是低应力磨粒磨损，而在销盘式磨粒磨损试验中，是以 一定的载荷平稳的进行加载。两者都不能很好的接近实际工况中零件的服役条 件，而且两者基本都运用称重法来评价其耐磨性，体现不了磨损过程中的一些 细节，为了促进最近发展起来的单摆冲击划痕法在磨损研究领域中的应用，考 察涂层材料在单摆冲击划痕下的磨损规律，在现有的 中击试验机的基础上进行 改装。实验中安装的磨粒是可调的，所以在涂层的检测中，可根据涂层的厚度， 来对磨粒进行调节，以实现整个机器的灵活性。测试过程中，由附设的压力传 感器、动态测量系统，采集数据并存储于单片机中，然后再与计算机连接在一 起，由计算机对数据进行分析处理。这样不但实现了对磨粒磨损过程提供了磨 损细节，而且由计算机对来数据进行分析处理实现了自动读数，数据处理，贮 存，打印等功能，可进一步提高其自动化水平。 1 6 本章小结 本章简单介绍了磨损的定义与分类，并详细介绍了磨损中最主要的一种磨 损即磨粒磨损。在介绍其定义，分类的基础上又讨论了磨粒磨损的机理，简化 模型等。由于磨损给社会生产造成危害的严重性，使得寻找一种比较有效的磨 损分析方法已经成为一种刻不容缓的必要，继而叙述了近些年来国内外的专家 学者等研究人员在磨损测试设备的研究现状。最后简单介绍了本篇论文在研究 磨损测试设备上的一些创新，基于单片机测试系统和数据处理系统来实现对涂 层材料的耐磨性能测试技术的研究。 辽j 工程技术大学硕士学位论文 1 0 2 试验机的改造 2 1 试验机的选取 本次实验所采用的试验机是在承德试验机有限责任公司制造的x j j 一5 0 冲 击试验机的基础上改制而成的，改装后试验机示意图如2 1 所示。该试验机简 单易用，能达到一定的试验精度的要求。在原有试验机的摆锤上安装了夹具， 并在夹具上面安装磨粒。改造后的底座中可以安放试样和压力传感器装置。试 验机的主要参数 2 1 1 见表2 1 。 表2 - 1 试验机的主要参数 图2 一l 改装的单摆冲击试验机装置 1 机身2 传感器测力装置3 角度指示盘4 摆杆5 摆捶6 硬质台金磨粒7 单片机采集系统 2 2 试验机的工作原理 本试验机正是应用了较为先进的单摆冲击划痕法。当摆锤以一定角度的从 高处释放后，根据能量守恒定律，势能不断向动能转化，从而使摆锤在接触试 样表面时具有了一定的初速度，随着摆锤高度的下降，摆锤上安放的磨粒划入 辽宁工程技术大学硕士学位论文 试样的表面，而材料的表面同时对摆锤产生阻力，导致摆锤能量的 锤到达垂直位置时，此时 切向力作用也达到最大， 动时，划痕的深度和力的 磨粒在材料的表面划过， 中，有变力作用于试样， 下面的传感器接受，然后 据输入到计算机串口中。 将发送到串口的数据显示 由于数据采集系统采 是按照时间先后排列的， 摆锤的能量达到最大值，同时摆锤对试样 试样表面的划痕达到最大深度和宽度。当 作用都不断减小，最后摆锤上的磨粒脱离 形成了一条具有一定深度的弧形磨沟。在 损耗。当摆 的法向力和 摆锤继续运 试样表面。 划动的过程 这些力可以分解为法向力和切向力，通过放置于试样 利用数据采集系统对数据进行传输和收集，从而将数 在计算机上安装串口调试软件s s c o mv 3 0 ，就可以 并保存于计算机上。 集数据是按照一定的频率进行的，所以所有的数据都 当这些数据被存入计算机以后，就可以利用计算机对 这些数据进行分析，处理。本试验机的磨粒在试验过程中作用于试样的工作原 理如图2 。2 所示。 3 图2 2单摆冲击划痕试验装置原理衙图 1 底座2 试样3 磨粒4 法向力传感器5 ，6 切向力传感器 2 3 试验机的改造 2 3 1 试验机摆锤夹具的制作 本次实验选择了一块尺寸为1 3 6 r a m x 2 6 r a m x 2 6 r a m 的4 5 # 钢作为夹具材 料，并在上面铣出尺寸为1 1 0 m m x 2 6 r a m 1 5 r a m 的槽，如图2 3 所示。在材料 的中心位置钻一个直径为1 1 m m 的孔，以安放磨粒在孔的左右位置和两边钻 上螺孔，用来固定磨粒和夹具，同时也可以调节摆锤和磨粒的高度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 2 3 2 试验机摆锤夹具上安装的磨粒的制作 选用y g 6 硬质合金作用磨粒的材料，其硬度为r a 9 11 2 2 1 。将硬质合金加工 成高为1 0 r a m ，直径为1 1 8 8 r a m 的圆锥体，在圆锥顶部留出高为1 0 r a m 的圆柱 体。加工后的磨粒见图2 4 。 2 3 3 试验机安放试样底座的制作 首先将材料加工成1 7 0 r a m x $ s m m x1 8 m m 的标准钢件。同时在钢件的中心 位置加工一条沟槽以放置试验用的试样。在沟槽下方开两个通孔以安放传感 器，然后在钢件侧边钻两个螺孔，在上面添加小钢片以固定试样，防止试样在 试验过程中受到切向力的作用而飞出工作区域。然后在底座的背面，沟槽旁边 开两条小沟槽以放置试验过程中传感器的数据线。改造后的底座如图2 5 所示。 图2 - 3夹具和磨粒 图2 - 4 磨粒 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图z 一5加工后的底座 2 4 本章小结 本章主要介绍了试验的前期工作，即试验机的改造工作。在原来的x j j 一 5 0 冲击试验机的基础上，分别在试验机的摆锤上安装了夹具和磨粒，并在试验 机底座的工作台上安装了试验时供放试样的底座。在叙述试验机改造的基础 上，又简单介绍了整个试验机试验时的工作原理。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 3 实验试样的制备 3 1 实验材料的选取 本实验选用牌号为a z 9 1 d 镁合金( 合金元素a l 的主要作用是通过固溶在合 金中生成的m g l7 a 1 1 2 相，增加合金的硬度和强度；合金元素z n 的主要作用是在 凝固过程中起到细化晶粒的作用，增加时效强化的效果，但过多的z n 会导致 合金塑性的显著降低；合金元素m n 的主要作用是抵制对合金耐蚀性能的破坏 作用，改善合金的耐蚀性能；合金元素s i 能够改善合金的压铸工艺性能，增加 镁合金压铸件的密度；杂质元素f e ，n i ，c u 会极大地损害镁合金的耐蚀性能， 因而其含量要严格控制) 为原材料。a z 9 1 d 镁合金的合金成分1 2 3 1 如表3 1 所示。 表3 - la z 9 1 d 舍金的化学成分 镁合金是目前最轻的工程金属材料，也是有色金属材料中最有开发和应用 前景的金属材料，镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗 辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、 航空、航天和军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继 钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被誉为“二十一世纪绿色 工程材料”。而牌号为a z 9 i d 的镁合金又是镁合金中性能最为优越，应用最 为广泛的一个牌号。 和其他各种金属一样，镁合金在被合理利用的同时也伴随磨损、腐蚀的消 耗，且由于磨损所造成的消耗是十分惊人的。同样，对于镁合金等具有固定性 能的特定材料，在不同的工作坏境和运行状态下，这种材料所表现出的摩擦磨 损行为有很大的不同，使摩擦磨损研究变得十分复杂，每一种新材料在获得应 用之前，都必须在特定条件下对其进行深入细致的摩擦磨损特性研究，这也是 世界各国对摩擦学研究较为重视的原因之一。摩擦磨损的研究具有很长的历 史，是应用性极强的科学，涉及众多的相关学科。新技术的发明、新理论和研 究方法的产生、新材料的出现都将促进摩擦磨损研究向更深入的方向发展，得 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 到的研究成果反过来又促进人们不断改善和提高材料性能，或者为人们设计新 材料提供理论依据，使摩擦磨损的研究工作保持旺盛的生命力。而有关镁合金 磨损行为方面的资料是很少的。h i r a t s u k a l 2 4 1 研究了纯镁在销盘式磨损试验机上 与铝对磨时的干滑动磨损行为。a l a h e l i s t e n 2 5 1 研究了经过铝纤维强化过的镁合 金a z 9 1 d 的磨损行为。h o u s h 和s a k k i n e n l a t 2 6 1 报道了镁基质复合材料的抗磨性 能随s i c 粒子体积分数的增加而增加。这些研究学者都从不同方面对镁合金的 磨损行为进行了研究。 3 2 试样制备方法的选择 由于室温下的镁合金容易形成氧化膜，其疏松多孔，从而导致其耐磨性， 耐蚀性都很差。镁合金的不足阻碍了镁合金产品的应用，到目前为止，大多采 用表面防护来提高镁合金的耐磨耐蚀性，如金属镀层，离子注入气相沉积，激 光熔敷，激光合金化等，但是这些方法工艺复杂，成本较高。本次实验选择的 热喷涂技术中的电弧喷涂技术，电弧喷涂是以电弧为热源，用空气或其他气体 为喷射气流的喷涂。以两根金属线，用电机驱动到喷嘴口相交，产生短路电弧， 端部熔化，再用喷射气流令其雾化吹出沉积于工件表面。在涂层成分的选择时， 如果使用两种不用性质的线料，可以制成两种材料的混合体或伪合金涂层提高 耐磨性能，所以在本次实验选择的是熔点低、效率高、性能优良的a i 、z n 二 种丝材，通过改变喷涂工艺参数来获得质量不同的涂层，最后经过性能检测来 确定获得最佳耐磨性能的工艺参数，从而检验改制的试验设备的实用性与精确 性。 3 2 1 电弧喷涂技术的特点t 2 7 1 1 1 生产效率高 电弧喷涂的生产效率与电弧电流成正比，当喷涂电流为3 0 0 a 时，喷涂不 锈钢丝可达1 4 k c ；h ，喷涂铝丝为8 k g h 。这大约相当于火焰喷丝枪生产效率的 3 到4 倍。 2 1 涂层结合强度高 电弧喷涂时，电弧温度高达5 0 0 0 k ，使得熔融粒子温度高，变形量大，可 获得很高的结合强度及涂层自身强度。 3 ) 元素烧损较为严重 辽宁工程技术大学项士学位论文 1 6 由于电弧喷涂温度高，由电能转化的热能除了熔化送进的丝材外，仍有大 量过剩，过剩的热能导致丝材在喷涂过程中过热，发生氧化和蒸发，形成烟尘 而损失掉。 4 ) 能源利用率高 电弧喷涂时，电弧直接作用于金属丝的端部用来熔化金属，能源利用率可 达9 0 ，是各种喷涂方法中能源利用率最高的。 5 1 操作简单，维护方便 电弧喷涂设备相对简单，喷涂过程中只需关注四个主要参数，即喷涂电压、 喷涂电流、雾化空气压力和喷涂距离。其中前三个参数经预先设置后，喷涂过 程中一般不会改变，电弧喷涂工艺对喷涂距离并不敏感，一般可在1 8 0 2 4 0 掰用 之间变动。电弧设备易损件只有导丝嘴和送丝轮，其维护和更换方便。 3 2 2 电弧的喷涂原理 电弧喷涂原理 2 8 】如图3 1 所示，喷嘴端部成一定的角度( 3 0 。6 0 。) 将连 续送迸的两根金属丝分别与直流电源的正负极相连接。在金属丝端部短接的瞬 间，由于高电流密度，使两根金属丝闯产生电弧，将两根金属丝端部同时熔化， 在电源作用下，维持电弧稳定燃烧。在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速 压缩空气使熔化的金属脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基 材表面而形成涂层。电弧喷涂时，金属丝的短路仅是发生在开始的一瞬间，而 喷涂过程中在电弧作用和雾化气流的作用下金属丝端部频繁地产生熔化一脱 离一雾化的过程。这一过程中极间距离不断变化，电弧电流也随之波动，自动 维持金属丝的熔化速度，即由于电流的自调节特点，电孤电流亦随着送丝速度 的增加而增加。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 图3 1电弧喷涂原理示意图 1 直流电源2 金属丝3 送丝滚轮4 导电块5 导丝软管 6 压缩空气喷嘴7 压缩空气8 电弧9 喷涂粒子 3 3 试样的制备设备 本次实验采用的热喷涂机是沈阳工业大学的x d p 一2 电弧自动送丝热喷涂 机。空气压缩机的型号是w 2 1 0 5 。热喷涂机的主要技术参数如下： 1 ) 喷涂设备：喷枪重：1 2 k g ；喷丝直径：m 3 m m ；送丝方式：推丝。 2 ) 喷涂电源：平特性整流电源；电弧静特性略带下降；每1 0 0 v 下降2 v ； 电源空载电压：2 5 3 7 v ，变压器调压。 3 4 试样的确定 因为影响电弧喷涂质量的工艺因素中喷涂电压、喷涂电流、压缩空气压力 对线材的雾化程度有很大的影响，而线材的雾化程度又直接影响着喷涂的质 量，因而本次实验主要来研究不同的工艺参数对喷涂涂层质量的影响。如果考 虑到每个参数的不同影响，那么得需要制备3 9 = 2 7 个试样，而采用了数学上的 正交试验的方法，这样只需制备l 9 ( 3 3 ) = 9 个试样。正交试验设计 2 9 1 是用于 多因素试验的一种方法，它从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验，这 些代表点具有“均匀”和“整齐”的特点。它是部分因子设计的主要方法，具 有很高的效率。本次实验的正交表如3 2 所示 表3 2电弧喷涂工艺参数表 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 3 5 试样的制备 要使涂层和基体有良好的结合力，基体表面的预处理是一个重要的影响因 素，它关系到制备涂层的成败。表面预处理的要求就是表面必须清洁，并要有 一定的租糙度。因此，喷涂前基体一定要进行表面净化和租化处理。 1 ) 净化处理净化处理是指去除待喷涂表面的油污、氧化物、油漆及其 他污物。本试验采用除油溶剂为丙酮，采用的方法是浸泡擦刷。 2 ) 租化处理粗化处理是再净化后的基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙 表面，并控制其租糙度，使涂层与基体有更大的结合面，产生更多的表面“抛 锚效应”点，并使涂层产生压应力，减少涂层的宏观残余应力，使涂层和基体 产生更强的结合。 本次实验采用的粗化处理方法为喷砂处理，其中的磨料为2 0 号的棕刚玉 颗粒，这类磨料除了有较高强度和硬度外，还有较好的耐用性和极好的租化效 果。 为了能在严格的试验条件下进行，首先将a z 9 1 d 镁合金基体切割成尺寸 5 0 r a m 1 0 m m x3 5 r a m 的长方体块状试样，共9 块，喷涂完成后再次利用线切 割加工技术将其表面进行切削，最后制成5 0 r a m x l o r a m x 4 5 m m 的块状试样。 3 6 本章小结 本章介绍了实验材料的选取、试样的制备方法一熟喷涂法。在介绍热喷涂 法时，又叙述了热喷涂技术的特点和原理。针对热喷涂工艺参数的多样性，实 验选择了较为科学数学试验方法一正交试验法。基于正交试验法来达到简化试 验的目的，而又不失科学性。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 4 数据采集系统 4 1 数据采集系统的简介 数据采集系统是计算机硬件、软件结合的综合技术，是当代传感器技术、 电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术的综合应用。它是解决测 量、控制、计算、存储的最好选择。利用计算机等工具来辅助测量，使得数据 采集、处理和控制融为一体，都有通道多、精度高、速度快、功能强、操作简 便等特点。数据采集系统的总类很多，但其基本构成是相似的，多数为一个典 型的数据采集和控制系统。组建数据采集和控制系统就是把外部输入输出器 件，比如显示器、键盘、模拟或数字输入通道：模拟或数字控制通道、智能仪 器仪表等同计算机连接起来。而这些器件的连接都要通过适当的接口和总线， 所以接口和总线是数据采集与控制系统的重要组成部分。本试验的检测与采集 系统工作原理如图4 1 所示 图4 - 1 数据采集系统图 本次实验除了对现有的试验机进行改造来模拟工况外，并且采用数据采集 系统来对磨损过程的动态细节进行描述。在实验过程中，磨粒进入试样表面， 对试样产生法向和切向方向的挤压力，传入试样下面的压力传感器，传感器在 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 0 力的作用下表现为形变，从而带动电阻应变片发生变形，并表现为应变片上电 阻的改变，从而产生不同的电压信号。电阻应变片上产生的动态变化的电压信 号经信号放大器放大后送入模数转换器，将模拟信号转化为数字信号。利用单 片机进行数据采集并将转换后的数字量通过串口发送到p c 机进行后续处理 4 2 数据采集系统元件的选取 4 2 1 传感器的简介 因为本实验是对凿削抗力的力学信号的采集，而目前对测量应力的方法有 很多种，其中，电阻应变式传感器始终是结构试验应力分析的最主要的手段之 。传感器主要是由弹性元件、粘贴在弹性元件上的电阻应变片和壳体组成。 当外力作用在弹性元件上时，弹性元件被压缩，粘贴在它上面的应变片也跟着 发生相应的变化。如将该应交片接入电桥电路中，就可把电阻的变化转交成电 桥输出电压或电流的变化。再用纪录仪器把这个电量的变化纪录下来。由此实 现了被测力通过传感器转换成电参量的测量，此即电阻应变片的基本工作原 理。根据电阻应变片使用材料的不同，可分为金属应交片和半导体应变片两大 类。金属应变片式传感器，其精度高，测量范围广。测力量程从几n 到几百 k n ，精度可达0 0 5 ，应变范围从数p 到数千l i ，其频率响应特性较好。本 次实验采用的是金属应变片中的金属丝应变片，其型号为b f 3 5 0 3 a a ( x x ) ，标 准电阻为3 5 0 f l ，灵敏度系数为2 1 l ，敏感栅尺寸为3 m m x5 m m ，电阻温度系 数1 1 0 1 3 0 1 0 一 c ，电阻率为1 2 4 1 4 2 p f 2 m 使用的材料是镍铬合金( 其 中n i8 0 ，c r2 0 ) 。电阻应交片其结构如图4 2 所示。在测量应交时，首先 要求电阻应变片的应变与被测试件的应变相等。当试件受到外力作用时，测点 产生的变形通过粘结剂和电阻应交片的基底传递给电阻片的敏感栅。于是敏感 栅也随试件测点同时变形，从而引起电阻变化。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 l 图4 2电阻应变片的构造 l 基底2 敏感栅3 引线4 覆盖层 4 2 1 1 电阻应变式传感器的特点 电阻应交式传感器具有如下特点 3 0 1 ： 1 1 应变输出的线性好、测量精度高： 2 ) 长期稳定性和耐久性好； 3 ) 敏感元件体积小、重量轻、价格便宜、使用简便； 4 ) 可在很宽的温度范围及特殊环境下使用； 5 ) 不仅可以测量静态应变，还可测量动态和冲击应变，响应特性好； 6 ) 不仅可以近距测量，也可以远距测量以及进行遥测； 7 ) 不仅可在试验室内进行测量，也可以在现场或野外进行应力测量； 8 ) 输出信号便于与计算机相连，可以进行在线测量，也可以进行脱机数据 处理。 4 2 1 2 传感器弹性体的选取 对于电阻应交片式测力传感器( 以下简称“测力传感器”) 来说，弹性体的 结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性 能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合 理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器 都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进 行合理的设计至关重要。在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求1 3 1 】： 1 1 贴片部位的应力( 应变) 应与被测力保持严格的对应关系： 2 1 贴片部位应具有较高的应力( 应变) 水平 为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹性体设计方面，经常应用“应 辽宁工程技术大学硕士学位论文 力集中”的设计原则d 2 】，确保贴片部位的应力( 应变) 水平较高，并与被测力 保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度，改 善应力( 应变) 不规则分布的“应力集中”原则。弹性体最好不产生塑性形变， 具有良好的弹性的材料。经过反复的试验，为了精确、灵敏的反映单颗粒凿削 磨损瞬间切向力和法向力的变化，实验分别选用了环氧树脂、添加增塑剂的环 氧树脂、聚氨脂和熟橡胶。实验最后使用的传感器母材为聚氨脂，在其上贴上 电阻应变片而制成。考虑到试样与传感器接触时有摩擦力，会影响测量结果， 故其顶端与试样接触部位做成半圆j 形 3 3 1 ，使之与试样呈线接触。 4 2 2 信号放大器 在放大器设计的过程中，为了保证测量的高精度，就要求放大器具有足够 高的放大倍数及低噪声，为了保证系统工作的可靠性，就要求放大器的稳定度 尽可能高。为了减小从电桥取电流造成的误差，就要求放大器有较高的输入阻 抗。 本次实验中选用的放大器是a d 6 2 0 1 3 4 l ，a d 6 2 0 是一种低价格、低功耗、 高精度仪器仪表用放大器，在应交测量中应用也很广泛，具有很高的精度，它 的最大非线性失真为4 0 p p m ，最大失调电压为5 0 1 x v ，最大失调漂移为o 6 i t v ，所以它常用于精确的数据采集系统。因此它具有非常明显的优点：不用调 零，放大方式简单，放大倍数大。 4 2 3a d 转换器 a d 转换器选用的是m a x l 5 4 作为转换芯片，m a x l 5 4 是与微处理器兼容 的8 位高速模数转换器，应用半闪烁技术使模数转换时间达到2 5 p s ，使数字 化处理