過(guò)盈配合拆解的界面損傷及其預(yù)測(cè)模型研究

沈 健, 黃盼龍, 周 丹, 劉光復(fù), 杜曉東

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

過(guò)盈配合拆解的界面損傷及其預(yù)測(cè)模型研究

沈 健1, 黃盼龍1, 周 丹1, 劉光復(fù)1, 杜曉東2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

在機(jī)械裝備中經(jīng)常使用過(guò)盈配合,過(guò)盈配合拆解的難度大,再制造拆解時(shí)常常會(huì)造成配合界面損傷而導(dǎo)致零件無(wú)法再制造。文章針對(duì)過(guò)盈配合拆解的界面損傷,設(shè)計(jì)了過(guò)盈配合拆解的模擬試驗(yàn),闡述了試驗(yàn)原理和過(guò)程;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析界面損傷的形式和產(chǎn)生損傷的機(jī)理,確定了界面損傷定量表征參數(shù)為拆解界面損傷深度;研究了過(guò)盈量、材料類型與界面損傷的關(guān)系;對(duì)Archard模型進(jìn)行修正,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了界面損傷預(yù)測(cè)模型。

再制造;過(guò)盈配合拆解;拆解試驗(yàn);界面損傷

再制造拆解是再制造的前提,為獲得再制造毛坯,需要對(duì)機(jī)械裝備進(jìn)行拆解,解除零件間的約束[1]。在各種約束類型中,過(guò)盈配合使用普遍。對(duì)過(guò)盈配合件進(jìn)行拆解時(shí),常常會(huì)造成零件配合面的界面損傷,使零件無(wú)法再制造。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)界面損傷進(jìn)行了較為廣泛的研究。文獻(xiàn)[2-3]應(yīng)用內(nèi)聚力模型對(duì)復(fù)合材料界面損傷的形式和機(jī)理進(jìn)行了研究,分析了在載荷作用下界面裂紋的產(chǎn)生過(guò)程和擴(kuò)展;文獻(xiàn)[4-5]對(duì)鋼板板料沖壓過(guò)程中產(chǎn)生的表面損傷進(jìn)行了研究,認(rèn)為表面產(chǎn)生的損傷是板料與模具接觸過(guò)程中犁溝效應(yīng)、黏著效應(yīng)和疲勞效應(yīng)3種接觸效應(yīng)混合作用的產(chǎn)物;文獻(xiàn)[6-7]對(duì)輪軌接觸表面的接觸疲勞損傷進(jìn)行了研究,認(rèn)為損傷有剝離、壓潰、擦傷、斷裂等多種形式。1953年,Archard提出了黏著磨損模型[8],對(duì)磨損體積進(jìn)行了定量計(jì)算,并得到了推廣;文獻(xiàn)[9]用Archard模型預(yù)測(cè)了模具表面磨損,根據(jù)磨損量與磨損系數(shù)、壓力、相對(duì)移動(dòng)量、硬度之間的關(guān)系建立了新的損傷預(yù)測(cè)模型;文獻(xiàn)[10]在研究重載鐵路貨車車輪磨耗時(shí),運(yùn)用Archard磨損模型,計(jì)算了2種不同軸重的重車車輪在不同工況下的磨耗量。Archard模型在理論推導(dǎo)時(shí)作了一些假設(shè),實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要根據(jù)使用條件對(duì)模型進(jìn)行一定的修正。

目前,對(duì)于過(guò)盈配合拆解造成零件界面損傷的研究很少,對(duì)界面損傷產(chǎn)生機(jī)理及損傷預(yù)測(cè)進(jìn)行研究,以降低拆解的界面損傷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以采用過(guò)盈配合的大型離心式壓縮機(jī)的葉輪和主軸為主要研究載體,簡(jiǎn)化拆解模型,用配對(duì)試件來(lái)模擬過(guò)盈配合拆解過(guò)程,分析拆解界面損傷形式、機(jī)理和規(guī)律,確定界面損傷定量表征參數(shù),建立界面損傷預(yù)測(cè)模型,為再制造拆解工藝和修復(fù)工藝提供一定的理論支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

用配對(duì)試件的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)模擬過(guò)盈配合的葉輪和主軸的拆解過(guò)程,通過(guò)試驗(yàn)分析過(guò)盈量、材料類型與拆解界面損傷的關(guān)系,研究界面損傷規(guī)律,建立損傷預(yù)測(cè)模型。

1.1.2 試驗(yàn)原理

本文以沈鼓集團(tuán)的大型離心式壓縮機(jī)的過(guò)盈配合葉輪和主軸為研究對(duì)象,葉輪和主軸過(guò)盈配合模型如圖1所示,該模型軸徑為225 mm,過(guò)盈量為軸徑的1.7‰～2.2‰,過(guò)盈配合的過(guò)盈量在配合面產(chǎn)生相應(yīng)的接觸壓力。

圖1 葉輪和主軸過(guò)盈配合模型

將過(guò)盈配合的葉輪和主軸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:接觸表面沿圓周方向可以近似為由無(wú)數(shù)個(gè)近似長(zhǎng)方體的體積微元組成,體積微元間的接觸壓力可以看作沿接觸面法線方向(即徑向)的相互作用力,如圖2a和圖2b所示。將體積微元抽象提取,接觸面的相互作用力通過(guò)施加載荷模擬,建立過(guò)盈配合配對(duì)試件模型,如圖2c所示。配對(duì)試件受載荷作用,處于三向應(yīng)力狀態(tài)[11],與葉輪和主軸過(guò)盈配合模型的應(yīng)力狀態(tài)類似。

圖2 過(guò)盈配合體積微元和配對(duì)試件模型

配對(duì)試件模型用上試件和下試件分別代表過(guò)盈配合中的葉輪和主軸,過(guò)盈量以過(guò)盈量產(chǎn)生的相應(yīng)接觸壓力來(lái)替代,接觸壓力通過(guò)施加載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2c中,F2為模擬配合界面的接觸壓力;F1為模擬拆解過(guò)程中的拆解力;F3與F1方向相反。保證上試件穩(wěn)定不動(dòng),下試件放在滾動(dòng)導(dǎo)軌上。根據(jù)配對(duì)試件模型搭建拆解模擬試驗(yàn)臺(tái),如圖3所示,法向載荷最大設(shè)計(jì)值為10.0 t,橫向載荷最大設(shè)計(jì)值為6.4 t。

圖3 模擬拆解試驗(yàn)臺(tái)

接觸壓力從壓縮機(jī)葉輪和主軸過(guò)盈配合模型的有限元計(jì)算中獲取,葉輪和主軸在最大過(guò)盈量為軸徑φ225 mm的2.2‰(即過(guò)盈量為0.495 mm)時(shí),配合界面的最大接觸壓力約為253.27 MPa[12]。

為了模擬不同過(guò)盈量下葉輪和主軸拆解造成的損傷,試驗(yàn)時(shí)只需設(shè)置接觸壓力小于300 MPa。如果配對(duì)試件名義接觸面積為10 mm×10 mm,那么300 MPa的接觸壓力需要施加3.0 t的載荷,試驗(yàn)時(shí)施加載荷設(shè)置在0～3.0 t之間。

1.1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1) 用3.0 t載荷對(duì)安裝試件進(jìn)行預(yù)壓,目的是使試驗(yàn)狀況符合實(shí)際過(guò)盈配合拆解前的狀態(tài)。

(2) 模擬拆解過(guò)程。首先對(duì)上試件施加載荷F2,達(dá)到設(shè)定值后保持不變,再對(duì)下試件施加一定大小橫向載荷F1,保證下試件能沿水平方向從一端移動(dòng)到另一端,移動(dòng)距離為26 mm。

(3) 加載的載荷設(shè)置為0～3.0 t,每0.5 t一檔,每種載荷做3組試驗(yàn)。

1.2 試樣及預(yù)處理

1.2.1 試件材料

試件材料及材料特性見(jiàn)表1所列。

表1 試件材料特性

1.2.2 預(yù)處理

為了減少拆解因素對(duì)拆解界面損傷的影響,對(duì)試件都做了相同處理。試件同批次加工,在加工時(shí)最后一道工序?yàn)槟ハ?要求表面粗糙度達(dá)到0.8 μm;試驗(yàn)前對(duì)試件表面用丙酮進(jìn)行清洗并晾干;由于試件加工時(shí)表面會(huì)有機(jī)加工紋路,試驗(yàn)時(shí)保證配對(duì)試件界面接觸紋路形態(tài)相同。

2 界面損傷分析

2.1 界面損傷機(jī)理

3種配對(duì)材料,共進(jìn)行54組拆解模擬試驗(yàn),在試件的表面造成了不同程度的拆解損傷。這些拆解損傷與傳統(tǒng)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)形成的黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損[13]的損傷有顯著區(qū)別,屬于界面間單次單向滑動(dòng)造成的一種損傷,表現(xiàn)為宏觀上的損傷。

配對(duì)材料為KMN低強(qiáng)度時(shí)不同載荷下的界面損傷形式如圖4所示。

由圖4可知,從宏觀上看,試件界面損傷有多種形式,隨著法向載荷的增大,損傷的形式主要表現(xiàn)為劃?rùn)M、犁溝和黏著剝離以及堆積,且隨著載荷的增大,界面損傷加重;下試件的界面損傷形式比上試件的明顯,但上試件的界面損傷要比下試件的嚴(yán)重。

圖4 配對(duì)材料為KMN低強(qiáng)度時(shí)不同載荷下的界面損傷形式

不同界面損傷形式下的掃描電子顯微鏡(SEM)放大400倍照片如圖5所示。由圖5可知,從微觀上看,宏觀上看到的劃?rùn)M、犁溝和剝離都是黏著損傷,黏著是產(chǎn)生這些形式損傷的主要原因。

圖5 配對(duì)材料為KMN低強(qiáng)度時(shí)不同損傷形式下的SEM圖

2.2 界面損傷評(píng)價(jià)參數(shù)及測(cè)量

從試件界面損傷形式分析,劃?rùn)M、犁溝和剝離都可以表現(xiàn)為表面材料缺失,損傷深度可以直觀地反映界面損傷程度。從再制造修復(fù)工藝分析,對(duì)于界面損傷,先對(duì)損傷區(qū)域用電刷鍍、熱噴涂或激光熔覆等技術(shù)進(jìn)行修復(fù)處理,再進(jìn)行機(jī)加工,損傷深度對(duì)再制造修復(fù)工藝的選擇有借鑒作用。因此,用拆解界面損傷深度對(duì)試件界面損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)具有合理性。

采用瑞士Trimos微觀形貌及粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量深度范圍為0～1 100 μm,精度為0.1 μm。測(cè)量時(shí)選取試件表面損傷最嚴(yán)重的區(qū)域,選取的面積為8.0 mm×0.5 mm,以試件原始未損傷表面為起始測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,選取測(cè)量結(jié)果中的三維形貌參數(shù)的表面最大高度Sz作為拆解界面損傷深度,如圖6所示。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn),下試件、上試件的拆解界面損傷深度隨著載荷的變化有相似的變化趨勢(shì),再考慮到下試件的面積大,損傷形式明顯,易于測(cè)量,本文以下試件作為評(píng)價(jià)對(duì)象,下試件材料為40CrNiMo7。對(duì)54組下試件的界面損傷進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表2所列。

圖6 下試件表面三維形貌

過(guò)盈量/mm載荷/t下試件拆解界面損傷深度/μm上試件材料KMN低強(qiáng)度123平均上試件材料FV520B-S123平均上試件材料KMN高強(qiáng)度123平均0.0980.563.566.590.273.4147.0174.0192.0171.0103.0108.0144.0118.30.1951.0146.0153.0171.0156.7216.0284.0368.0289.3221.0226.0238.0228.30.2931.5198.0228.0246.0224.0264.0368.0477.0369.7333.0344.0410.0362.30.3912.0278.0313.0315.0302.0324.0412.0540.0425.3517.0531.0557.0535.00.4892.5311.0349.0375.0345.0481.0492.0554.0509.0574.0579.0670.0607.70.5863.0402.0420.0436.0419.3574.0592.0594.0586.7717.0785.0835.0779.0

2.3 界面損傷規(guī)律分析

由于試驗(yàn)過(guò)程存在誤差,同一種載荷下多次試驗(yàn)的試件界面損傷程度略有不同,拆解界面損傷深度值有一定的波動(dòng)。為了更好地研究試驗(yàn)規(guī)律,定量評(píng)價(jià)界面損傷,先對(duì)測(cè)量值用格羅布斯檢驗(yàn)法和狄克松檢驗(yàn)法[14]進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理,排除粗大誤差數(shù)據(jù),再將相同載荷下的拆解界面損傷深度值做均化處理。通過(guò)格羅布斯檢驗(yàn)法和狄克松檢驗(yàn)法檢驗(yàn),測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有異常值。

根據(jù)表2可以得到3種配對(duì)材料平均拆解界面損傷深度變化曲線圖,如圖7所示。從圖7可以看出,平均拆解界面損傷深度都隨著載荷的增大而增大,且都呈現(xiàn)近似線性關(guān)系;在相同載荷下,配對(duì)材料為KMN低強(qiáng)度時(shí)平均拆解界面損傷深度最小。

根據(jù)經(jīng)典的黏著損傷理論[14]可知,表面損傷與屈服極限有關(guān),可以得到不同載荷下3種上試件材料屈服極限的平均拆解界面損傷深度,如圖8所示。

從圖8可以看出,3種上試件材料的屈服極限在不同載荷下的平均拆解界面損傷深度呈現(xiàn)2種變化趨勢(shì),0.5、1.0、1.5 t 3種載荷下,平均拆解界面損傷深度隨屈服極限的增大先增大后減小,配對(duì)材料為FV520B-S的平均拆解界面損傷深度最大;2.0、2.5、3.0 t 3種載荷下,平均拆解界面損傷深度隨屈服極限的增大而增大。

圖7 3種材料的平均拆解界面損傷深度變化曲線

圖8 不同載荷下3種材料屈服極限的平均拆解界面損傷深度

3 界面損傷預(yù)測(cè)模型的建立

3.1 黏著磨損的Archard模型

Archard提出了黏著磨損的Archard模型[15]，即

(1)

其中,υ為磨損體積;W為載荷;H為磨損表面的硬度或屈服極限;x為滑動(dòng)距離;k為取決于接觸材料及清潔度的磨損系數(shù)。

為了計(jì)算磨損深度的變化率,(1)式被改寫(xiě)為[15]:

(2)

3.2 損傷預(yù)測(cè)模型的建立

對(duì)黏著磨損的Archard模型進(jìn)行變換,即

(3)

則有:

(4)

在試驗(yàn)中推動(dòng)下試件為勻速過(guò)程,令x=vt,則

(5)

記f(k,x,Am)=kx/Am,則

(6)

試驗(yàn)時(shí),滑動(dòng)距離x=26 mm,名義接觸面積Am=10×10=100 mm2,均為定值,因此將f(k,x,Am)定義為拆解損傷系數(shù)K,則

d=KW/H

(7)

其中,d為拆解界面損傷深度。

根據(jù)2.3節(jié)的分析,對(duì)推導(dǎo)模型進(jìn)行修正和分段處理。當(dāng)載荷為0.5、1.0、1.5 t時(shí),將(7)式修正為:

(8)

當(dāng)載荷為2.0、2.5、3.0 t時(shí),將(7)式修正為:

(9)

其中,a為待定系數(shù);b為常數(shù);H為配對(duì)的上試件材料屈服極限。

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性,對(duì)3種配對(duì)材料分別在0.75、1.25、1.75、2.25、2.75 t載荷下進(jìn)行拆解模擬試驗(yàn)。將預(yù)測(cè)模型得到的拆解界面損傷深度與試驗(yàn)得到的拆解界面損傷深度進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表3所列。從表3可以看出,試驗(yàn)的拆解界面損傷深度與預(yù)測(cè)模型計(jì)算的拆解界面損傷深度的相對(duì)誤差較小,誤差一般小于10%。結(jié)果出現(xiàn)誤差主要是由在試件安裝時(shí)有一定的安裝誤差、每組配對(duì)試件接觸界面的微觀接觸形態(tài)不同等不定因素引起的。

表3 拆解界面損傷預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

4 結(jié) 論

(1) 本文用配對(duì)試件來(lái)模擬過(guò)盈配合的葉輪和主軸的拆解過(guò)程,將過(guò)盈配合的過(guò)盈量轉(zhuǎn)化為載荷進(jìn)行試驗(yàn),研究不同過(guò)盈量下過(guò)盈配合拆解造成的界面損傷,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

(2) 拆解界面有多種損傷形式,隨著法向載荷的增大,損傷的形式主要表現(xiàn)為劃?rùn)M、犁溝和黏著剝離及堆積,黏著是產(chǎn)生這些損傷形式的主要原因。

(3) 以拆解界面損傷深度為界面損傷定量表征參數(shù),針對(duì)3種材料配對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)平均拆解界面損傷深度都隨著載荷的增大而增大,且呈現(xiàn)近似線性關(guān)系;在相同載荷下,配對(duì)材料為KMN低強(qiáng)度時(shí)平均拆解界面損傷深度最小。

(4) 建立了拆解界面損傷預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Study of interface damage of interference fit dismantling and its prediction model

SHEN Jian1, HUANG Panlong1, ZHOU Dan1, LIU Guangfu1, DU Xiaodong2

(1.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In machinery equipment, interference fit is widely used. It is difficult for interference fit dismantling. Remanufacturing dismantling often damages the interface which means that parts can not be remanufactured. To research the interface damage of interference fit dismantling, the simulation test of interference fit dismantling is designed, and its principle and process are introduced. Based on the test results, the form and the mechanism of interface damage are analyzed, and the quantitative parameter for the characterization of interface damage is confirmed as dismantling interface damage depth. The relation among the magnitude of interference, the type of material and interface damage is explored. With Archard model corrected and combining with experimental data, the prediction model of interface damage is established.

remanufacturing; interference fit dismantling; dismantling test; interface damage

2016-02-19；

2016-04-21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2011CB013400);國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405121)

沈 健(1956-),男,江蘇溧陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師; 劉光復(fù)(1945-),男,遼寧開(kāi)源人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.002

TH17

A

1003-5060(2017)08-1014-06