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超高速球盤摩擦試驗機

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平臺主要包括: 鑄鐵床身、內藏式動靜壓電主軸、高精度直線運動模組(水平方向和垂直方向)、原位動平衡系統、精密壓電式測力儀等, 如圖1所示。試驗前對摩擦盤及主軸系統進行原位動平衡,大幅度降低主軸-摩擦盤系統在高速旋轉條件下的振動,增加測試的穩定性。對于易切削加工材料,在試驗前對摩擦盤進行在線超精密車削,極大程度的降低摩擦盤端面的跳動,如圖2所示。對于難切削加工材料,通過增加背襯材料,輔助以互為基準超精密原位車削,降低摩擦盤的端面跳動,如圖3所示。

1 超高速摩擦試驗機主機

2 在線超精密車削


3 互為基準在位超精密車削

由于極大程度的降低了摩擦盤的端面跳動,相對于商用球-盤摩擦試驗機而言,可以將摩擦時間急劇減小,同時提高摩擦過程的穩定性,典型的摩擦力和加載力原始力信號如圖4所示。



4 摩擦力和加載力原始力信號(摩擦速度50m/s

功能一:超高速摩擦試驗

主軸最高轉速為12000 rpm,配合直徑為200mm的摩擦盤,最高摩擦可達120m/s。不同粗糙度表面的高導無氧銅與單晶金剛石的摩擦系數隨速度變化如圖5所示。

5 摩擦系數隨速度的變化(加載力1.4N

功能二:超薄涂層的摩擦學測試。

商用的球-盤摩擦試驗用于摩擦盤端面跳動較為嚴重,在摩擦進入穩態前需要較長時間的摩擦過程。而一般的涂層材料較薄,在未進入穩態前涂層已經發生了嚴重磨損,導致測得的結果是涂層基體材料與另一個對磨體的摩擦系數而非涂層本身與另一個對磨體的摩擦系數,因此無法實現超薄涂層的摩擦測試。本超高速摩擦試驗機由于降低了摩擦盤的端面跳動,可以大幅度的降低磨合過程,減小涂層的磨損,因此可以實現超薄涂層的摩擦試驗。

6 刀具涂層測試結果對比

φ4mm硬質合金涂層球,涂層厚0.5μm

功能三:用于特定表面狀態的摩擦學測試(近無摩擦的摩擦學測試)。

商用的球盤摩擦試驗機均需要長時間的磨合過程,在摩擦過程達到穩態之前,摩擦副已經發生了嚴重的磨損,表面形貌發生了極大程度的改變,因此不能用于研究特定表面形貌(特定表面粗糙度、表面微織構等)的摩擦試驗,本超高速球-盤摩擦試驗機由于降低了摩擦盤的端面跳動,可以極大程度的降低磨合過程,實現近無磨損的摩擦學測試,因此可以用于特定表面的摩擦學測試。無氧銅與單晶金剛石組成的摩擦副摩擦后無氧銅的表面形貌如圖7所示。

7 無氧銅表面形貌

(加載力1.4N, 摩擦速度50m/s

主要參數性能:

部件

性能參數

 電主軸

轉速

0-12000rpm

功率

5.7 kw

徑向跳動

≤0.001mm

軸向跳動

≤0.001mm

直線電機

額定推力

75N

定位精度

0.5μm

直線行程

160mm

最大速度

350mm/s

最大加速度

100m/s2

微進給裝置

最小分辨率

0.005mm

行程

25mm

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