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球面销磨削设备研制及球面摩擦接触机理研究

球面销磨削设备研制及球面摩擦接触机理研究

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作者：于大国机械科学研究院

学位级别：硕士

球面试样是摩擦学试验中接触状态最易控制的一种试样,但加工比较复杂,常常不得不用规格有限的球试样(如轴承的钢球)代替,给摩擦学试验研究带来不便,是摩擦学试验研究中长期没有很好解决的技术问题;另外,基于球形微凸体的粗糙表面模型是... 详细信息

球面试样是摩擦学试验中接触状态最易控制的一种试样,但加工比较复杂,常常不得不用规格有限的球试样(如轴承的钢球)代替,给摩擦学试验研究带来不便,是摩擦学试验研究中长期没有很好解决的技术问题;另外,基于球形微凸体的粗糙表面模型是摩擦学研究中最为常用的表面接触模型,但由于球试样加工的困难,目前关于表面接触的研究大多仅仅从统计分布角度进行研究,没有考虑单个球形微凸体上发生的变化(接触、变形、摩擦和磨损)对摩擦过程的贡献,使摩擦表面接触模型研究的发展受到限制。本文从研制适合加工多种材料球面销试样的高精度球面磨削设备入手,探讨“摆旋法”(工件绕定轴摆动并绕自身轴线旋转)磨削高精度球面的关键技术,开发球面销磨削设备,研究球面销试样的制备工艺,制备符合摩擦学试验研究要求的各种材料的球面销试样;针对人工关节的表面微结构设计一类问题,试验研究超高分子量聚乙稀(UHMWPE)球面销试样的尺寸、接触应力与摩擦学性能之间的关系,探讨球形微凸体的摩擦接触机理。为摩擦学试验研究提供装备条件,为球形微凸体粗糙表面模型提供试验依据,为摩擦表面微结构设计提供理论依据。本文的主要研究成果和创新体现在以下方面: 1.提出了“摆旋法”磨削高精度球面的新方法,确认了球面形成的两个必要条件,推导了控制球面轮廓误差的基本公式。 2.研制出摩擦学球面销试样磨削设备,可以加工各种材料的球面,加工球面尺寸误差为:≤10～20μm,加工球面的表面粗糙度为:Ra0.09～0.25μm,获得中国实用新型专利(专利号:200320116160.X)。 3.研制了利用圆柱孔端面测量球冠半径的新型量具和测量方法。 4.试验研究了UHMWPE球体与钢盘摩擦的接触变形与摩擦的规律,并尝试从理论上进行了分析,得到一些结论: (1) 当弹塑性变形同时存在时,球体与平面接触,其压痕面积S,与载荷W以及曲率半径R的关系:(?)=0.181RW (2) UHMWPE球体与钢盘进行干摩擦试验时,摩擦系数随载荷和平均接触应力的增大而减小,随球体半径的增加而增加。当接触面上的平均接触应力大于材料的屈服极限时,摩擦系数为常数。 (3) 根据试验结果获得的摩擦系数f与平均接触应力Pd的关系公式:

关键词：摩擦学微凸体:球面销试样磨削设备摩擦系数接触应力

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