過盈配合拆解的界面損傷及其預測模型研究

沈 健, 黃盼龍, 周 丹, 劉光復, 杜曉東

(1.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 材料科學與工程學院,安徽 合肥 230009)

過盈配合拆解的界面損傷及其預測模型研究

沈 健1, 黃盼龍1, 周 丹1, 劉光復1, 杜曉東2

(1.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 材料科學與工程學院,安徽 合肥 230009)

在機械裝備中經常使用過盈配合,過盈配合拆解的難度大,再制造拆解時常常會造成配合界面損傷而導致零件無法再制造。文章針對過盈配合拆解的界面損傷,設計了過盈配合拆解的模擬試驗,闡述了試驗原理和過程;根據試驗結果,分析界面損傷的形式和產生損傷的機理,確定了界面損傷定量表征參數為拆解界面損傷深度;研究了過盈量、材料類型與界面損傷的關系;對Archard模型進行修正,結合試驗數據,建立了界面損傷預測模型。

再制造;過盈配合拆解;拆解試驗;界面損傷

再制造拆解是再制造的前提,為獲得再制造毛坯,需要對機械裝備進行拆解,解除零件間的約束[1]。在各種約束類型中,過盈配合使用普遍。對過盈配合件進行拆解時,常常會造成零件配合面的界面損傷,使零件無法再制造。

國內外學者對界面損傷進行了較為廣泛的研究。文獻[2-3]應用內聚力模型對復合材料界面損傷的形式和機理進行了研究,分析了在載荷作用下界面裂紋的產生過程和擴展;文獻[4-5]對鋼板板料沖壓過程中產生的表面損傷進行了研究,認為表面產生的損傷是板料與模具接觸過程中犁溝效應、黏著效應和疲勞效應3種接觸效應混合作用的產物;文獻[6-7]對輪軌接觸表面的接觸疲勞損傷進行了研究,認為損傷有剝離、壓潰、擦傷、斷裂等多種形式。1953年,Archard提出了黏著磨損模型[8],對磨損體積進行了定量計算,并得到了推廣;文獻[9]用Archard模型預測了模具表面磨損,根據磨損量與磨損系數、壓力、相對移動量、硬度之間的關系建立了新的損傷預測模型;文獻[10]在研究重載鐵路貨車車輪磨耗時,運用Archard磨損模型,計算了2種不同軸重的重車車輪在不同工況下的磨耗量。Archard模型在理論推導時作了一些假設,實際運用時需要根據使用條件對模型進行一定的修正。

目前,對于過盈配合拆解造成零件界面損傷的研究很少,對界面損傷產生機理及損傷預測進行研究,以降低拆解的界面損傷具有重要的現實意義。本文以采用過盈配合的大型離心式壓縮機的葉輪和主軸為主要研究載體,簡化拆解模型,用配對試件來模擬過盈配合拆解過程,分析拆解界面損傷形式、機理和規律,確定界面損傷定量表征參數,建立界面損傷預測模型,為再制造拆解工藝和修復工藝提供一定的理論支持。

1 試 驗

1.1 試驗設計

1.1.1 試驗目的

用配對試件的相對滑動來模擬過盈配合的葉輪和主軸的拆解過程,通過試驗分析過盈量、材料類型與拆解界面損傷的關系,研究界面損傷規律,建立損傷預測模型。

1.1.2 試驗原理

本文以沈鼓集團的大型離心式壓縮機的過盈配合葉輪和主軸為研究對象,葉輪和主軸過盈配合模型如圖1所示,該模型軸徑為225 mm,過盈量為軸徑的1.7‰～2.2‰,過盈配合的過盈量在配合面產生相應的接觸壓力。

圖1 葉輪和主軸過盈配合模型

將過盈配合的葉輪和主軸模型進行簡化:接觸表面沿圓周方向可以近似為由無數個近似長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施加載荷模擬,建立過盈配合配對試件模型,如圖2c所示。配對試件受載荷作用,處于三向應力狀態[11],與葉輪和主軸過盈配合模型的應力狀態類似。

圖2 過盈配合體積微元和配對試件模型

配對試件模型用上試件和下試件分別代表過盈配合中的葉輪和主軸,過盈量以過盈量產生的相應接觸壓力來替代,接觸壓力通過施加載荷來實現。圖2c中,F2為模擬配合界面的接觸壓力;F1為模擬拆解過程中的拆解力;F3與F1方向相反。保證上試件穩定不動,下試件放在滾動導軌上。根據配對試件模型搭建拆解模擬試驗臺,如圖3所示,法向載荷最大設計值為10.0 t,橫向載荷最大設計值為6.4 t。

圖3 模擬拆解試驗臺

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

為了模擬不同過盈量下葉輪和主軸拆解造成的損傷,試驗時只需設置接觸壓力小于300 MPa。如果配對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,試驗時施加載荷設置在0～3.0 t之間。

1.1.3 試驗過程

(1) 用3.0 t載荷對安裝試件進行預壓,目的是使試驗狀況符合實際過盈配合拆解前的狀態。

(2) 模擬拆解過程。首先對上試件施加載荷F2,達到設定值后保持不變,再對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到另一端,移動距離為26 mm。

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

1.2 試樣及預處理

1.2.1 試件材料

試件材料及材料特性見表1所列。

表1 試件材料特性

1.2.2 預處理

為了減少拆解因素對拆解界面損傷的影響,對試件都做了相同處理。試件同批次加工,在加工時最后一道工序為磨削,要求表面粗糙度達到0.8 μm;試驗前對試件表面用丙酮進行清洗并晾干;由于試件加工時表面會有機加工紋路,試驗時保證配對試件界面接觸紋路形態相同。

2 界面損傷分析

2.1 界面損傷機理

3種配對材料,共進行54組拆解模擬試驗,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的摩擦磨損實驗形成的黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損[13]的損傷有顯著區別,屬于界面間單次單向滑動造成的一種損傷,表現為宏觀上的損傷。

配對材料為KMN低強度時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為劃橫、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重。

圖4 配對材料為KMN低強度時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,宏觀上看到的劃橫、犁溝和剝離都是黏著損傷,黏著是產生這些形式損傷的主要原因。

圖5 配對材料為KMN低強度時不同損傷形式下的SEM圖

2.2 界面損傷評價參數及測量

從試件界面損傷形式分析,劃橫、犁溝和剝離都可以表現為表面材料缺失,損傷深度可以直觀地反映界面損傷程度。從再制造修復工藝分析,對于界面損傷,先對損傷區域用電刷鍍、熱噴涂或激光熔覆等技術進行修復處理,再進行機加工,損傷深度對再制造修復工藝的選擇有借鑒作用。因此,用拆解界面損傷深度對試件界面損傷進行評價具有合理性。

采用瑞士Trimos微觀形貌及粗糙度測量儀進行測量,其測量深度范圍為0～1 100 μm,精度為0.1 μm。測量時選取試件表面損傷最嚴重的區域,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量點進行測量,選取測量結果中的三維形貌參數的表面最大高度Sz作為拆解界面損傷深度,如圖6所示。通過測量發現,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,再考慮到下試件的面積大,損傷形式明顯,易于測量,本文以下試件作為評價對象,下試件材料為40CrNiMo7。對54組下試件的界面損傷進行測量,結果見表2所列。

圖6 下試件表面三維形貌

過盈量/mm載荷/t下試件拆解界面損傷深度/μm上試件材料KMN低強度123平均上試件材料FV520B-S123平均上試件材料KMN高強度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 界面損傷規律分析

由于試驗過程存在誤差,同一種載荷下多次試驗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。為了更好地研究試驗規律,定量評價界面損傷,先對測量值用格羅布斯檢驗法和狄克松檢驗法[14]進行異常數據處理,排除粗大誤差數據,再將相同載荷下的拆解界面損傷深度值做均化處理。通過格羅布斯檢驗法和狄克松檢驗法檢驗,測量數據沒有異常值。

根據表2可以得到3種配對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,且都呈現近似線性關系;在相同載荷下,配對材料為KMN低強度時平均拆解界面損傷深度最小。

根據經典的黏著損傷理論[14]可知,表面損傷與屈服極限有關,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2種變化趨勢,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 界面損傷預測模型的建立

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為滑動距離;k為取決于接觸材料及清潔度的磨損系數。

為了計算磨損深度的變化率,(1)式被改寫為[15]:

(2)

3.2 損傷預測模型的建立

對黏著磨損的Archard模型進行變換,即

(3)

則有:

(4)

在試驗中推動下試件為勻速過程,令x=vt,則

(5)

記f(k,x,Am)=kx/Am,則

(6)

試驗時,滑動距離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K,則

d=KW/H

(7)

其中,d為拆解界面損傷深度。

根據2.3節的分析,對推導模型進行修正和分段處理。當載荷為0.5、1.0、1.5 t時,將(7)式修正為:

(8)

當載荷為2.0、2.5、3.0 t時,將(7)式修正為:

(9)

其中,a為待定系數;b為常數;H為配對的上試件材料屈服極限。

為了驗證預測模型的可靠性,對3種配對材料分別在0.75、1.25、1.75、2.25、2.75 t載荷下進行拆解模擬試驗。將預測模型得到的拆解界面損傷深度與試驗得到的拆解界面損傷深度進行比較,結果見表3所列。從表3可以看出,試驗的拆解界面損傷深度與預測模型計算的拆解界面損傷深度的相對誤差較小,誤差一般小于10%。結果出現誤差主要是由在試件安裝時有一定的安裝誤差、每組配對試件接觸界面的微觀接觸形態不同等不定因素引起的。

表3 拆解界面損傷預測模型的驗證

4 結 論

(1) 本文用配對試件來模擬過盈配合的葉輪和主軸的拆解過程,將過盈配合的過盈量轉化為載荷進行試驗,研究不同過盈量下過盈配合拆解造成的界面損傷,具有一定的現實意義。

(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為劃橫、犁溝和黏著剝離及堆積,黏著是產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,針對3種材料配對進行試驗研究,發現平均拆解界面損傷深度都隨著載荷的增大而增大,且呈現近似線性關系;在相同載荷下,配對材料為KMN低強度時平均拆解界面損傷深度最小。

(4) 建立了拆解界面損傷預測模型并進行了試驗驗證。

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(責任編輯 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

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2011CB013400);國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51405121)

沈 健(1956-),男,江蘇溧陽人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師; 劉光復(1945-),男,遼寧開源人,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.002

TH17

A

1003-5060(2017)08-1014-06