專利名稱：磨損量確定方法、滑動(dòng)接觸件制造方法及滑動(dòng)接觸件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法、帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件的制造方法以及如此制造出來的滑動(dòng)接觸件。
背景技術(shù)：
固體潤滑涂層已經(jīng)應(yīng)用在很多產(chǎn)品中，因?yàn)樗転榱慵g的機(jī)械接觸提供很好的潤滑。但是由于在不同情況下涂層的磨損行為是變化的，涂層的耐磨壽命對(duì)于實(shí)際應(yīng)用很關(guān)鍵。通常需要大量的實(shí)驗(yàn)以確定合適的涂層，滿足實(shí)際應(yīng)用的壽命的需要。本發(fā)明與預(yù)測固體潤滑涂層的耐磨壽命及磨損輪廓的預(yù)測有關(guān)。在此方面，已知有兩個(gè)石if 究。在文獻(xiàn)[1] (Jiaren Jiang，R. D. Arnell. On therunning-in behaviour of diamond-like carbon coatings under the ball—on—diskcontact geometry, Wear， Vol. 217，1998，p. 190-199)中，類金剛石涂層的磨損用Archard理論來模擬，但是由于使用赫茲接觸分析方法計(jì)算分層材料的接觸壓力，精度較低。在文獻(xiàn)[2](N.LMcC00k et al. CumuIativedamage modeling of solid lubricant coatings that experience wear andinterfacial fatigue. Wear, Vol. 262，2007，p. 1490-1495)中，建立了一種遞增模型用以預(yù)測固體潤滑涂層的磨損與界面疲勞累積失效，但是由于使用了有限元方法，計(jì)算時(shí)間非常長?，F(xiàn)存的固體潤滑涂層的磨損預(yù)測方法或者很耗時(shí)，或者由于有不恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)而準(zhǔn)確性較低。此外，它們都不能以合理的時(shí)間和準(zhǔn)確度預(yù)測出涂層磨損輪廓的演變，而這在某些精密配合零件中應(yīng)用涂層是非常重要的，因?yàn)橥繉幽p導(dǎo)致間隙增大可能會(huì)使零件配合失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，即提供一種高效的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法以及一種高效的帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件的制造方法，其中，滑動(dòng)接觸件上的固體潤滑涂層可被精確地、快速地確定，從而高效地在滑動(dòng)接觸件上涂敷形成精確控制的固體潤滑涂層，以使得滑動(dòng)接觸件的可靠性和使用壽命提高。為此，本發(fā)明提出了一種滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，所述滑動(dòng)接觸件具有基體，所述固體潤滑涂層形成在該基體上，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體以非協(xié)調(diào)接觸的方式滑動(dòng)并且二者之間存在接觸壓力，所述確定方法包括下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基于載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數(shù)而計(jì)算出滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布；以及b)磨損量確定過程，其中，基于所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、固體潤滑涂層的磨損系數(shù)確定固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，在接觸壓力確定過程中，利用互補(bǔ)問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動(dòng)接觸件上涂層的接觸壓力分布。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述接觸壓力確定過程包括依次進(jìn)行的下述步驟步驟1 設(shè)置初始載荷，固體潤滑涂層接觸區(qū)幾何形貌，材料參數(shù)，初始?jí)毫Φ姆植?；步驟2 使用快速傅立葉變換計(jì)算彈性變形；步驟3:計(jì)算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計(jì)算得到當(dāng)前共軛方向；步驟5:計(jì)算步長；步驟6 根據(jù)步長和共軛方向更新接觸壓力；步驟7 如果計(jì)算壓力小于零，強(qiáng)制等于零；步驟8 由壓力計(jì)算載荷，更新壓力；步驟9:估計(jì)相對(duì)誤差，若相對(duì)誤差大于誤差限定值，則轉(zhuǎn)步驟2，否者，接觸壓力確定過程結(jié)束。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成后依次進(jìn)行的下述步驟步驟10 由壓力計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處磨損深度；步驟11 計(jì)算總滑動(dòng)時(shí)間中劃分的微小時(shí)間段內(nèi)的磨損體積；步驟12 根據(jù)磨損體積更新固體潤滑涂層接觸區(qū)的幾何形貌；步驟13 如果未到總滑動(dòng)時(shí)間，則轉(zhuǎn)所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計(jì)算總磨損體積，輸出各時(shí)刻磨損輪廓，磨損量確定過程結(jié)束。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸為外凸曲面、內(nèi)凹曲面、平面等等之間的任何可能形式的非協(xié)調(diào)接觸。本發(fā)明還提供了一種滑動(dòng)接觸件制造方法，所述滑動(dòng)接觸件具有基體和形成在該基體上的固體潤滑涂層，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體以非協(xié)調(diào)接觸的方式滑動(dòng)并且二者之間存在接觸壓力，所述制造方法包括在如前所述確定了固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量之后依次進(jìn)行的c)固體潤滑涂層初始輪廓參數(shù)確定過程，其中，基于固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量和滑動(dòng)接觸件的工作壽命，得出固體潤滑涂層的初始輪廓參數(shù)；d)固體潤滑涂層施加過程，其中，基于初始輪廓參數(shù)在滑動(dòng)接觸件的基體上涂敷形成固體潤滑涂層。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述初始輪廓參數(shù)包括固體潤滑涂層的厚度和表面幾何形狀。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述固體潤滑涂層的材料為粘結(jié)固體潤滑涂層，類金剛石涂層，金屬涂層，或金屬復(fù)合材料涂層。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述固體潤滑涂層直接形成在基體上或借助于粘合劑施加在基體上。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述固體潤滑涂層通過下述工藝形成在基體上噴涂，激光涂敷，氣相沉積。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述對(duì)配體也具有基體和形成在該基體上的固體潤滑涂層，并且所述滑動(dòng)接觸件制造方法還用于制造出所述對(duì)配體。本發(fā)明還提供了根據(jù)前述滑動(dòng)接觸件制造方法制造的帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件?？梢钥闯?，本發(fā)明主要的創(chuàng)新是利用互補(bǔ)問題建模、快速傅立葉變換(FFT)和共軛梯度法(CGM)求解非協(xié)調(diào)接觸的帶有涂層的兩配對(duì)體的接觸壓力，然后基于該壓力分布與磨損率，計(jì)算固體潤滑涂層的磨損量和磨損輪廓。此方法的計(jì)算時(shí)間僅為有限元方法的 1%，計(jì)算誤差僅為0. 5%。這樣，滑動(dòng)接觸件上的固體潤滑涂層可被快速地確定，并且具有精確的尺寸和表面輪廓，從而固體潤滑涂層可被高效地、精確地涂敷在滑動(dòng)接觸件上，并且?guī)в羞@種固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件的可靠性和使用壽命均得到提高。本發(fā)明還可用于確定零件的剩余壽命，更換處于壽命邊緣的零件；或者進(jìn)行涂層與零件的修復(fù)，達(dá)到延長零件使用壽命或過時(shí)零件性能升級(jí)的目的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1中示出了彼此非協(xié)調(diào)接觸的帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件(對(duì)配體)1和2， 二者作相對(duì)滑動(dòng)?；瑒?dòng)接觸件1具有基體Sl和形成在該基體上的固體潤滑涂層Cl，并且滑動(dòng)接觸件2具有基體S2和形成在該基體上的固體潤滑涂層C2。然而，滑動(dòng)接觸件1和2中可以僅有一個(gè)僅有固體潤滑涂層?；wSl的材料具有彈性模量Els和泊松比Vls，基體S2的材料具有彈性模量E2s和泊松比、。固體潤滑涂層Cl具有外表面曲率半徑Rl和厚度hl，以及材料彈性模量Ele和泊松比Vle ；固體潤滑涂層C2具有外表面曲率半徑R2和厚度h2，以及材料彈性模量E2e和泊松比v2。。所述固體潤滑涂層的材料為粘結(jié)固體潤滑涂層，類金剛石涂層，金屬涂層，或金屬復(fù)合材料涂層等。固體潤滑涂層C1、C2各自具有名義外表面a和因表面粗糙度而導(dǎo)致的實(shí)際外表面 b?；瑒?dòng)接觸件1和2的外表面曲率半徑Rl、R2可以為正值，即外表面具有圖中所顯示的外凸形狀。曲率半徑Rl、R2之一也可以為負(fù)值或無窮大，只要確?；瑒?dòng)接觸件1和2 之間為非協(xié)調(diào)接觸即可。例如，本方法適用于外凸曲面(外凸球面、外凸柱面等)、內(nèi)凹曲面(內(nèi)凹球面、內(nèi)凹柱面等)、平面等等之間的任何可能形式的非協(xié)調(diào)接觸。在外凸曲面與內(nèi)凹曲面之間非協(xié)調(diào)接觸的情況下，二者的曲率半徑的絕對(duì)值必須有較大差異。例如，在軸孔接觸中，軸的橫截面尺寸要比孔小得多；在球窩接觸中，球的尺寸要比窩的尺寸小得多。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式是球面間的接觸。本發(fā)明同樣適用于非球表面接觸， 如平底壓頭(面積較小)和帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件(面積較大，平面或外凸曲面)之間接觸。此外，每個(gè)滑動(dòng)接觸件外表面可以不只具有單一的曲率半徑，而是還可以具有多個(gè)曲率半徑之間的組合。在工作中，滑動(dòng)接觸件1和2相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)滑動(dòng)接觸件1向滑動(dòng)接觸件2施加載荷L，由此在滑動(dòng)接觸件1和2之間形成接觸壓力。根據(jù)本發(fā)明，在帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件的制造方法中，需要精確地確定所需固體潤滑涂層的外輪廓(包含涂層厚度、幾何形狀等信息)；而為了確定固體潤滑涂層的外輪廓，首先要根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法計(jì)算出固體潤滑涂層的磨損量。下面描述在滑動(dòng)接觸件1和2相對(duì)滑動(dòng)過程中相應(yīng)固體潤滑涂層的磨損量確定方法。首先，可將總滑動(dòng)時(shí)間T劃分為Q個(gè)微小時(shí)間段dt，在[t,，tq+dt]時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)對(duì)陪同的磨損體積dV,可通過對(duì)接觸區(qū)劃分網(wǎng)格求得
權(quán)利要求
1.一種滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，所述滑動(dòng)接觸件具有基體，所述固體潤滑涂層形成在該基體上，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體以非協(xié)調(diào)接觸的方式滑動(dòng)并且二者之間存在接觸壓力，所述確定方法包括下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基于載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數(shù)而計(jì)算出滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布；以及b)磨損量確定過程，其中，基于所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、固體潤滑涂層的磨損系數(shù)確定固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，其中，在接觸壓力確定過程中，利用互補(bǔ)問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動(dòng)接觸件上涂層的接觸壓力分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，其中，所述接觸壓力確定過程包括依次進(jìn)行的下述步驟步驟1 設(shè)置初始載荷，固體潤滑涂層接觸區(qū)幾何形貌，材料參數(shù)，初始?jí)毫Φ姆植迹?步驟2 使用快速傅立葉變換計(jì)算彈性變形； 步驟3 計(jì)算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計(jì)算得到當(dāng)前共軛方向； 步驟5:計(jì)算步長；步驟6 根據(jù)步長和共軛方向更新接觸壓力； 步驟7 如果計(jì)算壓力小于零，強(qiáng)制等于零； 步驟8 由壓力計(jì)算載荷，更新壓力；步驟9 估計(jì)相對(duì)誤差，若相對(duì)誤差大于誤差限定值，則轉(zhuǎn)步驟2，否者，接觸壓力確定過程結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，其中，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成后依次進(jìn)行的下述步驟步驟10 由壓力計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處磨損深度； 步驟11 計(jì)算總滑動(dòng)時(shí)間中劃分的微小時(shí)間段內(nèi)的磨損體積； 步驟12 根據(jù)磨損體積更新固體潤滑涂層接觸區(qū)的幾何形貌； 步驟13 如果未到總滑動(dòng)時(shí)間，則轉(zhuǎn)所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計(jì)算總磨損體積，輸出各時(shí)刻磨損輪廓，磨損量確定過程結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法，其中，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸為外凸曲面、內(nèi)凹曲面、平面之間的任何可能形式的非協(xié)調(diào)接觸。
6.一種滑動(dòng)接觸件制造方法，所述滑動(dòng)接觸件具有基體和形成在該基體上的固體潤滑涂層，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體以非協(xié)調(diào)接觸的方式滑動(dòng)并且二者之間存在接觸壓力，所述制造方法包括依次進(jìn)行的下述過程a)接觸壓力確定過程，其中，基于載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數(shù)而計(jì)算出滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布；b)磨損量確定過程，其中，基于所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸壓力分布、接觸部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、固體潤滑涂層的磨損系數(shù)確定固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量；c)固體潤滑涂層初始輪廓參數(shù)確定過程，其中，基于固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量和滑動(dòng)接觸件的工作壽命，得出固體潤滑涂層的初始輪廓參數(shù)；d)固體潤滑涂層施加過程，其中，基于初始輪廓參數(shù)在滑動(dòng)接觸件的基體上涂敷形成固體潤滑涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，在接觸壓力確定過程中，利用互補(bǔ)問題建模、快速傅立葉變換和共軛梯度法求解滑動(dòng)接觸件上涂層的接觸壓力分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述接觸壓力確定過程包括依次進(jìn)行的下述步驟步驟1 設(shè)置初始載荷，固體潤滑涂層接觸區(qū)幾何形貌，材料參數(shù)，初始?jí)毫Φ姆植迹?步驟2 使用快速傅立葉變換計(jì)算彈性變形； 步驟3 計(jì)算接觸間隙；步驟4 由間隙和上一步共軛方向計(jì)算得到當(dāng)前共軛方向； 步驟5:計(jì)算步長；步驟6 根據(jù)步長和共軛方向更新接觸壓力； 步驟7 如果計(jì)算壓力小于零，強(qiáng)制等于零； 步驟8 由壓力計(jì)算載荷，更新壓力；步驟9 估計(jì)相對(duì)誤差，若相對(duì)誤差大于誤差限定值，則轉(zhuǎn)步驟2，否者，接觸壓力確定過程結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述磨損量確定過程包括在所述接觸壓力確定過程完成后依次進(jìn)行的下述步驟步驟10 由壓力計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處磨損深度； 步驟11 計(jì)算總滑動(dòng)時(shí)間中劃分的微小時(shí)間段內(nèi)的磨損體積； 步驟12 根據(jù)磨損體積更新固體潤滑涂層接觸區(qū)的幾何形貌； 步驟13 如果未到總滑動(dòng)時(shí)間，則轉(zhuǎn)所述接觸壓力確定過程中的步驟2，否則，計(jì)算總磨損體積，輸出各時(shí)刻磨損輪廓，磨損量確定過程結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體之間的接觸為外凸曲面、內(nèi)凹曲面、平面之間的任何可能形式的非協(xié)調(diào)接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述初始輪廓參數(shù)包括固體潤滑涂層的厚度和表面幾何形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述固體潤滑涂層的材料為粘結(jié)固體潤滑涂層，類金剛石涂層，金屬涂層，或金屬復(fù)合材料涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求6至12中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述固體潤滑涂層直接形成在基體上或借助于粘合劑施加在基體上。
14.根據(jù)權(quán)利要求6至13中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述固體潤滑涂層通過下述工藝形成在基體上噴涂，激光涂敷，氣相沉積。
15.根據(jù)權(quán)利要求6至14中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法，其中，所述對(duì)配體也具有基體和形成在該基體上的固體潤滑涂層，并且所述滑動(dòng)接觸件制造方法還用于制造出所述對(duì)配體。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求6至15中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)接觸件制造方法制造的帶固體潤滑涂層的滑動(dòng)接觸件。
全文摘要
公開了滑動(dòng)接觸件固體潤滑涂層磨損量確定方法、滑動(dòng)接觸件制造方法以及滑動(dòng)接觸件。所述磨損量確定方法包括基于載荷、接觸部位幾何形貌、材料參數(shù)而計(jì)算出滑動(dòng)接觸件與對(duì)配體間的接觸壓力分布；基于接觸壓力分布、接觸部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、固體潤滑涂層的磨損系數(shù)確定固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量。所述制造方法包括在確定了固體潤滑涂層的與時(shí)間相關(guān)的磨損量后，基于磨損量和滑動(dòng)接觸件的工作壽命，得出固體潤滑涂層的初始輪廓參數(shù)；基于初始輪廓參數(shù)在滑動(dòng)接觸件的基體上形成固體潤滑涂層。本發(fā)明的滑動(dòng)接觸件上的固體潤滑涂層可被快速地確定，并且具有精確的尺寸和表面輪廓，并且滑動(dòng)接觸件的可靠性和使用壽命得到提高。
文檔編號(hào)G01B21/20GK102278966SQ20101020673
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者王戰(zhàn)江, 胡元中, 韓衛(wèi)軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 羅伯特·博世有限公司