仿生自润滑压铸机冲头的设计与研究

【摘要】随着我国加入世贸组织市场全面开放以来，由于汽车工业及家用电器和电子通讯等行业的蓬勃发展，我国压铸业也得到了极大的提升并取得了令人瞩目的成绩，同时也产生了更加激烈的竞争局面，但与国外压铸水平和产品质量性能相比仍具有一定的差距，主要体现在压铸件的生产成本和性能质量方面，所以为了取得效益就必须进一步提高产品质量，大幅度降低生产成本。而压铸机冲头在高温、高压、高速下工作，是压铸生产中的极易磨损部件，它的质量和服役寿命直接影响着压铸生产的效率和成本。因此，本文针对压铸机冲头的主要失效方式，结合仿生学技术原理，通过在压铸机冲头表面加工仿生结构来提高压铸机冲头的使用寿命和性能。文中对比分析了HHD钢和H13钢在高温下的力学性能，对加工有仿生结构的试样进行了疲劳试验、摩擦磨损试验，并尝试将自固体润滑技术应用在压铸冲头上，探讨了各自的变化规律及作用机理，优化了表面仿生结构的形状和尺寸。采用ANSYS有限元模拟软件，对仿生自润滑压铸冲头进行了力学强度分析，进而对冲头仿生结构尺寸进行了再优化。通过对比分析H13钢和HHD钢各自的力学性能发现，HHD钢在高温下具有比H13钢更加出色的力学性能。随着试验温度的升高，HHD钢的高温冲击韧性不断增大，而H13钢在温度超过550℃时，其冲击韧性出现明显下降。虽然H13钢的抗拉强度高于HHD，但随着温度的升高，H13钢的韧性开始严重降低，而HHD钢的韧性却不断增强；在高温下H13钢的摩擦因数和磨损率都要高于HHD钢。此外，HHD钢在560℃回火时的力学性能最为优异。研究了单个仿生结构对试样疲劳性能的影响，结果表明：仿生圆孔结构可以明显提高试样的抗疲劳性能，而尖角孔试样的抗疲劳能力最差。由于圆孔结构独特的力学特点，可以分解或部分抵消材料内部的热应力及分布，消除了应力集中点，从而延迟了疲劳裂纹的出现。并且通过金相分析发现，试样疲劳裂纹的萌生大多发生在晶界处，但是由于仿生结构改变了应力分布，使得热疲劳裂纹大多以穿晶的方式进行扩展。按一定尺寸和排布在试样表面加工仿生圆孔结构，并在常温下对各自的磨损性能进行了对比分析，结果发现：仿生圆孔试样的具有较光滑平板试样优异的耐磨性能，因为仿生圆孔结构能收集和容纳磨损产生的磨屑或硬质磨粒，减轻了接触面之间了磨料磨损，从而降低了试样的磨损量。但是孔径2mm试样在磨损过程中，圆孔会很快被磨屑堵塞，不能有效的降低硬质磨粒都试样表面的划伤或犁沟作用，因而耐磨性能不够理想；孔径4mm试样，由于与对磨盘的真实接触面积较小，造成试样接触面上的压强过大，加剧了磨损；孔径3mm试样表现出了较好的耐磨性，尤其是孔径3mm、孔间距4mm试样的耐磨性能最好，摩擦因数和磨损量都最小。光滑平板试样表面的磨损形式主要为粘着磨损和磨料磨损，同时存在明显的表面疲劳磨损和氧化磨损；仿生圆孔试样表面粘着磨损最为明显，磨料磨损和表面疲劳磨损都较光滑平板试样轻微，试样磨损后的形貌比较平整。研究了仿生圆孔试样在填充有固体润滑剂时的摩擦磨损性能，试验发现：孔径3mm、孔间距4mm试样和孔径4mm、孔间距2mm试样具有较好的自润滑能力，其摩擦因数和磨损量都较低。其磨损形式以粘着磨损为主，磨料磨损比较轻微，且磨料磨损大多发生在圆孔周围。通过ANSYS-Workbench有限元分析软件对耐磨性能最好的孔径3mm、孔间距4mm仿生压铸冲头和自润滑性能最好的孔径4mm、孔间距2mm仿生压铸冲头进行了力学强度分析，结果表明：孔径3mm、孔间距4mm的仿生压铸机冲头具有更好的力学强度，其在拉伸和压缩状态的下应力和应变都小于孔径4mm、孔间距2mm的仿生冲头，更适宜于在压铸生产中的恶劣工况下服役。
【作者】柴兴旺；
【导师】陈东辉；马云海；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】压铸冲头；力学性能；热疲劳；摩擦磨损；自润滑；有限元模拟；

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