多维超声加工精准高效制备高性能表面微织构方法及使役性能研究

The microscopic surface properties between relatively moving components are the key factors to the reliability and longevity. A multi-dimensional ultrasonic vibration processing method manufacturing large-area micro-texture actively and controllably with high precision and efficiency are to be discussed in bearings’ design. The stability of acoustic systems excited by multi-dimensional ultrasonic system and the universal design theory for non-uniform and asymmetric complex acoustic systems are to be studied. The relationship between cutting parameters, acoustic parameters and tool trajectory in the complex vibration system is to be modeled. The prediction model and parameter characterization method are to be established to study the correlation between multi-dimensional ultrasonic processing parameters and surface micro-texture geometry and distribution characteristics. By studying the mapping relationship between micro-texture characterization parameters and interface friction, lubrication, wear characteristics and surface wettability, a prediction model is to be established between micro-texture morphology and service performance, and the surface micro-texture in three dimensions reconstructed, to reveal the inherent mechanism between the micro-texture of ultrasonic preparation and the improved serviceability of high-performance components. Finally, a method to manufacture large-area high-performance surface micro-texture stably and efficiently is obtained breaking through the limitations of materials. The research results will provide important reference for the in-depth study of the reliability and serviceability of key infrastructure components.

相对运动零部件表面的微观性能是影响其使役可靠性和寿命的关键因素，针对轴承等表面微结构的设计与制备问题，本项目拟研究一种精准高效主动可控构造大面积微织构的多维超声振动加工方法；研究多微超声激励同一振动系统时声学系统的稳定性以及非均匀与非对称复杂声学系统的统一设计理论；研究系统复杂振动模式下切削参数、声学参数与刀具运动轨迹的关系，建立其相应的数学模型；研究多维超声加工参数与表面微织构几何形态、分布特征之间的关联规律，建立其微织构的参数表征方法；研究微织构表征参数与界面摩擦、润滑、磨损特性及表面润湿性等使役性能之间的映射关系，建立微织构形态与使役性能之间的预测模型，实现表面微织构三维重构，揭示超声制备高性能零部件表面微织构提高其使役性的内在机制，最终获得一种可突破材料局限、过程主动可控、稳定高效制造大面积高性能表面微织构的方法。研究结果为我国关键基础零部件可靠性及使役性的深入研究，提供重要借鉴。

根据波在非均匀介质中的传播原理，提出了纵振非均匀介质超声变幅系统的设计理论，设计过程简单可靠，并通过有限元仿真和实验验证计算方法正确；建立了非均匀介质超声变幅系统的运动学模型，采用自行设计的纵扭非均匀介质超声变幅系统对TC4钛合金和C/C碳纤维复合材料进行纵扭复合超声振动铣削和普通铣削实验对比，结果表明该加工方式可以显著降低表面粗糙度，有效提高工件表面质量；基于波动理论，设计了一种可用于复杂场合超声辅助加工的非对称结构变幅系统，推导了非对称结构变幅杆的频率方程，得到了放大系数和节点等关键声学参数的计算方法；通过多组试验研究了结构参数对其振动性能的影响，结果表明，非对称结构变幅系统具有良好的振动特性；基于非均匀介质和非对称超声系统的研究结果，提出了非均匀介质换能器和非对称结构变幅系统的统一设计理论与方法，并通过仿真分析和试验验证了设计理论的准确性和可靠性；研究了非均匀非对称超声振动系统的切削机理，建立了相应刀尖运动轨迹的数学模型和超声加工表面微织构的仿真程序，可以对超声加工后的表面形貌进行模拟。通过改变声学参数和加工参数，获得了已加工表面的形貌特征与振动参数、加工参数之间的映射关系；基于研制的材料非均匀结构非对称超声振动系统对铝合金进行了试验，研究了超声加工表面微结构参数对亲水性和疏水性的影响规律，建立了表面微织构参数与表面水接触角之间的映射关系，研究结果为进一步研究微织构形态与使役性能之间的预测模型等奠定了基础。上述研究表明：多维超声加工是一种可以突破材料限制、微结构参数主动可控、高效制造大面积微结构的有效方法。