专利名称：磨损量确定方法、滑动接触件制造方法及滑动接触件的制作方法
技术领域：
本发明涉及滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法、带固体润滑涂层的滑动接触件的制造方法以及如此制造出来的滑动接触件。
背景技术：
固体润滑涂层已经应用在很多产品中，因为它能为零件间的机械接触提供很好的润滑。但是由于在不同情况下涂层的磨损行为是变化的，涂层的耐磨寿命对于实际应用很关键。通常需要大量的实验以确定合适的涂层，满足实际应用的寿命的需要。本发明与预测固体润滑涂层的耐磨寿命及磨损轮廓的预测有关。在此方面，已知有两个石if 究。在文献[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，类金刚石涂层的磨损用Archard理论来模拟，但是由于使用赫兹接触分析方法计算分层材料的接触压力，精度较低。在文献[2](N.LMcC00k et al. CumuIativedamage modeling of solid lubricant coatings that experience wear andinterfacial fatigue. Wear, Vol. 262，2007，p. 1490-1495)中，建立了一种递增模型用以预测固体润滑涂层的磨损与界面疲劳累积失效，但是由于使用了有限元方法，计算时间非常长。现存的固体润滑涂层的磨损预测方法或者很耗时，或者由于有不恰当的假设而准确性较低。此外，它们都不能以合理的时间和准确度预测出涂层磨损轮廓的演变，而这在某些精密配合零件中应用涂层是非常重要的，因为涂层磨损导致间隙增大可能会使零件配合失效。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的问题，即提供一种高效的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法以及一种高效的带固体润滑涂层的滑动接触件的制造方法，其中，滑动接触件上的固体润滑涂层可被精确地、快速地确定，从而高效地在滑动接触件上涂敷形成精确控制的固体润滑涂层，以使得滑动接触件的可靠性和使用寿命提高。为此，本发明提出了一种滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，所述滑动接触件具有基体，所述固体润滑涂层形成在该基体上，所述滑动接触件与对配体以非协调接触的方式滑动并且二者之间存在接触压力，所述确定方法包括下述过程a)接触压力确定过程，其中，基于载荷、接触部位几何形貌、材料参数而计算出滑动接触件与对配体之间的接触压力分布；以及b)磨损量确定过程，其中，基于所述滑动接触件与对配体之间的接触压力分布、接触部位的相对运动速度、固体润滑涂层的磨损系数确定固体润滑涂层的与时间相关的磨损量。作为本发明的一个优选实施方式，在接触压力确定过程中，利用互补问题建模、快速傅立叶变换和共轭梯度法求解滑动接触件上涂层的接触压力分布。作为本发明的一个优选实施方式，所述接触压力确定过程包括依次进行的下述步骤步骤1 设置初始载荷，固体润滑涂层接触区几何形貌，材料参数，初始压力的分布；步骤2 使用快速傅立叶变换计算弹性变形；步骤3:计算接触间隙；步骤4 由间隙和上一步共轭方向计算得到当前共轭方向；步骤5:计算步长；步骤6 根据步长和共轭方向更新接触压力；步骤7 如果计算压力小于零，强制等于零；步骤8 由压力计算载荷，更新压力；步骤9:估计相对误差，若相对误差大于误差限定值，则转步骤2，否者，接触压力确定过程结束。作为本发明的一个优选实施方式，所述磨损量确定过程包括在所述接触压力确定过程完成后依次进行的下述步骤步骤10 由压力计算各节点处磨损深度；步骤11 计算总滑动时间中划分的微小时间段内的磨损体积；步骤12 根据磨损体积更新固体润滑涂层接触区的几何形貌；步骤13 如果未到总滑动时间，则转所述接触压力确定过程中的步骤2，否则，计算总磨损体积，输出各时刻磨损轮廓，磨损量确定过程结束。作为本发明的一个优选实施方式，所述滑动接触件与对配体之间的接触为外凸曲面、内凹曲面、平面等等之间的任何可能形式的非协调接触。本发明还提供了一种滑动接触件制造方法，所述滑动接触件具有基体和形成在该基体上的固体润滑涂层，所述滑动接触件与对配体以非协调接触的方式滑动并且二者之间存在接触压力，所述制造方法包括在如前所述确定了固体润滑涂层的与时间相关的磨损量之后依次进行的c)固体润滑涂层初始轮廓参数确定过程，其中，基于固体润滑涂层的与时间相关的磨损量和滑动接触件的工作寿命，得出固体润滑涂层的初始轮廓参数；d)固体润滑涂层施加过程，其中，基于初始轮廓参数在滑动接触件的基体上涂敷形成固体润滑涂层。作为本发明的一个优选实施方式，所述初始轮廓参数包括固体润滑涂层的厚度和表面几何形状。作为本发明的一个优选实施方式，所述固体润滑涂层的材料为粘结固体润滑涂层，类金刚石涂层，金属涂层，或金属复合材料涂层。作为本发明的一个优选实施方式，所述固体润滑涂层直接形成在基体上或借助于粘合剂施加在基体上。作为本发明的一个优选实施方式，所述固体润滑涂层通过下述工艺形成在基体上喷涂，激光涂敷，气相沉积。
作为本发明的一个优选实施方式，所述对配体也具有基体和形成在该基体上的固体润滑涂层，并且所述滑动接触件制造方法还用于制造出所述对配体。本发明还提供了根据前述滑动接触件制造方法制造的带固体润滑涂层的滑动接触件。可以看出，本发明主要的创新是利用互补问题建模、快速傅立叶变换(FFT)和共轭梯度法(CGM)求解非协调接触的带有涂层的两配对体的接触压力，然后基于该压力分布与磨损率，计算固体润滑涂层的磨损量和磨损轮廓。此方法的计算时间仅为有限元方法的 1%，计算误差仅为0. 5%。这样，滑动接触件上的固体润滑涂层可被快速地确定，并且具有精确的尺寸和表面轮廓，从而固体润滑涂层可被高效地、精确地涂敷在滑动接触件上，并且带有这种固体润滑涂层的滑动接触件的可靠性和使用寿命均得到提高。本发明还可用于确定零件的剩余寿命，更换处于寿命边缘的零件；或者进行涂层与零件的修复，达到延长零件使用寿命或过时零件性能升级的目的。
图1是根据本发明的带固体润滑涂层的滑动接触件的示意图。
具体实施例方式图1中示出了彼此非协调接触的带固体润滑涂层的滑动接触件(对配体)1和2， 二者作相对滑动。滑动接触件1具有基体Sl和形成在该基体上的固体润滑涂层Cl，并且滑动接触件2具有基体S2和形成在该基体上的固体润滑涂层C2。然而，滑动接触件1和2中可以仅有一个仅有固体润滑涂层。基体Sl的材料具有弹性模量Els和泊松比Vls，基体S2的材料具有弹性模量E2s和泊松比、。固体润滑涂层Cl具有外表面曲率半径Rl和厚度hl，以及材料弹性模量Ele和泊松比Vle ；固体润滑涂层C2具有外表面曲率半径R2和厚度h2，以及材料弹性模量E2e和泊松比v2。。所述固体润滑涂层的材料为粘结固体润滑涂层，类金刚石涂层，金属涂层，或金属复合材料涂层等。固体润滑涂层C1、C2各自具有名义外表面a和因表面粗糙度而导致的实际外表面 b。滑动接触件1和2的外表面曲率半径Rl、R2可以为正值，即外表面具有图中所显示的外凸形状。曲率半径Rl、R2之一也可以为负值或无穷大，只要确保滑动接触件1和2 之间为非协调接触即可。例如，本方法适用于外凸曲面(外凸球面、外凸柱面等)、内凹曲面(内凹球面、内凹柱面等)、平面等等之间的任何可能形式的非协调接触。在外凸曲面与内凹曲面之间非协调接触的情况下，二者的曲率半径的绝对值必须有较大差异。例如，在轴孔接触中，轴的横截面尺寸要比孔小得多；在球窝接触中，球的尺寸要比窝的尺寸小得多。本发明的一个优选实施方式是球面间的接触。本发明同样适用于非球表面接触， 如平底压头(面积较小)和带固体润滑涂层的滑动接触件(面积较大，平面或外凸曲面)之间接触。此外，每个滑动接触件外表面可以不只具有单一的曲率半径，而是还可以具有多个曲率半径之间的组合。在工作中，滑动接触件1和2相对滑动，同时滑动接触件1向滑动接触件2施加载荷L，由此在滑动接触件1和2之间形成接触压力。根据本发明，在带固体润滑涂层的滑动接触件的制造方法中，需要精确地确定所需固体润滑涂层的外轮廓(包含涂层厚度、几何形状等信息)；而为了确定固体润滑涂层的外轮廓，首先要根据本发明的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法计算出固体润滑涂层的磨损量。下面描述在滑动接触件1和2相对滑动过程中相应固体润滑涂层的磨损量确定方法。首先，可将总滑动时间T划分为Q个微小时间段dt，在[t,，tq+dt]时间段内相应对陪同的磨损体积dV,可通过对接触区划分网格求得
权利要求
1.一种滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，所述滑动接触件具有基体，所述固体润滑涂层形成在该基体上，所述滑动接触件与对配体以非协调接触的方式滑动并且二者之间存在接触压力，所述确定方法包括下述过程a)接触压力确定过程，其中，基于载荷、接触部位几何形貌、材料参数而计算出滑动接触件与对配体之间的接触压力分布；以及b)磨损量确定过程，其中，基于所述滑动接触件与对配体之间的接触压力分布、接触部位的相对运动速度、固体润滑涂层的磨损系数确定固体润滑涂层的与时间相关的磨损量。
2.根据权利要求1所述的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，其中，在接触压力确定过程中，利用互补问题建模、快速傅立叶变换和共轭梯度法求解滑动接触件上涂层的接触压力分布。
3.根据权利要求1或2所述的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，其中，所述接触压力确定过程包括依次进行的下述步骤步骤1 设置初始载荷，固体润滑涂层接触区几何形貌，材料参数，初始压力的分布； 步骤2 使用快速傅立叶变换计算弹性变形； 步骤3 计算接触间隙；步骤4 由间隙和上一步共轭方向计算得到当前共轭方向； 步骤5:计算步长；步骤6 根据步长和共轭方向更新接触压力； 步骤7 如果计算压力小于零，强制等于零； 步骤8 由压力计算载荷，更新压力；步骤9 估计相对误差，若相对误差大于误差限定值，则转步骤2，否者，接触压力确定过程结束。
4.根据权利要求3所述的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，其中，所述磨损量确定过程包括在所述接触压力确定过程完成后依次进行的下述步骤步骤10 由压力计算各节点处磨损深度； 步骤11 计算总滑动时间中划分的微小时间段内的磨损体积； 步骤12 根据磨损体积更新固体润滑涂层接触区的几何形貌； 步骤13 如果未到总滑动时间，则转所述接触压力确定过程中的步骤2，否则，计算总磨损体积，输出各时刻磨损轮廓，磨损量确定过程结束。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法，其中，所述滑动接触件与对配体之间的接触为外凸曲面、内凹曲面、平面之间的任何可能形式的非协调接触。
6.一种滑动接触件制造方法，所述滑动接触件具有基体和形成在该基体上的固体润滑涂层，所述滑动接触件与对配体以非协调接触的方式滑动并且二者之间存在接触压力，所述制造方法包括依次进行的下述过程a)接触压力确定过程，其中，基于载荷、接触部位几何形貌、材料参数而计算出滑动接触件与对配体之间的接触压力分布；b)磨损量确定过程，其中，基于所述滑动接触件与对配体之间的接触压力分布、接触部位的相对运动速度、固体润滑涂层的磨损系数确定固体润滑涂层的与时间相关的磨损量；c)固体润滑涂层初始轮廓参数确定过程，其中，基于固体润滑涂层的与时间相关的磨损量和滑动接触件的工作寿命，得出固体润滑涂层的初始轮廓参数；d)固体润滑涂层施加过程，其中，基于初始轮廓参数在滑动接触件的基体上涂敷形成固体润滑涂层。
7.根据权利要求6所述的滑动接触件制造方法，其中，在接触压力确定过程中，利用互补问题建模、快速傅立叶变换和共轭梯度法求解滑动接触件上涂层的接触压力分布。
8.根据权利要求6或7所述的滑动接触件制造方法，其中，所述接触压力确定过程包括依次进行的下述步骤步骤1 设置初始载荷，固体润滑涂层接触区几何形貌，材料参数，初始压力的分布； 步骤2 使用快速傅立叶变换计算弹性变形； 步骤3 计算接触间隙；步骤4 由间隙和上一步共轭方向计算得到当前共轭方向； 步骤5:计算步长；步骤6 根据步长和共轭方向更新接触压力； 步骤7 如果计算压力小于零，强制等于零； 步骤8 由压力计算载荷，更新压力；步骤9 估计相对误差，若相对误差大于误差限定值，则转步骤2，否者，接触压力确定过程结束。
9.根据权利要求8所述的滑动接触件制造方法，其中，所述磨损量确定过程包括在所述接触压力确定过程完成后依次进行的下述步骤步骤10 由压力计算各节点处磨损深度； 步骤11 计算总滑动时间中划分的微小时间段内的磨损体积； 步骤12 根据磨损体积更新固体润滑涂层接触区的几何形貌； 步骤13 如果未到总滑动时间，则转所述接触压力确定过程中的步骤2，否则，计算总磨损体积，输出各时刻磨损轮廓，磨损量确定过程结束。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述滑动接触件与对配体之间的接触为外凸曲面、内凹曲面、平面之间的任何可能形式的非协调接触。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述初始轮廓参数包括固体润滑涂层的厚度和表面几何形状。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述固体润滑涂层的材料为粘结固体润滑涂层，类金刚石涂层，金属涂层，或金属复合材料涂层。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述固体润滑涂层直接形成在基体上或借助于粘合剂施加在基体上。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述固体润滑涂层通过下述工艺形成在基体上喷涂，激光涂敷，气相沉积。
15.根据权利要求6至14中任一项所述的滑动接触件制造方法，其中，所述对配体也具有基体和形成在该基体上的固体润滑涂层，并且所述滑动接触件制造方法还用于制造出所述对配体。
16.一种根据权利要求6至15中任一项所述的滑动接触件制造方法制造的带固体润滑涂层的滑动接触件。
全文摘要
公开了滑动接触件固体润滑涂层磨损量确定方法、滑动接触件制造方法以及滑动接触件。所述磨损量确定方法包括基于载荷、接触部位几何形貌、材料参数而计算出滑动接触件与对配体间的接触压力分布；基于接触压力分布、接触部位的相对运动速度、固体润滑涂层的磨损系数确定固体润滑涂层的与时间相关的磨损量。所述制造方法包括在确定了固体润滑涂层的与时间相关的磨损量后，基于磨损量和滑动接触件的工作寿命，得出固体润滑涂层的初始轮廓参数；基于初始轮廓参数在滑动接触件的基体上形成固体润滑涂层。本发明的滑动接触件上的固体润滑涂层可被快速地确定，并且具有精确的尺寸和表面轮廓，并且滑动接触件的可靠性和使用寿命得到提高。
文档编号G01B21/20GK102278966SQ20101020673
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者王战江, 胡元中, 韩卫军 申请人:清华大学, 罗伯特·博世有限公司