一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法

1.本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法。


背景技术：

2.由于以油液为工作介质传递能量、动力，具有传递动力大、运动平稳、控制方便等优点，液压传动被广泛应用于航空航天等各现代工业领域，飞机的关键功能部件之一——作动器即是其中的典型应用案例。可靠、密封等使役特性是保证液压作动器在高压、大流量等严苛工况下高质量服役的技术前提。密封等使役特性不足容易导致渗油、漏气等故障频发，甚至引发重大飞行事故。
3.目前应用最广的液压活塞杆的表面处理方式是在活塞杆表面镀铬，主要是为了提高活塞杆表面硬度，增加耐磨性，同时表面微裂纹会使镀铬层表面渗油，减小摩擦，改变其密封方式，但是微裂纹会导致活塞杆出现断裂的现象，疲劳寿命缩短。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，通过机械与数控结合方式，构建作动器活塞杆表面特定微结构，有效解决泄露问题。
5.为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，包括以下步骤：
7.步骤1：由于不同材料所需微结构参数也会不同，因此需要根据mimist工艺参数与微结构之间的关系确定所需工艺参数的范围：
8.1)微结构底面长度a随着主轴转速增大而减小，随着进给速度增大而增大；
9.2)微结构底面宽度b随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而增大，随着进给速度增大而减小；
10.3)微结构底面角度α随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而减小，随着进给速度增大而增大；
11.4)微结构高度h与单层下压量之间的关系：h＝δz。
12.步骤2：根据该材料的粗糙度经验公式：
13.ra＝kω
tb1vb2ofb3
δ
zb4
14.其中k为模型的比例系数，一般取10；b根据spss分析软件得到指数常数，并且根据材料的响应回归预测模型得到加工所需微结构的工艺参数：
15.ra＝a+c1*ω
t
+c2*v+c3*of+c4*δz+c5*ω
t
*v+c6*ω
t
*of+c7*ω
t
*δz+c8*v*of+c9*v*δz+c
10
*of*δz+c
11
*ω
t2
+c
12
*v2+c
13
*o
f2
+c
14
*δ
z2
16.其中ra为加工后的表面粗糙度；a为常数，c为此模型的比例系数，根据响应面实验所得的常数；ω
t
为主轴转速；υ为工件转速；of为工件转动一圈进给量与刀具直径比值；δz为单层下压量。
17.步骤3：在三维建模软件预设定所述改性工具运动参数，并且设置工件转速以及数控超声波发生器超声频率；
18.步骤4：利用改性工具末端接触活塞杆表面，机床按设定的程序微压入活塞杆表面作路径性旋转摩擦运动并压缩基体材料的表面，驱使材料产生剧烈的塑性流变；
19.步骤5：当所述改性工具加工过所需表面后，所述改性工具将沿下压方向移动到先前压缩过后的凹陷表面；
20.步骤6：重复步骤4和步骤3持续到表面材料被压缩到所需动压液膜的厚度，制备出一层具有特定的表面微结构；
21.步骤7：将加工过后的活塞杆与密封圈按照过盈配合进行装配，将整个作动器组装起来，同时缸体内部充满一定黏度的液体，活塞杆按照往复运动的形式，在与密封圈配合处产生局部动压。
22.以上所述步骤中，所述改性工具末端为球头；
23.步骤1和步骤2中所述工艺参数包括主轴转速、工件转速、进给速度、超声频率、单层下压量、下压层数、刀头直径，所述微结构参数包括微结构底面长度a、微结构底面长度b、微结构底面角度α、微结构空间角度β、微结构高度h；
24.所述改性工具运动参数范围：主轴转速为500rpm～25000rpm，工件转速为10rpm～500rpm，进给速度为2mm/min～100mm/min，超声频率为20000hz～45000hz、单层下压量为0.01mm～0.2mm，下压层数为1层～30层；
25.步骤6所述特定的表面微结构为螺旋状或椭球形凹坑状；所形成的表面纹理结构对液膜进行薄化；所薄化的程度由设置特定纹理织构时改性工具的下压量决定；
26.步骤7通过对液膜的薄化产生局部动压，实现两个密封面的非接触运转；增加由过盈产生的接触预紧力和流体介质压力作用而产生的附加接触力构成的弹性密封圈和活塞杆之间的径向接触力，提高作动器的润滑性能和密封性能。
27.所述作动器密封圈是弹性元件，而且与活塞杆的配合方式是过盈配合；所述作动器缸体内部存在适当黏性的流体，同时流体可以存在于表面微结构与弹性密封圈形成的微小空间中。
28.有益效果：本发明提供了一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，通过机械诱导在液压活塞杆表面衍生塑性结构纹理，并在密封面上开设微米级的动压槽并产生局部动压，从而实现两个密封面的非接触运转，达到密封的效果，同时流体薄膜的薄化会形成流体动力效应，适当厚度的流体膜可以提高润滑性能和密封性能，解决了作动器活塞杆表面所存在的网状微细裂纹而引起密封性能不足出现渗油、漏气等问题，在传统的密封方式的基础上，结合流体动压效应，改善起落架作动器的密封性能。
29.过程中改性工具按设定的程序微压入合金表面作路径性旋转摩擦运动，辅以超声激励，驱使材料产生剧烈的塑性流变，形成螺旋状或椭球形凹坑状表面纹理结构；而形成的表面纹理结构在活塞杆与密封圈过盈配合的基础上，对流体膜进行薄化；由过盈产生的接触预紧力和流体介质压力作用而产生的附加接触力构成的弹性密封圈和活塞杆之间的径向接触力就会随流体膜厚度的变化增大，其中液压活塞杆主要起承载作用；表面结构纹理(螺旋状或椭球形凹坑状)主要有产生局部动压和薄化流体膜的作用；密封圈主要起密封和产生径向接触力的作用。本发明适合于高压、大流量等严苛工况下高质量服役的液压作动
器，且无污染，低成本，可实现起落架作动器的绿色密封。
附图说明
30.图1为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法原理图；
31.图2为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法作动器/活塞杆过盈配合的剖面图；
32.图3为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法作动器/密封圈/活塞杆之间径向力分布示意图；
33.图4为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法作动器/密封圈/活塞杆之间径向力分布示意图；
34.图5为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法整个加工装置示意图；
35.图6为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法表面单个微结构示意图；
36.图7为本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法所加工出的活塞杆；
37.图8为本发明实施例中加工过程中ug上面的主要程序示意图。
具体实施方式
38.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
39.图1为一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法原理图，将其应用到起落架活塞杆表面微结构的实际加工过程中，本发明实施例中机械诱导作动器活塞杆表面重构方法作动器/活塞杆过盈配合的剖面图如图2所示，作动器活塞杆之间的径向力分布如图3、图4所示，图5为加工装置示意图，加工装置包括数控车削中心、数控超声波发生器、改性工具，第四轴系统，具体包括以下步骤：
40.步骤1：根据工件材料为30crmnsia，工件加工段长度为160mm，工件直径为24mm，根据mimist工艺参数与微结构之间的关系，其中微结构的参数模型如图6所示：
41.1)微结构底面长度a随着主轴转速增大而减小，随着进给速度增大而增大；
42.2)微结构底面宽度b随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而增大，随着进给速度增大而减小；
43.3)微结构底面角度α随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而减小，随着进给速度增大而增大；
44.4)微结构高度h与单层下压量之间的关系：h＝δz。
45.确定所需工艺参数的范围为主轴转速为3000rpm～12000rpm，工件转速为30rpm～60rpm，进给速度为5mm/min～15mm/min，超声频率为20000hz～25000hz、单层下压量为0.01mm～0.03mm，下压层数为3层～7层，刀具半径为4.0mm；
46.步骤2：根据所需的微结构以及材料，确定该材料的粗糙度经验公式为：
47.ra＝10
0.384
ω
t0.069
v-0.041of-0.132
δ
z-0.124
48.并且根据该材料的响应回归预测模型得到加工所需微结构的工艺参数：
49.ra＝0.83-0.12*ω
t
+0.079*υ+0.071*of+0.061*δz+0.029*ω
t
*υ-0.047*ω
t
*of+
0.058*ω
t
*δz-0..34*υ*o
f-0.022*υ*δz+0.073*of*δz-0.005167*ω
t2-0.062*υ
2-0.069*o
f2-0.096*δz250.其中，ra为加工后的表面粗糙度；c为此模型的比例系数；ω
t
为主轴转速；υ为工件转速；of为工件转动一圈进给量与刀具直径比值；δz为单层下压量；确定具体的加工参数为：主轴转速为6000rpm，工件转速为44rpm，进给速度为10mm/min，超声频率为22750hz、单层下压量为0.02mm，下压层数为5层，图5为加工装置示意图，加工装置包括数控车削中心、数控超声波发生器、改性工具、第四轴系统；
51.步骤3：在三维建模软件预设定所述改性工具运动参数，并且设置工件转速以及数控超声波发生器超声频率，确定加工轨迹为沿轴向，并进行编程，ug上面的主要程序见附图8，然后对工件进行夹装，对平行度同轴度进行校正；
52.步骤4：利用改性工具末端接触活塞杆表面，机床按设定的程序微压入活塞杆表面作路径性旋转摩擦运动并压缩基体材料的表面，驱使材料产生剧烈的塑性流变，其中使用的切削液可以是油或冷却液；
53.步骤5：当所述改性工具加工过所需表面后，所述改性工具将沿下压方向移动到先前压缩过后的凹陷表面；
54.步骤6：重复步骤4和步骤3持续到表面材料被压缩到所需动压液膜的厚度，制备出一层具有特定的表面微结构，加工完毕后使用超声波清洗机清洗加工完毕的工件，并使用油膜密封保护，加工好的活塞杆如图7所示；
55.步骤7：将加工过后的活塞杆与密封圈按照过盈配合进行装配，将整个作动器组装起来，同时缸体内部充满一定黏度的液体，活塞杆按照往复运动的形式，在与密封圈配合处产生局部动压。
56.本实施例中，关于新型密封方式，在活塞杆与弹性密封圈过盈配合的基础上，在作动器活塞杆表面形成螺旋状或椭球形凹坑状纹理织构，对流体膜进行薄化；在密封面上开设微米级的动压槽并产生局部动压，实现两个密封面的非接触运转，从而达到密封的效果，同时流体薄膜的薄化会形成流体动力效应，适当厚度的流体膜可以提高润滑性能和密封性能。由过盈产生的接触预紧力和流体介质压力作用而产生的附加接触力构成的弹性密封圈和活塞杆之间的径向接触力，增加原有传统作动器过盈配合处的径向接触力，优化作动器的密封性能。
57.以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据mimist工艺参数与微结构之间的关系确定所需工艺参数的范围；步骤2：根据材料的粗糙度经验公式和响应回归预测模型得到加工所需微结构的工艺参数；步骤3：在三维建模软件预设定所述改性工具运动参数，并且设置工件转速以及数控超声波发生器超声频率；步骤4：利用改性工具末端接触活塞杆表面，机床按设定的程序微压入活塞杆表面作路径性旋转摩擦运动并压缩基体材料的表面，驱使材料产生剧烈的塑性流变；步骤5：当所述改性工具加工过所需表面后，所述改性工具将沿下压方向移动到先前压缩过后的凹陷表面；步骤6：重复步骤4和步骤3持续到表面材料被压缩到所需动压液膜的厚度，制备出一层具有特定的表面微结构。2.根据权利要求1所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，步骤1中所述工艺参数包括主轴转速、工件转速、进给速度、超声频率、单层下压量、下压层数、刀头直径，所述微结构参数包括微结构底面长度a、微结构底面长度b、微结构底面角度α、微结构空间角度β、微结构高度h；所述工艺参数与微结构之间的关系为：微结构底面长度a随着主轴转速增大而减小，随着进给速度增大而增大；微结构底面宽度b随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而增大，随着进给速度增大而减小；微结构底面角度α随着主轴转速、单层下压量、下压层数增大而减小，随着进给速度增大而增大；微结构高度h与单层下压量之间的关系：h＝δz。3.根据权利要求1或2所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，步骤2中材料的粗糙度经验公式为：ra＝kω
tb1
v
b2
o
fb3
δ
zb4
。4.根据权利要求3所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，步骤2中根据材料的粗糙度经验公式和响应回归预测模型得到加工所需微结构的工艺参数为：ra＝a+c1*ω
t
+c2*v+c3*o
f
+c4*δ
z
+c5*ω
t
*v+c6*ω
t
*o
f
+c*ω
t
*δ
z
+c8*v*o
f
+c9*v*δ
z
+c
10
*o
f
*δ
z
+c
11
*ω
t2
+c
12
*v2+c
13
*o
f2
+c
14
*δ
z2
其中ra为加工后的表面粗糙度；c为此模型的比例系数；ω
t
为主轴转速；υ为工件转速；o
f
为工件转动一圈进给量与刀具直径比值；δz为单层下压量。5.根据权利要求4所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，步骤3中所述改性工具运动参数范围：主轴转速为500rpm～25000rpm，工件转速为10rpm～500rpm，进给速度为2mm/min～100mm/min，超声频率为20000hz～45000hz、单层下压量为0.01mm～0.2mm，下压层数为1层～30层。6.根据权利要求1所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，步骤6中所述特定的表面纹理织构为螺旋状或椭球形凹坑状。7.根据权利要求6所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，所述螺旋
状或椭球形凹坑状的表面纹理深度取决于改性工具的下压量。8.根据权利要求7所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，所述作动器密封圈是弹性元件，与活塞杆的配合方式是过盈配合。9.根据权利要求8所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，所述作动器缸体内部存在适当黏性的流体。10.根据权利要求9所述的机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，其特征在于，流体存在于表面纹理与弹性密封圈形成的微小空间中。

技术总结
本发明公开了一种机械诱导作动器活塞杆表面重构方法，属于表面工程领域。该方法包括：利用机械诱导在液压活塞杆表面产生结构纹理塑性衍生，并在密封面上开设微米级的动压槽并产生局部动压，从而实现两个密封面的非接触运转，达到密封的效果，同时流体薄膜的薄化会形成流体动力效应。本发明采用机械方式，诱导基体材料衍生塑性结构纹理，形成螺旋状或椭球形凹坑状表面，而形成的表面纹理结构在活塞杆与密封圈过盈配合的基础上，对流体膜进行薄化；由过盈产生的接触预紧力和流体介质压力作用而产生的附加接触力构成的弹性密封圈和活塞杆之间的径向接触力就会随流体膜厚度的变化达到最优值，从而提高作动器的润滑性能和密封性能。性能。性能。


技术研发人员：韦红余 袁巧龙 沈钰洲 孔继周 洪茁棋 张永彬 王嘉宁
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/21