傅海江

摘 要：為了研究出使球體鍍膜均勻化的夾具，利用夾具模型完成幾何建模，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度對(duì)其分析，并利用ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。分析了仿真結(jié)果后得出，在DLZ-01型設(shè)備上安裝三溝道轉(zhuǎn)盤(pán)夾具，可以得到均勻、光滑的薄膜。

關(guān)鍵詞：夾具；運(yùn)動(dòng)分析；ADAMS幾何分析；均勻性

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ171.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.021

隨著高新工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)球軸承性能的要求也越來(lái)越高，尤其是航空航天所用的軸承，在沒(méi)有保持架的基礎(chǔ)上，要想實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑功能，就需要對(duì)陶瓷球滾珠表面進(jìn)行潤(rùn)滑改性。各大科研機(jī)構(gòu)研制出一種新型材料類(lèi)金剛石膜，并將其用于軸承球體表面。但是，對(duì)于球體的表面鍍膜，其均勻化直接影響著軸承的性能。

美國(guó)Wisconsin大學(xué)J.R.conrad教授提出了一種等離子體基離子注入技術(shù)。使用該技術(shù)，可以直接在工件暴露表面注入離子，但是，要真正做到全方位均勻注入是很困難的。近年來(lái)，相關(guān)院校研制了DLZ-01型離子注入沉積設(shè)備，因?yàn)殪o止的球體表面完全暴露于設(shè)備中是不可能的，所以，需要特別設(shè)計(jì)夾具，使球在離子注入過(guò)程中自由滾動(dòng)，從而得到均勻的DLC膜。

1 陶瓷球的運(yùn)動(dòng)分析

要使陶瓷球表面能夠沉積均勻的DLC膜，必須使球自由、均勻地運(yùn)動(dòng)，這樣，球體每部分接觸到等離子體的概率是一致的。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種夾具，如圖1所示，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析了球體在夾具中的運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了球體能否自由、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

三溝道轉(zhuǎn)盤(pán)以一定轉(zhuǎn)速繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)上加工三道環(huán)形溝槽，其截面為三角形。將3個(gè)球分別放于球盤(pán)的三溝槽中，使其構(gòu)成正三角形，并用隔離盤(pán)固定，隔離盤(pán)按照轉(zhuǎn)盤(pán)上球的排布加工。第4個(gè)球放于三球之上，用相應(yīng)的隔離盤(pán)固定其位置。

1.1 ADAMS建模的幾何分析

為了方便研究，設(shè)定下面三顆球分別為A，B，C，上面球體為D，轉(zhuǎn)速為w0，4個(gè)球的直徑皆為d，A，B球球心距轉(zhuǎn)軸距離分別為RA、RB。下面應(yīng)用ADAMS軟件仿真計(jì)算夾具中球的運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)夾具和球體建模，要求夾具和4個(gè)球體必須滿足一定的幾何條件。

1.1.1 C球球心距轉(zhuǎn)軸距離RC

在建模過(guò)程中，應(yīng)知道3個(gè)球球心距轉(zhuǎn)軸的距離。已知RA、RB，要想知道C球球心距轉(zhuǎn)軸距離RC，就需要根據(jù)A，B，C3個(gè)球排布的俯視圖，如圖2所示，求出RC，即：

從圖3中可以看出，球D在y方向上的速度最大，其次是x方向，z方向上角速度相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)，所以，合成角速度幾乎分布在O-xy面內(nèi)。

2 夾具中球的運(yùn)動(dòng)分析

分析圖3中的角速度曲線可知，隨著時(shí)間變化曲線無(wú)規(guī)律地上下波動(dòng)，說(shuō)明球的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有規(guī)律性，再看旋轉(zhuǎn)軸角度的正切值tanγ=wy/wx的變化。因?yàn)閣x、wy沒(méi)有規(guī)律地變化，所以，相應(yīng)的γ值是不確定的，也就是說(shuō)球體可以自由旋轉(zhuǎn)。ADAMS的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，球體表面被均勻的色點(diǎn)覆蓋。這證明，利用這種夾具可以使球表面每

一點(diǎn)等概率地暴露在等離子體中，以滿足對(duì)其均勻性的要求。

3 陶瓷球鍍膜試驗(yàn)

利用DLZ-01型設(shè)備對(duì)陶瓷球表面鍍膜，陶瓷球1/4球冠暴露在等離子體中。因?yàn)榍蝮w不斷地?zé)o規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，則暴露的球冠也在不斷變化，使整個(gè)球表面沉積上DLC膜。

隨機(jī)選取膜厚為551.3 nm的陶瓷球2個(gè)，利用圓度測(cè)量?jī)x隨機(jī)測(cè)量球的4個(gè)不同位置， 其圓度值如表1所示。

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，同一顆球體在不同位置上的圓度相差很小，測(cè)量原始陶瓷球的圓度為0.06 ?m。比較相關(guān)數(shù)據(jù)后可得，在球體上鍍膜對(duì)球的圓度影響不大，也就是說(shuō)，利用夾具對(duì)陶瓷球鍍膜，可以使球體表面均勻地沉積DLC膜。

4 結(jié)論

綜上所述，幾何分析了夾具模型，并用運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件ADAMS仿真了球的運(yùn)動(dòng)情況，不論是從對(duì)仿真曲線的分析和對(duì)球運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，還是從試驗(yàn)得到沉積膜的球體的圓度測(cè)量，都說(shuō)明了運(yùn)用三溝道轉(zhuǎn)盤(pán)夾具可以在陶瓷球表面均勻地鍍膜。

〔編輯：白潔〕