结合面是指两个构件之间相互接触的面,在机械结构中是指两个零件之间的接触表面。结合面表层是加工后留下的,包括表面形貌和表层的物理特性等。由于结合面的存在,使得机床不再是一个整体结构,而是由许多零部件通过结合面联接而成,下面将讨论结合面特性。
结合面可能是简单的平面结合面,也可能是复杂的曲面结合面,根据结合面的运动特性,把结合面分为以下三大类:
第一类为运动结合面,结合面之间存在宏观运动,如滑动导轨结合面、滚动导轨结合面、滑动轴承结合面等。
第二类为半固定结合面,结合面之间存在半滑动状态,如摩擦离合器结合面。
第三类结合面对应的接触面之间没有相应的运动,仅起固定联接作用,称之为固定结合面,如刀柄结合面、螺栓联接结合面等。
无论是何种形式的结合面,都可归类为“柔性结合”,对机床整机性能影响很大。表现出既有弹性又有阻尼,可以存储能量,也可以消耗能量。由于这种柔性结合面的存在,使得机床的阻尼增加、刚度降低、固有频率减小、振型复杂。
结合面的特性与结合面的表层特性直接相关。结合面的表层特性也称结合面表面形貌,包括表面粗糙度、表面波纹度、纹理状况及形状误差等方面的信息。影响表面形貌的因素很多,金属零件的表面形貌一般是由加工方法引起的。例如,车铣加工的表面微凸体具有一定的方向性;研磨的非定向加工后的表面微凸体分布具有一定的概率特征;另外,振动会引起加工表面产生积屑瘤、鳞刺等。不论采用哪种加工方法,其表面在显微镜下观测都是粗糙的,存在许多的微凸体。铸铁铣削加工的表面形貌特征如图2-1所示,GCr15磨削加工的表面形貌特征如图2-2所示。
图2-1 铸铁铣削加工的表面形貌特征
图2-2 GCr15磨削加工的表面形貌特征
外载作用下结合面表面相接触,首先是两接触表面上微凸体相对较高的部分接触,当载荷进一步加大时,会有新的微凸体参与接触。在载荷逐渐加大的过程中,微凸体逐渐由弹性变形发展为塑性变形。结合面表面微凸体的大小、多少影响着接触刚度及发生弹塑性变形的程度,可以说,结合面表面形貌对结合面特性有着直接的影响。
结合面表层在加工过程中受到切削力和切削热的作用,会产生硬化、应力集中等,导致其弹性模量、剪切模量与基体材料特性的不同,这也是结合面特性产生非线性的原因之一。
结合面基础特性分为结合面静态基础特性和结合面动态基础特性。结合面静态基础特性指结合面的刚度特性,结合面动态基础特性包括结合面的刚度特性和阻尼特性两部分。
影响结合面静态基础特性的因素主要分为两大类,一类是非结构影响因素,包括结合面面压、结合面变形、结合面配对材料、加工方法、表面粗糙度、结合面之间的介质状况和环境温度等;另一类是与结构因素有关的影响因素,包括结合面形状、结合面尺寸、结合面类型、结合面周围的结构与尺寸,以及载荷性质及大小。这些因素相互耦合,而且呈非线性,致使结合面特性解析难度大,很难仅用解析方法完全考虑这些影响因素。
由于非结构影响因素是固定的,因此可以通过试验方法获取单位面积上的刚度参数或结合面变形与结合面面压的关系函数曲线(也称为结合面的本构关系式参数),其中结合面面压、结合面变形为试验变量,所得到的单位面积结合面特性数据具有通用性。与结构有关的影响因素则通过解析方法予以考虑。
下面分别介绍结合面刚度特性和结合面阻尼特性及其数学描述。
1.结合面刚度特性
结合面刚度是指结合面承受载荷时抵抗变形的能力,一般用结合面所承受的载荷(该载荷总是限制在一定的范围内)与其变形的比值来表示。结合面刚度可以分为结合面静刚度和结合面动刚度。结合面静刚度是指结合面在承受静态载荷时抵抗变形的能力,分为法向静刚度和切向静刚度。结合面动刚度是指结合面在承受动态载荷时抵抗振动的能力,分为法向动刚度和切向动刚度。由于结合面特性的非线性,导致其刚度的非线性。
2.结合面阻尼特性
结合面阻尼特性是在工程中将振动的能量转化为阻止振动的能量,结合面阻尼源于结合面上力与位移的变化,具有非线性特点,有很多学者认为微观移动与周期性的迟滞变形是结合面阻尼产生的主要原因。结合面阻尼的机理如图2-3所示,随着结合面载荷的加大,峰顶较高的微凸体发生弹性变形,当结合面上的部分峰顶因受力达到屈服极限而发生塑性变形时,其他区域处于弹性变形的范围,所以结合面上的压力与变形形成了非线性关系——迟滞变形。其中,迟滞回线所包围的区域面积就是一个交变周期的能量损耗。塑性变形后,上、下结合面的微凸体会相互嵌入对方内部,结合面虽然没有宏观上的移动,但在交变力的作用下,结合面发生微观的移动阻止状态的改变,从而产生了阻尼。
图2-3 结合面阻尼的机理
由于在机械结构系统中,其阻尼值的大小直接影响到该机械系统所损耗的能量大小,因此阻尼是结合面特性的重要参数。