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液压和气动装置的新材料 |
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| 液压和气动装置的新材料 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-6-16 8:36:02  |
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在改善液压和气动装置的过程中，应用各种新材料也是一个非常重要的手段。下面是介绍几种有关的新材料以供了解发展的动态。
新材料的概念
所谓新材料是指新金属材料、高性能高分子材料、精密陶瓷材料和复合材料等多种材料。这些新材料与电子技术、生物技术将是21世纪工业和经济的主要支柱之一。目前的新材料体系大致上可按照以下方法分类：
新金属材料
这种新材料是从以往的金属材料发展形成的。对以往的金属材料：如铁、铝等材料，现在主要利用它们的高强度、延展性和导电性等性能。而对于新金属材料则要利用它们的机械、热、电和磁等各种功能。
高性能高分子材料
这是由原来的有机材料发展形成的。现在对原来的塑料等有机材料，主要是利用它们的重量轻、易加工和绝缘等各种性能。而对于高性能高分子材料则要利用它的机械、热、电、光学、生物、分解和化学等功能。
精密陶瓷材料
这是由原来的无机材料发展形成的。现在对玻璃和一般陶瓷等无机材料，主要是利用它们的高硬度性、耐热性、耐腐蚀性等各种性能。而对精密陶瓷则要利用它的机械、热、电、光学、生物、分解和化学等功能。
复合材料
这是一种由两种以上不同材料复合而成的新材料。复合材料大致上又可以分为高分子基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等类型。经过不同材料的复合，使它们具有非常好的性能或为满足特殊需要的性能。现在主要是应用这类材料的机械和热的功能。
各种传动装置的特点
所谓传动装置是将电或流体等动力转换为机械动作去驱动负载的机构。目前所使用的动力源主要是电、油压和气压等装置。
随着技术的发展，传动装置的使用范围也迅速扩展。为适应新应用领域对传动装置的高性能和多功能要求，开发了多种利用新材料特性的传动装置。
形状记忆合金传动装置
这种装置是将热变为力（变形）。它有软体型和骨架型之分。使用材料是Ti-Ni合金。特点是反应较慢，输出/重量比大。
金属氢化物传动装置
这种装置是将热变为压力。它有活塞型和波纹管型之分。使用材料是La-Ni合金。特点是反应较慢，输出/重量比大。
超声波传动装置
这种装置是将电变为力（变形或振动），它有驻波型和行波型之分，特点是扭矩大。
磁性流体传动装置
这种装置是将磁性变为粘性流体之后，再与外部压力源一起变为压力。使用材料是磁性粒子与母液，可用于液体控制阀和人工肌肉。
电气粘性流体传动装置
这种装置是将电能变为粘性流体之后，再与外部压力源一起变为压力。可用于励振器和电场阀。使用材料有二氧化硅和石油等。特点是输出功率大。
压电传动装置
这种装置是将电变为力（变形）。所用材料是压电元件的叠层。特点是反应灵敏、压力大、变位小。
机械-化学作用传动装置
这种装置是将pH变为力（变形）。所用材料是高分子电解质。特点是反应较慢。
光-机械传动装置
这种装置是将光变为力（变形）。所用材料是偶氮苯合成高分子。
压电传动装置
这是一种利用压电效应使装置动作的传动装置，特点是可以控制微小的变位。它与常用传动装置的性能对比如表1所示。
表1 压电与常用传动装置的性能对比
类 别 振 幅 精 度 产 生 动 力 反 应 速 度
气缸
100mm 100μm 0.1MPa 10s
油压缸 100mm 10μm 100MPa 1s
音圈电动机 1mm 0.1μm 30kg 1ms
压电 0.1mm 0.1nm 30MPa 0.1ms
压电传动装置的分类
* 直线变位型：这种类型又可分为车板型和叠层型两种形式。
* 弯曲变位型：这种类型又可分为单表面几何形状型、双表面几何形状型和多
表面几何形状型等几种形式。
直线变位型是利用压电元件表面内所产生的变位。弯曲变位型是利用表面
外的变位。
压电传动装置的特点
从总体上看，可将压电传动装置的特点归纳如下：
* 可实施微小变位的高精度控制。
* 产生的动力较大。
* 能量变换率高。
* 受电磁干扰小。
* 反应速度快。
* 因是固体传动装置而不受状态的影响。
压电传动装置的应用范围
正由于它具有上述特点，所以可在以下各种装置中使用。
利用它控制微小变位
* 固定式驱动：可用于超精密显微镜的载物台、透射显微镜的扫描器生产线中
质量检测控制器、可变反射镜、微型机械手、激光偏转器、用于修正切削误
差的装置、录像机自动跟踪装置、油压控制阀、电空调节器、激光干涉计和
光纤接合器。
* 自行式驱动：可用于超精密显微镜的载物台、透射显微镜的扫描器、微型机
械手和驱动机器人关节的传动装置。
作为压力源
* 固定式驱动：可用于冲击式打字机械头、喷墨式打字机械头、控制偏光的装
置、继电器、快速缓冲器、照相机快门、点字读取装置。
* 跳跃式驱动：可用于冲击式打字机械头和弹键继电器。
* 振动式驱动：可用于快速缓冲器、压电电动机、压电泵、压电风扇、超声波
雾化器、超声波测量装置和压电工件加料器。
其中固定式传动装置的一部份被固定，负载是在与传动装置相接合的状态下被驱动。通常因这种方式的驱动行程不是很长，只作为一般方式被推广应用。自行式是传动装置本身在移动状态下驱动负载。虽然移动速度不是很快，但移动距离可以很长。这种方式现在受到广泛关注。跳跃式是负载以飞行的方式运动，传动装置可以用四个数量级增幅的方式变位。振动式是对传动装置施加交流电后激发的机械振动，并以这种机械振动控制负载运动。
作为冲击式打字机械头的动力源时，是用细金属丝头部通过色带对纸张冲击打印出圆点，再由圆点组合成文字。这种打字机可对普遍纸打字，同时还可以复写，所以现在已广泛使用。
形状记忆合金传动装置
形状记忆合金的特性
即使对物质施以低温塑性变形那样的大变形，加热之后仍可回复到变形前的形状，则称为形状记忆效果，因有的金属具有这种特性，所以把这类金属称为形状记忆金属。现在常用的形状记忆合金是Ti-Ni合金。
形状记忆效果是一种称为热弹性型马氏体变态的金属固相变太现象。这种固相变能只在限定的温度范围内发生变形，并实施热能和弹性能的变换。类似气体被封闭在内部的气缸那样，可以看作是固体状态的斯特林发动机材料。
变态点及形状记忆合金的变化
形状记忆金属在低温和高温条件下具有各自不同的稳定相。低温时为马氏体相，高温时为奥氏体相。随着温度上升和下降，形状记忆合金也从马氏体相向奥氏体相转化，或者相反。这时材料内部的结构也随上述变化发生变化。从奥氏体相向马氏体相的变化称为马氏体变态。这种变态的开始点是温度开始下降的Ms点，当温度下降到Mf点即变态过程结束。从马氏体相向奥氏体相的变化再称为逆变态或常规逆变态。逆变态的开始点是温度开始上升的As点，当温度升高到Af点时变态过程结束。Ms 、Mf和As、Af点即为变态点。
如果在温度变化的同时对形状记忆合金施加重力，那么当形状记忆合金通过As点后即开始收缩，可使由重力伸长的状态回复到原来的初始状态。当温度达到Af 点时，收缩过程结束。同样当温度下降时，在重力作用下，形状记忆合金又会从Ms点开始伸长，温度降低到Mf点时伸长过程结束。
不同形状记忆合金的变态点温度不同，最大可差几十度。例如可用于制造眼镜架，具有很大弹性的超弹性合金的Af 点低于室温。一般形状记忆合金的Af点都高于室温。
作为传动装置的形状记忆合金
形状记忆合金的变化量很大，Ti-Ni 系列合金可复原的变形量是在张力作用下原材料伸长到10%。此值是一般金属弹性变形的几十到一百倍。
当用Ti-Ni系列形状记忆合金作为传动装置时，为了能充分地实施往复动作，循环温度的宽度应超过60℃-80℃。因变态温度区域处于高温时易于放热，可实施高速动作。
应用实例
在放电加工中，用形状记忆合金作为驱动电极作上、下运动的传动装置。位于被加工工件与电极接触部位的形状记忆合金被通电加热后，就可以自动调节电极与被加工件之间的距离，保持加工所需的最佳放电状态。
再举一例子是用于自动喷水消火装置，在初期对防火较为有效。但在高层住宅中易生误，有时小火也会使其动作。使用形状记忆合金的自动喷水消火装置，在发生火灾时对形状记忆合金线加热而使张力增大，水压克服弹簧力打开导阀。活塞型主阀内部压力通过导阀使水压将主阀打开，大量水流立即喷出。当周围温度下降，形状记忆合金张力消失，弹簧顶住水压将导阀关闭，主阀内部压力恢复，水就停止喷出。导阀打开时的温度是形状记忆合金的As点和Af点之间的温度，大约为70℃。导阀关闭时的温度是Ms和Mf点之间的温度，大约为40℃。
QMR系列电磁不锈钢
由于油压和气动装置领域中电磁阀的需求量不断增长，需要一种能适应多种用途的新材料。以往使用的电磁材料主要是电磁软铁和3%硅钢。这种材料的主要问题是难以进行切削加工和易生锈，而上述两种装置恰恰是用于易生锈的环境中。以往也采取了防锈电镀的表面处理和防腐蚀处理，但仍然希望开发一种本质上能防锈和防腐蚀的材料。另外，电磁软铁虽然具有良好的磁性能，但因固有阻抗低而使用交流电时有消耗功率大的问题。
新开发的QMR系列电磁不锈钢为了使它具有电磁特性、软磁性和固有高阻抗而添加了Si、Al元素，为了具有耐腐蚀性而添加了Cr元素，为了具有易切削性而添加了Pb元素。除此之外，改变合金成分的平衡可使其具有耐磨性，在进行冷锻时可使硬度下降。
按照使用要求，QMR系列电磁不锈钢有4个品种。下面对它们的特点分别作一介绍。
QMR 1L
这种材料为了有效地提高耐腐蚀性而添加了少量Cr。它适合于制作在轻度腐蚀环境中使用的油压机铁芯。因在潮湿环境中的防锈性能很好，所以也适合于制作需具有防锈性能的零部件。又因具有高硬度（HRB 85），所以用作电磁阀铁心时的耐磨性很好，有利于延长电磁阀的使用寿命。固有阻抗较高，为0.86μΩ·m，所以用于交流的耗电少，用于直流的磁通密度高。由于添加了Pb，切削性能得到改善。与3%硅钢相比，钻孔时间可减半，令生产效率提升。
QMR 2L
这种材料是专门为了适合冷锻加工而开发的。为适用于冷锻而将Si的含量减少到最低限度。添加A1之后使固有阻抗增大，为0.73μΩ·m,耐腐蚀性能也得到改善。由于这种材料的冷锻性能好，所以一次冷锻的变形量很大，模具的负荷小，还不需要中间退火，所以即使形状很小或很复杂的零件也都能进行冷锻。现在主要用于制作汽车电子控制式燃料喷射装置的喷嘴。
QMR 3L
这种材料也适合于冷锻。固有阻抗比QMR 2L高，为0.81μΩ·m。磁性能也很好，还具有优于13 Cr不锈钢的防腐蚀性能。现在主要用作气动电磁阀或各种流体控制装置中的铁芯材料。
QMR 5L
这种材料的耐腐蚀性最好，固有阻抗达到0.99μΩ·m。适用于制作空气、煤气、水和油等流体控制阀中的零部件。用交流时的耗电少。其他的特点是硬度高、易进行切削加工。除了电磁阀之外，它还有广泛的用途。例如用作近几年迅速普及的ABS传感器检测回转次数线圈的极靴。
表2所示是几种材料的性能对比。
表2 新、旧材料性能对比
钢种 主要成份 磁特性 固有阻抗 耐腐蚀性 易切削性
电磁软铁 Fe 优 差 差 差
3%硅钢 Fe-3Si 优 中 差 差
QMR 1L Fe-7Cr-2Si-0.6A1-Pb系列 优 良 中 优
QMR 2L Fe-10Cr-1.2A1-Pd系列 优 良 良 良
QMR 3L Fe-13Cr-0.3Si-1.0A1-Pb系列 良 良 良 良
QMR 5L Fe-15Cr-1.5Si-1.0A1-Pb系列 良 优 优 优
钢种 冷锻特性 耐磨性 用途介绍
电磁软铁 优 差 各种电子部件
3%硅钢 良 优 各种电子部件
QMR 1L 中 优 电磁阀铁芯（油压），交流线圈
QMR 2L 优 中 电磁阀铁芯，汽车电子部件
QMR 3L 良 良 电磁阀铁芯，汽车电子部件
QMR 5L 中 优 电磁阀铁芯，各种传感器
镁合金压铸材料
最初使用镁合金压铸件是为了减轻重量。后来发现它还适合于作为防止电磁波干扰的自动化办公机器和音响设备中的零部件，所以应用得到了推广，现在还用于制作移动电话和计算机外壳等零部件，有很好的前景。
材料特性
镁合金的比重是1.8。它是实用金属中比重最轻的材料，是铝合金的2/3，是锌合金的1/3，是钢材的1/4。尺寸稳定性好，压痕抗力强，且易切削加工。无论是从比强度和比弹性率等来看，都是一种性能很好的材料。
现在，又对它的耐腐蚀性，延伸韧性和高温强度特性等作了改进。
在压铸成形时，完全具备压铸件的优良性能，例如：
* 生产效率高。
* 尺寸精度高和稳定性好。
* 可成形各种形状复杂的薄壁零部件。
* 压铸件表面光滑。
* 可作涂覆和电镀等各种表面处理。
镁合金压铸件还有它独特的性能。
* 因热容量小，压铸成形周期短。
* 压痕抗力强。
* 吸收振动的性能很好。
* 易于用切削方法加工。
* 与铁的亲和性小，可成形壁特别薄的零部件。
* 惯性小，作传动装置时可快速起动和停止。
加工要点简述
镁合金熔解
在空气中的镁合金熔料会冒出白烟，必须用惰性气体进行保护。常用的保护气体是六氟化硫磺（SF6），可采用下列气体比例：
* 0.3%SF6+99.7%干燥空气；
* 0.3%SF6+75%25%干燥空气+25%酸气。
压铸机械
镁合金材料需用热室压铸机成形。但也与成形锌合金的热室压铸机不同。它增设了熔解保护炉（附加熔料保护装置）和注射机构。
压铸成形技术参数
* 充填时间：与一般材料相同。壁厚为1.5mm的充填时间为0.006-0.008s，壁
厚3mm的充填时间为0.034-0.038S。
* 熔料通过浇口的速度：由于镁合金的热容量比铝合金小，加之与铁的亲和力
较弱，所以熔料通过浇口的速度可比铝合金快。一般制件的速度为30-
50m/s，小型薄壁件为50m/s，大型制件为为30-40m/s。
* 铸造压力：一般为25-35MPa，对表面状态要求较高时为45-55MPa，致密性要
求较高时为55-70MPa。
* 熔料温度：通常为620-640℃。
* 模具温度：通常为250-300℃。
为保持模具温度需用模具温度调节机进行调节。
后加工
由于用于成形镁压铸件的模具与其他合金压铸件相同，所以按照使用要求需要进行后加工。与其他压铸件一样，要对它去除浇口和浇道发料，对某些部位还要进行切削加工的特点是速度快和动力小，只需要切削钢材动力的1/10和铝合金的1/2即可。但作高速切削时易起火，所以必须使用发火点很高的矿物油，或喷射液体碳酸气进行低温切削。
最后还可以作防腐蚀、涂覆和电镀等各种表面处理。处理方法其本上与其他合金材料相同。
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