钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用
【专利摘要】本发明公开了一种钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，具体为钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后烧结成金属多孔材料制作为机械结构零件直接实现多孔刚性减振的应用；根据使用条件的不同该钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后烧结成金属多孔材料的孔隙率可调，孔隙率范围主要介于20％～75％，损耗因子介于0.01～0.06之间，将烧结弯扭纤维丝金属多孔材料加工成零件应用于机械结构进行刚性减振弯扭纤维丝多孔材料孔隙率介于20％～50％，损耗因子介于0.01～0.04之间。本发明的金属多孔材料能够直接加工成承载结构零件，实现机械系统多孔轻质刚性减振。
【专利说明】
钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用
技术领域
[0001] 本发明涉及金属多孔材料应用于减振领域，尤其是指一种钢丝绳短切成弯扭纤维 丝的应用。
【背景技术】
[0002] 以金属纤维丝作为原材料的金属纤维丝多孔材料具有许多优点。规模化生产纤维 丝已具备成熟的技术，包括钨材和锆材在内大部分金属均可以制成丝/纤维，具有高强和少 缺陷的基体材料可以很容易从丝材中获得，比如，不锈钢丝、碳钢丝、铝合金丝、铜纤维、铁 铬铝纤维及钛纤维。易获得的金属丝不仅降低了金属纤维丝多孔材料生产成本，而且其容 易控制形成制备金属纤维丝多孔材料所需各种形态。从制造、性能及应用方面来看，金属纤 维丝多孔材料是一类具有巨大研究和应用潜力的结构功能体。
[0003] 结构功能一体化金属纤维丝多孔材料，不同的制备工艺，千变万化的骨架材料，使 其具有千姿百态的结构特性和独特性能，特别是以低成本、少缺陷、高强度、易获得的钢丝 为基体的多孔材料，具有巨大的研究开发潜力。金属纤维丝多孔材料虽可具备高的强度，能 实现结构功能的一体化，但目前较少将其作为承载结构使用，依然像蜂窝及泡沫等多孔介 质一样，作为芯体制成夹芯结构，实现轻量化减振、抗冲击及吸能应用，而芯体与上下面板 之间的结合增加了工艺成本。
[0004] 本发明借鉴缠绕多孔材料和三维编织多孔材料中丝骨架的扭曲及相互缠绕结构， 和随机型纤维丝多孔材料直接压制烧结成形工艺，着力于制备出原材料易得并可量产、制 备工艺相对容易、强度高的弯扭金属纤维丝多孔材料，可直接加工成承载结构零件使用，并 能直接实现机械系统轻质刚性减振的应用，实现多孔轻质刚性结构零件进行机械系统减 振，实现低成本多孔轻质刚性减振，具有较大的工程应用价值和经济价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应 用，能够直接加工成承载结构零件，实现机械系统多孔轻质刚性减振。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
[0007] 钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，具体为钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后烧结成 金属多孔材料制作为机械结构零件直接实现多孔刚性减振的应用;根据使用条件的不同该 钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后烧结成金属多孔材料的孔隙率可调，孔隙率范围主要介于 20%~75%，损耗因子介于0.01~0.06之间，将烧结弯扭纤维丝金属多孔材料加工成零件 应用于机械结构进行刚性减振弯扭纤维丝多孔材料孔隙率介于20%~50%，损耗因子介于 0.01~0.04之间。
[0008] 所述金属多孔材料的制备，包括以下步骤：
[0009] 1)短切钢丝绳获得弯扭纤维丝；
[0010] 2)在特定模具中采用静压方法冷压压制预成形弯扭纤维丝多孔材料坯体，孔隙率 介于20%~75% ;
[0011] 3)弯扭纤维丝多孔材料坯体于真空烧结炉中烧结获得弯扭纤维丝多孔材料，孔隙 率为20%~50% ;
[0012] 4) 一次冷压烧结不能获得孔隙率介于20%~50%弯扭纤维丝多孔材料过复压或 乳制，复压或乳制后真空烧结获得孔隙率介于20%~50%弯扭纤维丝多孔材料；
[0013] 5)钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需弯扭 纤维丝多孔金属零件；
[0014] 6)装配至机械系统中所需弯扭纤维丝多孔金属零件结构位置处。
[0015]步骤1)中的短切绳原材料为不锈钢钢丝绳，通过多刀旋转短切装置，短切304 (0Crl8Ni9)不锈钢钢丝绳，获长度介于5~25mm，丝径为10~500mi的弯扭纤维丝为原材料； [0016]步骤2)中的特定模具是依据所需弯扭纤维丝多孔材料具体形状所设计的各种模 具；
[0017]步骤3)中的真空烧结采用固相烧结，于1130°C、1320°C、1330°C条件下真空烧结 1.5h或2.5h，烧结工艺如图1所示，亦包括复烧；
[0018] 步骤4)中的真空烧结采用固相烧结，亦包括复烧。
[0019] 所述钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的 弯扭纤维丝多孔金属零件为垫块，垫装在需要减振的机械结构底座位置处，并固定。
[0020] 所述钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的 弯扭纤维丝多孔金属零件为环形件，环形件内孔套装在需要减振的机械结构的旋转轴上， 环形件外表面套装在轴承内孔，并紧配合固定。
[0021] 所述钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的 弯扭纤维丝多孔金属零件为环形件，环形件内孔套装在轴承外环上，环形件外表面套装在 轴承座内孔，并紧配合固定。
[0022] 所述钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的 弯扭纤维丝多孔金属零件为轴类和盘形传动零件，安装定位后，传递运动时减振。
[0023]本发明的原理:本发明制备的弯扭纤维丝多孔材料由于存在多孔隙，材料的物质 不连续，阻碍了振动波在材料中的传递，振动波传导的损耗因子大，因而可以用于吸振减 振。由于弯扭纤维丝的特点，弯扭纤维丝相互穿插、相互勾结，可以获得较大孔隙率多孔材 料，并且烧结之后纤维丝之间具有多个冶金结合点，冶金结合可靠，多孔材料具有良好的力 学性能，可以加工成机械零件安装在机械结构中吸振减振。
[0024]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0025] 1、本发明用于制备弯扭纤维丝多孔材料的原材料-弯扭纤维丝，无表面破坏，具有 绳弯扭复合变形特点，而且延续了纤维丝高力学强度特性，自然堆积状态下，相互勾结，具 有一定的连接强度，烧结之后纤维丝之间具有多个冶金结合点，冶金结合更加可靠，通过多 刀旋转短切钢丝绳可实现弯扭纤维丝低成本批量化生产，可实现弯扭纤维丝多孔材料规模 化生产。
[0026] 2、本发明制备的弯扭纤维丝多孔材料在各孔隙率条件下具有表1所示的高抗拉强 度和高压缩屈服强度，其抗拉性能曲线如图2和图3所示，抗压性能曲线如图4和图5所示。
[0027] 表1各孔隙率抗拉强度及压缩屈服强度
[0029] 3、本发明制备孔隙率介于20%~75%弯扭维/丝金属多孔体损耗因子介于0.01~ 0.06之间，如表2所示，其损耗因子随温度变化曲线如图6、图7和图8所示。与表3几种常见材 料的损耗因子相比，弯扭纤维丝金属多孔材料具有良好的阻尼性能，比实体金属至少高两 个数量级，而且比其结构轻便，比一般塑料的阻尼性能也能高上一个数量极，相比其易老 化、强度低、对高低温及腐蚀环境不易适用，多孔体具有强度可设计性，对极端环境适用的 优势，可见弯扭纤维丝金属多孔体作为一种阻尼应用于减振领域非常有潜力。
[0030] 表2弯扭纤维丝金属多孔材料损耗因子
[0032] 表3各类材料阻尼因子
[0034] 4、本发明制备的弯扭纤维丝多孔零件直接作为承载结构，在传递力和运动中弯扭 纤维丝多孔零件不会变形，而结构的振动波在通过弯扭纤维丝多孔零件时被吸收而减小， 实现轻质多孔刚性减振，减振效果显著。
【附图说明】
[0035]图1为制备弯扭纤维丝多孔材料真空烧结工艺图。
[0036]图2为孔隙率为30 %弯扭纤维丝多孔材料抗拉性能曲线。
[0037] 图3为孔隙率为46%、54%、66%、72%弯扭纤维丝多孔材料抗拉性能曲线。
[0038] 图4为孔隙率为30%、46%、54%弯扭纤维丝多孔材料抗压性能曲线。
[0039]图5为孔隙率为62%、72%弯扭纤维丝多孔材料抗压性能曲线。
[0040]图6为孔隙率为72%弯扭纤维丝金属多孔材料不同频率损耗因子-温度变化曲线。 [0041]图7为孔隙率为66%弯扭纤维丝金属多孔材料不同频率损耗因子-温度变化曲线。 [0042]图8为20%孔隙率弯扭纤维丝金属多孔材料不同频率损耗因子-温度变化曲线。 [0043]图9为实施例1中响应点B1径向300Hz频宽原始系统与加垫块系统振动速度频谱 图。
[0044]图10为实施例1中响应点B1轴向300Hz频宽原始系统与加垫块系统响点振动速度 频谱图。
[0045]图11为实施例1中响应点B1垂直向300Hz频宽原始系统与加垫块系统响点振动速 度频谱图。
[0046]图12为实施例2中弯扭纤维丝多孔环装配示意图。
[0047]图13为实施例2中响应点B1径向300Hz频宽原始系统与加多孔环系统振动速度频 谱图。
[0048]图14为实施例2中响应点B1轴向300Hz频宽原始系统与加环系统振动速度频谱图。 [0049]图15为实施例2中响应点B1垂直向300Hz频宽原始系统与加环系统振动速度频谱 图。
【具体实施方式】
[0050]下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。
[0051 ] 弯扭纤维丝多孔零件如下：
[0052] 通过多刀旋转短切装置，以500r/min的送丝速度短切绳径为0.8mm的304 (0Crl8Ni9)不锈钢钢丝绳，获得长度介于10~15mm，丝径为90wii的弯扭纤维丝为原材料，将 弯扭纤维丝原材料置于模具中，通过模具静压后1330°C条件下真空烧结1.5h获得孔隙率为 40 %和50 %两种弯扭纤维丝多孔材料，通过线切割加工出弯扭纤维丝多孔垫块和弯扭纤维 丝多孔环两种零件。两种弯扭纤维丝多孔零件均应用齿轮减速器传动系统减振。本实施方 式中齿轮减速器传动系统由电动机、齿轮箱传动系统、负载轮、负载轮支座及基座组成，并 于各组成部分共选取13个测试响应点：电动机上2个响应点代号为Ml、M2，齿轮箱传动系统 B1 (输入轴轴承一端）、B2(输入轴轴承另一端）、B3(中间轴轴承一端）、B4(中间轴轴承另一 端）、B5(轴出轴轴承一端）、B6(输出轴轴随另一端）、B7(齿轮箱上箱体一端）、B8(齿轮箱上 箱体另一端）、B10(齿轮箱基座），B9(负载轮基座），B11 (基座上与B10相对应点）。
[0053] 实施例1
[0054]弯扭纤维丝多孔垫块插入齿轮减速器传动系统与基座之间并固定，实现整个系统 的减振。
[0055]实施结果
[0056] 1)响应点B1加多孔垫块系统与原始系统振动速度频谱比较如图9、图10和图11所 示。图9所示径向加多孔垫块后其共振动频率由10个减少至4个。原始系统中99.38Hz对应的 最大峰值8.25mm/s幅值衰减至0.83mm/s，并且此振动频率之后的振动频率在加多孔垫块后 均消失。89.38Hz处产生最大峰值，其幅值为2.84mm/s，仅比原始系统此处幅值1.89mm/s高 0.95mm/s，而远远小于原始系统共振峰最大幅值。图10所示轴向加多孔垫块后其振动频率 点由11个减少至7个，原始系统中出现在174.38Hz最大幅值4.09mm/s消失，但在273.75Hz处 产生最大峰值频率，其幅值为1.09mm/s。图11所示垂直向加多孔垫块后其振动频率点由11 个减少至10个，原始系统中出现在199.38Hz最大幅值3.38mm/s消失，但在89.37Hz处产生最 大峰值频率，其幅值为2.52mm/s。其余响应点均表现为与B1相似的变化规律，在此不赘述。 加入垫块后三方向振动频率点呈现了不同数量的减少或转移，最大幅值频率点向高频或低 频发生转移或消失，振动幅值得到不同程度衰减，对减速器传动系统起着很好的减振效果。 [0057] 2)振动烈度评估减振效果
[0058] 13个响应点在在0~1000Hz范围内三个方向振动速度有效值及其振动烈度如表4 所示，减振效果采用百分比表示。加多孔垫块系统中13个响应点三方向振动速度有效值都 表现出大幅度减小，减幅介于30%~75%，表明齿轮传动系统在多孔垫块作用下振动程度 得到大幅度降低。
[0059]表4各响应点振动速度有效值与振动烈度
[0062]原始系统与加多孔垫块系统齿轮减速器传动系统各组成部分及整个系统振动烈 度及振动烈度的分贝如表5所示。加垫块系统中电机、减速器、支座及基座的振动烈度分别 为8.96mm/s、7.42mm/s、8.44mm/s、3.79mm/s，比原始系统的相关部分分别减小了57.05%、 47.04%、54.59%、52.57 % ;整个减速器传动系统的振动烈度也由原始系统的14.55mm/s减 小至加垫块系统的7.29mm/s，其减振效果达到了49.89%。加垫块系统中电机、减速器、支座 及基座的振动烈度分贝值也由原始系统的126.39dB、122.72dB、125.39dB、118.05dB减小至 119.05(18、117.19(18、118.53(18、111.57(18，各自减小了7.34(18、5.52(18、6.86(18、6.48(18 ;整 个减速器传动系统的振动烈度分贝也由原始系统的12 3.2 6 d B减小至加垫块系统的 117.25dB，减小6dB。弯扭丝多孔垫块对整个减速器系统及其各组成部分的振动衰减产生了 积极作用，起到了较好的减振效果。
[0063]表5原始系统与加多孔垫块系统振动烈度
[0065] 3)振动加速度级评估减振效果
[0066]齿轮减速器传动原始系统与加多孔垫块系统5000Hz频宽范围内13个响应点加速 度振级，结果如表6所示。加多孔垫块后电动机上响应点M1、M2三方向上加速度振级减小幅 度介于6~8dB;基座响应点B11，X/Y/Z分别约降低了 5dB、2dB、5dB;齿轮箱上各响应点各方 向减小值介于1~3dB;加垫块整体系统三方向的加速度平均振级均比原始整体系统约降低 2dB。多孔垫块产生了良好的减振效果。
[0067]表6原始与加垫块系统各响应点加速度振级
[0069] 实施例2弯扭纤维丝多孔环装配于齿轮箱输入轴和中间轴轴承内圈与轴颈之间， 并紧配合固定，如图12所示，实现整个系统的减振。
[0070] 实施结果
[0071] 1)响应点B1加多孔环系统与原始系统振动速度频谱比较图如图13、图14和图15所 不。
[0072] 如图13所示径向原始系统在99.37Hz出现最大峰值8.252mm/s，加多孔环后此处共 振消失，88.13Hz处产生新的最大峰值为3.04mm/s，约为原始系统的37%。图14所示轴向原 始系统174.36Hz之后的所有振动频率在加多孔环后几乎全消失，极个别未消失振动频率的 幅值也衰减至微米级；88.13Hz处出现了新的振动频率，但其振幅较小为1.43mm/s。图15所 示垂直向原始系统99.38Hz处最大幅值5.61mm/s消失，其后振动频率点大部分消失，未消失 振动频率幅值也得到了衰减;最大峰值频率点前移至88.13Hz，幅值为2.91mm/s，此频率点 之前振动频率幅值大部分得到衰减。其余响应点均表现为与B1相似的变化规律，在此不赘 述。加多孔环与加多孔垫块具有相似的减振形式:振动频率点消失，振动幅值衰减，最大幅 值频率点前移。
[0073] 2)振动烈度评估减振效果
[0074]原始系统和轴承内加多孔环系统13个响应点在0~1000Hz范围内三方向振动速度 有效值及各响应点振动烈度如表7所示，减振效果采用百分比表示。加环系统中各响应点三 方向振动速度有效值大幅度减小，介于20~65%之间。
[0075]表7 13个响应点振动速度有效值与振动烈度
[0078] 原始系统与加多孔环系统中电机、齿轮箱、负载轮支座、基座及整个系统的振动烈 度及其分贝值如表8所示。加多孔环系统中减速器、电机、支座及基座的振动烈度分别为 8.34mm/s、13 ? 34mm/s、12 ? 20mm/s、4 ? 72mm/s，比原始系统相应部件分别减小38 ? 99 %、 35.62%、34.37 %、40.93 % ;整个减速器传动系统的振动烈度由原始系统14.55mm/s减小至 加多孔环系统9.02mm/s，其减振效果达到了38.01 %。加多孔环系统中电机、减速器、支座及 基座的振动烈度分贝值也相应的由原始系统的126.39(18、122.72(18、125.39(18、118.05(18减 小至118.24(18、122.56(18、121.73(18、113.84(18，分别减小4.29(18、3.82(18、3.66(18、4.57(18 ; 整个减速器传动系统的振动烈度分贝由原始系统的123.26dB减小至加环系统的119.10dB， 其减小了 4.15dB。
[0079] 表8原始系统与加多孔环系统振动烈度
[0081 ] 3)振动加速度级评估减振效果
[0082] 加多孔环系统5000Hz频宽内齿轮箱体上9个响应点加速度振级结果如表9所示。多 孔环加入81、82、83、84响应点对应的轴颈处，四个响应点各向加速度振级都有不同程度的 降低，X向振级差介于3~6dB，Y向与Z向振级差相近主要介于1~2dB，转速轴轴承端振动减 小，因而与其相连结构振动也随之减小，表9中可见振动输出轴、上箱体及基座上响应点各 向振级也明显减小，基座上X/Y向表现出约5dB及Z向表现出约3dB振级差。加环齿轮箱体X、 Y、Z三向加速度平均振级分别为101.12dB、109.92dB、106.28dB比原始系统相应振级 105.70(18、113.02(18、108.16(18降低约了5(18、3(18、2(18。可见，从加速度振级考量，弯扭丝多 孔环对整个齿轮箱系统也起到了很好的减振效果。
[0083] 表9原始与加多孔环系统各响应点加速度振级
[0086] 实施例3
[0087] 本实施例与实施例2不同之处在于:将弯扭纤维丝多孔环装配至输入轴、中间轴、 输出轴轴承内圈与轴颈之间。
[0088] 实施例4
[0089] 本实施例与实施例2不同之处在于:将弯扭纤维丝多孔环装配至输入轴、中间轴、 输出轴轴承外圈。
[0090] 实施例5
[0091] 本实施例与实施例2不同之处在于:将钢丝绳短切成弯扭纤维丝模具压制成形后 烧结成金属多孔材料，再通过机械加工形成所需的弯扭纤维丝多孔金属零件为轴类和盘形 传动零件，安装定位后，传递运动时吸振减振。
[0092] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于：为钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后 烧结成金属多孔材料制作为机械结构零件直接实现多孔刚性减振的应用;根据使用条件的 不同该钢丝绳短切成弯扭纤维丝压制后烧结成金属多孔材料的孔隙率可调，孔隙率范围主 要介于20%~75 %，损耗因子介于O. Ol~0.06之间，将烧结弯扭纤维丝金属多孔材料加工 成零件应用于机械结构进行刚性减振弯扭纤维丝多孔材料孔隙率介于20 %~50%，损耗因 子介于0.01~0.04之间。2. 根据权利要求1所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于，所述金属多孔 材料的制备，包括以下步骤： 1) 短切钢丝绳获得弯扭纤维丝； 2) 在特定模具中采用静压方法冷压压制预成形弯扭纤维丝多孔材料坯体，孔隙率介于 20%~75% ; 3) 弯扭纤维丝多孔材料坯体于真空烧结炉中烧结获得弯扭纤维丝多孔材料，孔隙率为 20%~50% ; 4) 一次冷压烧结不能获得孔隙率介于20%~50%弯扭纤维丝多孔材料过复压或乳制， 复压或乳制后真空烧结获得孔隙率介于20%~50%弯扭纤维丝多孔材料； 5) 钢丝绳短切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需弯扭纤维 丝多孔金属零件； 6) 装配至机械系统中所需弯扭纤维丝多孔金属零件结构位置处。3. 根据权利要求1所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于： 步骤1)中的短切绳原材料为不锈钢钢丝绳，通过多刀旋转短切装置，短切304不锈钢钢 丝绳，获长度介于5~25mm，丝径为10~500μηι的弯扭丝为原材料； 步骤2)中的特定模具是依据所需弯扭纤维丝多孔材料具体形状所设计的各种模具； 步骤3)中的真空烧结采用固相烧结，于1130 °C、1320°C、1330°C条件下真空烧结1.5h或 2.5h，亦包括复烧； 步骤4)中的真空烧结采用固相烧结，亦包括复烧。4. 根据权利要求3所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于:所述钢丝绳短 切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的弯扭纤维丝多孔金属零 件为垫块，垫装在需要减振的机械结构底座位置处，并固定。5. 根据权利要求3所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于:所述钢丝绳短 切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的弯扭纤维丝多孔金属零 件为环形件，环形件内孔套装在需要减振的机械结构的旋转轴上，环形件外表面套装在轴 承内孔，并紧配合固定。6. 根据权利要求3所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于:所述钢丝绳短 切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的弯扭纤维丝多孔金属零 件为环形件，环形件内孔套装在轴承外环上，环形件外表面套装在轴承座内孔，并紧配合固 定。7. 根据权利要求3所述的钢丝绳短切成弯扭纤维丝的应用，其特征在于:所述钢丝绳短 切成弯扭纤维丝后烧结成金属多孔材料通过机械加工形成所需的弯扭纤维丝多孔金属零 件为轴类和盘形传动零件，安装定位后，传递运动时减振。
【文档编号】B22F3/16GK105880596SQ201610397223
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】周照耀, 吴菲
【申请人】华南理工大学