一种超声电机长寿命的设计方法
阅读说明：本技术 一种超声电机长寿命的设计方法 (Design method for long service life of ultrasonic motor ) 是由 曹鑫鑫 汪国庆 赵盖 李兴明 宋敬伏 丁庆军 鞠沅良 王佳乐 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于超声电机结构设计领域,具体提供了一种长寿命超声电机的设计方法,将聚酰亚胺基摩擦材料由原来粘贴在转子表面转变为粘贴在定子齿上,针对超声电机摩擦界面的干摩擦的特性,利用超声波加工的方法在摩擦材料表面构筑仿生表面织构,在织构内部进行聚酰亚胺基体和固体润滑剂二硫化钼的填充,并对原来转子摩擦副表面进行相应微弧氧化处理,通过二硫化钼的填充形成三体润滑摩擦,使得超声电机表面抗摩擦磨损性能得到显著的提高,微弧氧化处理协同改进转子的硬度,能够大幅度提高超声电机的使用寿命和抗磨损性能。(The invention belongs to the field of structural design of ultrasonic motors, and particularly provides a design method of a long-life ultrasonic motor.)
技术领域
本发明属于超声电机结构设计领域，尤其是涉及一种超声电机长寿命的设计方法。
背景技术
超声电机是20世纪80年代迅速发展并具有特殊应用的一种新型微特电机，由于超声电机是利用逆压电效应将弹性体定子的微观振动通过摩擦转换成转子的宏观运动结构简单，可设计性强。目前超声电机摩擦驱动模式为定子与转子间的干摩擦，材料的磨损不可避免，由于摩擦材料的磨损的情况造成超声电机使用寿命远不如预期。
专利CN201610238832.6公开了一种织构制备方法，它是利用激光加工的方法对转子摩擦材料表面进行刻蚀加工，但是这种方法仅仅是针对仿生学对超声电机的效率和稳定性有着一定的影响，对于长寿命超声电机的设计不满足需求。
为了进一步提高超声电机的使用寿命，不仅需要选用高性能聚合物摩擦材料，还需要对超声电机的摩擦界面结构和摩擦材料本身进行相应的设计。因此，设计一种长寿命的超声电机显得尤为重要，此方法也是提高超声电机材料耐磨性与输出扭矩稳定性的重要途径。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明通过将摩擦材料粘贴在定子上，改变摩擦界面结构。通过表面织构提高超声电机摩擦界面的稳定性，并在织构凹坑中进行固体润滑剂填充，对铝转子表面进行微弧氧化得到氧化膜，进一步提高超声电机的耐磨性，是一种提高超声电机使用寿命的方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于超声电机定子表面织构的设计，定子摩擦材料选用聚酰亚胺复合材料，织构类型为凹坑，形状特征为直径0.3mm的圆形、边长为0.2756mm的正方形、长轴为0.5mm短轴为0.2mm的椭圆形，深度为50-220μm，面积密度为0-20％。
一种用于超声电机定子表面织构的制备方法，首先利用纤维填料增强、固体润滑剂以及纳米颗粒改性技术制作热塑性聚酰亚胺基复合材料，该材料表面硬度为89(邵氏硬度)。表面粗糙度经金相砂纸打磨至小于0.1μm，由抛光布进行抛光处理，切片至0.4-0.6mm厚，供超声波加工用；利用超声波加工技术进行表面凹坑构筑，超声波加工振动频率在20KHZ～50KHZ，速度100mm/s，循环次数3-5次；
一种超声电机表面织构固体润滑剂的填充方法，将聚酰亚胺和二硫化钼的混合物在350摄氏度和2.88MPa的条件下进行高温高压烧结，烧结完成后进行打磨至表面织构显露。最后将打磨完成后的定子摩擦材料粘贴至超声电机定子齿表面使用。
一种用于超声电机转子表面微弧氧化的制备方法，采用偏铝酸钠碱液在恒压400V电压下进行起弧氧化操作，得到厚度为30～50μm的致密金属氧化膜，金属氧化膜表面硬度为2000(维氏硬度)。表面粗糙度经金相砂纸打磨至小于0.3μm，抛光布抛光处理。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用超声波加工的凹坑形状类型多样、分布均匀、尺寸精度可靠、摩擦性能稳定。
2、该类表面织构在进行固体润滑剂和基体材料混合烧结填充后，在超声电机运行过程中能够有效降低摩擦界面的磨粒磨损，从而可以提高超声电机的运行稳定性增加超声电机的使用寿命。
3、本发明利用微弧氧化对超声电机转子进行处理，增大了转子的耐磨性，可以提高超声电机的使用寿命。
附图说明
图1为本发明各实施案例中表面微结构的形貌图及特征参数。
图2为本发明定子表面织构填料位置所在。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
超声电机用定子表面凹坑形状为圆形其特征尺寸为：凹坑直径0.3mm，深度100.07μm,面积密度9.16％。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺复合材料切片至0.5mm，然后利用金相砂纸对材料进行单面打磨至表面粗糙度小于0.1μm，抛光布进行抛光处理；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用超声波加工进行表面凹坑的构筑，超声波加工平均频率振幅为25KHZ，速度100mm/s，刻蚀循环次数3次；
3、将刻蚀好的定子摩擦材料上涂覆一层聚酰亚胺和二硫化钼的混合物在360摄氏度和2.88Mpa的压强下进行高温高压烧结，使用金相砂纸打磨至织构显现为止，将摩擦材料反面粘贴在定子齿表面供超声电机使用；
4、对铝合金转子表面进行微弧氧化处理在偏铝酸钠碱液中恒压400V氧化至金属氧化膜厚度为46μm，并用金相砂纸打磨至表面粗糙度小于0.3μm，抛光布抛光处理。
实施例2
超声电机用定子表面凹坑形状为正方形其特征尺寸为：凹坑边长为0.2756mm，深度92.15μm,面积密度9.16％。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺复合材料切片至0.5mm，然后利用金相砂纸对材料进行单面打磨至表面粗糙度小于0.1μm，抛光布进行抛光处理；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用超声波加工进行表面凹坑的构筑，超声波加工平均频率振幅为25KHZ，速度100mm/s，刻蚀循环次数3次；
3、将刻蚀好的定子摩擦材料上涂覆一层聚酰亚胺和二硫化钼的混合物在360摄氏度和2.88Mpa的压强下进行高温高压烧结，使用金相砂纸打磨至织构显现为止，将摩擦材料反面粘贴在定子齿表面供超声电机使用；
4、对铝合金转子表面进行微弧氧化处理在偏铝酸钠碱液中恒压400V氧化至金属氧化膜厚度为46μm，并用金相砂纸打磨至表面粗糙度小于0.3μm，抛光布抛光处理。
实施例3
超声电机用定子表面凹坑的形状为椭圆形其特征尺寸为：凹坑长轴为0.52mm，短轴为0.20mm，深度215.5μm,面积密度9.16％。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺复合材料切片至0.5mm，然后利用金相砂纸对材料进行单面打磨至表面粗糙度小于0.1μm，抛光布进行抛光处理；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用超声波加工进行表面凹坑的构筑，超声波加工平均频率振幅为25KHZ，速度100mm/s，刻蚀循环次数3次；
3、将刻蚀好的定子摩擦材料上涂覆一层聚酰亚胺和二硫化钼的混合物在360摄氏度和2.88Mpa的压强下进行高温高压烧结，使用金相砂纸打磨至织构显现为止，将摩擦材料反面粘贴在定子齿表面供超声电机使用；
4、对铝合金转子表面进行微弧氧化处理在偏铝酸钠碱液中恒压400V氧化至金属氧化膜厚度为46μm，并用金相砂纸打磨至表面粗糙度小于0.3μm，抛光布抛光处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干不同特征尺寸及分布的表面织构，表面织构内填料组分也可以进行相应改变，这些改进也应视为本发明的保护范围。