CN105897046B - 一种超声电机转子表面织构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声电机转子表面织构及其制备方法，该表面织构类型为凹坑，凹坑直径为200‑400μm，深度为89.77‑108.5μm，面积密度为3.14%‑12.55%；其制备方法为首先将聚酰亚胺复合材料切片并打磨至粗糙度小于0.1μm；然后利用激光刻蚀技术对步骤A）材料的打磨面进行表面凹坑构筑，最后将聚酰亚胺复合材料反面粘贴至超声电机铝合金转子表面；利用该技术制备表面微结构简单高效，成本低廉，尺寸可靠，分布均匀，能够有效提高超声电机接触界面的运行稳定性与转子摩擦材料使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机领域，特别是一种超声电机转子表面织构及其制备方法。
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电机，其基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动，与传统电机相比，具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、定位精确、无电磁干等优点，在航空航天、精密仪器等领域具有广泛的应用前景。
由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机整体性能的发挥至关重要。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，由于磨损造成超声电机使用寿命缩短以及预压力发生变化，从而导致超声电机输出转速不稳定。
为了进一步提高超声电机的速度稳定性以及使用寿命，不仅需要选用高性能聚合物摩擦材料，还需要对超声电机摩擦界面进行特殊加工与改性。目前国内研究多集中在超声电机摩擦材料的研究中，而在实践中是将超声电机转子摩擦材料经过机械研磨或金相砂纸打磨构筑一定的粗糙度直接使用，并没有对表面进行织构化设计与加工。因此，发展超声电机转子摩擦材料表面微结构的设计与制备显得尤为重要，此方法也是提高超声电机使用寿命与稳定性的重要途径。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种超声电机转子表面织构及其制备方法，以通过表面织构提高超声电机摩擦界面的稳定性以及耐磨性，本发明是这样实现的：
一种超声电机转子表面织构，所述表面织构为凹坑，凹坑直径为200-400μm，深度为89.77-108.5μm，面积密度为3.14%-12.55%。
进一步，一种如本发明所述超声电机转子表面织构的制备方法，具体步骤如下：
A）将聚酰亚胺复合材料切片至厚度为0.3-0.5mm，然后将一侧表面打磨至粗糙度小于0.1μm；
B）利用激光刻蚀技术对步骤A）材料的打磨面进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数3-5次；
C）将步骤B）获得的材料粘贴至超声电机铝合金转子表面，即获得具有所述表面织构的超声电机转子。
进一步，发明所述超声电机转子表面织构的制备方法中，所述聚酰亚胺复合材料是这样获得的：
与现有转子表面织构相比，本发明的有益效果体现在：
(1)、本发明利用激光刻蚀的凹坑分布均匀，尺寸可靠，摩擦性能稳定；
(2)、该类表面织构在超声电机运行过程中能够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与转子摩擦材料使用寿命。
附图说明
图1 为现有超声电机转子表面形貌图（无织构）；
图2为实施例1获得的超声电机用转子表面微结构电镜图；
图3为实施例2获得的超声电机用转子表面微结构电镜图；
图4为实施例3获得的超声电机用转子表面微结构电镜图。
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。
实施例中涉及的原料来源：
聚酰亚胺模塑粉平均粒径为75μm，购自上海合成树脂研究所；
聚四氟乙烯的平均粒径为30μm，购自日本大金工业株式会社(上海分公司)；
石墨烯的横向尺寸分布范围为0.1-10μm，厚度为1nm，购自南京吉仓纳米科技有限公司；
芳纶纤维的直径为7μm，长度范围为20～50mm，购自江苏南通芳纶纤维有限公司；
硅酸铝颗粒的平均粒径为6.5μm，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
实施例1
本实施例中所使用聚酰亚胺复合材料的制备方法为：按照体积百分数计，将70%的聚酰亚胺和15%的聚四氟乙烯在酒精中球磨混合均匀，然后加入10%的芳纶纤维、1%的石墨烯、余量为硅酸铝，充分混合均匀，然后进行120℃烘干、粉碎以及过200目筛。最后将混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型，模压温度375℃，压力15MPa，自然冷却脱模，即获得聚酰亚胺复合材料作为电机转子摩擦材料。
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；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用激光刻蚀进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数3次；
3、将刻蚀好的转子摩擦材料反面（即未刻蚀面与转子粘贴）用环氧胶粘贴至超声电机铝合金转子表面供超声电机使用。
本实施例获得的转子表面电镜图如图2所示，经检测，该转子表面凹坑的特征尺寸为：凹坑直径200μm，深度89.77μm,面积密度3.14%。
实施例2
本实施例中使用的聚酰亚胺复合材料与实施例1中的成分和制备工艺相同，仅石墨烯的含量提高到2%（体积百分数）。
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；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用激光刻蚀进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数4次；
3、将刻蚀好的转子摩擦材料反面粘贴至超声电机铝合金转子表面供超声电机使用。
本实施例获得的转子表面电镜图如图3所示，经检测，该转子表面凹坑的特征尺寸为：凹坑直径300μm，深度99.03μm,面积密度7.06%。
实施例3
本实施例中使用的聚酰亚胺复合材料与实施例1中的成分和制备工艺相同，仅石墨烯的含量提高到3%（体积百分数）。
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；
2、将表面打磨好的摩擦材料利用激光刻蚀进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数5次；
3、将刻蚀好的转子摩擦材料反面粘贴至超声电机铝合金转子表面供超声电机使用。
本实施例获得的转子表面电镜图如图4所示，经检测，该转子表面凹坑的特征尺寸为：凹坑直径400μm，深度108.5μm,面积密度12.55%。
将实施例1-3中采用具有表面织构的转子装配成TRUM60A型电机（江苏丰科超声电机科技有限公司），然后利用基于NI PXI-2705数字信号采集卡的超声电机速度特性测试系统测试电机的速度波动情况，与无织构电机（该电机原转子）相比，实施例1至3中速度波动范围分别降低了18.3%，21.2%，20.6%。从检测摩擦材料磨损量（磨损前后用电子天平称重）来看，具有织构化表面的转子运行200小时后的磨损量分别降低了3.7%，4.1%，4.0%。可见，该表面织构可以提高超声电机的运行稳定性与转子摩擦材料使用寿命。
Claims (3)
1.一种超声电机转子表面织构，其特征在于，所述表面织构类型为凹坑，凹坑直径为200-400μm，深度为89.77-108.5μm，面积密度为3.14%-12.55%；
所述超声电机转子表面织构是通过如下方法获得的：
A）将聚酰亚胺复合材料切片至厚度为0.3-0.5mm，然后将一侧表面打磨至粗糙度小于0.1μm；
B）利用激光刻蚀技术对步骤A）材料的打磨面进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数3-5次；
C）将步骤B）获得的材料粘贴至超声电机铝合金转子表面，即获得具有所述表面织构的超声电机转子。
2.如权利要求1所述超声电机转子表面织构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
A）将热压成型的聚酰亚胺复合材料切片至厚度为0.3-0.5mm，然后将一侧表面打磨至粗糙度小于0.1μm；
B）利用激光刻蚀技术对步骤A）材料的打磨面进行表面凹坑构筑，激光加工平均功率为20W，脉冲频率20kHz，速度100mm/s，刻蚀循环次数3-5次；
C）将步骤B）获得的材料粘贴至超声电机铝合金转子表面，即获得具有表面织构的超声电机转子。
3.根据权利要求2所述超声电机转子表面织构的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺复合材料是这样获得的：按照体积百分数计，将70%的聚酰亚胺和15%的聚四氟乙烯混合均匀，然后加入10%的芳纶纤维、1%-3%的石墨烯，余量为硅酸铝，充分混合均匀后于120℃烘干、粉碎并过200目筛；最后热压烧结成型，模压温度375℃，压力15MPa，自然冷却脱模，即获得所述聚酰亚胺复合材料。
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