CN101266201A

CN101266201A - 薄金属板带摩擦耦合变形试验装置

Info

Publication number: CN101266201A
Application number: CNA2008100363866A
Authority: CN
Inventors: 韦习成; 薛宗玉; 周升; 苏国彪
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2008-09-17

Abstract

本发明涉及一种薄金属板带摩擦耦合变形试验装置。它包括试样板带和贴装在板带测试部位下表面的应变片，以及加载压块，试样板带的两端由连接件连接成环形带而环绕安装在一个试验机的两根传动轴上，应变片由导线经一个信号转换器连接至一个数据处理器，所述的加载压块装夹在一个万能试验机的夹头上，与试验机匹配使用。本发明能够模拟亚稳奥氏体不锈钢薄板带在成形过程中与模具间的摩擦耦合变形，用以研究亚稳奥氏体不锈钢与模具钢配副在变形条件下的摩擦磨损，为优化板带和模具材料的摩擦、改善产品表面质量、延长模具使用寿命提供试验基础。本发明也适用于其他薄板在冲压成形过程中的实验室相关研究。

Description

薄金属板带摩擦耦合变形试验装置

技术领域

本发明涉及一种基于系统的摩擦学理论和条件磨损模拟原则、可以模拟金属板带在冲压过程中摩擦耦合变形的试验装置，称之为“薄金属板带摩擦耦合变形试验装置”，用以研究亚稳奥氏体不锈钢和其他金属板材在冲压过程中的摩擦磨损性能和成形条件的优化。

背景技术

目前，国内对于金属板带在冲压成形过程中摩擦耦合变形行为的研究基本上处于空白状态，已经进行的研究也多是分别针对金属板带单纯的摩擦或者变形过程的研究，而这种分离式的研究所得到的成果对于实际生产的指导作用有限。在国外，普遍使用拉伸弯曲(BUT：Bending-Under-Tension)试验装置来研究金属板材在摩擦耦合变形磨损条件下的摩擦学性能。这种方法是利用拉力使金属板带依靠与固定轧辊间的摩擦来实现变形和磨损，主要用于研究配副(即轧辊)材料和板材的摩擦特性，其应用中主要存在以下几点问题：1、试验前需要对试样进行预弯曲变形，而此会对材料状态产生一定影响，使研究结果与实际情况产生偏差；2、BUT试验系统的加载模式是一种静态加载的方式，受到设计最大载荷的限制，且与实际冲压过程的条件存在较大的区别；3、BUT试验系统在试验过程中板带固定不动，依靠拉力使和辊子(配对副)接触部分产生摩擦和变形，不能较为真实地模拟冲压过程中的板带的变形情况。

在工业生产中，亚稳奥氏体不锈钢存在的最大问题就是在冲压成形过程中与模具发生的粘着磨损，这在降低了产品的表面质量的同时也严重影响了模具的使用寿命。针对此种情况，国内外学术界进行了许多基础研究。国内的研究主要涉及奥氏体不锈钢的冲压成形工艺、润滑条件、材料的表面状态和冲头速度、模具及表面强化、摩擦系数分布等；而欧、美、日等国则侧重于成形过程中的摩擦试验装置设计、润滑剂选择、模具材料和表面处理、微力学摩擦行为表征等的研究。上述研究或仅研究成形工艺、材料FLD(成形极限图)和加工硬化；或仅从外因研究其表象行为，没有从摩擦学的系统角度探讨摩擦和变形导致的材料内部和表层组织演化和性能转变引起的磨损机制的转型的系统条件和规律，也就难以获得对实际生产具有指导意义的满意结果，难以实现解决亚稳奥氏体不锈钢与模具的粘着问题、优化摩擦副表面状态的目的。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，能够模拟亚稳奥氏体不锈钢薄板带在成形过程中与模具间的摩擦耦合变形。

为达到上述目的，本发明的构思是：

利用万能试验机夹头的拉、压功能作为加载源，通过具有特定圆弧半径的压头对往复直线运动中的薄金属板带进行加载，实现摩擦耦合变形的目的。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，包括试样板带和贴装在试样板带测试部分下表面的应变片、以及加载压块，其特征在于所述的试样板带的两端由连接件连接成环形带而环绕安装在一个试验机的两根传动轴上，应变片由导线经一个信号转换器连接至一个数据处理器，所述的加载压块装夹在一个万能试验机的夹头上，与试验机匹配使用。

上述的试验机的结构是：一个电机倒置安装装在一个支撑板上，该电机的输出轴上固定安装一块转板，该转板和一根连杆转动连接构成的曲柄连杆结构，连杆的另一端与一个连接块连接，连接块与一个直线导轨相滑配，连接块通过一个连接轴与所述的连接件相连接，则电机输出轴的转动度递给连接件实现往复直线运动，从而带动所述的环绕在两根转动轴上的环形带往复转动运动，使试样板带的测试部位在加载压块下面作往复直线运动。

上述的试样板带为哑铃状的试样板带，保证试验过程中在试样滑动摩擦部分产生弯曲和拉伸变形，便于研究板带预变形后的摩擦磨损行为。

上述的加载压块为可拆调换压块，加载力的大小通过调换加载压块压头圆弧角的曲率半径进行调整。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明提供的试验装置中，试验板带呈环状而环绕在试验机的两根转动轴上，其测试部位作直线往复运动，而加载压块相对不动而垂直给予施压，模拟了板带成形过程中与模具间的摩擦耦合变形，可用以研究亚稳奥氏体不锈钢与模具钢配副在变形条件下的摩擦摩损，为优化板带和模具材料的摩擦、改善产品表面质量、延长模具使用寿命提供试验基础。本发明也适用于其他薄板在冲压成形过程中的实验室相关研究。

附图说明

图1是本发明的薄金属板带摩擦耦合变形试验装置的结构原理图。

图2是本发明的一个实施例薄金属板带摩擦耦合变形试验装置的结构示意图。

图3在图2的俯视图。

图4是图2中“B-B”及“C-C”处剖面图。

图5是试样板带示意图。

图6是不锈钢板带试验后的截面金相图(试验条件：名义载荷300N，持续时间5min)。

图7是不锈钢板带试验后表面SEM形貌图(试验条件：名义载荷150N，持续时间10min)。

图8是不锈钢带试验中测得的表面三维形貌图(试验条件：名义载荷150N，持续时间10min)。

图9是不锈钢带摩擦后表面SEM形貌图(试验条件：名义载荷300N，持续时间5min)。

图10是不锈钢带试验中测得的表面三维形貌图(试验条件：名义载荷300N，持续时间5min)。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1，本薄金属板带摩擦耦合变形试验装置包括试样板带2和贴装在试样板带2测试部位下表面的应变片5、以及加载压块4，所述的试样板带2的两端由连接件1连接成环形带而环绕安装在一个试验机的两根传动轴3、6上，应变片5由导线经一个信号转换器23连接至一个数据处理器24，所述的加载压块4装夹在一个万能试验机的夹头上，与试验机匹配使用。

由于在冲压成形过程中板材在角部附近具有较大的弯曲变形和接近角部的拉伸变形，同时在成形过程中模具与板材在这些部位会产生严重摩擦磨损，而且在变形过程中板材表面粗糙度也会渐进地发生变化，因此设计利用万能试验机夹头的拉、压功能作为加载源，将压块4装载于万能试验机上，通过压块与金属板带2在滑动过程中的相互作用来产生摩擦和塑性变形，实现对金属板带摩擦耦合变形行为的研究。

通过上述的试验机实现金属板带的直线往复运动，模拟冲压过程中金属板带相对于模具的运动，实现摩擦和变形的发生。

另外，为了保证在实验过程中在试样滑动摩擦部分产生弯曲和拉伸变形，将金属板带试样设计为哑铃状的窄带形状(见附图5)，也便于研究板带预变形后的摩擦磨损行为。

上述的试验机和图2和图3所示。通过该试验机可以实现摩擦耦合变形，对冲压成形过程中金属板带与模具间的摩擦磨损行为及其自身的塑性变形进行研究。

上述的试验机主要由定位支撑、动力产生、运动转换和传递以及工作部分四大结构板块构成，分别介绍如下：

(1)定位支撑结构：由工作平台8、平台16、电机支撑板18和支撑柱20构成，布局及尺寸要满足与万能试验机工作台面相匹配的要求。平台16是整个试验装置的基座，通过支撑柱20和电机支撑板18以及工作平台8连接固定在一起，构成试验装置的支撑结构。

(2)动力产生结构：由轴承止动盖14、滚动轴承15和电机19组成。电机使用无极变速电机，可以实现对金属板带往复运动速度的控制。

(3)运动转换和传递结构：由直线导轨9、连接块10、直线导轨支台11、连杆12、转板轴13和转板17组成。转板17与连杆12通过转板轴13构成一个曲柄连杆结构(见说明书附图4)，将由电机产生的转动通过直线导轨9转换为直线往复运动，并最终由与直线导轨9连接的连接块10将直线往复运动传递给连接体1及其固定在连接体上的金属板带2。

(4)工作部分结构：由连接体1、连接轴7、轴承座22、滚动轴承21和传动轴3和6组成。连接体1通过连接轴7和连接块10固定在一起，用来实现金属板带2的直线往复运动；工作时，金属板带试样包覆于传动轴3和6上，板带两端固定于连接体1上(通过连接体上的压块固定)，金属板带处于塑性变形的区域在背部贴上应变片5用以数据采集。

本实施例的薄金属板带摩擦耦合变形试验装置的部分参数：

(1)额定最大载荷：依研究对象的力学性能指标和加载源-万能试验机的压下力综合确定；

(2)滑动形式：往复滑动磨损；

(3)滑动速率：依与由控制器控制的调速电动机和减速器的减速比确定，一般试验的滑动速度不大于0.2m/s；

(4)滑动的往复行程：通过调整与电机减速器相连的曲柄机构尺寸，可改变哑铃状试样摩擦部分的长度，一般往复行程为60mm，最大100mm。

本发明的试验操作步骤如下：

1、将“摩擦耦合试验机”置于万能试验机的工作台面，调整万能试验机压头位置至两传动轴3和6中间，固定试验机并进行调试，以实现与万能试验机的匹配使用；

2、试样装夹：将预先标度并记录原始尺寸的试样置于两传动轴3和6之间，并绕于其上，通过连接体1上的压块固定于其上，其效果见说明书附图2和3两传动轴间的薄带；

3、将压块4安装于万能试验机的上夹头并用销钉固定；

4、电源和控制连接：将电源线接入控制器上，从控制器输出端子引入电机电源；

5、将试样的非摩擦部分用砂纸打磨并用无水乙醇清洗干净，用502胶粘贴应变片5，应变片与应变仪相连放大并输入到示波器存储和显示试验过程中的波形；

6、试验参数设定：根据试样摩擦部分的横截面积和试验需要确定试验载荷，调整控制器的输出电流确定电机和减速器的输出转速，调整试验机的滑动速率；

7、在启动试验机后，启动万能试验机的压缩功能并设定最大载荷，逐渐下降至与试样接触，加载至最大载荷开始试验；

8、试验完成后，在显微镜下测量试验前后试样的尺寸变化(每个标度尺寸-长度和厚度变化量)，确定试样的变形量，并在扫描电子显微镜下检测磨损表面形貌。

试验实例1：名义载荷为150N时的耦合摩擦与变形的试验

在150N的名义载荷下，对SUS304亚稳奥氏体不锈钢板试样进行耦合摩擦和变形试验，持续10min，其结果如附图7、8所示。

在试验后测得试样摩擦区的总变形量达到8.29％，试样的厚度减薄、宽度变小。

附图7是不锈钢带在摩擦磨损试验后的表面SEM照片，附图8是其试验后的表面三维形貌图，结合7的厚度测试结果说明不锈钢试样表面发生了一定程度的磨损。

试验实例2：名义载荷为300N时的耦合摩擦与变形的试验

在300N的名义载荷下，对SUS304亚稳奥氏体不锈钢板试样进行了同样的耦合摩擦和变形试验，进行到第5分钟的时候，带材伸长量过大且试样摩擦区中间部位从边缘向中心区，试验机停机。其结果如附图6、9和10所示。

附图6是不锈钢试样的金相照片，明显可见其由边缘向中心扩展的裂纹，试验后对试样的测量得到其摩擦区的变形量高达33％，由此可见，在大载荷下不锈钢带试样发生了剧烈的形变。

附图9和10分别是不锈钢带在摩擦磨损试验后的表面SEM照片和表面三维形貌图，与在150N的情况相比，其磨损程度更为严重。

Claims

1.一种薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，包括试样板带(2)和贴装在试样板带(2)测试部分下表面的应变片(5)、以及加载压块(4)，其特征在于所述的试样板带(2)的两端由连接件(1)连接成环形带而环绕安装在一个试验机的两根传动轴(3、6)上，应变片(5)由导线经一个信号转换器(23)连接至一个数据处理器(24)，所述的加载压块(4)装夹在一个万能试验机的夹头上，与试验机匹配使用。

2.根据权利要求1所述的薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，其特征在于所述的试验机的结构是：一个电机(19)倒置安装装在一个支撑板(18)上，该电机(19)的输出轴上固定安装一块转板(17)，该转板(17)和一根连杆(12)转动连接构成的曲柄连杆结构，连杆(12)的另一端与一个连接块(10)连接，连接块(10)与一个直线导轨(9)相滑配，连接块(10)通过一个连接轴(23)与所述的连接件(1)相连接，则电机(19)输出轴的转动度递给连接件(1)实现往复直线运动，从而带动所述的环绕在两根转动轴(3、6)上的环形带往复转动运动，使试样板带(2)的测试部位在加载压块(4)下面作往复直线运动。

3.根据权利要求1所述的薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，其特征在于所述的试样板带(2)为哑铃状的试样板带，保证试验过程中在试样滑动摩擦部分产生弯曲和拉伸变形，便于研究板带预变形后的摩擦磨损行为。

4.根据权利要求1所述的薄金属板带摩擦耦合变形试验装置，其特征在于所述的加载压块(4)为可拆调换压块，加载力的大小通过调换加载压块(4)压头圆弧角的曲率半径进行调整。