CN102519869B - 一种利用点接触开/闭式销－盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法 - Google Patents

一种利用点接触开/闭式销－盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用车床改造的摩擦试验平台构建点接触开/闭式销-盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法。针对切削摩擦问题的研究需求，通过销-盘结构的设计和车床空间运动轨迹的合成，构建开/闭式摩擦系统，模拟极端工况条件下的切削摩擦；利用Kistler压电式测力计测量接触界面的作用力，并结合有限元仿真方法去除材料弹塑性变形引起的切向力分量，获得粘结摩擦系数。本发明主要用于切削过程中刀具的摩擦学特性的试验分析。设备的主体为制造实验室的常用设备，具有刚性好、结构简单、易于实现等优势。

Description

一种利用点接触开/闭式销－盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法
1、技术领域
本发明涉及一种利用车床改造的摩擦试验平台构建点接触开/闭式销-盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法。针对切削摩擦问题的研究需求，通过销-盘结构的设计和车床空间运动轨迹的合成，构建开/闭式摩擦系统，模拟极端工况条件下的切削摩擦；利用Kistler压电式测力计测量接触界面的作用力，并结合有限元仿真方法去除材料弹塑性变形引起的切向力分量，获得粘结摩擦系数。
本发明主要用于切削过程中刀具的摩擦学特性的试验分析。设备的主体为制造实验室的常用设备，具有刚性好、结构简单、易于实现等优势。
2、背景技术
研究切削摩擦问题的方法有两种：一种是直接利用切削试验；另一种是模拟切削工况的摩擦试验。第一种方法无法获得局部接触应力和温度，且直接的参数分析无法提供局部的摩擦信息；相反，第二种方法的摩擦试验能够得到更高精度的接触状态，并修正这些状态以获得所需的工况。这种类型的摩擦系统包括销-盘系统、环-块系统和球-盘系统等。
切削过程的摩擦磨损试验研究，需要模拟极端的工况条件，不仅能够满足大范围的滑移速度要求，还应该具备较高的刚度，能够提供足够的接触载荷。而且，刀具永远是与新生成的切屑接触，其摩擦形式与开式摩擦系统更为相似。现有的摩擦试验机，多是针对普通的摩擦工况的闭式摩擦系统，无法模拟切削过程中的极端工况，难以满足切削摩擦试验的需求。
销-盘系统作为最常用的摩擦试验方式，装夹方便，相比于球-面系统，销的摩擦接触位置保持不变，适用于研究切削情况，其刚性也较好。但销一般为平面销，接触面积较大，在设备可承受的载荷范围内难以达到实际切削条件下刀具所承受的应力范围。因此，利用现有的机床和切削试验设备，通过球头销的设计构建点接触的开/闭式销-盘摩擦系统，以满足极端条件下的切削摩擦的测试要求。此外，考虑到高载情况下，球头销压入深度增加，为获得准确的切削粘结摩擦系数，还应消除由材料弹塑性变形导致的影响。
3、发明内容
本发明的目的是针对已有的切削试验设备，通过简易的改造，获得一种能够提供大范围的速度和载荷、构建开/闭式销-盘摩擦系统的摩擦试验平台，以测试在切削这种极端工况下的摩擦学问题。
本发明的技术内容主要包括：
(1)设计球头销结构，构建点接触的销-盘摩擦试验，以相对较低的载荷获得较高的接触应力；根据摩擦副的材料特性和所要模拟的摩擦工况估算销的球头直径，通过控制试验过程中的接触面积保证测试结果的稳定性和准确性；
(2)利用车床的进给机构，形成空间运动轨迹，分别构建回转运动的闭式摩擦系统与空间螺线运动的开式摩擦系统；
(3)基于构建的摩擦试验系统，利用压电式测力计测量摩擦过程中球头销承受的正向力和切向力；结合销头压入深度，利用有限元仿真方法估计销头摩擦过程中由材料弹塑性变形引起的切向力分量，计算粘结摩擦系数。
4、附图说明
附图1：球头销结构
附图2：闭式与开式摩擦系统
附图3：摩擦试验平台结构示意图
5、具体实施方式
为实现上述目的，本发明的解决方案主要包括：
由于销-工件摩擦副的接触应力主要取决于球头销的直径和施加的载荷，根据试验需要的接触应力和预期施加的载荷范围，应用公式估算销头半径(式中F为法向载荷，μ1、μ2分别为销和工件材料的泊松比，E1、E2分别为销和工件材料的弹性模量，为接触面的最大接触应力)；当销头半径确定后，可以通过改变施加的载荷调整法向接触应力。例如，对于硬质合金YG8-不锈钢1Cr18Ni9Ti组成的销-盘摩擦副，施加载荷为100N时，要满足1GPa的接触应力，销半径约为2.91mm，因此，为便于加工和调整，选定销头半径为3mm(附图1)。
盘的接触界面采用管材的截面，易于装夹；选用较大的直径可在较低转速时获得较高的相对滑移速度。特别是在开式摩擦试验中，销沿工件轴向进给，可实现的最大摩擦试验时间(l和d分别为管材长度和直径，f和v分别为试验中的每转进给速度和相对滑移速度)；每次试验后可直接在车床上切除工件表面的磨损痕迹，快速进行下一轮试验。
(2)工件随机床主轴做回转运动，当销头与工件轴心位置保持不变时，球头销与工件构成闭式摩擦系统(如附图2(a))；当销头沿工件径向进给(每转进给量大于销头与工件的接触宽度)时，构成空间螺线运动的开式摩擦系统(如附图2(b))。
进行摩擦模拟测试时，将工件装夹于车床主轴，由主轴提供回转运动。销安装在特制刀杆上再安装到固定在转塔式刀架上的三向测力计Kistler9121上(附图3)。由预试验确定销头压入深度和载荷的对应关系，根据销头压入深度可在一定的试验时间内保持稳定的接触载荷。根据测力计获得的三向力信号，结合利用有限元仿真方法估算的销头摩擦过程中由材料弹塑性变形引起的切向力分量计算粘结摩擦系数：(式中，Fx和Fz为测力计测得的接触平面上两个方向的分力，Fy为测力计测得的法向载荷)。

Claims (1)

1.一种利用车床改造的摩擦试验平台构建点接触开/闭式销-盘摩擦系统测试切削粘结摩擦特性的方法，其技术特征主要包括：
(1)对于球头销的设计，根据试验需要的接触应力和预期施加的载荷范围，应用接触应力公式，估算销头半径R；当销头半径确定后，能够通过改变施加的载荷调整法向接触应力，由此构建点接触的销－盘摩擦试验，以相对较低的载荷获得较高的接触应力；盘的接触界面采用管材的截面，易于装夹，通过选用较大的直径可在较低转速时获得较高的相对滑移速度；
其中，F为法向载荷，μ1、μ2分别为销和工件材料的泊松比，E1、E2分别为销和工件材料的弹性模量，为接触面的最大接触应力；
(2)进行摩擦模拟测试时，将工件装夹于车床主轴，由主轴提供回转运动，当销头与工件轴心位置保持不变时，球头销与工件构成闭式摩擦系统；当销头沿工件径向进给时，构成空间螺线运动的开式摩擦系统；销安装在特制刀杆上再安装到固定在转塔式刀架上的三向测力计Kistler9121上，根据测力计获得的三向力信号，结合利用有限元仿真方法估算的销头摩擦过程中由材料弹塑性变形引起的切向力分量计算粘结摩擦系数：其中，Fx、Fy及Fz为测力计获得的三向力信号。
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