CN102937570A - 一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置，属于摩擦副表面的摩擦特性领域，主要用于检测曲面摩擦副表面强化处理后的摩擦特性。该装置包括经表面强化的滚柱、金属板料、探针传感器、电桥箱、应变仪、A/D转换以及用于数据处理分析的计算机。此检测装置的特征在于金属板料与滚柱之间发生往复的相对运动，进而通过探针传感器实时测得板料与强化的滚柱之间的摩擦系数，最终得到曲面摩擦副强化处理后的摩擦特性分布以及工作过程中摩擦系数随时间的变化规律。本发明的优点是使用这种装置能够检测曲面摩擦副表面强化之后的摩擦特性，可控性好，实用性强，对研究表面改性技术具有重要的意义。

Description

一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置

技术领域

本发明涉及摩擦副表面摩擦特性领域，尤指经过改形改性强化处理后曲面的摩擦特性检测方法及装置，主要适用于特殊工况下的、经过表面强化处理的零部件表面的摩擦特性检测。

背景技术

随着制造业的飞速发展，具有优越性能的材料越来越受青睐。但是，为了降低成本、提高经济效益，利用表面的处理技术可以将低成本的材料表面赋予一些先进材料的所具有的性能。基于此，近年来表面强化技术层出不穷。表面强化处理技术主要有表面淬火处理、化学热处理（如渗碳、渗氮、渗硼及渗金属等）、表面冶金强化（如热喷涂、堆焊）、表面镀覆以及近年来迅速发展起来的激光表面强化、离子注入等表面改形改性处理方法。

表面强化的目的在于使材料在恶劣的工况条件下具有耐磨、耐腐蚀等表面性能，国内外的学者对强化后的表面摩擦性能也进行了大量的研究。上海大学的张恒华等（机械工程材料，2010，4）利用MM200磨损试验机比较了经两种不同表面处理高速钢的耐磨性能。哈尔滨工程大学的齐毓霖等（机械工程师，2010，3）研制了一台真空高低温球盘式摩擦磨损试验机，主要用于测试新材料及其表面处理工艺的摩擦磨损性能。江苏大学的符永宏等（摩擦学学报，2009，9）在UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损试验机上，进行了模具钢试件不同激光毛化表面形貌之间以及与光滑模具钢试件的摩擦磨损性能的对比试验研究。

以上所述的国内外对强化表面的摩擦磨损性能的研究仅仅局限在平面摩擦副，没有考虑到实际零部件的工作状况有很大一部分是曲面摩擦副，所以利用摩擦磨损试验机来进行强化表面各项性能的检测仅仅是基础研究，其结果只能间接反映强化后表面在工作时的优越性，而不能够直接反映。另外，随着计算机技术的发展，数值模拟技术已经日渐成熟，也已经开始应用于工业生产，缩短产品的开发周期。但是，数值模拟结果的准确性或者可信度取决于边界条件的设置，而摩擦条件又是相当重要的边界条件，所以为了获得更加准确的模拟结果就必须设置准确的边界条件，因此利用之前平面摩擦副所得到的基础数据就难以获得高质量的模拟结果。

近年来，国内外的相关学者设计了相关的实验装置来模拟零部件的工作状况，对曲面摩擦副的摩擦特性进行研究。南昌航空大学的常春等（锻压技术，2007，6）设计了用于检测板料拉深过程中模具圆角处摩擦特性的模拟实验装置。北京科技大学的王先进等（塑性工程学报，2000，12）设计了一种万能摩擦测试系统装置。南京航空航天大学的徐岩等（机械科学与技术，2008，3）设计了一种板料成形摩擦系数测试装置，用以考察圆辊的直径和摩擦包角对摩擦系数计算的影响。上述试验装置的测试原理都是由欧拉的皮带和绳索绕在圆筒上的摩擦公式推导得到：                                               

，其中

为摩擦系数，

为摩擦包角，

与

分别为圆筒两侧皮带或绳索的拉力。上述模拟实验装置的共同点是利用传感器测得圆辊两侧板料承受的拉力，根据公式计算得到圆辊处摩擦系数。上海交通大学的何丹农等（金属成形工艺，1998，8）利用探针和传感器测定板料拉深过程中摩擦系数，但是仅仅局限于测定压边圈下板料和凹模之间这一平面摩擦副的摩擦特性。

总的来说，目前报道的关于强化处理后的表面摩擦特性以及曲面摩擦副的摩擦特性存在以下不足：

1)        对强化后的表面摩擦性能的研究采用的设备是摩擦试验机，检测的是平面摩擦副的摩擦特性，而未涉及到曲面摩擦副；

2)        曲面摩擦副摩擦特性的测试装置检测的对象没有涉及到强化处理后的表面，而且利用这种测试方法和摩擦系数的计算公式得到的结果就是整个曲面上的摩擦系数，是一个时间的函数，但不是空间位置的函数，也就不能够得到曲面上摩擦系数的分布；

3)        根据曲面摩擦副的摩擦系数计算公式，必须要通过修正以去除板料弯曲力对测量结果的影响，数据处理比较繁琐，从而结果会带来误差；

4)        使用探针法直接检测摩擦系数也仅仅是应用在平面摩擦副中，强化处理后的表面以及曲面摩擦副尚未涉及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经强化处理的曲面摩擦特性的检测方法及装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置，检测装置由机械系统、数据采集与分析系统以及控制系统三部分组成；机械系统包括往复电机一、往复电机二、传动机构一、传动机构二、夹紧装置、金属板料、表面经强化处理的滚柱、主轴、支架、底座、辅助调节机构一、调节机构二以及加载机构；数据采集与分析系统包括探针传感器、电桥箱、应变仪、A/D转换器、计算机；主轴通过滑动轴承安装在支架上，滚柱与主轴之间是过盈配合，数据采集与分析系统各部分之间通过数据线进行连接，探针传感器在滚柱的轴向和周向均有分布。

本发明所提供的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置，其特征还在于：表面经强化处理的滚柱安装到主轴上后，将金属板料置于滚柱上，两端通过夹紧装置夹紧并通过加载机构施加拉力，使得金属板料紧紧贴在滚柱上；往复电机的转动经传动机构后变成直线运动形式，运动依次传递给夹紧装置和金属板料，从而实现了金属板料与滚柱之间的相对运动；当金属板料在滚柱上滑动的时候，板料必然也从探针传感器上滑过，探针传感器将所受法向力和切向力的力信号转换成了电信号，将此电信号经电桥箱、应变仪、A/D转换器之后变成了能被计算机处理的数字信号，通过计算机实时对法向力和切向力的数据进行处理，最终得到不同区域摩擦系数随时间的变化曲线，即得到不同时刻摩擦系数的分布情况；电机停止运转之后卸下滚柱，测量滚柱的磨损状况。

表面强化处理技术丰富多样，包括改性处理和改形处理，为了适应这种多样性，探针传感器的探针头选用不同的尺寸，探针头部尺寸3.5mm~8mm；探针头部安装应与滚柱表面齐平，误差控制在-100~100

。

为实现不同工况下的检测，往复电机的转速50

~2000

，加载机构所加载的拉力10

~1000

，金属板料与滚柱之间的接触包角

。

本发明的具体实施步骤如下：

1、选定45钢圆柱滚柱4，对表面进行分区激光毛化处理；

2、将经过分区激光毛化处理后的滚柱4安装到支架5上，将金属板料1置于滚柱表面之上，通过夹紧装置12和夹紧装置13夹持金属板料1的两端；

3、通过辅助调节机构一、调节机构二调节夹紧装置12和夹紧装置13在垂直和水平两个方向上的位置，直到金属板料1与滚柱4的接触包角

达到

=60°为止，并通过加载机构在金属板料1的两端施加F=100N的拉力，使得金属板料1按照所需载荷紧紧贴在滚柱4的表面；

4、通过控制系统设定往复电机一、往复电机二的转速为1000

，运转时间为30min，开启计算机，锁紧安装在支架5上的主轴，以限制滚柱4在周向上的运动；

5、首先往复电机一先工作，金属板料1沿着滚柱4逆时针向上滑行，此时往复电机二不工作；达到所设时间后，往复电机一停止工作，往复电机二开始工作，板料1沿着滚柱4顺时针向下滑行，如此往复运动，在运动的过程中，通过探针传感器3将检测到的接触面上的法向力和切向力的力信号转换成电信号，将此电信号经电桥箱、应变仪、A/D转换器之后变成了能被计算机处理的数字信号，通过计算机实时对法向力和切向力的数据进行处理，最终得到不同区域摩擦系数随时间的变化曲线，即得到不同时刻摩擦系数的分布情况。当实验进行到设定的时间30min后，将往复电机关闭，完成滚柱表面摩擦特性的检测。

本发明具有以下的技术优势：

1)        采用在滚柱表面进行强化处理，由于滚柱截面可以是圆、椭圆、抛物线等，所以可以检测这些复杂曲面摩擦副表面经强化处理后的摩擦特性；

2)        采用在滚柱上分布探针传感器这一技术手段，检测的是滚柱上各个测量点所受的法向力和切向力，进而得到测量点处的摩擦系数，最终得到了摩擦系数随时间的变化曲线以及某一时刻摩擦系数的分布情况；

3)        探针传感器进行的是实时的检测，而且检测的力就是测量点处的法向力和切向力，消除了板料弯曲力对结果数据的影响，因此采用本发明所得到的实验数据更加可信。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明提出的经强化处理的曲面摩擦特性检测装置简图的主视图。

图2是装置简图的左视图。

图中：1-金属板料；2-表面强化区；3-探针传感器；4-滚柱；5-支架；6-主轴；7-底座；8-电桥箱；9-应变仪；10-A/D；11-计算机；12-夹紧装置A；13-夹紧装置B；14-传动机构一；15-往复电机一；16-调节机构一；17-加载机构；18-调节机构二；19-往复电机二；20-传动机构二；A、B、C-滚柱的三个不同毛化区；α-金属板料与滚柱的接触包角。

具体实施方式

下面结合图1和图2详细说明本发明所提装置的具体细节和工作情况。

首先在选定的圆柱滚柱4表面进行表面处理，本实例对滚柱4表面进行的是激光毛化处理。利用激光设备，选择合适的激光加工参数之后，在滚柱4上不同区域实施不同形貌方案的激光毛化处理，如图2所示，在A、B、C三个不同区域的表面实施。获得所需要的毛化形貌之后将滚柱4安装到支架5上，将金属板料1置于A区之上，通过夹紧装置12和夹紧装置13夹持金属板料1的两端。通过辅助调节机构一调节夹紧装置12、调节机构二调节夹紧装置13在垂直和水平两个方向上的位置，直到金属板料1与滚柱4的接触包角达到所需值即可，并通过加载机构在金属板料1的两端施加所需拉力，使得金属板料1按照所需载荷紧紧贴在滚柱4的A区表面。最后通过控制系统设定往复电机一和往复电机二的转速以及运转时间，开启计算机，并且锁紧安装在支架5上的主轴6，即限制滚柱4在周向上的运动。完成这些准备工作之后，开始实验，让往复电机一、往复电机二运行，往复电机一的转动经传动机构一后变成直线运动形式，运动传递给夹紧装置12和金属板料1，往复电机二的转动经传动机构二后变成直线运动形式，运动传递给夹紧装置13和金属板料1，从而实现金属板料1与滚柱4之间的相对运动。金属板料1与滚柱4之间的相对运动是往复的，这主要通过控制系统来实行控制：当往复电机一工作的时候，金属板料1沿着滚柱4逆时针向上滑行，此时往复电机二不工作；达到所设时间后，往复电机一停止工作，往复电机二开始工作，金属板料1沿着滚柱4顺时针向下滑行，如此便实现了板料1和滚柱4之间的往复相对运动。在二者往复相对运动的过程中，通过探针传感器3将检测到的接触面上的法向力和切向力的力信号转换成电信号，将此电信号经电桥箱、应变仪、A/D转换器之后变成了能被计算机处理的数字信号，通过计算机实时对法向力和切向力的数据进行处理，最终得到不同区域摩擦系数随时间的变化曲线，即得到不同时刻摩擦系数的分布情况。当进行到所需的实验时间后，将往复电机关闭，这也就完成了对A区表面摩擦特性的检测。释放主轴6，使得滚柱4能周向转动，将滚柱4转动到所需位置，让B区表面与板料1相互接触，重复上述过程，又得到一组摩擦系数数据。最后对C区进行相同操作。最后卸下滚柱4，通过相关的实验设备检测A、B、C三区毛化形貌的磨损量。

Claims (6)

1.一种经强化处理的曲面摩擦特性检测装置，其特征在于：由机械系统、数据采集与分析系统以及控制系统三部分组成： 

机械系统包括往复电机一（15）、往复电机二（19）、传动机构一（14）、传动机构二（20）、夹紧装置A（12）、夹紧装置B（13）、金属板料（1）、滚柱（4）、主轴（6）、支架（5）、底座（7）、调节机构一（16）、调节机构二（18）以及加载机构（17）；主轴（6）通过滑动轴承安装在支架（5）上，滚柱（4）与主轴（6）之间是过盈配合，金属板料（1）与滚柱（4）接触；往复电机一（15）与传动机构一（14）相连，然后再与夹紧装置A（12）的相连；往复电机二（20）与传动机构二（21）相连后与夹紧装置B（13）相连；调节机构一（16）、调节机构二（18）以及加载机构（17）放置在往复电机一（15）、往复电机二（19）之间，调节机构一（16）、调节机构二（18）分别与夹紧装置A（12）、夹紧装置B（13）相连；夹紧装置A（12）、夹紧装置B（13）分别与金属板料（1）的两端相连；

数据采集与分析系统包括探针传感器（3）、电桥箱（8）、应变仪（9）、A/D转换器（10）、计算机（11）；电桥箱（8）与探针传感器（3）相连；应变仪（9）与电桥箱（8）相连；应变仪（9）、A/D转换器（10）、计算机（11）三者之间利用数据线相连；所述探针传感器（3）在滚柱（4）的轴向和周向均有分布；

所述控制系统与往复电机一（15）和往复电机二（19）相连，控制电机的转速和转动时间。

2.根据权利要求1所述的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测装置，其特征在于：所述探针传感器（3）轴向相邻两根探针传感器之间相隔100 

，周向两跟探针传感器之间相隔5°，探针传感器（3）的探针头部尺寸3.5mm~8mm；探针传感器（3）的探针头部与滚柱表面齐平，误差在-100

~100

。

3.根据权利要求1或2所述的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法及装置，其特征在于：所述往复电机一（15）和往复电机二（19）的转速50

~2000

，加载机构（17）所加载的拉力10

~1000

，金属板料（1）的厚度为2~5mm，与滚柱（4）之间的接触包角

。

4.一种实施权利要求1所述的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测装置的方法，其特征在于：将表面经强化处理的滚柱（4）安装到主轴上后，将金属板料（1）置于滚柱（4）上，两端通过夹紧装置A（12）和夹紧装置B（13）夹紧并通过加载机构（17）施加拉力，使得金属板料（1）紧紧贴在滚柱（4）上；往复电机一（15）的转动经传动机构一（14）后变成直线运动形式，运动依次传递给夹紧装置A（12）和金属板料（1），往复电机二（19）的转动经传动机构二（20）转变后变成直线运动，运动依次传递给夹紧装置B（13）和金属板料（1），从而金属板料（1）与滚柱（4）之间相对运动；当金属板料（1）在滚柱（4）上滑动的时候，板料从探针传感器（3）上滑过，探针传感器（3）将所受法向力和切向力的力信号转换成了电信号，将此电信号经电桥箱（8）、应变仪（9）、A/D转换器（10）之后转换成被计算机（11）处理的数字信号，通过计算机（11）实时记录法向力和切向力的数据，最终得到不同区域摩擦系数随时间的变化曲线；电机停止运转之后卸下滚柱，测量滚柱的磨损状况。

5.根据权利要求4所述的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

A、选定45钢圆柱滚柱（4），对表面进行激光毛化处理；

B、将经过激光毛化处理后的滚柱（4）安装到支架（5）上，将金属板料（1）置于滚柱（4）表面之上，通过夹紧装置A（12）和夹紧装置B（13）夹持金属板料（1）的两端；

C、通过调节机构一（16）调节夹紧装置A（12）、调节机构二（18）调节夹紧装置B（13），改变金属板料（1）在垂直和水平两个方向上的位置，直到金属板料（1）与滚柱（4）的接触包角

达到

=60°即可，并通过加载机构在金属板料（1）的两端施加100

拉力，使得金属板料（1）按照所需载荷紧紧贴在滚柱（4）的表面；

D、通过控制系统设定往复电机一（15）、往复电机二（19）的转速分别为1000r/min，运转时间为30min，开启计算机，锁紧安装在支架（5）上的主轴（6），以限制滚柱（4）在周向上的运动；

E、首先往复电机一（15）先工作，金属板料（1）沿着滚柱（4）逆时针向上滑行，此时往复电机二（19）不工作；达到所设时间后，往复电机一（15）停止工作，往复电机二（19）开始工作，板料（1）沿着滚柱（4）顺时针向下滑行，如此往复运动，直到达到设定的检测时间，在运动的过程中，通过探针传感器（3）将检测到的接触面上的法向力和切向力的力信号转换成电信号，将此电信号经电桥箱（8）、应变仪（9）、A/D转换器（10）之后转换成能被计算机（11）处理的数字信号，通过计算机（11）实时对法向力和切向力的数据进行处理，最终得到不同区域摩擦系数随时间的变化曲线，即得到不同时刻摩擦系数的分布情况；

F、当进行到设定时间30min后，将往复电机关闭，完成滚柱表面摩擦特性的检测。

6.根据权利要求4所述的一种经强化处理的曲面摩擦特性检测方法，其特征在于，对滚柱表面进行激光毛化处理，毛化点的微观尺寸为：球冠状形貌，微凸体高度0~10

，微凸起直径100~200

，微凹腔深度1~10

，毛化点轴向和轴向分布300

~1000

。

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