CN103323391B - 一种双动式摩擦系数测定装置及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双动式摩擦系数测定装置及其测定方法，属于材料加工技术领域。实验时先将坯料装在挤压筒内，在高温加热炉内通入保护性气体，然后将工作部分加热到预定温度；利用下动力部分的作用，通过挤压杆使坯料发生镦粗变形而产生一定的压力；再利用上动力部分的作用，通过上压杆将挤压筒推下，同时测得推筒过程的载荷行程曲线，计算出坯料与挤压筒之间的摩擦剪应力；当挤压筒完全脱离坯料后，将上压杆直接接触上挡筒顶盖，利用上动力部分将坯料压缩，得到坯料的应力应变曲线和此变形条件下的流动应力σ_s，再由K=0.577σ_s得到材料的最大剪应力值K；进而由常摩擦力公式τ=mK计算出摩擦系数m。本发明解决了不同温度、压力条件下挤压变形的摩擦系数测定问题。

Description

一种双动式摩擦系数测定装置及其测定方法

技术领域

本发明涉及一种双动式摩擦系数测定装置及其测定方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

在金属塑性变形过程中，在使用相同工模具的条件下，变形力的大小主要取决于金属的变形抗力，和金属与模具之间的摩擦系数，因此在成型设备设计和选用、材料成型工艺计算以及金属塑性成型有限元分析过程中就特别需要这两个参数的准确值。目前测定摩擦系数的方法中，圆环镦粗法最为常用，应用这一方法的前提是要有准确的线图，与此同时，金属在变形时出现的鼓肚、环孔不圆等现象，也会影响结果的准确性，并且这一方法测定的摩擦系数不适用于挤压变形。浮动凹模的实验装置可以测定挤压变形的摩擦系数。在挤压过程中，挤压力突变是由浮动凹模筒部分的摩擦阻力所引起的，因此，将此突变值进行理论分析便可得出摩擦系数。但该实验装置不能将变形金属在特定条件下的流动应力准确的测出来，进而不能保证摩擦系数测量的准确性。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种双动式摩擦系数测定装置及其测定方法。

本发明的技术手段如下：

一种双动式摩擦系数测定装置；包括上动力部分、下动力部分、工作部分和支撑部分。上动力部分包括材料性能测试仪、热气挡板、上水冷装置以及联接螺钉；下动力部分包括液压缸、压力传感器以及下水冷装置；工作部分放置在高温加热炉内，工作部分包括上压杆、上挡筒、上挡筒顶盖、挤压筒、挤压杆、挤压杆顶杆、下挡筒、固定柱销、坯料、可拔柱销；支撑部分包括上支撑板、下支撑板、支撑螺杆、紧固螺栓；下支撑板上设置两个支撑螺杆，支撑螺杆上固定支撑板，两个支撑螺杆之间及上支撑板的下部设置液压缸，液压缸上设置压力传感器，压力传感器上设置挤压杆顶杆，挤压杆顶杆的上端部为挤压杆，挤压杆上放置坯料和挤压筒，挤压筒上设置上挡筒顶盖，上挡筒顶盖与上挡筒通过可拔柱销联接，上挡筒通过固定柱销与下挡筒联接，下挡筒由紧固螺栓固定在上支撑板上。挤压筒上设置上压杆，上压杆通过联接螺钉联接在上水冷装置上，上水冷装置固定在材料性能测试仪上，材料性能测试仪下端设置热气挡板。

一种双动式摩擦系数测定装置测定摩擦系数方法：

第一步：将坯料装在挤压筒内，在高温加热炉内通入保护性气体，启动高温加热炉，将工作部分加热到预定温度；

第二步：由于下动力部分的作用，使挤压杆(9)向上运动，使坯料(20)发生镦粗变形，并形成一定的压力P1；

第三步：当坯料镦粗在挤压筒内后，由于上动力部分的作用，使得上压杆穿过上挡筒顶盖的两个孔将挤压筒推下；再通过上动力部分的材料性能测试仪得到推筒过程的载荷行程曲线，则坯料与挤压筒之间的摩擦剪应力：

$\mathrm{\τ}=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πd}(L_b-L_a)}\left(\mathrm{MPa}\right)$

式中：F_a－A点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N;

F_b－B点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N;

L_a－A点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm;

L_b－B点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm;

第四步：当挤压筒完全脱离坯料后，将可拔柱销拔除，旋转上压杆，使上压杆直接接触上挡筒顶盖，用上动力部分将坯料压缩;通过得到的载荷行程曲线分析出其应力应变曲线，并得到坯料在此变形条件下的流动应力σ_s，再根据米赛斯屈服条件K=0.577σ_s，得到材料的最大剪应力值K。

第五步：根据常摩擦条件，其摩擦剪应力τ的表达式为：

τ=mK.

则可确定摩擦系数：

$m=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πdK}(L_b-L_a)}.$

附图说明

图1是本发明测定摩擦系数方法的第二步示意图。

图2是本发明测定摩擦系数方法的第三步示意图。

图3是本发明测定摩擦系数方法的第四步示意图。

图4是本发明的结构剖视简图。

图中：1.材料性能测试仪，2.热气挡板，3.上水冷却装置，4.联接螺钉，5.上压杆，6.上挡筒，7.上挡筒顶盖，8.挤压筒，9.挤压杆，10.挤压杆顶杆，11.下挡筒，12.上支撑板，13.下水冷却装置，14.压力传感器，15.液压缸，16.下支撑板，17.支撑螺杆，18.紧固螺栓，19.固定注销炉，20.坯料，21.可拔柱销，22.高温加热炉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图4所示：一种双动式摩擦系数测定装置包括上动力部分、下动力部分、工作部分和支撑部分。上动力部分包括材料性能测试仪1、热气挡板2、上水冷装置3以及联接螺钉4；下动力部分包括液压缸15、压力传感器14以及下水冷装置13；工作部分放置在高温加热炉22内，工作部分包括上压杆5、上挡筒（6）、上挡筒顶盖7、挤压筒8、挤压杆9、挤压杆顶杆10、下挡筒（11）、固定柱销19、坯料20、可拔柱销21；支撑部分包括上支撑板12、下支撑板16、支撑螺杆17、紧固螺栓18；下支撑板16上设置两个支撑螺杆17，支撑螺杆17上固定支撑板12，两个支撑螺杆17之间及上支撑板12的下部设置液压缸15，液压缸15上设置压力传感器14，压力传感器14上设置挤压杆顶杆10，挤压杆顶杆10的上端部为挤压杆9，挤压杆9上放置坯料20和挤压筒8，挤压筒8上设置上挡筒顶盖7，上挡筒顶盖7与上挡筒6通过可拔柱销21联接，上挡筒6通过固定柱销19与下挡筒11联接，下挡筒11由紧固螺栓18固定在上支撑板12上。挤压筒8上设置上压杆5，上压杆5通过联接螺钉4联接在上水冷装置3上，上水冷装置3固定在材料性能测试仪1上，材料性能测试仪1下端设置热气挡板2。

一种双动式摩擦系数测定装置测定摩擦系数方法：

第一步：将坯料20装在挤压筒8内，在高温加热炉22内通入保护性气体，启动高温加热炉22，将工作部分加热到预定温度；

图1所示：第二步：由于下动力部分的作用，使挤压杆(9)向上运动，使坯料(20)发生镦粗变形，并形成一定的压力P1：

图2所示：第三步：当坯料20镦粗在挤压筒(8)内后，由于上动力部分的作用，使得上压杆5穿过上挡筒顶盖7的两个孔将挤压筒推下；再通过上动力部分的材料性能测试仪得到推筒过程的载荷行程曲线，则坯料20与挤压筒8之间的摩擦剪应力：

$\mathrm{\τ}=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πd}(L_b-L_a)}\left(\mathrm{MPa}\right)$

式中：F_a－A点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N;

F_b－B点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N;

L_a－A点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm;

L_b－B点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm;

图3所示：第四步：当挤压筒8完全脱离坯料20后，将可拔柱销21拔除，旋转上压杆5，使上压杆直接接触上挡筒顶盖7，用上动力部分将坯料压缩;通过得到的载荷行程曲线分析出其应力应变曲线，并得到坯料在此变形条件下的流动应力σ_s，再根据米赛斯屈服条件K=0.577σ_s，得到材料的最大剪应力值K。

第五步：根据常摩擦条件，其摩擦剪应力τ的表达式为：

τ=mK.

则可确定摩擦系数：

$m=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πdK}(L_b-L_a)}.$

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双动式摩擦系数测定装置，其特征在于：包括上动力部分、下动力部分、工作部分和支撑部分；上动力部分包括材料性能测试仪(1)、热气挡板(2)、上水冷装置(3)以及联接螺钉(4)；下动力部分包括液压缸(15)、压力传感器(14)以及下水冷装置(13)；工作部分放置在高温加热炉(22)内，工作部分包括上压杆(5)、上挡筒(6)、上挡筒顶盖(7)、挤压筒(8)、挤压杆(9)、挤压杆顶杆(10)、下挡筒(11)、固定柱销(19)、坯料(20)、可拔柱销(21)；支撑部分包括上支撑板(12)、下支撑板(16)、支撑螺杆(17)、紧固螺栓(18)；下支撑板(16)上设置两个支撑螺杆(17)，支撑螺杆(17)上固定支撑板(12)，两个支撑螺杆(17)之间及上支撑板(12)的下部设置液压缸(15)，液压缸(15)上设置压力传感器(14)，压力传感器(14)上设置挤压杆顶杆(10)，挤压杆顶杆(10)的上端部为挤压杆(9)，挤压杆(9)上放置坯料(20)和挤压筒(8)，挤压筒(8)上设置上挡筒顶盖(7)，上挡筒顶盖(7)与上挡筒(6)通过可拔柱销(21)联接，上挡筒(6)通过固定柱销(19)与下挡筒(11)联接，下挡筒(11)由紧固螺栓(18)固定在上支撑板(12)上；挤压筒(8)上设置上压杆(5)，上压杆(5)通过联接螺钉(4)联接在上水冷装置(3)上，上水冷装置(3)固定在材料性能测试仪(1)上，材料性能测试仪(1)下端设置热气挡板(2)。

2.如权利要求1所述的一种双动式摩擦系数测定装置的测定摩擦系数方法：其特征在于：

第一步：将坯料(20)装在挤压筒(8)内，在高温加热炉(22)内通入保护性气体，启动高温加热炉(22)，将工作部分加热到预定温度；

第二步：由于下动力部分的作用，使挤压杆(9)向上运动，使坯料(20)发生镦粗变形，并形成一定的压力P1：

第三步：当坯料(20)镦粗在挤压筒(8)内后，由于上动力部分的作用，使得上压杆(5)穿过上挡筒顶盖(7)的两个孔将挤压筒推下；再通过上动力部分的材料性能测试仪得到推筒过程的载荷行程曲线，则坯料(20)与挤压筒(8)之间的摩擦剪应力：

$\mathrm{\τ}=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πd}(L_b-L_a)}\left(\mathrm{MPa}\right)$

式中：Fa－A点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N；

Fb－B点挤压筒所受的瞬时载荷，单位N；

La－A点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm；

Lb－B点挤压筒所受的瞬时位移，单位mm；

第四步：当挤压筒(8)完全脱离坯料(20)后，将可拔柱销(21)拔除，旋转上压杆(5)，使上压杆直接接触上挡筒顶盖(7)，用上动力部分将坯料压缩；通过得到的载荷行程曲线分析出其应力应变曲线，并得到坯料在此变形条件下的流动应力σs，再根据米赛斯屈服条件K＝0.577σs，得到材料的最大剪应力值K；

第五步：根据常摩擦条件，其摩擦剪应力τ的表达式为：

τ＝mK；

则可确定摩擦系数：

$m=\frac{1000(F_a-F_b)}{\mathrm{\πdK}(L_b-L_a)}.$