CN104198371A - 一种流体压力提供厚向应力作用的板材摩擦性能试验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置及其应用，该试验装置包括密闭箱体、拉伸装置、压力装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置。本发明所提出的试验装置采用更加均匀和准确的流体介质压力取代了传统的机械压力，能够提高试验结果的准确性及效率，本装置具有加热系统，能对试样进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小，不仅适用于材料在常温下的摩擦性能试验，也适用于材料在高温下的摩擦性能试验。

Description

一种流体压力提供厚向应力作用的板材摩擦性能试验装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种流体压力提供厚向应力作用的板材摩擦性能试验装置及其应用，属于热介质成形技术及材料试验技术领域。

背景技术

热介质成形技术是21世纪初期迅速发展起来的最具创新性的柔性成形技术。热介质成形是采用高温热流体介质作为传力介质，并以此代替部分模具成形零件的一种制造方法。热介质成形具有热成形与流体成形的双重优点，在流体压力诱导的厚向应力参与下，材料的塑性和延展性显著提高，屈服强度迅速下降，破裂倾向减小，鉴于这些优点，越来越多的研究者对热介质成形技术展开了更深入的研究工作，而在这个领域开展研究工作需要相应的实验装置。材料的摩擦性能影响其成形性能，而在热流体介质提供厚向应力作用的成形环境中对材料进行摩擦性能测试还是一个难题，也没有进行相应测试的试验装置。

常见的摩擦性能试验方法多种多样，试验装置五花八门，有时为了全面评价一种材料的摩擦磨损性能，需要同时配置多台不同用途的试验机。南京航空航天大学研制了一种多功能摩擦试验机，该试验机分别夹持上试样和下试样，通过加载杆对上试样施加外加载荷，夹持下试样的夹头连接主轴，主轴转动使上试样和下试样产生摩擦。这是常规的摩擦性能试验方法，不适用于流体压力提供厚向应力作用下的板材摩擦性能测试，且对高温环境下材料的摩擦性能测试不具备通用性。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前没有专门的试验装置能够测试高温环境下材料的摩擦性能，也没有专门的试验装置能够测试流体压力提供厚向应力作用下板材的摩擦性能的问题，提出了一种流体压力提供厚向应力作用的板材摩擦性能试验装置，该装置在试验过程中，流体介质能够为板材提供厚向应力。

一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，包括密闭箱体、拉伸装置、压力装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置；

密闭箱体包括箱体、箱体盖板和垫块；箱体中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，上部凹腔设有拉伸杆安装孔，箱体盖板和箱体固定连接，箱体盖板与箱体之间设有高温密封圈，箱体盖板中间开孔，箱体底部固定垫块上，垫块安装固定在机架上；

拉伸装置包括拉伸缸、拉伸缸活塞、拉伸杆、支撑块、连接器、模具和固定模块；拉伸杆水平穿透箱体的拉伸杆安装孔，拉伸杆在箱体外与拉伸缸活塞连接，活塞设置于拉伸缸中，拉伸杆在箱体内通过连接器与模具连接，连接器固定连接在模具外壁上；拉伸缸固定连接在机架上；支撑块固定在箱体外壁上，用于支撑拉伸杆；模具位于箱体的凹腔居中位置，模具底部有滑轮，模具采用上表面开口，内部空腔的结构，其上表面开槽放置可更换的固定模块，固定模块与模具采用螺钉连接，下试样固定在模块上，模具内部是工作油腔，其侧面设置有高压油口；

压力装置包括压力缸、压力缸活塞、压杆、支撑块和夹具；压杆竖直穿透箱体盖板的中间开孔，压杆在箱体外与压力缸活塞连接，活塞设置于压力缸中，压杆在箱体内与夹具相连；压力缸位于密闭箱体的上方处，并与上部机架连接；支撑块固定在箱体盖板上，用于支撑压杆；夹具用于夹持上试样；

流体压力系统包括流体压力产生装置和溢流阀；流体压力产生装置包括低压腔和高压腔，高压腔通过高压管路与工作油腔相连，低压腔与溢流阀连接，通过设定溢流阀的压力，间接控制工作油腔中的压力；流体压力产生装置将高压流体压入工作油腔；

加热系统包括保温层、加热单元和防溅隔板；保温层、加热单元和防溅隔板依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板与上部凹腔的内部侧壁、底部壁板分别进行固定，用于防止高压流体与加热单元接触；加热单元安装在保温层与防溅隔板之间；

在箱体壁上开出冷却水孔，通循环冷却水对箱体外壁进行冷却，形成冷却系统；

压力测量系统包括压力传感器和压力测量装置；压力传感器安装在拉伸杆上，用于测量试验时对模具施加的拉力；压力测量装置通过高压管路与模具的工作油腔相通，固定在箱体外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力；

温度测量装置固定在箱体外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量模具工作油腔中的实际温度；

数据采集和处理装置通过线路分别与压力测量系统、温度测量装置连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。

应用上述装置在常温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作上试样和下试样；将固定模块固定在模具上，下试样焊接在固定模块上，上试样通过夹具夹持；

步骤二：驱动压边缸，压边缸产生压力使上试样与下试样紧密接触；盖上箱体盖板，盖板和箱体之间用高温密封圈密封，将盖板和箱体固定，保证箱体凹腔密闭；

步骤三：开启数据采集和处理装置；开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满模具的工作油腔，流体压力作用在下试样下表面，为板材提供厚向应力环境；

步骤四：驱动拉伸缸，拉伸缸产生拉力拉动模具和下试样移动，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验停止；

步骤五：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸，关闭流体压力产生装置，对模具工作油腔进行泄压，驱动压力缸回程，夹具和上试样上升；打开箱体盖板，取出下试样；工作油腔内的油液回流并收集，试验完成。

应用上述装置在高温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作上试样和下试样；将固定模块固定在模具上，下试样焊接在固定模块上，上试样通过夹具夹持；

步骤二：驱动压边缸，压边缸产生压力使上试样与下试样紧密接触；盖上箱体盖板，盖板和箱体之间用高温密封圈密封，将盖板和箱体固定，保证箱体凹腔密闭；

步骤三：开启流体压力产生装置，将低压油液注入模具工作油腔后关闭流体压力产生装置；开启加热系统，通过热传导加热低压油液、上试样和下试样；

步骤四：开启数据采集和处理装置；再次开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满模具的工作油腔，流体压力作用在下试样下表面，为板材提供厚向应力环境；同时开启冷却系统，对箱体进行冷却；

步骤五：驱动拉伸缸，拉伸缸产生拉力拉动模具和下试样移动，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验停止；同时温度测量装置采集工作油腔实时温度；

步骤六：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸，关闭加热系统和流体压力产生装置，对模具工作油腔进行泄压，驱动压力缸回程，夹具和上试样上升；

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板，取出下试样；工作油腔内的油液回流并收集，关闭冷却系统，试验完成。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的试验装置能够测量板材在热介质提供厚向应力作用下的摩擦性能，试验中所使用的高压油液能对板材提供厚向应力，且油液压力值能够根据试验需要进行实时调节；

(2)本发明所述的试验装置具有加热系统，能够对油液和板材试样进行加热和保温，其升温快，温度可调节，控制精度高；

(3)本发明所述的试验装置能够根据在不同温度、不同液体压力情况下所得出的摩擦系数值，进一步总结出温度、压力值对板材摩擦性能的影响规律；

(4)本发明所述的装置不仅适用于材料在常温下的摩擦性能测试，也适用于材料在高温下的摩擦性能测试。

附图说明

图1是本发明的板材摩擦性能试验装置的结构示意图；

图中：

1—压力测量装置           2—数据采集装置         3—温度测量装置

4—垫块                   5—滑轮                 6—防溅隔板

7—加热单元               8—保温层               9—连接器

10—拉伸缸                11—拉伸缸活塞          12—压力传感器

13—拉伸杆                14，20—支撑块          15—高温密封圈

16—箱体盖板              17—压力缸活塞          18—压力缸

19—压杆         21—夹具                  22—螺栓

23—螺母         24—上试样                25—固定模块

26—沉头螺钉     27—下试样                28—模具

29—冷却水孔     30—箱体                  31—高压油口

32—高压腔       33—流体压力产生装置      34—低压腔

35—溢流阀

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，包括密闭箱体、拉伸装置、压力装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置3和数据采集处理装置2。

密闭箱体包括箱体30、箱体盖板16和垫块4；

箱体30中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，用来固定和安装加热系统，上部凹腔设有拉伸杆安装孔，与拉伸杆13配合；箱体盖板16和箱体30通过螺栓22和螺母23固定，箱体盖板16与箱体30之间设有高温密封圈15。箱体盖板16中间开孔便于压杆19通过；箱体30底部固定垫块4上，垫块4安装固定在机架上。

拉伸装置包括拉伸缸10、拉伸缸活塞11、拉伸杆13、支撑块14、连接器9、模具28和固定模块25；

拉伸杆13水平穿透箱体30的拉伸杆安装孔，并与箱体30的连接处进行密封处理，拉伸杆13在箱体外与拉伸缸活塞11连接，活塞11设置于拉伸缸10中，拉伸杆13在箱体30内通过连接器9与模具28连接，拉伸杆13与连接器9通过螺栓螺母连接，连接器9通过焊接固定在模具28外壁上；拉伸缸10通过螺栓固定在机架上；支撑块14通过焊接固定在箱体30外壁上，用于支撑拉伸杆13；模具28位于箱体30的凹腔居中位置，模具底部有滑轮5，可在箱体30底部内侧表面滑动，模具28采用上表面开口，内部空腔的结构，其上表面开槽用来放置可更换的固定模块25，固定模块25与模具28用沉头螺钉26连接，下试样27焊接在固定模块25上，模具28内部是工作油腔，其侧面偏下位置设置有高压油口31。

压力装置包括压力缸18、压力缸活塞17、压杆19、支撑块20和夹具21；

压杆19竖直穿透箱体盖板16的中间开孔，并与箱体盖板16的连接处进行密封处理，压杆19在箱体30外与压力缸活塞17连接，活塞17设置于压力缸18中，压杆19在箱体30内与夹具21相连；压力缸18位于密闭箱体的上方处，并与上部机架通过螺栓连接在一起；支撑块20通过焊接固定在箱体盖板16上，用于支撑压杆19；夹具21用于夹持上试样24。

流体压力系统包括流体压力产生装置33和溢流阀35；

流体压力产生装置33包括低压腔34和高压腔32，高压腔32通过高压管路与工作油腔相连，流体压力产生装置33能将高压流体压入工作油腔；低压腔34与溢流阀35连接，通过设定溢流阀35的压力，间接控制工作油腔中的压力。

加热系统包括保温层6、加热单元7和防溅隔板8；

保温层6、加热单元7和防溅隔板8依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板8与上部凹腔的内部侧壁、底部壁板分别进行固定，用于防止高压流体与加热单元7接触；保温层6用于减少热量向箱体外的散失；加热单元7安装在保温层6与防溅隔板8之间。加热单元7用于给工作油腔加热。

在箱体30壁上开出冷却水孔29，通循环冷却水对箱体30外壁进行冷却，形成冷却系统。

压力测量系统包括压力传感器12和压力测量装置1；

压力传感器12安装在拉伸杆13上，用于测量试验时对模具28施加的拉力；压力测量装置1通过高压管路与模具28的工作油腔相通，用螺栓固定在箱体30外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力。

温度测量装置3用螺栓固定在箱体30外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量模具28工作油腔中的实际温度。

数据采集和处理装置2通过线路分别与压力测量系统、温度测量装置3连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。

所述的加热单元采用加热管或电阻丝。

所述的流体压力产生装置和溢流阀设置1～2套。

所述的流体压力产生装置为增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。

所述的拉伸缸为伺服油缸。

所述的压力缸为伺服油缸、普通油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。

应用本发明提出的流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置在常温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作出一定形状、大小的上试样24和下试样27。将固定模块25固定在模具28上，下试样27焊接在固定模块25上，上试样24通过夹具21夹持。

步骤二：驱动压边缸18，压边缸18产生压力使上试样24与下试样27紧密接触；盖上箱体盖板16，盖板16和箱体30之间用高温密封圈15密封，使用螺栓22和螺母23将盖板16和箱体30固定起来，保证箱体30凹腔密闭。

步骤三：开启数据采集和处理装置2；开启流体压力产生装置33，调节溢流阀35压力，使高压流体充满模具28的工作油腔，流体压力作用在下试样27下表面，为板材提供厚向应力环境。

步骤四：驱动拉伸缸10，拉伸缸10产生拉力拉动模具28和下试样27移动，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验可停止。步骤五：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸10，关闭流体压力产生装置33，对模具28工作油腔进行泄压，驱动压力缸18回程，夹具21和上试样24上升；打开箱体盖板16，取出下试样27；工作油腔内的油液回流并收集，试验完成。

应用本发明提出的流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置在高温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作出一定形状、大小的上试样24和下试样27。将固定模块25固定在模具28上，下试样27焊接在固定模块25上，上试样24通过夹具21夹持。

步骤二：驱动压边缸18，压边缸18产生压力使上试样24与下试样27紧密接触；盖上箱体盖板16，盖板16和箱体30之间用高温密封圈密封15，使用螺栓22和螺母23将盖板16和箱体30固定起来，保证箱体30凹腔密闭。

步骤三：开启流体压力产生装置33，将一定量的低压油液注入模具28工作油腔后关闭流体压力产生装置33；开启加热系统，通过热传导加热低压油液、上试样24和下试样27。

步骤四：开启数据采集和处理装置2；再次开启流体压力产生装置33，调节溢流阀35压力，使高压流体充满模具28的工作油腔，流体压力作用在下试样27下表面，为板材提供厚向应力环境；同时开启冷却系统，对箱体30进行冷却。

步骤五：驱动拉伸缸10，拉伸缸10产生拉力拉动模具28和下试样移动27，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验可停止；同时温度测量装置3采集工作油腔实时温度。

步骤六：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸10，关闭加热系统和流体压力产生装置33，对模具28工作油腔进行泄压，驱动压力缸18回程，夹具21和上试样24上升。

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板16，取出下试样27；工作油腔内的油液回流并收集，关闭冷却系统，试验完成。

Claims (10)

1.一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，包括密闭箱体、拉伸装置、压力装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置； 

密闭箱体包括箱体、箱体盖板和垫块；箱体中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，上部凹腔设有拉伸杆安装孔，箱体盖板和箱体固定连接，箱体盖板与箱体之间设有高温密封圈，箱体盖板中间开孔，箱体底部固定垫块上，垫块安装固定在机架上； 

拉伸装置包括拉伸缸、拉伸缸活塞、拉伸杆、支撑块、连接器、模具和固定模块；拉伸杆水平穿透箱体的拉伸杆安装孔，拉伸杆在箱体外与拉伸缸活塞连接，活塞设置于拉伸缸中，拉伸杆在箱体内通过连接器与模具连接，连接器固定连接在模具外壁上；拉伸缸固定连接在机架上；支撑块固定在箱体外壁上，用于支撑拉伸杆；模具位于箱体的凹腔居中位置，模具底部有滑轮，模具采用上表面开口，内部空腔的结构，其上表面开槽放置可更换的固定模块，固定模块与模具采用螺钉连接，下试样固定在模块上，模具内部是工作油腔，其侧面设置有高压油口； 

压力装置包括压力缸、压力缸活塞、压杆、支撑块和夹具；压杆竖直穿透箱体盖板的中间开孔，压杆在箱体外与压力缸活塞连接，活塞设置于压力缸中，压杆在箱体内与夹具相连；压力缸位于密闭箱体的上方处，并与上部机架连接；支撑块固定在箱体盖板上，用于支撑压杆；夹具用于夹持上试样； 

流体压力系统包括流体压力产生装置和溢流阀；流体压力产生装置包括低压腔和高压腔，高压腔通过高压管路与工作油腔相连，低压腔与溢流阀连接，通过设定溢流阀的压力，间接控制工作油腔中的压力；流体压力产生装置将高压流体压入工作油腔； 

加热系统包括保温层、加热单元和防溅隔板；保温层、加热单元和防溅隔板依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板与上部凹腔的内部侧壁、底部壁板分别进行固定，用于防止高压流体与加热单元接触；加热单元安装在保温层与防溅隔板之间； 

在箱体壁上开出冷却水孔，通循环冷却水对箱体外壁进行冷却，形成冷却系统； 

压力测量系统包括压力传感器和压力测量装置；压力传感器安装在拉伸杆上，用于测量试验时对模具施加的拉力；压力测量装置通过高压管路与模具的工作油腔相通，固定在箱体外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力； 

温度测量装置固定在箱体外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量模具工作油腔中的实际温度； 

数据采集和处理装置通过线路分别与压力测量系统、温度测量装置连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。 

2.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的拉伸杆与箱体的连接处进行密封处理。 

3.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的压杆与箱体盖板的连接处进行密封处理。 

4.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的加热单元采用加热管或电阻丝。 

5.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的流体压力产生装置和溢流阀设置1～2套。 

6.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的流体压力产生装置为增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。 

7.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的拉伸缸为伺服油缸。 

8.根据权利要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的压力缸为伺服油缸、普通油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。 

9.应用权利要求1装置在常温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤： 

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作上试样和下试样；将固定模块固定在模具上，下试样焊接在固定模块上，上试样通过夹具夹持； 

步骤二：驱动压边缸，压边缸产生压力使上试样与下试样紧密接触；盖上箱体盖板，盖板和箱体之间用高温密封圈密封，将盖板和箱体固定，保证箱体凹腔密闭； 

步骤三：开启数据采集和处理装置；开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满模具的工作油腔，流体压力作用在下试样下表面，为板材提供厚向应力环境； 

步骤四：驱动拉伸缸，拉伸缸产生拉力拉动模具和下试样移动，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验停止； 

步骤五：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸，关闭流体压力产生装置，对模具工作油腔进行泄压，驱动压力缸回程，夹具和上试样上升；打开箱体盖板，取出下试样；工作油腔内的油液回流并收集，试验完成。 

10.应用权利要求1装置在高温下进行材料摩擦性能试验的方法，包括以下几个步骤： 

步骤一：根据试验需要和模具尺寸，制作上试样和下试样；将固定模块固定在模具上，下试样焊接在固定模块上，上试样通过夹具夹持； 

步骤二：驱动压边缸，压边缸产生压力使上试样与下试样紧密接触；盖上箱体盖板，盖板和箱体之间用高温密封圈密封，将盖板和箱体固定，保证箱体凹腔密闭； 

步骤三：开启流体压力产生装置，将低压油液注入模具工作油腔后关闭流体压力产生装置；开启加热系统，通过热传导加热低压油液、上试样和下试样； 

步骤四：开启数据采集和处理装置；再次开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满模具的工作油腔，流体压力作用在下试样下表面，为板材提供厚向应力环境；同时开启冷却系统，对箱体进行冷却； 

步骤五：驱动拉伸缸，拉伸缸产生拉力拉动模具和下试样移动，实时采集试验过程中工作油腔的压力和试验拉力的大小，两个数值的波动保持稳定时，试验停止；同时温度测量装置采集工作油腔实时温度； 

步骤六：完成摩擦性能试验，停止驱动拉伸缸，关闭加热系统和流体压力产生装置，对模具工作油腔进行泄压，驱动压力缸回程，夹具和上试样上升； 

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板，取出下试样；工作油腔内的油液回流并收集，关闭冷却系统，试验完成。