CN105510166A - 板带式高温摩擦磨损试验机及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种板带式高温摩擦磨损试验机及其试验方法，板带式高温摩擦磨损试验机主要由加热炉、加载装置和拉伸装置组成，拉伸装置由滚珠丝杠与电机组成，加载装置位于加热炉和拉伸装置之间，电机通过一个联轴器与滚珠丝杠连接。本发明研究板带在热冲压过程中的摩擦磨损性能，同时在摩擦滑动过程中实现高温板带的快速冷却，从而促使板带从高温奥氏体状态向马氏体转化。

Description

板带式高温摩擦磨损试验机及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验机及其试验方法，特别是涉及一种板带式高温摩擦磨损试验机及其试验方法。

背景技术

目前，国内对于金属板带在热冲压中的摩擦磨损行为的研究还较少，已有的一种高温摩擦磨损试验机专利是由嘉兴职业技术学院申请的，专利公开号为CN103364296A，其试验机包括机架，机架上设置有转轴，转轴的顶端具有托盘，托盘的表面固定有摩擦盘；试验机还包括高温炉，高温炉内开设有加热腔，加热腔的底部开设有一个开口，托盘位于开口外，摩擦盘位于加热腔内；专利公开号为CN103364296A的试验机所涉及摩擦试验机是为转轴托盘式，适用于旋转类的高温销盘式摩擦试验，无法模拟板带式坯料与模具之间的摩擦行为。南京林业大学发明的一种多功能摩擦磨损试验机，专利公开号为CN104655511A，其试验机包括上摩擦副联接座、旋转主轴、旋转盘下摩擦副组件、旋转盘下摩擦副等；专利公开号为CN104655511A的试验机所涉及试验机亦为销盘旋转式摩擦试验机，但不能进行高温下的摩擦磨损试验。本专利发明人曾经提交过“薄金属板带摩擦耦合变形试验装置”（专利公开号为CN101266201A）的专利申请，实现了往复式板带与压头之间的摩擦行为，但该设计仅适用于常温环境，无法进行高温下的板带摩擦磨损试验。

为了研究板带在热冲压过程中的摩擦磨损性能，同时在摩擦滑动过程中实现高温板带的快速冷却（冷却速度>30k/秒），从而促使板带从高温奥氏体状态向马氏体转化，本发明提出了一种板带式高温摩擦磨损试验机，其测试温度可高达1000度，并且配有快速冷却系统，摩擦接触处压强施加范围为1-100MPa，摩擦速度范围为0.02mm/s-50mm/s，有效摩擦长度可达500mm。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种板带式高温摩擦磨损试验机及其试验方法，其研究板带在热冲压过程中的摩擦磨损性能，同时在摩擦滑动过程中实现高温板带的快速冷却（冷却速度>30k/秒），从而促使板带从高温奥氏体状态向马氏体转化。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，其主要由加热炉、加载装置和拉伸装置组成，拉伸装置由滚珠丝杠与电机组成，加载装置位于加热炉和拉伸装置之间，电机通过一个联轴器与滚珠丝杠连接。

优选地，所述电机采用步进电机。

优选地，所述加热炉长度为600mm，最高加热温度为1100℃。

优选地，所述加热炉内分布有六个长度为6mm、直径为4mm的陶瓷柱。

优选地，所述加载装置安装在一个支撑架上，支撑架的下方设有有一个固定底座，加载装置的底端通过一个摩擦头连接件与一个摩擦头连接，一个摩擦底座位于摩擦头和固定底座之间，摩擦头与摩擦底座间放置板带，摩擦头和摩擦底座上设有冷却孔。

优选地，所述板带与一个力传感器连接。

本发明还提供一种板带式高温摩擦磨损试验机的试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，试验机装配：将加热炉、加载装置和拉伸装置布置到位；

步骤二，板带装夹：板带放在平台上，板带一端在加热炉内，另一端与力传感器连接；

步骤三，电源和控制连接：接通电源，加热炉开始加热板带，力传感器接入电脑系统；

步骤四，当板带加热到所需温度，板带即被拉动一段距离，使被加热部分处于加载装置下并通过砝码施加一定压力，之后拉伸装置以一定速度拉动板带，同时通入冷却水进行高温板带的快速降温，从而实现摩擦过程中的高温奥氏体板带的马氏体相变，有效摩擦长度为500mm；

步骤五，试验完成后，可通过正压力和力传感器测得的摩擦力由电脑输出摩擦系数，其中该试验的正压力除了砝码施加的压力外，摩擦头和摩擦头连接件的重量同样作用在板带上，另外还有不加砝码时杠杆的自重所产生的力，因此，计算正压力时，摩擦头和摩擦头连接件的重量也应计算在内，杠杆本身产生的自重也计算在内，砝码施加的压力通过砝码的质量和杠杆比例换算得到。

本发明的积极进步效果在于：基于系统的摩擦学理论，本发明设计了一种可以模拟金属板带在热冲压过程中相变过程和摩擦磨损行为的试验机，用以研究热成型钢在热冲压过程中的相变行为和摩擦磨损性能。本发明研究板带在热冲压过程中的摩擦磨损性能，同时在摩擦滑动过程中实现高温板带的快速冷却（冷却速度>30k/秒），从而促使板带从高温奥氏体状态向马氏体转化。本发明针对热成型钢板带在成形过程中相变行为和与模具间的摩擦磨损问题，设计了有快速冷却系统的板带式高温摩擦磨损试验机，采用直接方法测得摩擦系数，用以研究热成型钢与热作模具钢在高温下的相变过程和摩擦磨损行为。为优化板带的相变行为和模具材料的摩擦磨损行为、延长模具使用寿命提供试验基础。

附图说明

图1为本发明板带式高温摩擦磨损试验机的原理图。

图2为本发明板带式高温摩擦磨损试验机的结构图。

图3为杠杆加载装置示意图。

图4为加热炉俯视图。

图5为加载装置施力部分示意图。

图6为摩擦头连接件示意图。

图7为摩擦头示意图。

图8为摩擦底座示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明板带式高温摩擦磨损试验机的结构图见图2，通过本试验机可以实现金属板带在高温下的摩擦，对热冲压成形过程中板带与模具间摩擦磨损行为进行研究。

本发明板带式高温摩擦磨损试验机主要由加热炉1、加载装置2和拉伸装置组成，拉伸装置由滚珠丝杠3与电机4组成，加载装置2位于加热炉1和拉伸装置之间，电机通过一个联轴器5与滚珠丝杠连接。电机采用步进电机。

如图4所示，加热炉长度为600mm，最高加热温度为1100℃，要求能将板带加热至1000℃。加热炉一端通透，可将板带放入。加热炉内分布有六个长度为6mm、直径为4mm的陶瓷柱，可支撑板带运动。加热炉底端加轮子，便于加热炉的移动。

加载装置采用杠杆加载方式，如图3所示，加载装置简单方便，保证试验中精确、稳定的加载，最大载荷为4000N。加载装置2安装在一个支撑架14上，支撑架14的下方设有一个固定底座11，加载装置2的底端通过一个摩擦头连接件16与一个摩擦头17连接，一个摩擦底座18位于摩擦头17和固定底座11之间，摩擦头17与摩擦头底座18间放置板带12，摩擦头17和摩擦底座18上设有冷却孔13。摩擦头与板带接触面积为40mm2，压强范围是1-100MPa。加载装置的杠杆阻力臂与动力臂的比为1/20，施力接触位置为圆头，如图5。加载装置施力于摩擦头连接件，摩擦头即对板带施加压力，摩擦头连接件的结构如图6所示，摩擦头的结构如图7所示，摩擦底座的结构如图8所示。板带12与一个力传感器6连接。

本发明板带式高温摩擦磨损试验机的试验方法包括以下步骤：

步骤一，试验机装配：将加热炉、加载装置和拉伸装置布置到位，具体是加热炉放置在加载装置的前方，加载装置后方为滚珠丝杠、联轴器和步进电机，中线对齐并调试试验机；

步骤二，板带装夹：板带放在平台上，板带一端在加热炉内，另一端与力传感器连接；

步骤三，电源和控制连接：接通电源，加热炉开始加热板带，力传感器接入电脑系统；

步骤四，当板带加热到所需温度，板带即被拉动一段距离，使被加热部分处于加载装置下并通过砝码施加一定压力，之后拉伸装置以一定速度拉动板带，同时通入冷却水进行高温板带的快速降温，从而实现摩擦过程中的高温奥氏体板带的马氏体相变，摩擦最大长度为500mm；

步骤五，试验完成后，可通过正压力和力传感器测得的摩擦力由电脑输出摩擦系数，其中该试验的正压力除了砝码施加的压力外，摩擦头和摩擦头连接件的重量同样作用在板带上，另外还有不加砝码时杠杆的自重所产生的力，因此，计算正压力时，摩擦头和摩擦头连接件的重量也应计算在内，杠杆本身产生的自重也计算在内，砝码施加的压力通过砝码的质量和杠杆比例换算得到。

该试验机用于模拟热冲压时板带与模具之间的摩擦磨损行为，采用最直接的方法计算摩擦系数。试验机使用计算机控制整个系统，可以记录正压力和摩擦力，每0.01s记录一个数据。试验机中所用加热炉底部装有轮子，方便加热炉的移动，摩擦头设计有通孔，可以通冷却液。

本发明的试验原理描述如下：首先长条形板带放在平台上，一端在加热炉内，另一端与力传感器相连，力传感器另一端固定在直线导轨滑块上，板带在加热炉内被加热到1000℃并保温一段时间，保证板带整体温度都达到1000℃。然后板带被拉动一段距离，使被加热部分处于加载装置下并施加一定压力，如图1所示，之后拉伸装置以一定速度拉动板带，同时通入冷却水进行高温板带的快速降温，从而实现摩擦过程中的高温奥氏体板带的马氏体相变，力传感器可记录拉力，板带为匀速直线运动，拉力即为摩擦力，有效摩擦长度为500mm。此时记录压力P和摩擦力F。摩擦系数为。

本发明板带式高温摩擦磨损试验机的部分参数如下：

（1）最大载荷：根据所用砝码不同，施加的载荷大小不同，可施加的最大载荷为4000N；

（2）滑动形式：单向滑动摩擦；

（3）滑动速率：由步进电机控制转速，通过滚珠丝杠将转动转化为直线运动，最大滑动速度为50mm/s；

（4）滑动行程：板带有效摩擦长度为500mm，考虑到加热炉与加载装置的距离，滑动行程为800mm。滚珠丝杠最大行程为1000mm。

Claims (7)

1.一种板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，其主要由加热炉、加载装置和拉伸装置组成，拉伸装置由滚珠丝杠与电机组成，加载装置位于加热炉和拉伸装置之间，电机通过一个联轴器与滚珠丝杠连接。

2.根据权利要求1所述的板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，所述电机采用步进电机。

3.根据权利要求1所述的板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加热炉长度为600mm，最高加热温度为1100℃。

4.根据权利要求1所述的板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加热炉内分布有六个长度为6mm、直径为4mm的陶瓷柱。

5.根据权利要求1所述的板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加载装置安装在一个支撑架上，支撑架的下方设有有一个固定底座，加载装置的底端通过一个摩擦头连接件与一个摩擦头连接，一个摩擦底座位于摩擦头和固定底座之间，摩擦头与摩擦底座间放置板带，摩擦头和摩擦底座上设有冷却孔。

6.根据权利要求5所述的板带式高温摩擦磨损试验机，其特征在于，所述板带与一个力传感器连接。

7.一种板带式高温摩擦磨损试验机的试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，试验机装配：将加热炉、加载装置和拉伸装置布置到位；

步骤二，板带装夹：板带放在平台上，板带一端在加热炉内，另一端与力传感器连接；

步骤三，电源和控制连接：接通电源，加热炉开始加热板带，力传感器接入电脑系统；

步骤四，当板带加热到所需温度，板带即被拉动一段距离，使被加热部分处于加载装置下并通过砝码施加一定压力，之后拉伸装置以一定速度拉动板带，同时通入冷却水进行高温板带的快速降温，从而实现摩擦过程中的高温奥氏体板带的马氏体相变，有效摩擦长度为500mm；

步骤五，试验完成后，可通过正压力和力传感器测得的摩擦力由电脑输出摩擦系数，其中该试验的正压力除了砝码施加的压力外，摩擦头和摩擦头连接件的重量同样作用在板带上，另外还有不加砝码时杠杆的自重所产生的力，因此，计算正压力时，摩擦头和摩擦头连接件的重量也应计算在内，杠杆本身产生的自重也计算在内，砝码施加的压力通过砝码的质量和杠杆比例换算得到。