CN107677594A - 一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法，包括底梁、液压系统和控制系统，底梁上设有滚珠丝杠、减速器、电机和摩擦试验装置，滚珠丝杠上套设有中横梁，中横梁上设有上夹头，上夹头用于与试样上端的连接固定，电机驱动滚珠丝杠转动，使上夹头沿滚珠丝杠移动，控制系统分别与液压系统、电机和摩擦试验装置连接，摩擦试验装置包括机箱、固定模具座、移动模具座和伺服油缸，固定模具座和移动模具座设置于试样的两侧，固定模具座和移动模具座上均设有模具，伺服油缸驱动移动模具座向固定模具座移动，使模具从两侧夹紧试样。实现检测金属薄板同标准模具间的滑动摩擦系数，所测得参数可以用于评价钢板的表面质量，具有很强的可操作性。

Description

一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法

技术领域

本发明涉及摩擦试验机技术领域，具体涉及一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法。

背景技术

摩擦广泛存在于实际生产与生活中，是固体力学和机械工程的研究重点之一。当两相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时，会在接触表面上产生阻碍相对运动的机械作用力，即为摩擦力，而相互摩擦的两物体称为摩擦副。按摩擦副的运动状态，摩擦可分为静摩擦和动摩擦，前者是指相互接触的两物体间有相对运动趋势并处于静止临界状态时的摩擦，后者是相互接触的两物体越过静止临界状态而发生相对运动时的摩擦。

摩擦系数则是指两接触表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力比值，摩擦系数通常和接触表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。依据运动的性质，可分为静摩擦系数和动摩擦系数。两接触表面在相对移动开始时的最大阻力为静摩擦力，与法向力的比值即为静摩擦系数。两接触表面以一定速度相对移动时的阻力，与法向力的比值即为动摩擦系数。需要强调的是，摩擦系数是与一组摩擦副相对应的，与组成摩擦副的两接触物体的材质和粗糙度相关，单纯讲某种材料的摩擦系数是没有意义的。

自上世纪90年代以来，国家先后在摩擦领域公布了五项相关标准，对于规范行业测试方法起到了很好的指导作用。但随着时间的推移，上述标准在执行的过程中逐渐暴露出了颇多不足之处，例如，汽车用制动器衬片标准(GB5763-1998)和汽车用离合器面片标准(GB/T5764-1998)与国外相关标准在技术观念、摩擦性能等级判定以及检测方法上存在较大差异，制约了我国摩擦材料向国外市场的出口；工业机械用石棉摩擦片标准(GB/T11834-2000)中对产品的命名中含有“石棉”二字，不合时宜；摩擦衬料的某些检测项目尚属空白；定速式摩擦试验机质量良莠不齐，比对性、重现性查；标准中某些条款已陈旧落后等。但对于金属薄板带摩擦性能的试验方法，目前还尚未有国际与国家标准，只有部分大型汽车企业和钢厂制定了相应的企业试验规范。因此，针对金属板料成形领域制定行业标准，通过试验方法准确地检测金属板料同模具之间的摩擦性能是十分必要的，对于规范各实验室之间的试验方法，以便于在统一条件下提供切实可用的试验结果具有非常重要的意义。在制定本标准时，充分贯彻了我国摩擦材料标准的修订原则：应反映行业技术水平，能促进技术进步，有利行业发展，同时要结合汽车工业形势，考虑到与汽车行业配套要求标准的对接问题。

“金属材料薄板和薄带摩擦系数试验方法”(Metallic Materials Sheet andStrip Method for Coefficient of Friction)的标准主要针对汽车行业金属板料成形领域，其它行业参考使用。该试验方法旨在鉴定冲压钢板与冲压模具之间的接触性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法，实现检测金属薄板同标准模具间的滑动摩擦系数，所测得参数可以用于评价钢板的表面质量，也可以直接用于数值模拟软件中进行零件的设计和冲压工艺的调整，具有很强的可操作性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机，包括底梁、液压系统和控制系统，底梁上设有滚珠丝杠、减速器、电机和摩擦试验装置，滚珠丝杠竖直设置于摩擦试验装置的一侧，电机通过减速器与滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠上套设有中横梁，中横梁上设有上夹头，上夹头用于与试样的上端连接固定，电机通过减速器带动滚珠丝杠转动，使上夹头随中横梁沿滚珠丝杠上下移动，控制系统分别与液压系统、电机和摩擦试验装置连接；

其中，摩擦试验装置包括机箱、固定模具座、移动模具座和伺服油缸，固定模具座和移动模具座分别设置于试样的两侧，固定模具座固设于机箱上，移动模具座通过拉压传感器与伺服油缸连接，伺服油缸固设于机箱上，固定模具座和移动模具座上均设有模具，伺服油缸驱动移动模具座向固定模具座移动，使模具从两侧压紧试样，液压系统与伺服油缸连接，为其提供油压，拉压传感器和伺服油缸分别与控制系统连接。

按照上述技术方案，摩擦试验装置还包括下夹头和夹紧油缸，下夹头和夹紧油缸均固设于机箱上，布置于固定模具座的下方，夹紧油缸设置于下夹头的一侧，夹紧油缸将试样的下端压紧夹持于下夹头上。

按照上述技术方案，机箱上还设有直线导轨，固定模具座和移动模具座均设置于直线导轨上，固定模具座通过螺栓与机箱连接固定，松开螺栓后固定模具座可沿直线导轨移动调整，伺服油缸带动移动模具座沿直线导轨移动。

按照上述技术方案，固定模具座与机箱之间设有调整块。

按照上述技术方案，滚珠丝杠上设限位机构。

按照上述技术方案，控制系统包括计算机和伺服控制系统，计算机与伺服控制系统连接，伺服控制系统分别与拉压传感器、伺服油缸、电机和夹紧油缸连接。

按照上述技术方案，计算机连接有打印机和显示器。

一种采用以上所述的试验机的摩擦系数试验方法，包括以下步骤：

1)将试样固定于摩擦系数试验机上；

2)伺服油缸驱动模具压紧试样，在试样上面施加一定的压紧力；

3)上夹头带动试样移动，使试样的移动速度达到80～120mm/min，让试样的摩擦带在模具间通过一次；

4)重复步骤2～3)，使试样连续往复移动，直至试样的摩擦带在模具间往复通过8～12次。

按照上述技术方案，所述的步骤1)之前，还包括以下步骤：

a)将试样的一部分作为工作段，将工作段浸入超声波箱内，并放置一段时间；

b)将试样的工作段浸没于油中，将试样垂直竖立一段时间使油沥干；

c)将模具的工作面用砂纸彻底打磨，并用酒精擦干；

d)将模具固定到摩擦试验机的对应位置

e)对两个模具和试样均用平整油作适度润滑。

按照上述技术方案，所述的工作段占试样总长度的3/4。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机及方法，通过传感器实时采集摩擦试验过程中的力值及位移信号，实现检测金属薄板同标准模具间的滑动摩擦系数，尤其适用于板厚为0.2～2mm的金属薄板，所测得参数可以用于评价钢板的表面质量，也可以直接用于数值模拟软件中进行零件的设计和冲压工艺的调整，具有很强的可操作性，适应了当前力学性能试验技术向全面、细致、准确而且可靠测量方向发展的要求。

附图说明

图1是本发明实施例中金属薄板带滑动摩擦系数试验机的结构示意图；

图2是本发明实施例中摩擦试验装置的主视图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明实施例一中摩擦系数试验时数据采集线条图；

图5是本发明实施例二中采用平模进行摩擦系数试验时数据采集线条图；

图6是本发明实施例二中采用凸模进行摩擦系数试验时数据采集线条图；

图中，1-液压系统，2-滚珠丝杠，3-上夹头，4-中横梁，5-限位机构，6-试样，7-摩擦试验装置，8-显示器，9-打印机，10-计算机，11-电气控制箱，12-急停开关，13-伺服控制系统，14-减速器，15-交流电机，16-底梁，17-机箱，18-下夹头，19-夹紧油缸，20-调整块，21-固定模具座，22-模具，23-直线导轨，24-移动模具座，25-拉压传感器，26-伺服油缸，27-光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，包括底梁16、液压系统1和控制系统，底梁16上设有滚珠丝杠2、减速器14、电机和摩擦试验装置7，滚珠丝杠2竖直设置于摩擦试验装置7的一侧，电机通过减速器14与滚珠丝杠2的一端连接，滚珠丝杠2上套设有中横梁4，中横梁4上设有上夹头3，上夹头3用于与试样6的上端连接固定，电机通过减速器14带动滚珠丝杠2转动，使上夹头3随中横梁4沿滚珠丝杠2上下移动，控制系统分别与液压系统1、电机和摩擦试验装置7连接；

其中，摩擦试验装置7包括机箱17、固定模具座21、移动模具座24和伺服油缸26，固定模具座21和移动模具座24分别设置于试样6的两侧，固定模具座21固设于机箱17上，移动模具座24通过拉压传感器25与伺服油缸26连接，伺服油缸26固设于机箱17上，固定模具座21和移动模具座24上均设有模具22，伺服油缸26驱动移动模具座24向固定模具座21移动，使模具22从两侧压紧试样6，液压系统1与伺服油缸26连接，为其提供油压，拉压传感器25和伺服油缸26分别与控制系统连接；伺服油缸26驱动移动模具座24向固定模具座21移动，使模具22从两侧夹紧试样6，电机带动滚珠丝杠2转动，使上夹头3带动试样6上下移动，与模具22反复摩擦，同时控制系统通过拉压传感器25采集试样6在摩擦过程中所受到的压力。

进一步地，摩擦试验装置7还包括下夹头18和夹紧油缸19，下夹头18和夹紧油缸19均固设于机箱17上，布置于固定模具座21的下方，夹紧油缸19设置于下夹头18的一侧，夹紧油缸19将试样6的下端压紧夹持于下夹头18上。

进一步地，机箱17上还设有直线导轨23，固定模具座21和移动模具座24均设置于直线导轨23上，固定模具座21通过螺栓与机箱17连接固定，松开螺栓后固定模具座可沿直线导轨移动调整，伺服油缸26带动移动模具座24沿直线导轨23移动。

进一步地，固定模具座21与机箱17之间设有调整块20。

进一步地，滚珠丝杠2上设限位机构5。

进一步地，控制系统包括计算机10和伺服控制系统13，计算机10与伺服控制系统13连接，伺服控制系统13分别与拉压传感器25、伺服油缸26、电机和夹紧油缸19连接。

进一步地，计算机10连接有打印机9和显示器8。

进一步地，控制系统还包括急停开关12，用于急停摩擦系数试验机。

一种采用以上所述的试验机的摩擦系数试验方法，包括以下步骤：

1)将试样6固定于摩擦系数试验机上；

2)伺服油缸26驱动模具压紧试样6，在试样6上面施加一定的压紧力；

3)上夹头3带动试样6移动，使试样6的移动速度达到80～120mm/min，让试样6的摩擦带在模具间通过一次；

4)重复步骤2～3)，使试样6连续往复移动，直至试样6的摩擦带在模具间往复通过8～12次。

进一步地，对于同一试件在每通过一次之后，继续第二次之前，既不能清洗模具与试样6，也不能再次涂油。如果试样6的表面状况不同(例：一面带有涂层的钢板)，则可将把试样6的相同表面与模具相接触的方式把两个试样6并列在一起进行试验；每次试验之后，要给模具脱脂、打磨，以便于去除来自前次试验的两个模具金属面之间粘合作用而产生的划痕或涂层划痕。

进一步地，所述的步骤1)之前，还包括以下步骤：

a)将试样6的一部分作为工作段，将工作段浸入超声波箱内，并放置一段时间；从而达到脱脂效果；

b)将试样6的工作段浸没于油中，从而达到涂油的作用，在避尘的地方将试样6垂直竖立一段时间使油沥干；

c)将模具的工作面用砂纸彻底打磨，并用酒精擦干；

d)将模具固定到摩擦试验机的对应位置

e)将两个模具和试样6均用平整油作适度润滑。

进一步地，所述的工作段占试样6总长度的3/4。

进一步地，所述的步骤2)中，在试样6上面施加一定的压紧力为2000～4000N。

进一步地，所述的步骤b)中，将试样6垂直竖立20小时使油沥干。

本发明的实验过程：

本发明提出了一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机，用于检测金属薄板(0.2～2mm)同标准模具间的滑动摩擦系数，此参数可以用于评价钢板的表面质量，也可以直接用于数值模拟软件中进行零件的设计和冲压工艺的调整。具有很强的可操作性，适应了当前力学性能试验技术向全面、细致、准确而且可靠测量方向发展的要求。

1把试样6长度的3/4浸入超声波箱内，并放置10分钟，从而达到脱脂效果；再用浸没方式给试样6长度的3/4涂上油。在避尘的地方让试样6垂直竖立20小时，使其沥干。

2试验前两个模具的工作面应用600号干或湿砂纸彻底打磨并用酒精擦干，以满足试验的要求。

3把试验对应的模具放到板材成形拉延筋/摩擦试验机的适当位置。

4两个模具和试样6均应用平整油作适度润滑。

2试验过程

1调试试验机，使其上拉速度达到100mm/min。

2压紧模具，调节压头压力，在试样6上面施加一定的(建议2000——4000N)压紧力

3启动上拉机构，让试样6的100mm长的摩擦带在模具间通过一下。

4通过之后松开模具。

5观察模具表面，可能会出现涂层沉积物，或者试件表面会有损坏。

6用与上述操作相同的方法进行连续往复操作，如果进行油的试验，则要在摩擦带上往复通过10次。

对于同一试件在每通过一次之后，继续第二次之前，既不能清洗模具与试样6，也不能再次涂油。如果试样6的表面状况不同(例：一面带有涂层的钢板)，则可将把试样6的相同表面与模具相接触的方式把两个试样6并列在一起进行试验；每次试验之后，要给模具脱脂、打磨，以便于去除来自前次试验的两个模具金属面之间粘合作用而产生的划痕或涂层划痕。

3结果的表示方法

试样6在模具之间每通过一次后，用下列公式计算摩擦系数μ

公式中：Fd＝在试样6所受的拉力(单位为牛顿N)

Fn＝在模具之间运行时，试样6所受的压应力(单位为牛顿N)

实施例一

利用本发明的摩擦试验机对金属材料薄板和薄带摩擦系数进行试验。试验材料为DX54D+Z热镀锌板，试样6如图4所示，R1和R2分别为两个模具的半径。取压头压力4000N，模具凸头半径R＝10mm，试验机拉速4mm/s,试样6宽度40mm，无润滑。

在金属材料薄板和薄带摩擦系数试验过程中，为了得到材料的滑动摩擦系数，需要取其中一段数据来取平均值，进行了实时的滑动摩擦系数采集，如图4所示。

实施例二

采用不同类型或具有不同曲率半径的模具，进行摩擦系数试验，并实时记录了全程滑动摩擦系数值如图5～图6所示。

试验中模具可以选取平模或凸模来进行搭配，不同模具搭配效果下得到的摩擦系数值有较大差异，R1和R2分别为两个模具的半径。如图5～图6所示，S1和S2试样6的试验模具为平模和平模搭配，其得到的摩擦系数曲线最高，而S5和S6试验模具均为R＝10mm半径的凸模和凸模搭配，其得到的摩擦系数曲线最低，两种情况下曲线波动都较为剧烈。其它同种类模具搭配情况下(凸模-凸模)得到的结果均有类似的行为，但幅度随凸模曲率半径的减小而减弱。全面比较下，发现以平模R1＝0和R2＝10mm凸模搭配下的试验结果最为平稳合理。

本发明提出了一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其主体部件构造如图1所示。具体包括：液压系统1、滚珠丝杠2、上夹头3、中横梁4、限位机构5、试样6、摩擦试验装置7、显示器8、打印机9、计算机10、电气控制箱11、急停开关12、伺服控制系统13、减速器14、交流电机15和底梁16。液压系统1用来保障夹具的动力，滚珠丝杠2可以带动中横梁4及上夹头3移动。上夹头3用来加紧试样6的一端，在实验时保障试样不脱离。限位机构5保障在中横梁4移动距离过大时，触发安全保障限位，使试验机停止作业，保障安全。显示器8、打印机9、计算机10及电气控制箱11保证试验过程中的数据计算，传输，显示等。急停开关12、伺服控制系统13、减速器14、交流电机15用来实现试验过程中的开关机，拉伸速度调控等试验控制。

试验主体装置的主要结构和部件装配关系如图2～图3所示。包括：机箱17、下夹头18、夹紧油缸19、调整块20、固定模具座21、模具22、直线导轨23、移动模具座24、拉压传感器25、伺服油缸26和光栅27。下夹头18加紧试样的另一端，加紧油缸为夹块提供动力，调整块20用来调整间隙距离。试验模具22放置在固定模具座上，移动模具座可以实现不同模具在此机型上的应用，能满足使用者二次开发模具的需求。拉压传感器25用来获取试验中力值信号，以计算出滑动摩擦系数。伺服油缸26提供模具动力。

综上所述，本发明提出了一种目前未见报道的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，能够有效检测金属薄板(0.2～2mm)的滑动摩擦系数。此参数可以用于评价钢板的表面质量，也可以直接用于数值模拟软件中进行零件的设计和冲压工艺的调整。填补了行业空白。本发明提出的移动模具座可以实现不同模具在此机型上的应用，能满足使用者二次开发模具的需求。本发明设计的传感装置及数据采集装置配合，可以实时获取试验过程中的力值及位移信号。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，包括底梁、液压系统和控制系统，底梁上设有滚珠丝杠、减速器、电机和摩擦试验装置，滚珠丝杠竖直设置于摩擦试验装置的一侧，电机通过减速器与滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠上套设有中横梁，中横梁上设有上夹头，上夹头用于与试样的上端连接固定，电机通过减速器带动滚珠丝杠转动，使上夹头随中横梁沿滚珠丝杠上下移动，控制系统分别与液压系统、电机和摩擦试验装置连接；

其中，摩擦试验装置包括机箱、固定模具座、移动模具座和伺服油缸，固定模具座和移动模具座分别设置于试样的两侧，固定模具座固设于机箱上，移动模具座通过拉压传感器与伺服油缸连接，伺服油缸固设于机箱上，固定模具座和移动模具座上均设有模具，伺服油缸驱动移动模具座向固定模具座移动，使模具从两侧压紧试样，液压系统与伺服油缸连接，为其提供油压，拉压传感器和伺服油缸分别与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，摩擦试验装置还包括下夹头和夹紧油缸，下夹头和夹紧油缸均固设于机箱上，布置于固定模具座的下方，夹紧油缸设置于下夹头的一侧，夹紧油缸将试样的下端压紧夹持于下夹头上。

3.根据权利要求1所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，机箱上还设有直线导轨，固定模具座和移动模具座均设置于直线导轨上，固定模具座通过螺栓与机箱连接固定，松开螺栓后固定模具座可沿直线导轨移动调整，伺服油缸带动移动模具座沿直线导轨移动。

4.根据权利要求3所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，固定模具座与机箱之间设有调整块。

5.根据权利要求1所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，滚珠丝杠上设限位机构。

6.根据权利要求1所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，控制系统包括计算机和伺服控制系统，计算机与伺服控制系统连接，伺服控制系统分别与拉压传感器、伺服油缸、电机和夹紧油缸连接。

7.根据权利要求6所述的金属薄板带滑动摩擦系数试验机，其特征在于，计算机连接有打印机和显示器。

8.一种采用权利要求1所述的试验机的摩擦系数试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将试样固定于摩擦系数试验机上；

2)伺服油缸驱动模具压紧试样，在试样上面施加一定的压紧力；

3)上夹头带动试样移动，使试样的移动速度达到80～120mm/min，让试样的摩擦带在模具间通过一次；

4)重复步骤2～3)，使试样连续往复移动，直至试样的摩擦带在模具间往复通过8～12次。

9.根据权利要求8所述的摩擦系数试验方法，其特征在于，所述的步骤1)之前，还包括以下步骤：

a)将试样的一部分作为工作段，将工作段浸入超声波箱内，并放置一段时间；

b)将试样的工作段浸没于油中，将试样垂直竖立一段时间使油沥干；

c)将模具的工作面用砂纸彻底打磨，并用酒精擦干；

d)将模具固定到摩擦试验机的对应位置；

e)对两个模具和试样均用平整油作适度润滑。

10.根据权利要求9所述的摩擦系数试验方法，其特征在于，所述的工作段占试样总长度的3/4。