CN108169120A - 一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置及其测试方法，其用于测量丝束的实际接触长度及摩擦力，其安装座和线性平台分别固定于底座上；下镀膜玻璃板置于安装座上；上、下镀膜玻璃板相对设置，丝束固定在上、下镀膜玻璃板之间；上镀膜玻璃板固定在盖板下方；安装座上竖直设置有导向杆，导向杆穿过横臂；压缩弹簧套设在导向杆上，并位于横臂上方，其能抵压横臂；按钮式称重传感器固定在横臂上，其球形顶端压在盖板上；双夹紧夹具夹持丝束，其连接测力传感器；测力传感器安装在螺杆驱动的线性平台上；电机与螺杆连接，并驱动螺杆转动。本发明结构简单，使用方便，测试方法考虑了实际丝束接触长度，从而使得摩擦力结果准确，提高产品的质量。

Description

一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置及其测试方法

【技术领域】

本发明涉及一种摩擦系数测试装置及其测试方法，具体涉及一种考虑实际丝束接触长度的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置及其测试方法，属于纺织机械物理特性测试技术领域。

【背景技术】

在以航空航天和汽车为代表的交通领域，具有高比强度和比模量的纤维增强聚合物复合材料的使用日益广泛，这需要高效的零件加工方式。相对与预浸渍织料制造方式，使用干纤维制造预成型体，然后通过树脂传递模塑成型(RTM)获得复合材料零件的加工方式具有生产效率高的显著有点，特别适合大规模工业化生产的要求。

然而预成型体在成形过程中，受到模型的作用而产生的局部变形对于最终部件微观结构以及服役性能是至关重要的。所以准确描述系统中的力是预测变形所必需的，而摩擦力就是其中一种主要的力。摩擦力公式F＝μF_N是最常用的测定摩擦力的公式，从该公式可看出摩擦力与物体受到的压力有关。但通常用该公式测定摩擦力的是具有连续表面的物体，而长丝纤维并不具有连续表面，因此不能简单的用该公式来分析纤维与模型之间的摩擦系数。

相关研究表明，纤维和模型之间的实际接触面积是决定二者之间摩擦行为的重要因素，主要原因在于长丝纤维与模具的接触情况并非如图1(a)所示，实际的接触情况如图1(b)所示。就目前而言，直接测量真正接触面积是不可能的，但是可以通过测量实际接触长度来得到实际接触面积。那么，测量出丝束长丝纤维的实际接触长度对于分析摩擦力的影响因素来说就尤为重要。

现阶段的纤维摩擦力测试仪器在测定摩擦系数时不考虑实际接触面积对摩擦力的影响，因此对于解释影响摩擦力的因素的解释不准确，影响零件的设计生产。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置及其测试方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种考虑实际丝束接触长度的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置。

本发明的另一目的在于提供一种考虑实际丝束接触长度的模具/长丝纤维间摩擦系数测试方法。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其用于测量丝束的实际接触长度及摩擦力，其包括底座、盖板、横臂、压缩弹簧、按钮式称重传感器、上镀膜玻璃板、下镀膜玻璃板、安装座、双夹紧夹具、测力传感器、线性平台以及电机；其中，所述安装座和线性平台分别固定于底座上；所述下镀膜玻璃板置于安装座上；所述上镀膜玻璃板和下镀膜玻璃板相对设置，丝束固定在上镀膜玻璃板和下镀膜玻璃板之间；所述上镀膜玻璃板固定在盖板下方；所述安装座上竖直设置有导向杆，所述导向杆穿过横臂；所述压缩弹簧套设在导向杆上，并位于横臂上方，其能抵压横臂；所述按钮式称重传感器固定在横臂上，其球形顶端压在盖板上；所述双夹紧夹具夹持丝束，其连接测力传感器；所述测力传感器安装在螺杆驱动的线性平台上；所述电机与螺杆连接，并驱动螺杆转动。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述压缩弹簧安装于横臂上方左右两侧。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述按钮式称重传感器有两个，分别固定在两个横臂上正中间且对称，两个传感器的读数相同。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述盖板上设有一窗口，窗口下方通过丝束，上方设有显微镜，显微镜上安装有数字照相机。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述上镀膜玻璃板为钠钙玻璃，其底部涂有光学薄膜；所述光学薄膜有两层：8nm的铬基层和140nm的外层，并且与丝束接触。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述下镀膜玻璃板一侧设置有倒圆角。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进一步设置为：所述上镀膜玻璃板上固定有一挡块。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置还设置为：所述测力传感器连接至一固定块，固定块连接至连接块上；所述连接块和螺杆相螺接，所述螺杆转动能驱动连接块直线运动。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试方法，其包括如下步骤：

1)，从丝束卷上切下丝束，将丝束夹紧在双夹紧夹具上，并放置到下镀膜玻璃板上；然后，将上镀膜玻璃板固定到盖板上，上镀膜玻璃板上的光学薄膜接触到丝束；

2)，拧紧四个压缩弹簧来施加额外的负载，使得两个按钮式称重传感器的球形顶端压到盖板上；

3)，将测试装置放到显微镜下，显微镜对准丝束与光学薄膜的接触区；

4)，启动电机，以设定的速度在每个正常负载的情况下都将丝束拉出指定长度，实验进行若干次正常负载步骤，每次均对丝束与光学薄膜接触区进行显微镜观察并拍下照片，并利用测力传感器得到拉力；

5)，摩擦力是由于实际接触面积A上的粘合剪切应力τ引起的，所以摩擦力表示为：F＝τA；其中，τ＝常数，A＝2aL；接触半宽其中，W＝接触区的总法向载荷，d＝丝束直径，E^*＝有效弹性模量；其中，V_Glass＝镀膜玻璃泊松比，V_Glass＝镀膜玻璃弹性模量，V_F＝长丝纤维泊松比，E_F＝长丝纤维弹性模量。

本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试方法进一步为：步骤4)中，所述丝束长度L测量方法如下：

1)，将照片背景色转为灰度，并去除由光源引起的不均匀背景；

2)，创建一个41×41像素的正方形滤波器，并在中间创建一个3像素宽的水平波段中；

3)，将滤波器中的白色带旋转1°，并重复分析以获得以1°方向突出显示对象的另一图像；重复上述过程，过滤器在0到90°之间旋转，步长为1°；

4)，用步骤3获取91张图像；

5)，测量图像中突显的长丝的长度和方向。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置结构简单，使用方便，其测试方法考虑了实际丝束接触长度，从而使得摩擦力结果准确，提高产品的质量。

【附图说明】

图1(a)、图1(b)分别是本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置的接触区的长丝的理想接触图和实际接触图。

图2是本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置的侧视图。

图3是本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置的正视图。

图4是本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置中上镀膜玻璃板以及涂覆在其上的光学薄膜图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图2至附图4所示，本发明为一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其用于测量丝束9的实际接触长度及摩擦力，其主要由底座16、盖板2、横臂7、压缩弹簧5、按钮式称重传感器3、上镀膜玻璃板4、下镀膜玻璃板1、安装座6、双夹紧夹具10、测力传感器11、线性平台14以及电机15等几部分组成。

其中，所述安装座6和线性平台14分别固定于底座16上。

所述下镀膜玻璃板1置于安装座6上。所述上镀膜玻璃板4和下镀膜玻璃板1相对设置，丝束9固定在上镀膜玻璃板4和下镀膜玻璃板1之间。进一步的，所述下镀膜玻璃板1一侧设置有倒圆角,用来消除测摩擦力时的边缘影响。

所述上镀膜玻璃板4固定在盖板2下方。所述上镀膜玻璃板4为钠钙玻璃19，其底部涂有光学薄膜；所述光学薄膜有两层：8nm的铬基层20和140nm的外层21，并且与丝束接触，从而改变玻璃板的折射特性，使得只有与玻璃板接触到的丝束9被显示出来。所述上镀膜玻璃板4上固定有一挡块8，可以防止丝束9拉出期间的水平移动。

所述安装座6上竖直设置有导向杆24，所述导向杆24穿过横臂7。所述压缩弹簧5套设在导向杆24上，并位于横臂7上方，其能向下抵压横臂7，来施加额外负载。具体的说，所述压缩弹簧5安装于横臂7上方左右两侧，使得施加的额外负载前后平衡。

所述按钮式称重传感器3固定在横臂7上，其球形顶端压在盖板2上。所述按钮式称重传感器3有两个，分别固定在两个横臂7上正中间且对称，两个传感器3的读数相同，确保上镀膜玻璃板4与下镀膜玻璃板1保持平行，也就保证了丝束9的载荷加载均匀。

所述盖板2上设有一窗口25，窗口25下方通过丝束9，上方设有显微镜18，显微镜18上安装有数字照相机(未图示)。显微镜18对接触区进行扫描后，数字照相机就对扫描情况进行拍照.

所述双夹紧夹具10夹持丝束9，其连接测力传感器11。所述测力传感器11安装在螺杆13驱动的线性平台14上，其能测得负载数据。具体的说，所述测力传感器11连接至一固定块12，固定块12连接至连接块17上；所述连接块17和螺杆13相螺接，所述螺杆13转动能驱动连接块17直线运动。

所述电机15与螺杆13连接，并驱动螺杆13转动，通过螺杆13依次驱动连接块17、固定块12、测力传感器11以及双夹紧夹具10，双夹紧夹具10来拉动丝束9。

采用本发明的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置进行摩擦系数测试方法如下：

1)，从丝束卷上切下适当长度的丝束9，将丝束9夹紧在双夹紧夹具10上，并放置到下镀膜玻璃板1上；然后，将上镀膜玻璃板4固定到盖板2上，上镀膜玻璃板4上的光学薄膜20、21接触到丝束9。

2)，拧紧四个压缩弹簧5来施加额外的负载，使得两个按钮式称重传感器3的球形顶端压到盖板2上。

3)，将测试装置放到显微镜18下，显微镜18对准丝束9与光学薄膜20、21的接触区；由于盖板2中的窗口25使得接触区可见到显微镜18。得到的图像清楚地显示了单个接触的细丝。由于显微镜18通过压在丝束9上的上镀膜玻璃板4成像，上镀膜玻璃板4上的光学薄膜为特殊的半反射涂层，改变了玻璃板的折射特性，使得只有与光学薄膜接触的长丝被突出显示。

4)，启动电机15，以设定的速度在每个正常负载的情况下都将丝束9拉出指定长度(如1mm)，实验进行若干次正常负载步骤，每次均对丝束9与光学薄膜接触区进行显微镜18观察并拍下照片，并利用测力传感器11得到拉力。

5)，摩擦力是由于实际接触面积A上的粘合剪切应力τ引起的，所以摩擦力表示为：F＝τA；其中，τ＝常数，A＝2aL；接触半宽其中，W＝接触区的总法向载荷，d＝丝束直径，E^*＝有效弹性模量；其中，V_Glass＝镀膜玻璃泊松比，E_Glass＝镀膜玻璃弹性模量，V_F＝长丝纤维泊松比，E_F＝长丝纤维弹性模量。

进一步的，由步骤4得到丝束接触区的照片，由于照片中看到的长丝没有那么明显，所以需要对照片进行处理。处理后可得到丝束的实际接触总长度L。具体的说，所述丝束长度L测量方法如下：

1)，将照片背景色转为灰度，并去除由光源引起的不均匀背景；

2)，创建一个41×41像素的正方形滤波器，并在中间创建一个3像素宽的水平波段中；

3)，将滤波器中的白色带旋转1°，并重复分析以获得以1°方向突出显示对象的另一图像；重复上述过程，过滤器在0到90°之间旋转，步长为1°；

4)，用步骤3获取91张图像；

5)，测量图像中突显的长丝的长度和方向。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其用于测量丝束的实际接触长度及摩擦力，其特征在于：包括底座、盖板、横臂、压缩弹簧、按钮式称重传感器、上镀膜玻璃板、下镀膜玻璃板、安装座、双夹紧夹具、测力传感器、线性平台以及电机；其中，所述安装座和线性平台分别固定于底座上；所述下镀膜玻璃板置于安装座上；所述上镀膜玻璃板和下镀膜玻璃板相对设置，丝束固定在上镀膜玻璃板和下镀膜玻璃板之间；所述上镀膜玻璃板固定在盖板下方；所述安装座上竖直设置有导向杆，所述导向杆穿过横臂；所述压缩弹簧套设在导向杆上，并位于横臂上方，其能抵压横臂；所述按钮式称重传感器固定在横臂上，其球形顶端压在盖板上；所述双夹紧夹具夹持丝束，其连接测力传感器；所述测力传感器安装在螺杆驱动的线性平台上；所述电机与螺杆连接，并驱动螺杆转动。

2.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述压缩弹簧安装于横臂上方左右两侧。

3.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述按钮式称重传感器有两个，分别固定在两个横臂上正中间且对称，两个传感器的读数相同。

4.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述盖板上设有一窗口，窗口下方通过丝束，上方设有显微镜，显微镜上安装有数字照相机。

5.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上镀膜玻璃板为钠钙玻璃，其底部涂有光学薄膜；所述光学薄膜有两层：8nm的铬基层和140nm的外层，并且与丝束接触。

6.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述下镀膜玻璃板一侧设置有倒圆角。

7.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述上镀膜玻璃板上固定有一挡块。

8.如权利要求1所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置，其特征在于：所述测力传感器连接至一固定块，固定块连接至连接块上；所述连接块和螺杆相螺接，所述螺杆转动能驱动连接块直线运动。

9.一种采用如权利要求1至8项任意一项所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试装置的模具/长丝纤维间摩擦系数测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)，从丝束卷上切下丝束，将丝束夹紧在双夹紧夹具上，并放置到下镀膜玻璃板上；然后，将上镀膜玻璃板固定到盖板上，上镀膜玻璃板上的光学薄膜接触到丝束；

2)，拧紧四个压缩弹簧来施加额外的负载，使得两个按钮式称重传感器的球形顶端压到盖板上；

3)，将测试装置放到显微镜下，显微镜对准丝束与光学薄膜的接触区；

4)，启动电机，以设定的速度在每个正常负载的情况下都将丝束拉出指定长度，实验进行若干次正常负载步骤，每次均对丝束与光学薄膜接触区进行显微镜观察并拍下照片，并利用测力传感器得到拉力；

5)，摩擦力是由于实际接触面积A上的粘合剪切应力τ引起的，所以摩擦力表示为：F＝τA；其中，τ＝常数，A＝2aL；接触半宽其中，W＝接触区的总法向载荷，d＝丝束直径，E^*＝有效弹性模量；其中，V_Glass＝镀膜玻璃泊松比，E_Glass＝镀膜玻璃弹性模量，V_F＝长丝纤维泊松比，E_F＝长丝纤维弹性模量。

10.如权利要求9所述的模具/长丝纤维间摩擦系数测试方法，其特征在于：步骤4)中，所述丝束长度L测量方法如下：

1)，将照片背景色转为灰度，并去除由光源引起的不均匀背景；

2)，创建一个41×41像素的正方形滤波器，并在中间创建一个3像素宽的水平波段中；

3)，将滤波器中的白色带旋转1°，并重复分析以获得以1°方向突出显示对象的另一图像；重复上述过程，过滤器在0到90°之间旋转，步长为1°；

4)，用步骤3获取91张图像；

5)，测量图像中突显的长丝的长度和方向。