CN110927054B - 金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法 - Google Patents

金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，该方法包括利用拉美公式建立金属孔结构的径向压应力关于强化量的数学模型，结合金属孔结构冷挤压强化过程的结构和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力理论模型，最后通过强化阻力测量装置测量强化阻力‑位移曲线，分析曲线特征并对曲线线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，将拟合参数代入理论摩擦阻力模型计算得到芯棒与挤压孔壁的摩擦系数。本发明实现了金属孔结构冷挤压过程中芯棒和挤压孔壁的摩擦系数有效测试，为冷挤压强化技术的研究和工程应用提供关键参数，并且具有计算效率高、准确度高、成本低，工程应用性强等优点。

Description

金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法
技术领域
本发明属于测试领域，特别涉及金属孔结构的冷挤压强化过程中芯棒与连接孔壁间的摩擦系数测试方式。
背景技术
冷挤压强化是目前实现金属孔结构疲劳增寿的主要手段，可显著提高孔结构疲劳寿命，具有不改变材料及结构设计、不增重、成本低、强化效果明显、应用孔径范围广等优势，已广泛应用于飞机机身和机翼中关键承力构件连接孔的疲劳强化。
冷挤压强化过程中，挤压芯棒与连接孔过盈配合，芯棒与连接孔产生明显的强化阻力，强化阻力对强化拉力、孔壁轴向应力分布、孔口材料挤出量等具有重要影响，直接影响孔的冷挤压疲劳强化效果。强化阻力对挤压芯棒与连接孔壁的摩擦系数十分敏感，即使摩擦系数的小幅度改变也将引起强化阻力的明显变化。目前，为了降低成本、提高效率，孔的冷挤压强化过程的有限元建模研究十分普遍。对于冷挤压强化过程的建模研究，挤压芯棒和连接孔壁间的摩擦系数是关键输入参数，摩擦系数的准确度直接决定了研究结果的可靠性。因此，准确测量挤压芯棒和连接孔壁间的摩擦系数，对于冷挤压孔强化的模拟研究及工程应用至关重要。
一般情况下，摩擦系数可以根据库伦定理用摩擦力比接触压力计算得到。对于平面间摩擦，平面间接触压力和摩擦阻力容易测得，但冷挤压强化属于典型的柱面接触，柱面间接触压力测试较困难，而且摩擦阻力只是强化阻力的一部分，其测量亦较困难。专利号为201910339658.8的发明专利公开了一种用于测量挤压筒内壁摩擦因数的热挤压装置及方法，该发明通过在挤压筒与挤压模座之间设置第一压电式传感器，根据在挤压过程中第一压电式传感器数值的变化量得出坯料对挤压筒内壁的摩擦力，挤压筒沿挤压腔的轴线划分为左挤压筒和右挤压筒，测力装置能够测量挤压过程中与挤压腔轴线垂直方向上的力，进而计算出挤压筒内壁所受的径向压力，此时挤压筒内壁所受的摩擦力与径向压力之比即为润滑剂的摩擦系数。然而，该方法涉及的装置和测量过程较复杂，对于不同的测试对象需要设计加工不同的安装模座，时间和经济成本较高。此外，对于冷挤压强化过程，芯棒轴向测得的拉力为强化阻力，由摩擦阻力和剪切阻力构成，使用该方法只能测出强化阻力，不能测得准确的摩擦阻力，因此无法实现冷挤压强化过程摩擦系数的测量。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，实现对冷挤压强化研究和工程应用中关键参数的有效测试。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，包括以下步骤：
S1、根据各向同性金属材料孔结构冷挤压强化过程，利用拉美公式建立挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型；
S2、根据金属孔结构冷挤压强化过程中金属孔的结构特征和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力模型；
S3、利用强化阻力测量装置获取冷挤压过程的强化阻力-位移曲线，并对线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，得到曲线拟合的斜率参数和常数参数；
S4、根据强化阻力理论模型，计算金属孔结构冷挤压强化过程中挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数。
进一步地，所述步骤S1中挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型具体为：
Figure BDA0002317234170000031
其中，σr为挤压孔的径向压应力，EB、EP分别为芯棒和金属结构的弹性模量，vB、νP分别为芯棒和金属结构的泊松比，I为相对强化量，
Figure BDA0002317234170000032
D为芯棒挤压头最大直径，d为待强化结构孔直径。
进一步地，所述步骤S2中基于库伦摩擦原理的强化阻力模型具体为：
Figure BDA0002317234170000033
其中，FZ为强化阻力，μ为芯棒与挤压孔壁的摩擦系数，s为芯棒沿挤压拉伸方向的相对挤压位移，Fτ为强化量引起的剪切阻力，t为芯棒挤压头长度。
进一步地，所述步骤S3中强化阻力测量装置包括拉枪、芯棒、待强化结构、压力传感器和计算机；所述压力传感器为中心带通孔的圆环形结构，其一侧面与待强化结构相接触，并与计算机电连接；所述待强化结构具有与所述压力传感器的中心通孔同轴的中心孔；所述芯棒从待强化结构的另一侧依次穿过待强化结构和压力传感器的中心孔，并与拉枪固定连接。
进一步地，所述压力传感器的中心通孔直径大于拉枪的头部直径。
进一步地，所述线性摩擦阻力的拟合公式具体为：
FR0＝κs+α,0＜s≤t
其中，FR0为线性摩擦阻力，κ为斜率参数，α为常数参数。
进一步地，所述挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数的计算公式为：
Figure BDA0002317234170000041
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过理论分析和强化阻力测试，实现了金属孔结构冷挤压过程中芯棒和挤压孔壁的摩擦系数有效测试，为冷挤压强化技术的研究和工程应用提供关键参数；
(2)本发明只需测量冷挤过程中轴向强化阻力，即可通过数学模型计算得到芯棒和挤压孔壁的摩擦系数，避免了孔径向压应力的测量，测量方法简单可靠，计算模型简单实用，该方法计算效率高、准确度高、成本低，工程应用性强。
附图说明
图1是本发明的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中强化阻力测量装置的结构示意图。
其中附图标记为：1-拉枪，2-芯棒，3-待强化结构，4-压力传感器，5-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，包括以下步骤S1至S4：
S1、根据各向同性金属材料孔结构冷挤压强化过程，利用拉美公式建立挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型；
在本实施例中，本发明根据各向同性金属材料孔结构冷挤压强化过程中，利用拉美(Lamè)公式，建立挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型，具体为：
Figure BDA0002317234170000051
其中，σr为挤压孔的径向压应力，EB、EP分别为芯棒和金属结构的弹性模量，vB、νP分别为芯棒和金属结构的泊松比，I为相对强化量。
上述相对强化量I定义为
Figure BDA0002317234170000052
其中，D为芯棒挤压头最大直径，d为待强化结构孔直径。
S2、根据金属孔结构冷挤压强化过程中金属孔的结构特征和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力模型；
在本实施例中，在冷挤压强化过程中，强化阻力主要由剪切阻力和摩擦阻力两部分组成。冷挤压强化初始阶段，由于挤压头直径大于孔径，芯棒挤压头开始挤压孔壁产生剪切阻力。当挤压头最大直径部分开始挤压孔壁时，挤压进入摩擦阻力阶段，摩擦阻力增加，剪切阻力不变。针对孔的结构特征和强化特征，得到强化阻力的计算公式为：
FZ＝FR+Fτ
其中，FR为芯棒与孔壁的摩擦阻力，Fτ为强化量引起的剪切阻力。
根据库伦摩擦理论，摩擦阻力FR是挤压孔的径向压应力关于孔周方向和结构厚度方向的积分函数，可以进一步表示为：
Figure BDA0002317234170000053
其中，t为芯棒挤压头长度，μ为芯棒与挤压孔壁的摩擦系数，θ为孔边点位的角度，s为芯棒沿挤压拉伸方向的相对挤压位移。
根据上式可以进一步得到基于库伦摩擦原理的强化阻力模型具体为：
Figure BDA0002317234170000061
根据上式可知，理论强化阻力是关于挤压位移的一次函数，芯棒与挤压孔壁的摩擦系数μ决定强化阻力-位移曲线的斜率。
S3、利用强化阻力测量装置获取冷挤压过程的强化阻力-位移曲线，并对线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，得到曲线拟合的斜率参数和常数参数；
在本实施例中，本发明采用的强化阻力测量装置包括拉枪1、芯棒2、待强化结构3、压力传感器4和计算机5，如图2所示。
上述压力传感器4为中心带通孔的圆环形结构，其一侧面与待强化结构3相接触，并与计算机5电连接；压力传感器4的中心通孔直径大于拉枪1的头部直径。
上述待强化结构3具有与所述压力传感器4的中心通孔同轴的中心孔，其放置在压力传感器4上，两者通过平面接触；
上述芯棒2从待强化结构3的另一侧依次穿过待强化结构3和压力传感器4的中心孔，并通过螺纹连接固定到拉枪1；芯棒挤压头最大直径为D，芯棒挤压头长度为t，待强化结构孔直径为d。
本发明利用上述强化阻力测量装置获取冷挤压过程的强化阻力-位移曲线的过程为：
在连接芯棒2与拉枪1完成后，启动拉枪1，芯棒2对待强化结构3的孔进行冷挤压，强化阻力通过待强化结构3传递到压力传感器4中，压力传感器4将压力信号传递给计算机5，计算机5记录强化阻力。记录完毕后，对强化阻力数据进行处理，得到冷挤压过程的强化阻力-位移曲线。
针对曲线特征，将曲线分为三个阶段：剪切阻力阶段Ⅰ、线性摩擦阻力阶段Ⅱ和非线性摩擦阻力阶段Ⅲ。其中，剪切阻力阶段Ⅰ对应剪切阻力Fτ，线性摩擦阻力阶段Ⅱ和非线性摩擦阻力阶段Ⅲ对应芯棒和挤压孔壁的摩擦阻力FR。分析冷加压强化过程可知，非线性摩擦阻力阶段Ⅲ是由于冷挤压后期，芯棒挤压头开始挤压靠近孔出口区域，孔出口区域向孔口自由面膨胀，导致孔的径向挤压应力下降，进而引起强化阻力曲线斜率下降，最终致使测量结果不符合线性理论模型；线性摩擦阻力阶段Ⅱ与理论摩擦阻力模型一致，线性摩擦阻力阶段Ⅱ与理论摩擦阻力的斜率相同。因此，对线性摩擦阻力阶段Ⅱ进行线性拟合，得到曲线拟合的斜率参数κ和常数参数α。
其中，线性摩擦阻力的拟合公式具体为：
FR0＝κs+α,0＜s≤t
其中，FR0为线性摩擦阻力，κ为斜率参数，α为常数参数。
S4、根据强化阻力理论模型，计算金属孔结构冷挤压强化过程中挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数。
在本实施例中，根据强化阻力理论模型，强化阻力理论是关于相对挤压位移的一次函数，其斜率等于线性摩擦阻力阶段Ⅱ的斜率参数，表示为：
Figure BDA0002317234170000071
对上式求解可得挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数的计算公式为：
Figure BDA0002317234170000081
在工程实际中，通过以上理论计算和试验测量的结合，即可求出金属孔结构冷挤压强化过程中挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据各向同性金属材料孔结构冷挤压强化过程，利用拉美公式建立挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型；
S2、根据金属孔结构冷挤压强化过程中金属孔的结构特征和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力模型；
S3、利用强化阻力测量装置获取冷挤压过程的强化阻力-位移曲线，并对线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，得到曲线拟合的斜率参数和常数参数；
S4、根据强化阻力理论模型，计算金属孔结构冷挤压强化过程中挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数，所述挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数的计算公式为：
Figure FDA0002689761100000011
其中，EB、EP分别为芯棒和金属结构的弹性模量，vB、νP分别为芯棒和金属结构的泊松比，I为相对强化量，
Figure FDA0002689761100000012
D为芯棒挤压头最大直径，d为待强化结构孔直径，κ为斜率参数。
2.如权利要求1所述的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，所述步骤S1中挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型具体为：
Figure FDA0002689761100000013
其中，σr为挤压孔的径向压应力，EB、EP分别为芯棒和金属结构的弹性模量，vB、νP分别为芯棒和金属结构的泊松比，I为相对强化量，
Figure FDA0002689761100000014
D为芯棒挤压头最大直径，d为待强化结构孔直径。
3.如权利要求2所述的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，所述步骤S2中基于库伦摩擦原理的强化阻力模型具体为：
Figure FDA0002689761100000021
其中，FZ为强化阻力，μ为芯棒与挤压孔壁的摩擦系数，s为芯棒沿挤压拉伸方向的相对挤压位移，Fτ为强化量引起的剪切阻力，t为芯棒挤压头长度。
4.如权利要求3所述的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，所述步骤S3中强化阻力测量装置包括拉枪(1)、芯棒(2)、待强化结构(3)、压力传感器(4)和计算机(5)；所述压力传感器(4)为中心带通孔的圆环形结构，其一侧面与待强化结构(3)相接触，并与计算机(5)电连接；所述待强化结构(3)具有与所述压力传感器(4)的中心通孔同轴的中心孔；所述芯棒(2)从待强化结构(3)的另一侧依次穿过待强化结构(3)和压力传感器(4)的中心孔，并与拉枪(1)固定连接。
5.如权利要求4所述的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，所述压力传感器(4)的中心通孔直径大于拉枪(1)的头部直径。
6.如权利要求5所述的金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，其特征在于，所述线性摩擦阻力的拟合公式具体为：
FR0＝κs+α,0＜s≤t
其中，FR0为线性摩擦阻力，κ为斜率参数，α为常数参数。
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