CN111229841A - 一种高温轧制过程摩擦系数测试方法 - Google Patents

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李阁平
袁福森
韩福洲
张英东
郭文斌
阿里·穆罕默德
任杰
刘承泽
顾恒飞
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/04—Measuring adhesive force between materials, e.g. of sealing tape, of coating

Abstract

本发明提供了一种高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于：在Gleeble热模拟实验机上通过设计相应测试系统实现高温下的圆环镦粗。测定镦粗后圆环的高度和内径尺寸，并与定标曲线进行比较即可得出具体的摩擦系数。本发明攻克了高温轧制过程摩擦系数难测量的问题，为实际轧制工艺以及相关学术研究提供数据支撑。所述方法适用于任何从300℃至1050℃高温轧制过程摩擦系数的测量，而且该方法测试精准度高，测试过程简单易行。

Description

一种高温轧制过程摩擦系数测试方法
技术领域
本发明涉及摩擦系数测试领域，特别提供了一种高温轧制过程摩擦系数测试方法。
背景技术
轧制是金属板材或管材最常见的加工方式，最普遍的轧制工艺又分为热轧和冷轧。轧制过程就是将室温或加热到一定温度的轧件从轧辊一侧拽入辊缝，再从另一侧挤出的过程，整个过程是通过摩擦来实现的。摩擦是轧制过程中极其关键的因素，其直接影响到轧制过程中的各种参数，如：咬入角、轧制力、前滑值与后滑值，也关系到轧制过程的稳定性和最小可轧厚度，决定着产品的品质。在轧制过程中对摩擦的调控可提高生产的效率和产品质量。
对于一般的机械运动而言只存在外摩擦，也即是仅有接触面上的摩擦力。但是轧制过程中不仅包含机械运动，轧件也会发生强烈的塑性变形。也即是不但有轧件与轧辊之间的外摩擦，还有因轧件发生塑性流动使得金属内部质点产生相对运动(滑移或孪生)引起的内摩擦，内外摩擦同时存在，相互作用。因此，很难测量轧制过程的摩擦系数。
来自专利《一种电动式高温摩擦系统测量装置》(申请号：201711034440.9)、《高温环境下摩擦系数测量装置及测量方法》(申请号：201110001235.9)以及《一种摩擦系数的测量装置及测量方法》(申请号：201910760575.6)都提供了摩擦系数的测试方法，但是这些方法仅仅限于测量材料的外摩擦系数，无法测量轧制过程(既包含外摩擦又包含内摩擦)的摩擦系数。圆环镦粗法是测量塑性成形过程摩擦系数的一种通用方法，但是该方法目前仅限于室温的塑性变形过程。关于高温轧制过程的摩擦系数测试方法还没有任何报道。目前，迫切需要一种高温轧制过程摩擦系数的测试方法。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温轧制过程摩擦系数测试方法。旨在攻克高温轧制过程摩擦系数难测量的问题，为实际轧制工艺以及相关学术研究提供数据支撑。
本发明采用如下技术方案：
一种高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，在Gleeble热模拟实验机上通过设计相应测试系统实现圆环镦粗，具体步骤如下：
(1)在轧件上截取样品加工出特定尺寸比列的圆环；
(2)从轧辊材料上截取原料加工出Gleeble热模拟试验机的砧子；
(3)在Gleeble热模拟试验机上装配步骤(2)中加工的砧子；
(4)通过焊接的方法，在步骤(1)中加工的圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，并在Gleeble热模拟实验机上安装好圆环；
(5)设定具体温度以及应变速率(参见实际工况)，每个温度和应变速率条件下设定3-5个应变量，并进行相应的镦粗实验；
(6)测定特定温度和应变速率下不同应变量对应圆环的高度和内径；
(7)通过步骤(6)得出的结果与定标曲线进行比较，得出具体的摩擦因子；
(8)对摩擦因子进行修正得出具体的摩擦系数。
作为优选的技术方案：
步骤(1)中加工的圆环外径(D)，内径(d)和高度(H)具体比例为：D:d:H＝6:3:2、4:2:1或者6:3:1，具体圆环尺寸图参见图1。
步骤(2)中加工的砧子尺寸应该与具体的Gleeble热模拟试验机相匹配。如果圆环外径过大，实际尺寸的Gleeble热模拟试验机的砧子无法完成压缩试验时，可以加工“T”形砧子，具体参见图2。图2中Ф和h分别表示实际Gleeble热模拟试验机要求的砧子的直径和高度，Ф1表示为满足较大尺寸圆环设计的“T”形砧子压头端的直径。
步骤(3)中必须保证安装后的两个砧子的端面处于平行状态，避免后续压缩过程圆环被压偏。
步骤(4)中在圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，其目的是实时监测圆环的温度，具体装配图参见图3。图3中1表示Gleeble热模拟试验机砧子装配端，2表示具体设计加工的砧子，3表示圆环样品。
步骤(6)中用体视显微镜将圆环放大50倍再测量圆环的内径，并多次测量取平均值。压缩后圆环的高度用游标卡尺测量即可。
步骤(7)中定标曲线通过如下步骤绘制：
①由圆环原始尺寸D、d、H，利用下式求摩擦因子m的分界值m0：
Figure BDA0002364274680000041
式中D:原始外径
d:原始内径
H:原始高度
②当m值小于上式确定的分界值，分流面半径Rn小于d，此时由m＝0起至m等于分界值每隔0.05取一个m值，按下式计算Rn：
Figure BDA0002364274680000042
式中
Figure BDA0002364274680000043
③当m值大于分界值，d<Rn<D，圆环镦粗时，部分金属沿着圆环径向向内流动，部分金属沿着圆环径向向外流动，使得内径缩小，外径增大；此时，由m大于分界值起至m＝1止，每个0.1取一个m值，按下式计算Rn：
Figure BDA0002364274680000044
④在H1＝H-0.5H范围内，每隔0.5取一个H1值，按下式计算变形后的圆环内径d1:
Figure BDA0002364274680000051
逐一计算，即可绘制特定尺寸比例圆环对应的定标曲线。
步骤(8)中具体的修正如下：
根据江国屏(参考：江国屏,梁人棋,黄健宁,张海燕,宋天培,杜兰弟.圆环塑性压缩试验的定标曲线[J].锻压技术,1981(03):7-16)等人的研究结果，修正公式为：
Figure BDA0002364274680000052
mt表示修正后的摩擦因子
最后，根据修正后的摩擦因子得出摩擦系数，具体公式为：
Figure BDA0002364274680000053
本发明所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，测定摩擦系数的温度区间为：300℃-1050℃。
本发明的有益效果为：本发明攻克了高温轧制过程摩擦系数难测量的问题，为实际轧制工艺以及相关学术研究提供数据支撑。所述方法特别适用于各向同性、没明显织构的材料，可以实现300℃-1050℃高温轧制过程摩擦系数的测量，而且该方法测试精准度高，测试过程简单易行。
附图说明
图1圆环尺寸示意图；
图2设计“T”形砧子尺寸示意图；
图3圆环镦粗时圆环、砧子在Gleeble热模拟试验机上的装配图；
图4实施例1中，圆环尺寸比为D:d:H＝4:2:1对应的定标曲线。
附图说明：1、装配端，2、砧子，3、圆环。
具体实施方式
实施例1
测定Zr-4合金轧件与轧辊H13钢在轧制过程(700℃，应变速率为0.01s-1)的摩擦系数。具体步骤如下：
(1)在Zr-4合金轧件上截取3个尺寸比例为D:d:H＝4:2:1的圆环样品，具体尺寸为D＝24mm，d＝12mm，H＝6mm；
(2)从H13钢轧辊材料上截取原料加工Gleeble热模拟试验机的砧子。砧子形状为“T”形，如图2所示，具体尺寸为：Ф＝19.2mm，h＝25.4mm，Ф1＝32mm；
(3)在Gleeble热模拟试验机上装配步骤(2)中加工的砧子。必须保证安装后的两个砧子的端面处于平行状态，避免后续压缩过程圆环被压偏；
(4)通过焊接的方法，在步骤(1)中加工的圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，并在Gleeble热模拟实验机上安装好圆环样品。在圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝的目的是实时监测圆环的温度，具体装配图参见图3。图3中1表示Gleeble热模拟试验机砧子装配端，2表示具体设计加工的砧子，3表示圆环样品；
(5)设定温度为700℃，应变速率为0.01s-1，设定名义应变量为10％，20％，40％。并进行相应的压缩镦粗实验；
(6)用体视显微镜将圆环放大50倍再测量圆环的内径，并多次测量取平均值，圆环的高度用游标卡尺测量即可。测量结果为：名义应变量为10％对应的圆环内径和高度分别为11.92mm和5.82mm；名义应变量为20％对应的圆环内径和高度分别为10.32mm和4.34mm；名义应变量为40％对应的圆环内径和高度分别为9.49mm和3.84mm
(7)通过步骤(6)得出的结果与定标曲线进行比较，得出具体的摩擦因子，名义应变量为10％，20％和40％测定的摩擦因子为0.51，0.76和0.87。定标曲线通过如下步骤绘制：
①由圆环原始尺寸(D,d,H)利用下式求摩擦因子m的分界值m0
Figure BDA0002364274680000071
式中D:原始外径
d:原始内径
H:原始高度
②当m值小于上式确定的分界值，分流面半径Rn小于d，此时由m＝0起至m等于分界值每隔0.05取一个m值，按下式计算Rn:
Figure BDA0002364274680000072
式中
Figure BDA0002364274680000073
③当m值大于分界值，d<Rn<D，圆环镦粗时，部分金属沿着圆环径向向内流动，部分金属沿着圆环径向向外流动。使得内径缩小，外径增大。此时，由m大于分界值起至m＝1止，每个0.1取一个m值，按下式计算Rn:
Figure BDA0002364274680000081
④在H1＝H-0.4H范围内，每隔0.5取一个H1值，按下式计算变形后的圆环内径d1:
Figure BDA0002364274680000082
逐一计算，即可绘制尺寸比例为D:d:H＝4:2:1的圆环对应的定标曲线，具体参见图4；
(8)对摩擦因子进行修正得出具体的摩擦系数：
修正公式为：
Figure BDA0002364274680000083
mt表示修正后的摩擦因子
最后，可根据修正后的摩擦因子得出摩擦系数，具体公式为：
Figure BDA0002364274680000084
通过上述修正后得出的摩擦系数为：名义应变量为10％，20％和40％测定的摩擦系数为0.25，0.34和0.37。
实施例2
测定Ti-6Al-4V合金轧件与轧辊3Cr2W8V在轧制过程(1000℃，应变速率为0.1s-1)的摩擦系数。具体步骤如下：
(1)在Ti-6Al-4V合金轧件上截取3个尺寸比例为D:d:H＝6:3:2的圆环样品，具体尺寸为D＝24mm，d＝12mm，H＝8mm；
(2)从3Cr2W8V轧辊材料上截取原料加工Gleeble热模拟试验机的砧子。砧子形状为“T”形，如图2所示，具体尺寸为：Ф＝19.2mm，h＝25.4mm，Ф1＝32mm；
(3)在Gleeble热模拟试验机上装配步骤(2)中加工的砧子。必须保证安装后的两个砧子的端面处于平行状态，避免后续压缩过程圆环被压偏；
(4)通过焊接的方法，在步骤(1)中加工的圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，并在Gleeble热模拟实验机上安装好圆环样品。在圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝的目的是实时监测圆环的温度，具体装配图参见图3。
(5)设定温度为1000℃，应变速率为0.1s-1，设定名义应变量为10％，30％，50％。并进行相应的压缩镦粗实验；
(6)用体视显微镜将圆环放大50倍再测量圆环的内径，并多次测量取平均值，圆环的高度用游标卡尺测量即可。测量结果为：名义应变量为10％对应的圆环内径和高度分别为11.84mm和7.70mm；名义应变量为30％对应的圆环内径和高度分别为10.30mm和5.75mm；名义应变量为50％对应的圆环内径和高度分别为9.44mm和5.15mm
(7)通过步骤(6)得出的结果与定标曲线进行比较，得出具体的摩擦因子，名义应变量为10％，30％和50％测定的摩擦因子为0.9，0.9和0.88。定标曲线绘制步骤同实施例1，即可绘制尺寸比例为D:d:H＝6:3:2的圆环对应的定标曲线；
(8)对摩擦因子进行修正得出具体的摩擦系数：
修正公式为：
Figure BDA0002364274680000101
mt表示修正后的摩擦因子
最后，可根据修正后的摩擦因子得出摩擦系数，具体公式为：
Figure BDA0002364274680000102
通过上述修正后得出的摩擦系数为：名义应变量为10％，30％和50％测定的摩擦系数为0.38，0.38和0.37。
实施例3
测定7050铝合金轧件与轧辊在轧制过程(350℃，应变速率为0.1s-1)的摩擦系数。具体步骤如下：
(1)在7050铝合金轧件上截取3个尺寸比例为D:d:H＝6:3:1的圆环样品，具体尺寸为D＝24mm，d＝12mm，H＝4mm；
(2)从轧辊材料上截取原料加工Gleeble热模拟试验机的砧子。砧子形状为“T”形，如图2所示，具体尺寸为：Ф＝19.2mm，h＝25.4mm，Ф1＝32mm；
(3)在Gleeble热模拟试验机上装配步骤(2)中加工的砧子。必须保证安装后的两个砧子的端面处于平行状态，避免后续压缩过程圆环被压偏；
(4)通过焊接的方法，在步骤(1)中加工的圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，并在Gleeble热模拟实验机上安装好圆环样品。在圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝的目的是实时监测圆环的温度，具体装配图参见图3。
(5)设定温度为350℃，应变速率为0.1s-1，设定名义应变量为5％，10％，20％。并进行相应的压缩镦粗实验；
(6)用体视显微镜将圆环放大50倍再测量圆环的内径，并多次测量取平均值，圆环的高度用游标卡尺测量即可。测量结果为：名义应变量为5％对应的圆环内径和高度分别为11.88mm和3.96mm；名义应变量为10％对应的圆环内径和高度分别为10.70mm和3.92mm；名义应变量为20％对应的圆环内径和高度分别为7.78mm和3.32mm
(7)通过步骤(6)得出的结果与定标曲线进行比较，得出具体的摩擦因子，名义应变量为5％，10％和20％测定的摩擦因子为0.52，0.45和0.72。定标曲线绘制步骤同实施例1，即可绘制尺寸比例为D:d:H＝6:3:1的圆环对应的定标曲线；
(8)对摩擦因子进行修正得出具体的摩擦系数：
修正公式为：
Figure BDA0002364274680000111
mt表示修正后的摩擦因子
最后，可根据修正后的摩擦因子得出摩擦系数，具体公式为：
Figure BDA0002364274680000112
通过上述修正后得出的摩擦系数为：名义应变量为5％，10％和20％测定的摩擦系数为0.25，0.22和0.32。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，在Gleeble热模拟实验机上通过设计相应测试系统实现圆环镦粗，具体步骤如下：
(1)在轧件上截取样品加工出特定尺寸比列的圆环；
(2)从轧辊材料上截取原料加工出Gleeble热模拟试验机的砧子；
(3)在Gleeble热模拟试验机上装配步骤(2)中加工的砧子；
(4)通过焊接的方法，在步骤(1)中加工的圆环上焊接铂丝和铂铑合金丝，并在Gleeble热模拟实验机上安装好圆环；
(5)设定具体温度以及应变速率，每个温度和应变速率条件下设定3-5个应变量，并进行相应的镦粗实验；
(6)测定特定温度和应变速率下不同应变量对应圆环的高度和内径；
(7)通过步骤(6)得出的结果与定标曲线进行比较，得出具体的摩擦因子；
(8)对摩擦因子进行修正得出具体的摩擦系数。
2.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于：步骤(1)中，所述圆环的外径D、内径d和高度H的比例为：D:d:H＝6:3:2、4:2:1或者6:3:1。
3.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于：步骤(2)中所述砧子为“T”形。
4.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于：步骤(3)中保证安装后的两个砧子的端面处于平行状态。
5.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于：步骤(6)中用体视显微镜将圆环放大50倍再测量圆环的内径，压缩后圆环的高度用游标卡尺测量。
6.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，步骤(7)中定标曲线通过如下步骤绘制：
①由圆环原始尺寸D、d、H，利用下式求摩擦因子m的分界值m0：
Figure FDA0002364274670000021
式中D:原始外径
d:原始内径
H:原始高度
②当m值小于上式确定的分界值，分流面半径Rn小于d，此时由m＝0起至m等于分界值每隔0.05取一个m值，按下式计算Rn：
Figure FDA0002364274670000022
式中
Figure FDA0002364274670000023
③当m值大于分界值，d<Rn<D，圆环镦粗时，部分金属沿着圆环径向向内流动，部分金属沿着圆环径向向外流动，使得内径缩小，外径增大；此时，由m大于分界值起至m＝1止，每个0.1取一个m值，按下式计算Rn：
Figure FDA0002364274670000031
④在H1＝H-0.5H范围内，每隔0.5取一个H1值，按下式计算变形后的圆环内径d1：
Figure FDA0002364274670000032
逐一计算，即可绘制特定尺寸比例圆环对应的定标曲线。
7.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，步骤(8)中具体的修正如下：
修正公式为：
Figure FDA0002364274670000033
mt表示修正后的摩擦因子
最后，根据修正后的摩擦因子得出摩擦系数，具体公式为：
Figure FDA0002364274670000034
8.按照权利要求1所述高温轧制过程摩擦系数测试方法，其特征在于，测定摩擦系数的温度区间为：300℃-1050℃。
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