CN112588872B - 一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置与方法，属于摩擦系数测量技术领域。本发明的装置包括安装于电子万能试验机工作台上的底座、设于底座两侧的竖板、连接两块竖板的导柱、滑动连接于导柱上的第一滑动块、第二滑动块和第三滑动块、设于第一滑动块与第二滑动块之间的夹持模具、设于第二滑动块与第三滑动块之间的弹簧、设于第三滑动块与相邻的竖板之间的推压组件。本发明结构简单，操作方便，成本较低，能够有效测量金属板材在各种工况下的摩擦系数。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦系数测量技术领域，尤其涉及一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置与方法。
背景技术
金属板材冲压成形是一种生产效率高、制造成本低的工艺，广泛用于汽车、家电、飞机等许多制造业。在冲压成形过程中，板材与模具接触并滑动，在接触界面上产生摩擦，摩擦行为是影响板材流动形和成形性的重要因素，也影响冲压件表面质量及模具寿命。
基于有限元技术的计算机仿真分析被广泛用于冲压工艺设计，仿真分析程序需要能够准确描述板材与模具接触摩擦行为的力学模型，而常用的库伦摩擦模型需要输入摩擦系数，摩擦系数可以根据接触界面的滑动速度、接触压力、表面温度以及其它域变量定义。
现有的金属板材摩擦系数测量手段有：平板滑动试验；拉弯试验；拉延成形摩擦试验。上述摩擦试验均为特定约束状态下的试验方法，试验装置比较复杂，需要固定在地面或工作台上，一般需要液压或电动夹持机构、控制系统、和数据采集分析系统，导致设备成本比较高，而使用灵活性和通用性比较低。此外，接触界面的板材滑动速度、接触压力、曲面特征（曲率）都会影响摩擦系数，而目前的测试方法不能够同时考察这三个影响因素。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置与方法，其结构简单，操作方便，成本较低，能够有效测量金属板材在各种工况下的摩擦系数。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置，包括安装于电子万能试验机工作台上的底座、设于底座两侧的竖板、连接两块竖板的导柱、滑动连接于导柱上的第一滑动块、第二滑动块和第三滑动块、设于第一滑动块与第二滑动块之间的夹持模具、设于第二滑动块与第三滑动块之间的弹簧、设于第三滑动块与相邻的竖板之间的推压组件。
作为本发明优选，所述推压组件包括螺杆、手柄；所述第三滑动块上设有螺纹孔，所述螺杆螺纹连接于所述螺纹孔，并与所述竖板转动连接，所述螺杆端部连接有所述手柄。所述推压组件的操作简单，通过手柄来转动螺杆，第三滑动块沿螺杆螺纹移动，从而实现对弹簧压缩量的调节，即调节对测量件的夹持力。
作为本发明优选，所述第一滑动块与相邻的竖板之间设有垫块。由于测量件的厚度多样，而本装置在电子万能试验机上的安装位置不便调节，所以为了确保测量件与电子万能试验机的中心线重合，避免偏心加载，可以通过垫块来调整测量件的中心位置。
作为本发明优选，与所述第一滑动块相邻的竖板上设有所述垫块的托台，以防止垫块意外下落。
作为本发明优选，所述垫块具有厚度不同的多块，确保对于测量件中心位置的调节范围。
作为本发明优选，所述导柱一端设有外螺纹，并于该端的竖板螺纹连接，另一端设有螺帽。所述连接结构一方面便于拆装携带及维护，另一方面能够确保两块竖板之间距离的稳定性，避免在推压组件作用下被撑开。
作为本发明优选，所述导柱具有均布的四根，以确保整个装置结构的强度和稳定性。
作为本发明优选，所述夹持模具设于四根所述导柱的中部位置，所述螺杆设于四根所述导柱的中部位置，以确保受力的稳定性。
作为本发明优选，所述夹持模具包括凸模和凹模，所述凸模和凹模的上下两侧均设有镶块，用于固定凸模或凹模于第一滑动块上，固定凹模或凸模于第二滑动块上，镶块有效保证了凸模和凹模的位置稳定性，且便于拆装更换不同的夹持模具。
本发明还提供一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，采用如上所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置，所述方法包括：
刚度标定，拆除所述夹持模具，在所述第一滑动块与第二滑动块之间安装压力传感器，通过推压组件调节弹簧的压缩量，并读取压力传感器的值，以得到夹持力与弹簧压缩量之间的关系；
平面夹持件的摩擦系数μ=P/N/2，其中，P为拉伸力，由电子万能试验机测得；N为测量件所受夹持力，根据标定的刚度及弹簧压缩量计算得出；
弧形夹持件的摩擦系数μ = (P -Pb+ub)/N/2，其中，P由电子万能试验机测得；Pb+ub=t2 wσb / (2R+t)，t为测量件的厚度，w为测量件的宽度，R为夹持模具的圆弧半径，σb为测量件表面由弯曲产生的应力，是弯曲应变εb的函数，弯曲应变可通过εb = t/(2R+t)计算得出，σb与εb之间的关系可由测量件材料的单向拉伸应力与应变曲线的关系得出。
本发明的优点是：
1、装置是纯机械结构，无需任何液压或电子元器件，结构简单，成本低。
2、装置无需固定在实验室里，在普通的电子万能试验机上即可进行试验，使用方便，通用性高。
3、装置的装配方式是卡接和螺接，没有焊接结构，整个装置拆装、存储、运输都很方便。
4、可以有效测量不同滑动速度、不同接触压力、不同模具表面特征（曲率及粗糙度）工况下的摩擦系数。
附图说明
图1为本发明一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置的结构示意图；
图2为本发明测量平面夹持件时的结构示意图；
图3为本发明测量弧形夹持件时的结构示意图；
图4为本发明测量弧形夹持件时的过程示意图；
图5为本发明测量弧形夹持件时的受力分析图。
1-螺栓；2-底座；3、4-竖板；5-第一滑动块；6-第二滑动块；7-第三滑动块；8-手柄；9-螺杆；10-弹簧；11-托台；12-垫块；13-导柱；14-夹持模具；21-测量件；22-凹模；23-凸模；24-楔形夹头；25-镶块。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置，包括安装于电子万能试验机工作台上的底座2、设于底座两侧的竖板3和4、连接两块竖板的导柱13、滑动连接于导柱13上的第一滑动块5、第二滑动块6和第三滑动块7、设于第一滑动块5与第二滑动块6之间的夹持模具14、设于第二滑动块6与第三滑动块7之间的弹簧10、设于第三滑动块7与相邻的竖板3之间的推压组件。底座通过多个螺栓1固定于电子万能试验机的工作台上，测量件21的上端被电子万能试验机的楔形夹头24夹紧，下端被夹持模具14夹持。
具体的，所述推压组件包括螺杆9、手柄8；所述第三滑动块7上设有螺纹孔，所述螺杆9螺纹连接于所述螺纹孔，并与所述竖板3转动连接，所述螺杆9端部连接有所述手柄8。所述推压组件的操作简单，通过手柄来转动螺杆，第三滑动块沿螺杆螺纹移动，从而实现对弹簧压缩量的调节，即调节对测量件的夹持力。
另外，所述第一滑动块5与相邻的竖板4之间设有垫块12，且垫块12具有厚度不同的多块。由于测量件的厚度多样，而本装置在电子万能试验机上的安装位置不便调节，所以为了确保测量件与电子万能试验机的中心线重合，避免偏心加载，可以通过垫块来调整测量件的中心位置。与所述第一滑动块5相邻的竖板4上还设有所述垫块的托台11，以防止垫块意外下落。
所述导柱13具有均布的四根，以确保整个装置结构的强度和稳定性。所述导柱13一端设有外螺纹，并于该端的竖板螺纹连接，另一端设有螺帽。所述连接结构一方面便于拆装携带及维护，另一方面能够确保两块竖板之间距离的稳定性，避免在推压组件作用下被撑开。而所述夹持模具14设于四根所述导柱13的中部位置，所述螺杆9设于四根所述导柱13的中部位置，以确保受力的稳定性。
所述夹持模具包括凸模23和凹模22，为实现不同接触面特征的摩擦系数测量，本装置可以安装不同曲面、不同材质、不同粗糙程度的夹持模具，并且所述凸模23和凹模22的上下两侧均设有镶块25，用于固定凸模23于第一滑动块5上，固定凹模22于第二滑动块6上，镶块有效保证了凸模和凹模的位置稳定性，且便于拆装更换不同的夹持模具。
本发明还提供一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，采用如上所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置，所述方法包括：
刚度标定，虽然单个弹簧的刚度是已知的，但是由弹簧、滑动块、导柱等结构组成的总成的刚度需要标定。首先拆除第一滑动块5和第二滑动块6上的夹持模具14，并在在两者之间安装压力传感器，通过手柄8旋动螺杆9以调节弹簧10的压缩量，根据螺杆9的螺纹特征，可以得到螺杆没旋转一圈对应的前进距离，即弹簧的压缩量；调节过程中读取压力传感器的值，即第一滑动块5与第二滑动块6之间的夹持力，从而得到夹持力与弹簧压缩量之间的关系；
库伦摩擦系数是通过接触面的压力和滑动摩擦力计算得出，即测量件被模具夹持的压力N和被试验机拉动的拉伸力P计算的出，对于平面夹持件，如图2所示，测量件上下表面都与模具接触，每个接触面的摩擦力为P/2，所以摩擦系数μ=P/N/2，其中，P为拉伸力，由电子万能试验机测得；N为测量件所受夹持力，根据标定的刚度及弹簧压缩量（螺杆推进距离）计算得出。
而对于弧形夹持件，如图3所示，试验机测量采集的拉伸力P由两部分组成：第一部分是克服测量件进入模具的弯曲力Pb和测量件被拉出模具的反弯曲力Pub；第二部分是测量件与模具之间的摩擦力。所以弧形夹持件的摩擦系数μ = (P -Pb+ub)/N/2，其中，P由电子万能试验机测得；Pb+ub需要利用弹塑性力学知识进行理论推导得出；N为测量件所受夹持力，根据标定的刚度及弹簧压缩量（螺杆推进距离）计算得出。
根据图5的受力分析，可以推导出Pb+ub= t2 wσb / (2R+t)，t为测量件的厚度，w为测量件的宽度，R为夹持模具的圆弧半径，σb为测量件表面由弯曲产生的应力，是弯曲应变εb的函数，弯曲应变可通过εb = t/(2R+t)计算得出，σb与εb之间的关系可由测量件材料的单向拉伸应力与应变曲线的关系得出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，该具体实施方式是基于本发明整体构思下的一种实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，采用一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置，所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的装置包括安装于电子万能试验机工作台上的底座、设于底座两侧的竖板、连接两块竖板的导柱、滑动连接于导柱上的第一滑动块、第二滑动块和第三滑动块、设于第一滑动块与第二滑动块之间的夹持模具、设于第二滑动块与第三滑动块之间的弹簧、设于第三滑动块与相邻的竖板之间的推压组件；
所述方法包括：
刚度标定，拆除所述夹持模具，在所述第一滑动块与第二滑动块之间安装压力传感器，通过推压组件调节弹簧的压缩量，并读取压力传感器的值，以得到夹持力与弹簧压缩量之间的关系；
平面夹持件的摩擦系数μ=P/N/2，其中，P为拉伸力，由电子万能试验机测得；N为测量件所受夹持力，根据标定的刚度及弹簧压缩量计算得出；
弧形夹持件的摩擦系数μ = (P -Pb+ub)/N/2，其中，P由电子万能试验机测得；Pb+ub= t2wσb / (2R+t)，t为测量件的厚度，w为测量件的宽度，R为夹持模具的圆弧半径，σb为测量件表面由弯曲产生的应力，是弯曲应变εb的函数，弯曲应变可通过εb = t/(2R+t)计算得出，σb与εb之间的关系可由测量件材料的单向拉伸应力与应变曲线的关系得出。
2.根据权利要求1所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述推压组件包括螺杆、手柄；所述第三滑动块上设有螺纹孔，所述螺杆螺纹连接于所述螺纹孔，并与相近的竖板转动连接，所述螺杆端部连接有所述手柄。
3.根据权利要求1所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述第一滑动块与相邻的竖板之间设有垫块。
4.根据权利要求3所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，与所述第一滑动块相邻的竖板上设有所述垫块的托台。
5.根据权利要求3所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述垫块具有厚度不同的多块。
6.根据权利要求1所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述导柱一端设有外螺纹，并与该端的竖板螺纹连接，另一端设有螺帽。
7.根据权利要求2所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述导柱具有均布的四根。
8.根据权利要求7所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述夹持模具设于四根所述导柱的中部位置，所述螺杆设于四根所述导柱的中部位置。
9.根据权利要求1所述的一种测量多工况金属板材摩擦系数的方法，其特征在于，所述夹持模具包括凸模和凹模，所述凸模和凹模的上下两侧均设有镶块。
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