CN113210460A - 金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，包括加载模块、自增压低温罐、低温阀、低温测试模块、温度控制器、PLC控制单元、伺服牵引模块和数据采集处理系统；所述加载模块用于对所述低温测试模块施加加载力；所述低温测试模块包括上低温腔、下低温腔、上模板、下模板、下模座板、上模具块和下模具块；所述上模板、所述下模板、所述上模具块和所述下模具块内部均设置有低温通道；所述伺服牵引模块包括伺服电动机Ⅱ、减速机Ⅱ、带传动机构Ⅱ、伺服电动缸Ⅱ；所述自增压低温罐内贮存有超低温介质，与所述低温通道相连通。本发明解决了现有技术缺少考虑低温条件的板材成形摩擦系数测量装置和方法的问题。

Description

金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及金属板材摩擦性能测试技术领域，具体而言，尤其涉及一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置及方法。

背景技术

拉深工艺作为金属板材的一种重要成形方法，在航空航天、国防军工、汽车制造、轨道交通等领域广泛应用。拉深成形时，压边圈、凹模和板材之间形成环状法兰区，法兰区摩擦系数不仅影响板材的起皱、开裂、回弹，还影响板材成形过程数值计算的准确性。与室温相比，低温下金属材料的强度塑性增强，超低温拉深工艺可显著提高板材的成形极限，但增大了法兰区摩擦系数的测量难度。目前，法兰区摩擦系数主要通过销-盘摩擦磨损试验机测量，缺少针对拉深成形过程，特别是超低温拉深成形过程的摩擦系数测量装置。

中国专利ZL201510319813.1公开了一种薄板冲压成形中的变摩擦系数模型测定方法，该方法以从薄板上切割下的试样为销，以冲压模具材料制成的圆盘为对摩盘，利用旋转式销-盘摩擦磨损试验机，模拟冲压过程中薄板和模具间的摩擦行为，通过改变正压力来获取摩擦系数。但该方法不同位置的旋转半径不同，接触界面的线速度存在差异。另外，薄板试样与模具圆盘持续对摩会改变接触界面的表面特性，导致摩擦系数测量结果失真。

中国专利申请ZL201810146632.7公开了一种摩擦系数测量装置，该装置通过调节底座上的螺栓，压缩底座和模具固定夹之间的弹簧，对板料试样施加压力，通过模具固定夹上的压力传感器测量压力值，利用拉伸试验机施加拉力并测量拉力值，进而计算板料试样和模具试样间的摩擦系数。但该装置通过旋压多个弹簧模拟压边力加载，加载精度低、加载力难以均匀分布，利用拉伸试验机拉伸板料试样，拉伸速度的调节范围小。

中国专利申请ZL201910075788.5公开了一种可加热金属板材摩擦系数测试装置及方法，该专利通过对钣金件和模具独立加热，可进行热板热模、冷板热模、热板冷模和冷板冷模四种不同工艺下的摩擦模拟测试，研究不同温度、压力、速度对板材热成形摩擦系数的影响规律。但该专利的温度控制范围为室温～300℃，不能进行低温条件下的板材摩擦性能测试。

金属板材超低温拉深成形过程中，模具-板材接触界面的摩擦特性会随温度的变化而改变。现有的板材成形摩擦系数测量装置，主要针对室温或高温条件设计，考虑低温条件的摩擦测试装置和方法尚处空白，有待进一步探索。

发明内容

根据上述提出现有技术缺少考虑低温条件的板材成形摩擦系数测量装置和方法的技术问题，而提供一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置及方法，能够实现金属板材超低温拉深成形过程中，法兰区摩擦系数的精准测量。

本发明采用的技术手段如下：

一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，包括加载模块、自增压低温罐、低温阀、低温测试模块、温度控制器、PLC控制单元、伺服牵引模块和数据采集处理系统；

所述加载模块用于对所述低温测试模块施加加载力；所述加载模块与所述PLC控制单元电连接，所述PLC控制单元能够调节所述加载模块对所述低温测试模块施加的加载力；所述加载模块包括压力传感器Ⅱ，用于检测所述加载模块施加于所述低温测试模块的加载力；

所述低温测试模块包括上低温腔、下低温腔、上模板、下模板、下模座板、上模具块和下模具块；所述下模座板底部设置有下隔热板，所述下隔热板与试验台固定连接；所述下模座板上表面设置有凸台，所述下低温腔底部设置与所述凸台相配合的开孔，所述下低温腔与所述下模座板固定连接；所述下模板位于所述下低温腔内部，且底部固定安装于所述凸台；所述下模板上部中心位置开设与所述下模具块相匹配的凹槽，所述下模具块与所述下模板固定连接，所述下模具块的测试表面高于所述下模板的上表面；所述上低温腔顶部设置有用于连接所述加载模块的孔；所述上模板位于所述上低温腔内部；所述上模板底部中心位置开设与所述上模具块相匹配的凹槽，所述上模具块与所述上模板固定连接，所述上模具块的测试表面低于所述上模板的下表面；所述上模板上方设置有与所述上模板固定连接的上隔热板；所述上模具块和所述下模具块的中心孔内均设置有测温孔，所述测温孔内部安装有温度传感器；所述下模板上表面设置有导柱，所述导柱外套设有弹簧，所述上模板下表面设置有与所述导柱相匹配的导套，所述导柱伸入所述导套内；所述上低温腔通过卡销与所述下低温腔连接；所述上模板、所述下模板、所述上模具块和所述下模具块内部均设置有低温通道，所述上模板与所述上模具块的低温通道相互连通，所述下模板与所述下模具块的低温通道相互连通；

所述伺服牵引模块包括伺服电动机Ⅱ、减速机Ⅱ、带传动机构Ⅱ、伺服电动缸Ⅱ、垫板、连接块、摩擦力传感器、固定销、固定块和楔形夹具；所述伺服电动机Ⅱ、所述减速机Ⅱ、所述带传动机构Ⅱ和所述伺服电动缸Ⅱ依次相连，通过所述伺服电动机Ⅱ的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅱ内滚珠丝杠的工作；所述摩擦力传感器一端通过所述连接块与所述伺服电动缸Ⅱ内滚珠丝杠的推杆相连，另一端通过所述固定块与所述楔形夹具相连；所述楔形夹具通过所述固定销与所述固定块相连；所述伺服电动机Ⅱ与所述PLC控制单元电连接；所述伺服电动缸Ⅱ通过所述垫板与所述试验台固定连接；

所述数据采集处理系统包括多通道数据采集卡和计算机；所述多通道数据采集卡与所述压力传感器Ⅱ和所述摩擦力传感器电连接，采集处理所述压力传感器Ⅱ和所述摩擦力传感器测得的电信号；所述计算机与所述多通道数据采集卡电连接，将所述多通道数据采集卡采集到的电信号转换为压边力数据和摩擦力数据，进而计算摩擦系数；

所述自增压低温罐内贮存有超低温介质，所述自增压低温罐通过设置有所述低温阀的低温管路与所述上模板和所述下模板的所述低温通道相连通，所述低温阀与所述温度控制器电连接，所述温度控制器与所述上模具块和所述下模具块的测温孔内安装的所述温度传感器电连接。

进一步地，所述加载模块为伺服加载模块，包括伺服电动机Ⅰ、减速机Ⅰ、带传动机构Ⅰ、伺服电动缸Ⅰ、安装板、压力传感器Ⅰ、导向板、连接板、连接法兰和加载法兰；所述伺服电动机Ⅰ、所述减速机Ⅰ、所述带传动机构Ⅰ和所述伺服电动缸Ⅰ依次相连，通过所述伺服电动机Ⅰ的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅰ内滚珠丝杠的工作；所述伺服电动缸Ⅰ通过所述安装板固定安装于支撑板；所述支撑板通过立柱固定安装于所述试验台；所述压力传感器Ⅰ一端与所述伺服电动缸Ⅰ内滚珠丝杠的推杆相连，另一端与所述导向板相连；所述导向板通过导向套套设于所述立柱；所述连接法兰一端通过所述连接板与所述导向板固定连接，另一端依次固定连接所述压力传感器Ⅱ和所述加载法兰；所述上低温腔顶部设置有用于与所述加载法兰相连的孔。

进一步地，所述伺服电动机Ⅰ和所述压力传感器Ⅰ分别与所述PLC控制单元电连接，所述PLC控制单元控制所述伺服电动机Ⅰ的工作进而调节所述加载模块对所述低温测试模块施加的加载力，所述压力传感器Ⅰ用于实时监测并反馈加载力至所述PLC控制单元。

进一步地，所述加载模块为杠杆加载模块，包括杠杆、杠杆支架、加载支架、加载杆、加载块、加载法兰、游码、游码杆、砝码、砝码托盘、配重块、调节螺母、保护盖和限位支架；所述杠杆左侧安装有所述配重块、所述调节螺母和所述保护盖，右侧安装有所述加载支架、所述游码杆和所述砝码托盘；所述游码安装于所述游码杆；所述配重块和所述游码杆与所述杠杆固定连接，所述调节螺母与所述杠杆固定连接，所述保护盖与所述配重块固定连接，所述加载支架一端与所述杠杆铰接，另一端依次与所述加载杆、所述加载块、所述压力传感器Ⅱ和所述加载法兰固定连接；所述砝码托盘上的吊环连接有设置连接环的连接轴，所述连接环与所述杠杆铰接；所述杠杆支架一端与所述杠杆铰接，另一端与所述支撑板固定连接；所述限位支架底部与所述支撑板固定连接，上部设置有能够套设于所述杠杆外侧的限位孔；所述支撑板通过立柱固定安装于试验台。

进一步地，所述杠杆加载模块加载比为1：10，所述杠杆加载模块通过所述配重块和所述调节螺母调节所述杠杆的平衡；所述杠杆加载模块还包括砝码，所述杠杆加载模块通过所述游码进行预加载，通过所述砝码进行压边力加载；所述砝码托盘的吊环为四分之三圆环，与所述吊环直接连接部分为细杆，与所述砝码托盘的托盘直接连接部分为粗杆，所述砝码设置有开口槽和中心孔，所述砝码的开口槽穿过所述细杆，所述砝码的中心孔与所述粗杆卡合安装。

进一步地，所述上低温腔和所述下低温腔的外层为不锈钢、内层填充隔热材料；所述上低温腔和所述下低温腔的右侧均设置有金属带材出口；所述上模板和所述下模板内部均设置有两层等距排列的低温通道Ⅰ，所述低温通道Ⅰ上安装有低温塞；所述上模板和所述下模板上靠近所述金属带材出口处均设置有与所述低温通道Ⅰ相连通的排气孔；所述上模具块和所述下模具块内部均设置有低温通道Ⅱ。

进一步地，所述PLC控制单元包括可编程逻辑控制器PLC和触摸屏，所述可编程逻辑控制器PLC与所述触摸屏电连接。

本发明还提供了一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，采用上述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置实现，包括以下步骤：

步骤一、将所述金属带材一端安装在所述上模具块和所述下模具块之间，另一端与所述楔形夹具相连；

步骤二、通过所述加载模块对所述上模板进行预加载，所述上模板随着所述弹簧压缩向下移动，当所述上模具块与所述金属带材临界接触时，保持预加载力不变，对所述压力传感器Ⅱ进行标定调零；

步骤三、调节所述加载模块的加载力，对所述金属带材施加压边力；

步骤四、由所述自增压低温罐向所述低温通道内输入超低温介质，并通过所述温度控制器调节所述低温阀的开度监控温度；

步骤五、达到预设温度后，在所述PLC控制单元的触摸屏内输入牵引速度和牵引行程，并通过所述PLC控制单元控制所述伺服电动机Ⅱ进而控制所述楔形夹具带动所述金属带材水平运动，同时通过所述温度控制器实时监控温度；

步骤六、通过所述多通道数据采集卡采集测试过程中的压边力数据N和摩擦力数据f，通过所述计算机计算摩擦系数：μ＝f/2N；

步骤七、卸去加载力，所述弹簧推动所述上模板和所述上低温腔复位，取出测试所述金属带材。

进一步地，所述金属带材的材料为铝合金、不锈钢、钛合金、铜合金或镁合金，所述金属带材为单层或多层带材，所述金属带材的厚度为0.1～8mm。

进一步地，所述加载力为0～30Mpa；所述超低温介质为液氮、液氩或液氦，测试温度为室温至液态超低温介质温度；所述伺服牵引模块的牵引速度为0～100mm/s，牵引行程为0～300mm。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于金属板材超低温拉深成形新技术，设计了一种模拟法兰区实际成形工况的摩擦系数测量装置，通过使用不同的超低温介质，能够在较宽温度范围内进行摩擦测试，采用液氮控温时，最低温度可达-196℃，采用液氦控温时，最低温度可达-267℃。

2、本发明采用外置压力传感器和摩擦力传感器的方式，避免了超低温介质传热对摩擦系数测量精度的影响，安装导柱、导套，保证了上、下模具块间的对中精度，安装复位弹簧提高了装置的测试效率。

3、本发明具有较大的力加载范围和速度调整范围，结合上、下模具块的可拆卸式结构，能够进行不同温度、速度、压力、润滑剂、模具材料、表面粗糙度、表面结构、热处理工艺的摩擦性能测试，从而为超低温拉深模具设计和拉深工艺优化提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法流程图。

图2为本发明实施例1所述摩擦系数测量装置结构示意图。

图3为本发明实施例2所述摩擦系数测量装置结构示意图。

图4为本发明实施例2所述杠杆加载模块结构示意图。

图5为本发明所述低温测试模块剖视图。

图6为本发明所述低温测试模块结构示意图。

图7为本发明所述模具块结构示意图。

图8为本发明所述下模板结构示意图。

图中：1、自增压低温罐；2、温度控制器；3、低温管路；4、低温阀；5、低温测试模块；6、加载法兰；7、压力传感器Ⅱ；8、连接法兰；9、导向板；10、立柱；11、支撑板；12、安装板；13、伺服电动缸Ⅰ；14、伺服电动机Ⅰ；15、带传动机构Ⅰ；16、减速机Ⅰ；17、压力传感器Ⅰ；18、连接板；19、隔热垫片；20、导向套；21伺服电动机Ⅱ；22、PLC控制单元；23、计算机；24、带传动机构Ⅱ；25、减速机Ⅱ；26、伺服电动缸Ⅱ；27、多通道数据采集卡；28、垫板；29、试验台；30、减震垫；31、连接块；32、摩擦力传感器；33、固定块；34；固定销；35、楔形夹具；36、金属带材；37、螺母；38、加载块；39、保护盖；40、配重块；41、限位支架；42、杠杆支架；43、加载支架；44、加载杆；45、游码杆；46、游码；47、杠杆；48、连接环；49、砝码；50、砝码托盘；51、双头螺柱；52、调节螺母；53、螺栓；54、销轴；55、连接轴；56、下隔热板；57、下模座板；58、下低温腔；59、下模板；60、上模板；61、上隔热板；62、上低温腔；63、卡销；64、上模具块；65、下模具块；66、弹簧；67、导柱；68、低温通道Ⅰ；69、温度传感器；70、导套；71、低温管接头；72、测试表面；73、低温塞；74、排气孔；75、低温通道Ⅱ。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本发明提供了一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，包括加载模块、自增压低温罐1、低温阀4、低温测试模块5、温度控制器2、PLC控制单元22、伺服牵引模块和数据采集处理系统；

所述加载模块用于对所述低温测试模块5施加加载力；所述加载模块与所述PLC控制单元22电连接，所述PLC控制单元22能够调节所述加载模块对所述低温测试模块5施加的加载力；所述加载模块包括压力传感器Ⅱ7，用于检测所述加载模块施加于所述低温测试模块5的加载力；所述加载力包括测量过程中的预加载力和压边力；

所述低温测试模块5的剖视图如图5所示，结构如图6所示，所述低温测试模块5包括上低温腔62、下低温腔58、上模板60、下模板59、下模座板57、上模具块64和下模具块65；所述下模座板57底部设置有下隔热板56，以减少所述低温测试模块5的冷损失，所述下隔热板56通过螺栓、螺母与试验台29固定连接；

所述下模座板57上表面设置有凸台，所述下低温腔58底部设置与所述凸台相配合的开孔，所述下低温腔58通过螺钉与所述下模座板57固定连接；所述下模板59位于所述下低温腔58内部，且底部通过螺钉固定安装于所述凸台；所述下模板59上部中心位置开设与所述下模具块65相匹配的凹槽，所述下模具块65通过螺钉与所述下模板59固定连接，所述下模具块65的测试表面72高于所述下模板59的上表面；所述上模具块64和所述下模具块65的测试表面72的尺寸为20mm×20mm；

所述上模具块64和所述下模具块65采用相同的结构如图7所示；

所述上低温腔62顶部设置有用于连接所述加载模块的孔；所述上模板60位于所述上低温腔62内部；所述上模板60底部中心位置开设与所述上模具块64相匹配的凹槽，所述上模具块64通过螺钉与所述上模板60固定连接，所述上模具块64的测试表面72低于所述上模板60的下表面；所述上模板60上方设置有通过螺钉与所述上模板60固定连接的上隔热板61，以减少低温测试模块的冷损失；所述上模具块64和所述下模具块65的中心孔内均设置有测温孔，所述测温孔内部安装有温度传感器69；所述下模板59上表面设置有导柱67，所述导柱67外套设有弹簧66，所述上模板60下表面设置有与所述导柱67相匹配的导套70，所述导柱67伸入所述导套70内；所述上模板60和所述下模板59通过所述导柱67、所述弹簧66和所述导套70相互配合以实现所述上模板60和所述下模板59间的定位和导向；所述上低温腔62通过卡销63与所述下低温腔58连接，为所述低温测试模块5提供了相对封闭的测试空间；

所述上模板60、所述下模板59、所述上模具块64和所述下模具块65内部均设置有低温通道，所述上模板60与所述上模具块64的低温通道相互连通，所述下模板59与所述下模具块65的低温通道相互连通；

所述伺服牵引模块包括伺服电动机Ⅱ21、减速机Ⅱ25、带传动机构Ⅱ24、伺服电动缸Ⅱ26、垫板28、连接块31、摩擦力传感器32、固定销34、固定块33和楔形夹具35；所述伺服电动机Ⅱ21、所述减速机Ⅱ25、所述带传动机构Ⅱ24和所述伺服电动缸Ⅱ26依次相连，通过所述伺服电动机Ⅱ21的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅱ26内滚珠丝杠的工作，具体地，所述伺服电动机Ⅱ21依次通过所述减速机Ⅱ25和所述带传动机构Ⅱ24带动所述伺服电动缸Ⅱ26内的滚珠丝杠做旋转运动，所述伺服电动缸Ⅱ26内的滚珠丝杠带动螺母，将旋转运动转化为所述伺服电动缸Ⅱ26内的滚珠丝杠推杆的直线运动；所述摩擦力传感器32一端通过所述连接块31与所述伺服电动缸Ⅱ26内滚珠丝杠的推杆相连，另一端通过所述固定块33与所述楔形夹具35相连；所述楔形夹具35通过所述固定销34与所述固定块33相连；所述伺服电动机Ⅱ21与所述PLC控制单元22电连接；所述伺服电动缸Ⅱ26通过所述垫板28与所述试验台29固定连接；

所述数据采集处理系统包括多通道数据采集卡27和计算机23；所述多通道数据采集卡27与所述压力传感器Ⅱ7和所述摩擦力传感器32电连接，采集处理所述压力传感器Ⅱ7和所述摩擦力传感32器测得的电信号；所述计算机23与所述多通道数据采集卡27电连接，将所述多通道数据采集卡27采集到的电信号转换为压边力数据和摩擦力数据，进而计算摩擦系数；

所述自增压低温罐1内贮存有超低温介质，所述自增压低温罐1通过设置有所述低温阀4的低温管路3与所述上模板60和所述下模板59的所述低温通道相连通，所述上模板60和所述下模板59上均设置有与所述低温通道相连通的低温管接头71，用于连接所述低温管路3；所述低温阀4与所述温度控制器2电连接，所述温度控制器2与所述上模具块64和所述下模具块65的测温孔内安装的所述温度传感器69电连接。

进一步地，本实施例所述加载模块为伺服加载模块，如图2所示，包括伺服电动机Ⅰ14、减速机Ⅰ16、带传动机构Ⅰ15、伺服电动缸Ⅰ13、安装板12、压力传感器Ⅰ17、导向板9、连接板18、连接法兰8和加载法兰6；所述伺服电动机Ⅰ14、所述减速机Ⅰ16、所述带传动机构Ⅰ15和所述伺服电动缸Ⅰ13依次相连，通过所述伺服电动机Ⅰ16的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅰ13内滚珠丝杠的工作，具体地，所述伺服电动机Ⅰ14依次通过所述减速机Ⅰ15和所述带传动机构Ⅰ15带动所述伺服电动缸Ⅰ13内的滚珠丝杠做旋转运动，所述伺服电动缸Ⅰ13内的滚珠丝杠带动螺母，将旋转运动转化为滚珠丝杠推杆的直线运动；所述伺服电动缸Ⅰ13通过所述安装板12固定安装于支撑板11，以固定整个伺服加载模块；所述支撑板11通过立柱10固定安装于所述试验台29；所述压力传感器Ⅰ17一端与所述伺服电动缸Ⅰ13内滚珠丝杠的推杆相连，另一端与所述导向板9相连；所述导向板9通过导向套20套设于所述立柱10，通过所述导向套20与所述立柱10配合以实现对所述导向板9运动的导向；所述连接法兰8一端通过所述连接板18与所述导向板9固定连接，另一端依次固定连接所述压力传感器Ⅱ7和所述加载法兰6以实现压边力的加载，用于消除所述加载法兰6冷传导对所述压力传感器Ⅱ7测量精度的影响；所述上低温腔62顶部设置有用于与所述加载法兰6相连的孔。

进一步地，所述伺服电动机Ⅰ14和所述压力传感器Ⅰ17分别与所述PLC控制单元22电连接，所述PLC控制单元22控制所述伺服电动机Ⅰ14的工作进而调节所述加载模块对所述低温测试模块5施加的加载力，所述压力传感器Ⅰ17用于实时监测并反馈加载力至所述PLC控制单元22以保证加载精度。

进一步地，所述支撑板11通过螺母与所述立柱10固定连接，所述立柱10通过螺母37与所述试验台29固定连接；所述试验台29底部设置有减震垫30。

进一步地，所述上低温腔62和所述下低温腔58的外层为不锈钢、内层填充隔热材料；所述上低温腔62和所述下低温腔58的右侧均设置有金属带材出口；所述上模板60和所述下模板59的结构相近，其中所述下模板59的结构如图8所示；所述上模板60和所述下模板59内部均设置有两层等距排列的低温通道Ⅰ68，所述低温通道Ⅰ68上安装有低温塞73，所述低温塞73插入所述低温通道Ⅰ68使相连的所述低温通道Ⅰ68形成密闭的冷却空间；所述上模板60和所述下模板59上靠近所述金属带材出口处均设置有与所述低温通道Ⅰ68相连通的排气孔74，所述上模板60和所述下模板59通过所述排气孔74将所述低温通道内多余的超低温介质排入相应的低温腔内，利于低温腔降温保冷；所述上模具块64和所述下模具块65内部均设置有低温通道Ⅱ75。

进一步地，所述上模具块64和所述下模具块65的材料、热处理工艺、尺寸、表面粗糙度、表面结构、可根据需要进行更换和调整。

进一步地，所述PLC控制单元22包括可编程逻辑控制器PLC和触摸屏，所述可编程逻辑控制器PLC与所述触摸屏电连接。

如图1所示，本实施例还提供了一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，采用所述金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置实现，所述加载模块为伺服加载模块，具体包括以下步骤：

步骤一、将所述金属带材36一端安装在所述上模具块64和所述下模具块65之间，另一端与所述楔形夹具35相连；

步骤二、在所述PLC控制单元22的触摸屏中输入预加载力，控制所述伺服电动缸Ⅰ13对所述上模板60进行预加载，所述上模板60随着所述弹簧66压缩向下移动，当所述上模具块64与所述金属带材36临界接触时，保持预加载力不变，对所述压力传感器Ⅱ7进行标定调零；

判断所述上模具块64与所述金属带材36是否发生临界接触的具体方法是：在安装所述金属带材36后，进行伺服加载时，通过所述PLC控制单元22控制所述伺服电动缸Ⅰ13向下压缩所述弹簧66，所述上模具块64逐渐贴近所述金属带材36，如果所述上模具块64与所述金属带材36未接触，因为没有加载力，轻轻触碰所述金属带材36便可移动，如果所述上模具块64与所述金属带材36刚好接触，即临界接触时，触碰所述金属带材36时会感受到阻力，通过这种手动调节的方式判断；

步骤三、通过调节所述伺服电动缸Ⅰ13的加载力，对所述金属带材36施加压边力；

步骤四、由所述自增压低温罐1向所述低温通道内输入超低温介质，并通过所述温度控制器2调节所述低温阀4的开度监控温度，当实际温度高于预设温度，通过增大所述低温阀4的开度降温，当实际温度低于预设温度，通过减小所述低温阀4的开度升温；

步骤五、达到预设温度后，在所述PLC控制单元22的触摸屏内输入牵引速度和牵引行程，并通过所述PLC控制单元22控制所述伺服电动机Ⅱ21进而控制所述楔形夹具35带动所述金属带材36水平运动，同时通过所述温度控制器6实时监控温度，具体控温方法同步骤四；

步骤六、通过所述多通道数据采集卡27采集测试过程中的压边力数据N和摩擦力数据f，通过所述计算机23计算摩擦系数：μ＝f/2N；

步骤七、卸去所述伺服电动缸Ⅰ13的加载力，所述弹簧66推动所述上模板60和所述上低温腔62复位，取出测试所述金属带材36，重复步骤一至七可连续进行超低温摩擦测试。

进一步地，所述伺服加载模块还可以使用杠杆加载、液压加载或气缸加载替换。

进一步地，所述金属带材36的材料为铝合金、不锈钢、钛合金、铜合金或镁合金，所述金属带材36可以是单层或多层带材，所述金属带材36的厚度为0.1～8mm。

进一步地，所述加载力为0～30MPa。

进一步地，所述超低温介质为液氮、液氩或液氦，测试温度为室温至液态超低温介质温度；采用液氮控温时，最低温度可达-196℃，采用液氦控温时，最低温度可达-267℃。

进一步地，所述伺服牵引模块的牵引速度为0～100mm/s，牵引行程为0～300mm。

实施例2

如图3-4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于所述加载模块为杠杆加载模块，包括杠杆47、杠杆支架42、加载支架43、加载杆44、加载块38、压力传感器Ⅱ7、加载法兰6、游码46、游码杆45、砝码托盘50、配重块40、调节螺母52、保护盖39和限位支架41；

所述杠杆47左侧安装有所述配重块40、所述调节螺母52和所述保护盖39，右侧安装有所述加载支架43、所述游码杆45和所述砝码托盘50；所述游码46安装于所述游码杆45；

所述配重块40通过螺栓53、螺母与所述杠杆47固定连接，所述游码杆45通过螺栓、螺母与所述杠杆47固定连接，所述调节螺母52通过双头螺柱51与所述杠杆47固定连接，所述保护盖39通过螺钉与所述配重块40固定连接，所述加载支架43一端通过销轴与所述杠杆47铰接，另一端依次与所述加载杆44、所述加载块38、所述压力传感器Ⅱ7和所述加载法兰6固定连接以实现压边力加载；所述压力传感器Ⅱ7和所述加载法兰6之间设置有隔热垫片19，用于消除所述加载法兰6冷传导对所述压力传感器Ⅱ7测量精度的影响；

所述砝码托盘50上的吊环连接有设置连接环48的连接轴55，所述连接环48通过销轴与所述杠杆47铰接；所述杠杆支架42一端通过销轴54与所述杠杆47铰接，另一端通过螺栓、螺母与所述支撑板11固定连接以固定整个杠杆加载模块；所述限位支架41底部通过螺栓、螺母与所述支撑板11固定连接，上部设置有能够套设于所述杠杆47外侧的限位孔，用于限制所述杠杆47转动，保证所述杠杆加载模块的使用安全；所述支撑板11通过立柱10固定安装于试验台29。

进一步地，所述杠杆加载模块加载比为1：10，所述杠杆加载模块通过所述配重块40、所述调节螺母52调节所述杠杆47的平衡；所述杠杆加载模块还包括砝码49，所述杠杆加载模块通过所述游码46进行预加载，通过所述砝码49进行压边力加载；所述砝码托盘50的吊环为四分之三圆环，与所述吊环直接连接部分为细杆，与所述砝码托盘50的托盘直接连接部分为粗杆，所述砝码49设置有开口槽和中心孔，所述砝码49的开口槽穿过所述细杆，所述砝码49的中心孔与所述粗杆卡合安装。

本实施例中的所述低温测试模块5、所述伺服牵引模块、所述数据采集处理系统以及温度控制方法与实施例1相同。

如图1所示，本实施例提供的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，采用了上述杠杆加载模块，具体包括以下步骤：

步骤一、将所述金属带材36一端安装在所述上模具块64和所述下模具块65之间，另一端与所述楔形夹具35相连；

步骤二、通过调节所述游码46对所述上模板60进行预加载，所述上模板60随着所述弹簧66压缩向下移动，当所述上模具块64与所述金属带材36临界接触时，保持预加载力不变，对所述压力传感器Ⅱ7进行标定调零；

本实施例判断临界接触的方法与实施例1中步骤二相同，也是通过人为触碰带材判断是否发生临界接触，区别在于是通过移动所述游码46调节预加载力。

步骤三、添加所述砝码49到所述砝码托盘50，对所述金属带材36施加压边力；

步骤四、上由所述自增压低温罐1向所述低温通道内输入超低温介质，并通过所述温度控制器2调节所述低温阀4的开度监控温度，当实际温度高于预设温度，通过增大所述低温阀4的开度降温，当实际温度低于预设温度，通过减小所述低温阀4的开度升温；

步骤五、达到预设温度后，在所述PLC控制单元22的触摸屏内输入牵引速度和牵引行程，并通过所述PLC控制单元22控制所述伺服电动机Ⅱ21进而控制所述楔形夹具35带动所述金属带材36水平运动，同时通过所述温度控制器6实时监控温度，具体控温方法同步骤四；

步骤六、通过所述多通道数据采集卡27采集测试过程中的压边力数据N和摩擦力数据f，通过所述计算机计23算摩擦系数：μ＝f/2N；

步骤七、卸去所述砝码49的加载力和所述游码46的预加载力，所述弹簧66推动所述上模板60和所述上低温腔62复位，取出测试所述金属带材36，重复步骤一至七可连续进行超低温摩擦测试。

进一步地，所述杠杆加载模块还可以使用伺服加载、液压加载或气缸加载替换。

本发明能够进行不同温度、速度、压力、润滑剂、模具材料、表面粗糙度、表面结构、热处理工艺的摩擦性能测试，从而为超低温拉深模具设计和拉深工艺优化提供依据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，包括加载模块、自增压低温罐、低温阀、低温测试模块、温度控制器、PLC控制单元、伺服牵引模块和数据采集处理系统；

所述加载模块用于对所述低温测试模块施加加载力；所述加载模块与所述PLC控制单元电连接，所述PLC控制单元能够调节所述加载模块对所述低温测试模块施加的加载力；所述加载模块包括压力传感器Ⅱ，用于检测所述加载模块施加于所述低温测试模块的加载力；

所述低温测试模块包括上低温腔、下低温腔、上模板、下模板、下模座板、上模具块和下模具块；所述下模座板底部设置有下隔热板，所述下隔热板与试验台固定连接；所述下模座板上表面设置有凸台，所述下低温腔底部设置与所述凸台相配合的开孔，所述下低温腔与所述下模座板固定连接；所述下模板位于所述下低温腔内部，且底部固定安装于所述凸台；所述下模板上部中心位置开设与所述下模具块相匹配的凹槽，所述下模具块与所述下模板固定连接，所述下模具块的测试表面高于所述下模板的上表面；所述上低温腔顶部设置有用于连接所述加载模块的孔；所述上模板位于所述上低温腔内部；所述上模板底部中心位置开设与所述上模具块相匹配的凹槽，所述上模具块与所述上模板固定连接，所述上模具块的测试表面低于所述上模板的下表面；所述上模板上方设置有与所述上模板固定连接的上隔热板；所述上模具块和所述下模具块的中心孔内均设置有测温孔，所述测温孔内部安装有温度传感器；所述下模板上表面设置有导柱，所述导柱外套设有弹簧，所述上模板下表面设置有与所述导柱相匹配的导套，所述导柱伸入所述导套内；所述上低温腔通过卡销与所述下低温腔连接；所述上模板、所述下模板、所述上模具块和所述下模具块内部均设置有低温通道，所述上模板与所述上模具块的低温通道相互连通，所述下模板与所述下模具块的低温通道相互连通；

所述伺服牵引模块包括伺服电动机Ⅱ、减速机Ⅱ、带传动机构Ⅱ、伺服电动缸Ⅱ、垫板、连接块、摩擦力传感器、固定销、固定块和楔形夹具；所述伺服电动机Ⅱ、所述减速机Ⅱ、所述带传动机构Ⅱ和所述伺服电动缸Ⅱ依次相连，通过所述伺服电动机Ⅱ的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅱ内滚珠丝杠的工作；所述摩擦力传感器一端通过所述连接块与所述伺服电动缸Ⅱ内滚珠丝杠的推杆相连，另一端通过所述固定块与所述楔形夹具相连；所述楔形夹具通过所述固定销与所述固定块相连；所述伺服电动机Ⅱ与所述PLC控制单元电连接；所述伺服电动缸Ⅱ通过所述垫板与所述试验台固定连接；

所述数据采集处理系统包括多通道数据采集卡和计算机；所述多通道数据采集卡与所述压力传感器Ⅱ和所述摩擦力传感器电连接，采集处理所述压力传感器Ⅱ和所述摩擦力传感器测得的电信号；所述计算机与所述多通道数据采集卡电连接，将所述多通道数据采集卡采集到的电信号转换为压边力数据和摩擦力数据，进而计算摩擦系数；

所述自增压低温罐内贮存有超低温介质，所述自增压低温罐通过设置有所述低温阀的低温管路与所述上模板和所述下模板的所述低温通道相连通，所述低温阀与所述温度控制器电连接，所述温度控制器与所述上模具块和所述下模具块的测温孔内安装的所述温度传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述加载模块为伺服加载模块，包括伺服电动机Ⅰ、减速机Ⅰ、带传动机构Ⅰ、伺服电动缸Ⅰ、安装板、压力传感器Ⅰ、导向板、连接板、连接法兰和加载法兰；所述伺服电动机Ⅰ、所述减速机Ⅰ、所述带传动机构Ⅰ和所述伺服电动缸Ⅰ依次相连，通过所述伺服电动机Ⅰ的工作进而控制所述伺服电动缸Ⅰ内滚珠丝杠的工作；所述伺服电动缸Ⅰ通过所述安装板固定安装于支撑板；所述支撑板通过立柱固定安装于所述试验台；所述压力传感器Ⅰ一端与所述伺服电动缸Ⅰ内滚珠丝杠的推杆相连，另一端与所述导向板相连；所述导向板通过导向套套设于所述立柱；所述连接法兰一端通过所述连接板与所述导向板固定连接，另一端依次固定连接所述压力传感器Ⅱ和所述加载法兰；所述上低温腔顶部设置有用于与所述加载法兰相连的孔。

3.根据权利要求2所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述伺服电动机Ⅰ和所述压力传感器Ⅰ分别与所述PLC控制单元电连接，所述PLC控制单元控制所述伺服电动机Ⅰ的工作进而调节所述加载模块对所述低温测试模块施加的加载力，所述压力传感器Ⅰ用于实时监测并反馈加载力至所述PLC控制单元。

4.根据权利要求1所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述加载模块为杠杆加载模块，包括杠杆、杠杆支架、加载支架、加载杆、加载块、加载法兰、游码、游码杆、砝码、砝码托盘、配重块、调节螺母、保护盖和限位支架；所述杠杆左侧安装有所述配重块、所述调节螺母和所述保护盖，右侧安装有所述加载支架、所述游码杆和所述砝码托盘；所述游码安装于所述游码杆；所述配重块和所述游码杆与所述杠杆固定连接，所述调节螺母与所述杠杆固定连接，所述保护盖与所述配重块固定连接，所述加载支架一端与所述杠杆铰接，另一端依次与所述加载杆、所述加载块、所述压力传感器Ⅱ和所述加载法兰固定连接；所述砝码托盘上的吊环连接有设置连接环的连接轴，所述连接环与所述杠杆铰接；所述杠杆支架一端与所述杠杆铰接，另一端与所述支撑板固定连接；所述限位支架底部与所述支撑板固定连接，上部设置有能够套设于所述杠杆外侧的限位孔；所述支撑板通过立柱固定安装于试验台。

5.根据权利要求4所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述杠杆加载模块加载比为1：10，所述杠杆加载模块通过所述配重块和所述调节螺母调节所述杠杆的平衡；所述杠杆加载模块还包括砝码，所述杠杆加载模块通过所述游码进行预加载，通过所述砝码进行压边力加载；所述砝码托盘的吊环为四分之三圆环，与所述吊环直接连接部分为细杆，与所述砝码托盘的托盘直接连接部分为粗杆，所述砝码设置有开口槽和中心孔，所述砝码的开口槽穿过所述细杆，所述砝码的中心孔与所述粗杆卡合安装。

6.根据权利要求1所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述上低温腔和所述下低温腔的外层为不锈钢、内层填充隔热材料；所述上低温腔和所述下低温腔的右侧均设置有金属带材出口；所述上模板和所述下模板内部均设置有两层等距排列的低温通道Ⅰ，所述低温通道Ⅰ上安装有低温塞；所述上模板和所述下模板上靠近所述金属带材出口处均设置有与所述低温通道Ⅰ相连通的排气孔；所述上模具块和所述下模具块内部均设置有低温通道Ⅱ。

7.根据权利要求1所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置，其特征在于，所述PLC控制单元包括可编程逻辑控制器PLC和触摸屏，所述可编程逻辑控制器PLC与所述触摸屏电连接。

8.一种金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量装置实现，包括以下步骤：

步骤一、将所述金属带材一端安装在所述上模具块和所述下模具块之间，另一端与所述楔形夹具相连；

步骤二、通过所述加载模块对所述上模板进行预加载，所述上模板随着所述弹簧压缩向下移动，当所述上模具块与所述金属带材临界接触时，保持预加载力不变，对所述压力传感器Ⅱ进行标定调零；

步骤三、调节所述加载模块的加载力，对所述金属带材施加压边力；

步骤四、由所述自增压低温罐向所述低温通道内输入超低温介质，并通过所述温度控制器调节所述低温阀的开度监控温度；

步骤五、达到预设温度后，在所述PLC控制单元的触摸屏内输入牵引速度和牵引行程，并通过所述PLC控制单元控制所述伺服电动机Ⅱ进而控制所述楔形夹具带动所述金属带材水平运动，同时通过所述温度控制器实时监控温度；

步骤六、通过所述多通道数据采集卡采集测试过程中的压边力数据N和摩擦力数据f，通过所述计算机计算摩擦系数：μ＝f/2N；

步骤七、卸去加载力，所述弹簧推动所述上模板和所述上低温腔复位，取出测试所述金属带材。

9.根据权利要求8所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，其特征在于，所述金属带材的材料为铝合金、不锈钢、钛合金、铜合金或镁合金，所述金属带材为单层或多层带材，所述金属带材的厚度为0.1～8mm。

10.根据权利要求8所述的金属板材超低温拉深成形法兰区摩擦系数测量方法，其特征在于，所述加载力为0～30Mpa；所述超低温介质为液氮、液氩或液氦，测试温度为室温至液态超低温介质温度；所述伺服牵引模块的牵引速度为0～100mm/s，牵引行程为0～300mm。

Images