CN113959939B - 一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种磁流变液板‑液界面摩擦系数测量装置及其工作方法，属于板材成形技术领域。介质仓内部填充有磁流变液，介质仓的一端与挤出头连接，挤出头上设有挤出孔，另一端与柱塞连接，压力传感器设在柱塞端部，柱塞能够在外部动力装置的作用下做直线位移；介质仓内部靠近挤出头的一端设有容置室，待测试的板材能够固定在容置室中，容置室侧壁上设有若干组通流孔，若干组通流孔沿板材的长度方向分布；每组通流孔中的若干通流孔在容置室侧壁上周向分布；线圈套设在整个介质仓外部。本发明能够模拟板材在真实成形过程中的三向应力状态，最大程度的贴近实际工况，测得的摩擦力对于模拟仿真、实验分析等都具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于板材成形技术领域，具体涉及一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置及其工作方法。
背景技术
随着航空、航天以及汽车领域的高速发展，对于零件提出了轻量化、高精度、复杂结构等高要求。传统的材料以及成形技术在一定程度上已经不能满足不了上述要求，材料上镁合金、铝合金以及高强钢等轻质高强度材料占比逐渐增大，技术上软模成形技术也开始在实际生产中占据更多的比例。
磁流变液软模成形技术是近年来反展迅速的一种智能介质软模成形技术，由于磁流变液的磁流变效应这一特殊效应，使得磁流变液可以根据外加磁场的大小灵活的调整自身的本构关系，实现从液态到半固态的转变。在板材成形技术中，使用磁流变液作为传力介质可以更好的调节成形各个阶段的液室压力、板/液界面摩擦等关键参数，使得板材成形的各个阶段得到有效控制，提高板材成形质量。
磁流变液处于不同磁场强度之下表现出不同的形态，每一种本构关系之下磁流变液与板材之间的摩擦力也有所不同。摩擦力对于成形过程中板材的流动起着重要作用，对于成形后零件的表面质量、尺寸精度等重要参数有着非常大的影响，这一参数对于板材成形是否能够高质量的完成起到非常关键的作用。现在广泛使用的摩擦力测量方法只能够测量材料在给定的特殊应力状态之下的摩擦力大小，实验所得结果过于理想化，与实际摩擦力具有较大的差别。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置及其工作方法，能够模拟板材在真实成形过程中的三向应力状态，最大程度的贴近实际工况，测得的摩擦力对于模拟仿真、实验分析等都具有重要意义。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置，包括挤出头、介质仓、线圈、柱塞和压力传感器；介质仓内部填充有磁流变液，介质仓的一端与挤出头连接，挤出头上设有挤出孔，另一端与柱塞连接，压力传感器设在柱塞端部，柱塞能够在外部动力装置的作用下做直线位移；介质仓内部靠近挤出头的一端设有容置室，待测试的板材能够固定在容置室中，容置室侧壁上设有若干组通流孔，若干组通流孔沿板材的长度方向分布；每组通流孔中的若干通流孔在容置室侧壁上周向分布；线圈套设在整个介质仓外部。
优选地，介质仓上端螺接有挤出头固定环，挤出头固定环与挤出头螺接。
进一步优选地，挤出头与挤出头固定环之间、挤出头固定环与介质仓之间均设有密封圈。
优选地，容置室的底部中心可拆卸地连接有堵块，堵块与板材连接。
优选地，通流孔设置4～6组，每组的间距相等，每组周向均布4～8个通流孔，通流孔的直径为4～6mm。
优选地，挤出头上挤出孔的直径为0.5～3mm。
优选地，挤出头、介质仓和柱塞的材质为无磁钢。
本发明公开了上述磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置的工作方法，包括：
S1：根据板材成形时的实际工况，确定柱塞的上行速度V以及挤出头上挤出孔的孔径D；向介质仓内部填充磁流变液；
S2：柱塞上行排出介质仓内部的空气，线圈通电给磁流变液提供磁场强度为B1的磁场，使得磁流变液从液态向半固态转变；
S3：柱塞以速度V上行，在力-位移曲线稳定后停止，得到F1，重复数次，取得平均值柱塞以速度V向下运动至介质仓内压强为0MPa；
S4：排空并清洁介质仓，将板材安装固定在容置室内，重复S2，柱塞以速度V向上运动，推动磁流变液作用于板材，使得板材处于三向应力状态，在力-位移曲线稳定后停止，得到F2，重复数次，取得平均值同时得到压力传感器测得的压强P；
S5：计算板材受到的摩擦力计算正压力N＝P*S，S为板材的表面积，得到摩擦系数μ＝f/N。
优选地，0T≤B1≤0.2T。
优选地，0.02mm/s≤V≤2.5mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置，介质仓内部设置有容置室，容置室侧壁上设有通流孔，将待测板材放置在容置室内，通过柱塞挤压磁流变液，在外部线圈产生的稳定磁场作用下，磁流变液作用于板材，真个过程中板材处于三向应力状态，与实际磁流变液软模成形过程中板材的受力状态一致，与现有的摩擦力测量方法相比，本发明提供的装置更加接近于实际工况，可以提供真实可靠的摩擦力数据，从而更有效的指导实验和生产。同时本发明的装置还具有装配简单，测量结果重复度高，测量数值准确等优点，适合推广使用。
进一步地，介质仓、挤出头固定环和挤出头两两通过螺纹连接，方便拆卸更换不同挤出孔径的挤出头，同时方便对介质仓内部进行清理。
更进一步地，挤出头与挤出头固定环之间、挤出头固定环与介质仓之间均设有密封圈，能够提高装置的密封性能，防止磁流变液泄露，保证介质仓内部的压力稳定。
进一步地，容置室的底部中心可拆卸地连接有堵块，堵块与板材连接，方便安装拆卸，更换不同参数的板材。
进一步地，通流孔设置4～6组，每组的间距相等，每组周向均布4～8个通流孔，在高度方向以及径向方向上均布通流孔可以使得板材受力更加均匀，不会出现局部受力过大的问题，更加贴近板材实际成形过程中的受力状态；通流孔的直径为4～6mm，合适的孔径尺寸可以保证板材受力的均匀，尺寸过小或过大均会影响到板材的受力状态。
进一步地，挤出头上挤出孔的直径为0.5～3mm，可以根据实际实验需求，在测试过程中选取合适孔径的挤压头与磁场强度配合模拟真实的板材成形过程中介质仓内部压强大小。
进一步地，挤出头、介质仓和柱塞等装置的金属部件的材质为无磁钢，使得磁场可以全部作用于磁流变液，保证磁流变液的性能在磁场作用下发生改变。
本发明公开的上述磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置的工作方法，操作简便、自动化程度高，不依赖操作者的经验和技能水平，测量结果重复度高，测量数值准确。
附图说明
图1为未放置板材时的装置整体结构示意图；
图2为放置板材后未开始测试时的装置整体结构示意图；
图3为放置板材后开始测试时的装置整体结构示意图；
图4为未放置板材和放置板材时所得的力-位移曲线。
图中：1-挤出头，2-挤出头固定环，3-密封圈，4-介质仓，5-板材，6-堵块，7-磁流变液，8-线圈，9-柱塞，10-压力传感器，11-容置室，12-通流孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：
图1为本发明的磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置的整体结构示意图，包括挤出头1、介质仓4、线圈8、柱塞9和压力传感器10；介质仓4内部填充有磁流变液7，介质仓4的一端与挤出头1连接，挤出头1上设有挤出孔，另一端与柱塞9连接，压力传感器10设在柱塞9端部，柱塞9能够在外部动力装置的作用下做直线位移；介质仓4内部靠近挤出头1的一端设有容置室11，待测试的板材5能够固定在容置室11中，容置室11侧壁上设有若干组通流孔12，若干组通流孔12沿板材5的长度方向分布；每组通流孔12中的若干通流孔12在容置室11侧壁上周向分布；线圈8套设在整个介质仓4外部。压力传感器10连接至外部计算机，线圈8连接至外部电源。
在本发明的一个较优的实施例中，介质仓4上端螺接有挤出头固定环2，挤出头固定环2与挤出头1螺接。优选地，挤出头1与挤出头固定环2之间、挤出头固定环2与介质仓4之间均设有密封圈3。
在本发明的一个较优的实施例中，容置室11的底部中心可拆卸地连接有堵块6，堵块6与板材5连接。堵块6可以采用楔形块。
在本发明的一个较优的实施例中，通流孔12设置4～6组，每组的间距相等，每组周向均布4～8个通流孔12，通流孔12的直径为4～6mm。
在本发明的一个较优的实施例中，挤出头1上挤出孔的直径为0.5～3mm。
在本发明的一个较优的实施例中，挤出头1、挤出头固定环2、介质仓4和柱塞9等装置的主要金属部件的材质均采用无磁钢。
上述磁流变液板-液界面摩擦系数测量装置的工作方法，包括：
S1：根据板材5成形时的实际工况，如磁场、压强等，确定柱塞9的上行速度V以及挤出头1上挤出孔的孔径D；向介质仓4内部填充磁流变液7，此时不放置板材5，如图2；
S2：柱塞9上行排出介质仓4内部的空气，线圈8通电给磁流变液7提供磁场强度为B1的磁场，使得磁流变液7从液态向半固态转变；
S3：柱塞9以速度V上行，在压力传感器10和柱塞9所连接外部位移传感器测得的力-位移曲线稳定后停止，得到F1，重复3～5次，取得平均值柱塞9以速度V向下运动至介质仓4内压强为0MPa；
S4：如图3，排空并清洁介质仓4，将板材5安装固定在容置室11内，重复S2，柱塞9以速度V向上运动，推动磁流变液7作用于板材5，使得板材5处于三向应力状态，在力-位移曲线稳定后停止，得到F2，重复3～5次，取得平均值同时得到压力传感器10测得的压强P；
S5：计算板材5受到的摩擦力如图4，计算正压力N＝P*S，S为测量得到的板材5的表面积，得到摩擦系数μ＝f/N。
实施例
装置包括挤出头1、挤出头固定环2、密封圈3、介质仓4、板材5、楔形的堵块6、磁流变液7、线圈8及柱塞9。挤出头1为带有挤出孔径D的可调换装置。介质仓4分为两种，共同点为竖直放置，在竖直方向上同一水平高度均布4个孔径为4-6mm通流孔12，一共设置4组，每组之间间距9-11mm；不同点在与第一种在介质仓4中心不开槽，第二种在介质仓4中心开槽用来装夹板材。柱塞9从介质仓4底部与介质仓4配合并附以密封圈3防止泄露。挤出头固定环2外部螺纹与介质仓4相连接，内部螺纹与挤压头1连接并与密封圈3配合防止泄露。磁流变液7填充在柱塞9、介质仓4、挤压头1共同构成的型腔之中。线圈8位于所有装置外围，为测试区域提供一个稳定均匀的磁场环境，减少实验误差提高测试准确性。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，装置包括挤出头(1)、介质仓(4)、线圈(8)、柱塞(9)和压力传感器(10)；介质仓(4)内部填充有磁流变液(7)，介质仓(4)的一端与挤出头(1)连接，挤出头(1)上设有挤出孔，另一端与柱塞(9)连接，压力传感器(10)设在柱塞(9)端部，柱塞(9)能够在外部动力装置的作用下做直线位移；介质仓(4)内部靠近挤出头(1)的一端设有容置室(11)，待测试的板材(5)能够固定在容置室(11)中，容置室(11)侧壁上设有若干组通流孔(12)，若干组通流孔(12)沿板材(5)的长度方向分布；每组通流孔(12)中的若干通流孔(12)在容置室(11)侧壁上周向分布；线圈(8)套设在整个介质仓(4)外部；
方法包括：
S1：根据板材(5)成形时的实际工况，确定柱塞(9)的上行速度V以及挤出头(1)上挤出孔的孔径D；向介质仓(4)内部填充磁流变液(7)；
S2：柱塞(9)上行排出介质仓(4)内部的空气，线圈(8)通电给磁流变液(7)提供磁场强度为B1的磁场，使得磁流变液(7)从液态向半固态转变；
S3：柱塞(9)以速度V上行，在力-位移曲线稳定后停止，得到F1，重复数次，取得平均值柱塞(9)以速度V向下运动至介质仓(4)内压强为0MPa；
S4：排空并清洁介质仓(4)，将板材(5)安装固定在容置室(11)内，重复S2，柱塞(9)以速度V向上运动，推动磁流变液(7)作用于板材(5)，使得板材(5)处于三向应力状态，在力-位移曲线稳定后停止，得到F2，重复数次，取得平均值同时得到压力传感器(10)测得的压强P；
S5：计算板材(5)受到的摩擦力计算正压力N＝P*S，S为板材(5)的表面积，得到摩擦系数μ＝f/N。
2.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，介质仓(4)上端螺接有挤出头固定环(2)，挤出头固定环(2)与挤出头(1)螺接。
3.根据权利要求2所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，挤出头(1)与挤出头固定环(2)之间、挤出头固定环(2)与介质仓(4)之间均设有密封圈(3)。
4.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，容置室(11)的底部中心可拆卸地连接有堵块(6)，堵块(6)与板材(5)连接。
5.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，通流孔(12)设置4～6组，每组的间距相等，每组周向均布4～8个通流孔(12)，通流孔(12)的直径为4～6mm。
6.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，挤出头(1)上挤出孔的直径为0.5～3mm。
7.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，挤出头(1)、介质仓(4)和柱塞(9)的材质为无磁钢。
8.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，0T≤B1≤0.2T。
9.根据权利要求1所述的磁流变液板-液界面摩擦系数测量方法，其特征在于，0.02mm/s≤V≤2.5mm/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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