CN1500208A - 确定摩擦系数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

为测量样品20的静摩擦系数和滑动摩擦系数，通过铸模阳模1向样品20施加法向力，然后通过传动齿轮箱18，离合器17和齿轮皮带15将电机19的转矩传给随动件10和样品20。由样品20传递到铸模阳模1上的转矩的变化曲线通过转矩检测器2测量。根据从静摩擦向滑动摩擦过渡的转矩特征变化曲线测定静摩擦系数和滑动摩擦系数。

Description

确定摩擦系数的装置和方法

本发明涉及确定摩擦系数的装置和方法以及模制件从压铸模脱模的方法。

在制造压铸的模制件时，要求将模制件从压铸模脱模。模制件从压铸模的可脱模性由所用塑料的材料特性所决定。大批量自动化生产这种模制件的前提条件是，使模制件在生产条件下可以无故障无缺陷地脱模。因此，对于选择了例如热塑性塑料的压铸生产来说，使模制件可靠脱模是重要的标准。

脱模前模制件附着在压铸模的模壁上。这种附着强度通过静摩擦系数体现。脱模时，使模制件与压铸模的模壁脱离。静摩擦系数越高，为此需要的“脱模力”越大。因此，静摩擦系数还表示模制件的可脱模程度：模制件和模壁之间的静摩擦系数越低，模制件就越容易脱模。

现有技术中公开了确定模制件从热塑性塑料中可脱模性的方法。通常的方法是压铸套筒，套筒在冷却阶段期间与模芯热压配合并由此产生无法精确确定的法向力。冷却阶段结束后，将压铸模打开，并借助环形铸件顶出器使套筒与套筒附着的铸模圆柱体芯脱离。在此，脱模所需的力由铸件顶出器单元的液压系统向铸件顶出器施加的最大压力确定。然而，根据这些脱模力不能计算出明确的静摩擦系数，因为套筒的法向力在铸模芯上不是均匀分布，而是局部分布。

此外，上述公知方法的缺点是，静摩擦系数的测量在很大程度上取决于相关模制件的几何形状和其他各种加工参数，如增压强度、冷却时间的长短、铸模壁温度的高低和模制件的脱模速度等。即使在平板形压铸件中，由于平板中心的凹陷部位法向力也不会均匀传递。因此，上述那些公知的方法不能测量与所谓的边界条件无关的静摩擦系数。

因此，本发明的目的在于，提供一种用于确定摩擦系数的改进的装置和改进的方法以及用于模制件脱模的改进的方法。

这一目的借助独立权利要求的特征得以实现。优选的实施方式在从属权利要求中给出。

本发明可以精确测定不同材料的静摩擦系数和滑动摩擦系数。测定的静摩擦系数和滑动摩擦系数是对铸模阳模的各对热塑性塑料/钢普遍有效的特征参数。由此在考虑到具体模制件法向力的情况下，可以具体说明任意压铸的模制件的可脱模性以及所要求的“脱模力”的强度。

确定摩擦系数可以在与生产中模制件脱模相同的条件下进行。本发明可以在模制件脱模前直接测量模制件和模壁之间的静摩擦系数和滑动摩擦系数，也就是说在与模制件的几何形状无关和在明确确定压铸参数情况下进行测量。因此，测定的摩擦系数对评价模制件的可脱模性来说是普遍有效的和客观的标准。

按照一个优选的实施方式，为实施测量方法所使用的装置由传动单元和测量单元组成。在传动单元中，可无级调节转数的电机通过传动齿轮箱作用到齿轮皮带传动上。

测量单元与压铸模形成一体。压铸模浇注口侧的空穴是所谓的随动件。它可以通过传动单元的齿轮皮带传动产生旋转运动。压铸模空穴的另一半构成铸模阳模。阳模可以水平移动。且通过法向力传感器与气压缸固定连接。此外，铸模阳模可将旋转运动传递到转矩传感器上。随动件、铸模阳模和浇注口部件-和外部部件可以单独和分别用水和/或者油退火。

在依据本发明所述方法的一种实施方式中，测量样品和铸模阳模之间的静摩擦系数和/或者滑动摩擦系数。通过将所要研究的塑料-例如熔化的热塑性塑料-压铸到由随动件和铸模阳模构成的铸模空穴完成样品的制造。待塑料在铸模空穴内硬化后进行测量。

样品可以为带齿状边缘的圆盘。直径例如可以为95mm，厚度为2.5mm。

在塑料溶液硬化期间，样品压铸件的表面通过与铸模阳模连接的气压缸的作用与铸模阳模保持接触。优选在进行实际测量之前通过移动随动件去掉样品的浇注口。

最好将随动件连同处于随动件内的样品通过传动单元的齿轮皮带传动旋转一定的角度，例如37°。由于样品和阳模之间存在静摩擦，因而可将转矩传递到铸模阳模上。转矩由转矩传感器记录。随后，压铸模完全上升，借助铸件顶出杆将样品顶出，然后压铸模重新关闭。此时随动件回转到其起点。之后可以制造另一个样品。

样品转动前附着在铸模阳模上。通过转动松开这种结合。为此需要的转矩M由转矩传感器记录。根据该转矩、样品平均半径r和由铸模阳模作用于样品上的法向力F(法向力可在气压缸上通过法向力传感器记录)中，依据下列公式计算出摩擦系数μ

μ＝M/(r*F)

在样品转动期间，传递到铸模阳模上的转矩发生变化。如果将转矩接收器连接在数据记录仪上，用图形记录下转矩变化在时间上的分布，便得到特征曲线。从样品传递到铸模阳模上的转矩首先陡升，例如达到非常突出的最大值，然后降到例如相当稳定的终值。最大转矩相当于静摩擦系数，较低的相当稳定的最终转矩相当于滑动摩擦系数。

当达到最大转矩时，铸模阳模和样品之间的附着结合脱开。模制件脱模时出现相同的情况。因此，根据最大转矩得出的静摩擦系数代表了模制件的可脱模性。

令人惊异的是，按依据本发明的方法测得的静摩擦系数和滑动摩擦系数在很大程度上与当时压铸条件无关，特别是与增压的强度和持续时间无关。同样令人惊异的是，摩擦系数与试验条件也无关，也就是说与作用于样品的表面压力和样品旋转运动的角速度无关。这意味着，按照本发明所述方法测得的静摩擦系数和滑动摩擦系数是铸模阳模各对塑料/钢的通用特征值。

也就是说，本发明可以不依赖于模制件的特殊几何形状和特殊测量条件确定实际摩擦系数。

下面借助优选实施例对本发明作详细说明。其中：

图1表示依据本发明所述装置的实施方式；

图2表示采用图1所示装置测量的按时间分布的转矩变化；

图3表示在确定的铸模温度下相应的转矩变化；

图4表示测得的静摩擦系数和滑动摩擦系数与铸模温度的关系；

图5表示用图1所示装置确定的静摩擦系数和滑动摩擦系数的与表面压力关系；以及

图6表示用图1所示装置制造的样品。

图1表示用于确定静摩擦系数和滑动摩擦系数的装置。该装置包括与转矩传感器2连接的铸模阳模1。在转矩传感器2的后面设置法向力传感器3。通过气压缸4可以向铸模阳模1施加力。

由铸模阳模1，转矩传感器2，法向力传感器3和气压缸4组成的设备通过轴向支承的导轨5固定。相应的导轨横梁6用于导轨5的导向以及用于接收从铸模阳模1传递到转矩传感器2上的转矩。只有在法向力传感器3不承受径向力的情况下，才能要求通过导轨横梁6全部接收该转矩。

导轨横梁6固定在紧固底板8上。通过图1中未示出的液压装置可以向塑料压铸的铸模阳模1上施加高压。

该装置还包括铸模穴9，它与铸模阳模1共同构成塑料压铸模。铸模穴9包括一个随动件10和一个浇注口套筒11。随动件10和浇注口套筒11可彼此相对在纵向上移动；为此可在随动件10和浇注口套筒11之间设置球轴承或者滑动轴承。处于随动件10和紧固底板12之间的是弹性件13，例如盘形弹簧。

通过成形单元14可以将液态的塑料通过浇注口套筒11注入封闭的塑料压铸模。

随动件10用于接纳齿轮皮带15，通过齿轮皮带盘16、离合器17和传动齿轮箱18与电机19连接。

按下述顺序对静摩擦系数和滑动摩擦系数进行测量：首先，关闭压铸模，即将铸模阳模1插入其铸模穴9。此时随动件10和紧固底板12之间的弹性件13受到压缩。通过浇注口套筒11将液态塑料注入成形单元14的压铸模内，其中-如注塑机通常的那样-通过图1中未示出的液压装置产生高压。

通过将液态塑料注入压铸模，在那里形成由所要研究的塑料材料构成的样品。真正确定静摩擦系数和/或滑动摩擦系数也可以在所需要的冷却时间结束后，即，在压铸模内的塑料凝固以后进行。

为此，首先使铸模阳模1回移较小的距离，例如2mm。随动件10由于弹性件13在铸模阳模移动方向上的作用力而跟随铸模阳模1的这种移动。在塑料压铸模的这种移动中，铸模阳模1和铸模穴9之间在每个时间点上都保持铸模闭合，从而使样品20和铸模阳模1之间的接触仍然存在。

当随动件10在纵向上移动时，浇注口套筒11保持固定，从而使在塑料压铸过程中形成的浇注口21与处于压铸模内的样品20分离。在进行测量前将浇注口21与样品20分离的优点是，避免因浇注口21造成测量结果有误。

为对塑料压铸模内样品20的静摩擦系数和/或滑动摩擦系数进行测量，首先向铸模阳模1施加法向力，以便将铸模阳模1压向样品20。由气压缸4施加的法向力可以处于300和3000N之间，优选在1500至3000N的范围内。施加法向力后，接通电机19，通过传动齿轮箱18、离合器17、齿轮皮带盘16和齿轮皮带15并通过随动件10向样品20传递转矩。为了更加可靠地向样品20传递这种转矩，该样品最好处于带有由随动件10构成的压铸模空穴部分的闭合铸模内。传动齿轮箱18最好为所需转矩提供1∶200的传动比。

在转矩的作用下样品20绕中轴进行例如37°的一定转动。在这种转动中，作用于样品20上的转矩全部或者部分传递到铸模阳模1上。传递的转矩由转矩传感器测量和记录。为此，可以将转矩传感器2连接到所谓的数据记录仪上，以便掌握由样品20传递到铸模阳模1上的转矩在时间上的变化。在样品20旋转时，产生从静摩擦向滑动摩擦的过渡，由转矩传感器2测到的特征性的实时转矩变化变小。

图2示出在对样品20(参照图1)上进行测量时转矩传感器2测到的特征性的转矩变化曲线。图2的测量曲线表明由转矩传感器2测量的转矩以最大转矩的百分比在时间轴上的变化。在到达所谓的激发阈值后，因为铸模阳模1和样品还都处于静摩擦的范围内，所以转矩曲线首先陡升。转矩曲线达到明显的最大值-在所示的例子中，在超过激发阈值后约1秒时达到约90％的刻度。可以用这样测得的最大转矩以及通过气压缸4施加到铸模阳模1上的法向力和样品20的平均半径r来计算静摩擦系数。

在到达最大转矩后，转矩曲线下降，然后到达阴影线表示的滑动摩擦区。在滑动摩擦的区域内，传递的转矩约为60％。根据在滑动摩擦情况下传递的转矩以及法向力和样品20的平均半径r确定相应的滑动摩擦系数。在进行测量后，如图1所示，打开压铸模，也就是使铸模阳模1返回，并将样品20从铸模穴9中排出。此后重新关闭塑料压铸模，以便为继续进行测量制造另一样品20。优选的是在同样的边界条件下进行同样的测量，并利用塑料材料连续测量约5-10次。然后将分别确定的静摩擦系数和滑动摩擦系数取平均值，以便进一步提高测量结果的精确性。该过程可以通过数据记录仪的数值计算程序自动进行。

图3表示的是与图2的曲线图相应的测量实例，在图1所示的装置中按下列条件压铸聚碳酸酯(聚碳酸酯树脂2800)样品：

-物料温度：300℃

-铸模温度：90℃

-注入速度：40mm/sec

-额定压力：600bar

当压铸的样品厚度为2.5mm时，带齿状边缘的中心压铸圆盘的直径为95mm。

通过用压铸模内设置的压力传感器测量铸模的内部压力来确定增压阶段结束的时刻。在增压阶段结束后，借助气压缸4(参照图1)以3200牛顿的法向力将铸模阳模1压向样品20。借助法向力传感器在0-10千-牛顿的测量范围调节所述法向力。

在成形阶段结束后，将成形单元14的喷嘴从铸模移开。接着将压铸模打开5mm，其中，通过用浇注口底座压住随动件10而去除浇注口21。然后，借助电机19的传动单元将随动件和处于随动件内的样品20以0.5mm/sec的速度(与样品的平均半径相关)旋转37°角。

此时传递到铸模阳模1上的转矩由与测量装置成一体的转矩传感器2(测量范围0-200牛顿米)借助应变计按电阻测量的原理测量和记录。将这样获得的数据传递到数据记录仪上，记录下图3的转矩在时间上的变化。从转矩曲线的最大值中得出的静摩擦系数为0.515，在滑动摩擦范围内从时间上稳定的转矩终值中得出滑动摩擦系数为0.439。

图4示出在与塑料压铸模的铸模温度有关的情况下借助图1中的测量装置测得的静摩擦系数和滑动摩擦系数。图4中的上部曲线表明测得的静摩擦系数，下部曲线为测得的滑动摩擦系数。铸模温度在50℃和100℃的较大范围内变化。从图4的曲线变化中可以看出，无论是静摩擦系数还是滑动摩擦系数的确定在很大程度上不取决于图1所示装置内的铸模温度。

图5表示的是采用图1的装置在不同表面压力下进行测量的结果。图5的上部曲线变化再次表明测得的静摩擦系数，下部曲线变化为滑动摩擦系数。为此，通过气压缸4向样品20施加不同的法向力，从而产生不同的表面压力。

从图5的曲线变化中可以看出，用图1所示装置检测摩擦系数仅在很小程度上受表面压力大小的影响。

图6表示的是样品20放大的顶视图和侧剖面。样品20在其外圆周上具有齿状外形，以便保证为传递转矩而与随动件10一起进行可靠的铸模随动。样品20在其中间区域内具有拱顶22。拱顶22的作用是提高样品的弹性，以便在样品冷却收缩时抑制变形。由此保证样品20在其平面区域23内平整地紧贴在铸模阳模1的表面上。区域23具有下标为i的内半径r和下标为a的外半径r，从中得出下标为m的平均半径r，用平均半径可计算摩擦系数。例如，样品20具有的直径为95mm，内半径ri为28mm和外半径ra为42mm。

因此，本发明可以准确和普遍有效地确定静摩擦系数和滑动摩擦系数，从而精确检测压铸模中任意模制件所要求的“铸件顶出力”。这一点与现有技术中公开的不是普遍有效的、而是仅为特定模制件和过程提供脱模力的脱模套筒法相比是一个非常重大的进步。

附图标记

1.铸模阳模

2.转矩传感器

3.法向力传感器

4.气压缸

5.导轨

6.导轨横梁

7.导板

8.紧固底板

9.铸模穴

10.随动件

11.浇注口套筒

12.紧固底板

13.弹性件

14.成形单元

15.齿轮皮带

16.齿轮皮带盘

17.离合器

18.传动齿轮箱

19.电机

20.样品

21.浇注口

22.拱顶

23.平面区域

Claims (22)

1.确定摩擦系数的装置，带有通过阳模(1)向样品(20)施加法向力的部件(4)，对样品施加转矩的部件和测量样品向阳模传递的转矩的部件(2)。

2.按照权利要求1所述的装置，其中，阳模是用于接纳的样品压铸模的铸模阳模。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其中，法向力由气压部件传递到阳模上。

4.按照权利要求1，2或3所述的装置，带有测量法向力的部件(3)。

5.按照前述权利要求之一所述的装置，带有一个数据检测机构，用于检测由测量部件提供的转矩测量数据。

6.按照前述权利要求之一所述的装置，带有包括一个铸模阳模和一个铸型穴的压铸模，所述压铸模用于形成样品。

7.按照权利要求6所述的装置，其中，铸型穴包括一个浇注口套筒和一个随动件，浇注口套筒和随动件可相对移动。

8.按照权利要求7所述的装置，带有弹性部件(13)，特别是盘形弹簧，所述弹性部件用于向随动件施加力使随动件相对于浇注口套筒移动。

9.按照权利要求7或8之一所述的装置，其中，随动件用于形状配合地接纳样品。

10.按照权利要求9所述的装置，其中，随动件在压铸模空穴区域内具有粗糙的或者锯齿状的区域，以便与样品形成形状配合连接。

11.按照权利要求6-10之一所述的装置，其中，压铸模的构成方式是，使可在压铸模内制成的样品在内部区域呈拱形，在外部区域为平面。

12.按照前述权利要求之一所述的装置，其中，向样品施加转矩的部件具有锁膛卡板传动装置或者齿轮皮带传动装置。

13.确定摩擦系数的方法，具有下列步骤：

-  在压铸模内制造样品，

-  通过铸模阳模向样品施加法向力，

-  向样品施加转矩，

-  测量通过样品传递到铸模阳模上的转矩以及

-  根据法向力和传递的转矩确定摩擦系数。

14.按照权利要求13所述的方法，其中，制造第一区域为平面和第二区域为拱形的样品。

15.按照权利要求13或14所述的方法，其中，借助气压产生法向力。

16.按照权利要求13，14或15所述的方法，其中，预先规定法向力，传递的转矩由数据检测装置记录。

17.按照权利要求13-16之一所述的方法，其中，检测传递转矩的时段持续到铸模阳模和样品之间从静摩擦向滑动摩擦过渡的时段。

18.按照权利要求13-17之一所述的方法，其中，样品在边缘区域具有齿状的或者粗糙的外形，由此构成与压铸模铸型穴的铸模随动性。

19.按照权利要求13-18之一所述的方法，其中，压铸过程中的转矩通过样品压铸件和铸模阳模之间的接触传递。

20.按照权利要求13-19之一所述的方法，其中，在对样品施加转矩前去除样品的浇注口。

21.按照权利要求20所述的方法，其中，通过将转矩传给样品的随动件和压铸模浇注口套筒之间的相对移动去除浇注口。

22.借助作用力将任意模制件从压铸模中脱模的方法，其中，模制件脱模所需要的力的大小根据权利要求13-21所述方法测定的摩擦系数来决定。

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