DE3318172A1 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE FRICTION OF LEAF AND STRIP MATERIALS - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE FRICTION OF LEAF AND STRIP MATERIALS

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DE3318172A1 DE19833318172 DE3318172A DE3318172A1 DE 3318172 A1 DE3318172 A1 DE 3318172A1 DE 19833318172 DE19833318172 DE 19833318172 DE 3318172 A DE3318172 A DE 3318172A DE 3318172 A1 DE3318172 A1 DE 3318172A1
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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Reibung von Blatt- und StreifenmaterialienMethod and apparatus for measuring the friction of sheet and strip materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Reibung von Blatt- und Streifenmaterialien, bei dem ein Musterstreifen über ein Eckstück gezogen wird.The invention relates to a method and apparatus for measuring the friction of sheet and strip materials by placing a pattern strip over a corner piece is pulled.

Die Kenntnis der Reibungskoeffizienten zwischen Materialpaaren unter verschiedenen Bedingungen ist bei vielen Anwendungen erforderlich. Beispielsweise wird der Erfolg bei der Formung von Blattmetal1 komponenten zusätzlich zu der Form und den Funktionen der Werkzeuge und den mechanischen Eigenschaften des Blattmaterials ebenfalls von den Oberflächenreaktionen zwischen dem Blatt und den Werkzeugen beeinflußt. Diese Reaktionen hängen von der Topographie der Oberflächen, der Schmiermittel-Viskosität und der chemischen Zusammensetzung des Schmiermittels und der berührenden Oberflächen ab. Die in neuesterKnowing the coefficients of friction between pairs of materials under different conditions is common to many Applications required. For example, success will In addition, when forming leaf metal1 components the shape and functions of the tools and the mechanical properties of the sheet material as well of the surface reactions between the sheet and the Tools. These reactions depend on the topography of the surfaces, the lubricant viscosity and the chemical composition of the lubricant and the surfaces in contact. The newest

A 20 307/8 - 5 -A 20 307/8 - 5 -

Zeit aufgekommenen Trends zur Verwendung von leicht zu entfernenden Schmiermitteln und die Einführung von hochbelastbaren Blattmaterialien vergrößern die Gefahr des Aufnehmens und des Fressens. Nach Untersuchungen werden mehr als 70 % der Konditionierungsarbeit beim Einrichten und Ausrichten von Werkzeugen in der japanischen Autoindustrie durch Fressen und die übertragung von Blattmaterial auf die Werkzeugoberfläche verursacht.Temporal trends towards the use of easy-to-remove lubricants and the introduction of heavy-duty sheet materials increase the risk of ingestion and galling. Research has shown that more than 70 % of the conditioning work involved in setting up and aligning tools in the Japanese auto industry is caused by seizure and the transfer of sheet material to the tool surface.

Reibung und Fressen werden üblicherweise durch einfache Gleit- oder Streifenzugtests untersucht, indem beispielsweise die Streifenprobe zwischen entweder flachen oder zylindrischen Werkzeugen gezogen wird. Ihre inhärente Schwäche liegt in der Belastungssituation, die nicht der in der Praxis auftretenden entspricht; nur die Spitzen von Oberflächenrauhheiten werden plastisch deformiert Jedoch beeinflussen bei den Formungsoperationen das Aufrauhen der Oberfläche und das Aufbrechen des natürlichen die Oberfläche bedeckenden Oxidfilms, die mit der plastischen Deformation verbunden sind, in starkem Maße das Reibungsverhalten. Daher wurden einige Methoden entwikkelt, die es möglich machen, das Blattmaterial während des Experimentes zu deformieren, beispielsweise indem der Blattstreifen über einen festen Eckwulst verschoben und gebogen wird. Jedoch kann bei diesen Tests die für die Verformungseinheit und die Reibungsverluste erforderte Energie nicht getrennt werden, so daß der tatsächliche Reibungskoeffizient nicht bestimmt werden kann.Friction and seizure are usually caused by simple Slip or strip tensile tests are examined by, for example, placing the strip sample between either flat or cylindrical tools. Your inherent The weakness lies in the stressful situation that does not correspond to that which occurs in practice; only the tips of surface roughness are plastically deformed However, in the molding operations, the roughening of the surface and the breaking of the natural affect oxide film covering the surface associated with plastic deformation, to a large extent that Frictional behavior. Therefore some methods have been developed which make it possible to deform the sheet material during the experiment, for example by the leaf strip is shifted and bent over a fixed corner bead. However, in these tests, the for the deformation unit and the friction losses required Energy cannot be separated so that the actual coefficient of friction cannot be determined can.

Die Basis der Erfindung ist ein Reibungstest, bei dem der Probestreifen entsprechend Fig. 1 über einen festen zylindrischen Reibungswulst durch die Zugkraft F1 gezogenThe basis of the invention is a friction test in which the test strip according to FIG. 1 is pulled over a solid cylindrical friction bead by the tensile force F 1

A 20 307/8 - 6 -A 20 307/8 - 6 -

wird. Das Belastungsprinzip simuliert die Situation an den kritischen Bereichen der Formwerkzeuge (Stanz- und Gesenkradien, Zugwülste). Der Streifen wird plastisch durch die Bremszugkraft F2 deformiert und die Oberflächentopographie entspricht; daher derjenigen bei praktischen Formoperationen. Die zum Abbiegen und Entspannen des Streifens benötigte Kraft, F., wird dann durch ein getrenntes Experiment bestimmt, indem ein Streifenmuster über eine frei drehbare Welle gezogen wird, die den gleichen Radius wie der Reibungswulst aufweist. Die Reibungskraft, F ist dann gegeben durch:will. The loading principle simulates the situation in the critical areas of the forming tools (punching and die radii, tension beads). The strip is plastically deformed by the braking tensile force F 2 and the surface topography corresponds; hence those in practical molding operations. The force required to flex and relax the strip, F., is then determined by a separate experiment by drawing a pattern of strips over a freely rotating shaft that is the same radius as the friction bead. The frictional force, F is then given by:

FM ■ F1 - Fb - F2 · F M ■ F 1 - F b - F 2

Zum Berechnen des Reibungskoeffizienten wird die gesamte Normalbelastung F^ ebenfalls benötigt. Sie kann auf der Basis der Zug- und Bremszugkräfte bestimmt werden. Wenn die Kräfte F11 und Fn ° bekannt sind, kann der Reibungskoeffizienten von der Gleichung μ = F /F.. berechnet werden.The total normal load F ^ is also required to calculate the coefficient of friction. It can be determined on the basis of the pulling and braking forces. If the forces F 11 and F n ° are known, the coefficient of friction can be calculated from the equation μ = F / F ...

Die auf den Musterstreifen einwirkenden Kräfte, wenn dieser über den Reibungswulst gleitet, werden im folgenden genauer betrachtet. Unter Verwendung der Bezeichnungen in Fig. 2 ist zu sehen, daß dann, wenn der Streifen über den Reibungswulst mit dem Radius r gezogen wird, die von der Kraftvergrößerung dF über die Gleitlänge r dO bewirkte Arbeit gleich der entsprechenden Reibungsarbeit MFNrd9 ist, wobei Fn die auf die Gleitoberfläche einwirkende Normalkraft ist. Daraus folgtThe forces acting on the pattern strip when it slides over the friction bead are considered in more detail below. Using the designations in FIG. 2, it can be seen that when the strip is pulled over the friction bead of radius r, the work caused by the increase in force dF over the sliding length r dO is equal to the corresponding friction work MF N rd9, where F n is the normal force acting on the sliding surface. It follows

0 m β « 0 m β «

A 20 307/8 - 7 -A 20 307/8 - 7 -

Da Fn = FdS ist, erhält manSince F n = FdS, one obtains

dFr de = pFrdQde oderdFr de = pFrdQde or

Durch Integrieren über den Berührungswinkel S , erhält manBy integrating over the contact angle S , one obtains

Die Biege- und Geradrichtkraft hängt von der Spannung, dem Material und den Dimensionen des Streifens ab.The bending and straightening force depends on the tension, the material and dimensions of the strip.

Wie bereits oben erwähnt wurde, sind zwei getrennte Experimente bei der die Basis der Erfindung bildenden Testanordnung nötig: das erste zur Messung der Zug- und Bremszugkrä'fte und das andere zur Bestimmung der Biege- und Geradrichtungskräfte. Der Zweck der Erfindung liegt darin, das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung weiter zu entwickeln, um in der Lage zu sein, die Reibung des Streifens durch einziges Experiment derart zu messen, daß das Ergebnis unmittelbar von der Aus-As mentioned above, there are two separate experiments on which form the basis of the invention Test set-up required: the first to measure the pulling and braking forces and the other to determine the Bending and straightening forces. The purpose of the invention lies in further developing the known method and apparatus in order to be able to to measure the friction of the strip by a single experiment in such a way that the result is directly

A 20 307/8 - 8 -A 20 307/8 - 8 -

gangsinformation der Berechnungseinheit abgelesen werden kann. Die charakteristischen Eigenschaften der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.output information of the calculation unit can be read. The characteristics of the invention are given in the claims.

Die Erfindung kann z.B. bei der Klassifikation und Entwicklung von Schmiermitteln, bei der Klassifikation von Blatt-/ Werkzeug-Materialkombinationen und bei Untersuchungen verwendet werden, die sich mit dem Einfluß der Oberflächentopographie (insbesondere der Rauhheit der Werkzeugoberfläche), der Formungsgeometrie (Werkzeugradien, Blattdicke) und Prozeßvariablen (z.B. Gleitgeschwindigkeit, Kontaktdruck oder Temperatur) auf die Reibung befassen.For example, the invention can be used in the classification and development of lubricants, in the classification of Blade / tool material combinations and used in studies dealing with the influence the surface topography (especially the roughness of the tool surface), the forming geometry (tool radii, blade thickness) and process variables (e.g. sliding speed, contact pressure or temperature) on the Deal with friction.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:Further features, details and advantages of the invention emerge more preferably from the following description Embodiments of the invention and based on the drawing. Here show:

Fig. 1 das Meßprinzip, wenn der Musterstreifen über einen festen Reibungswulst gezogen wird;Fig. 1 shows the principle of measurement when the pattern strip is pulled over a solid friction bead;

Fig. 2 die auf den Reibungswulst und den .Musterstreifen wirkenden Kraftkomponenten;2 shows the force components acting on the friction bead and the pattern strip;

Fig. 3 ein Systemblockdiagramm einer erfindungsgemäßen Meßmethode;3 is a system block diagram of a measurement method according to the invention;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der Meßmethode nach der Erfindung;4 shows an alternative embodiment of the measuring method according to the invention;

· το ι ο- m· Το ι ο- m

· 33 I ö I Il · 33 I ö I Il

A 20 307/8 - 9 -A 20 307/8 - 9 -

Fig. 5 eine Vorrichtungzum Messen der Reibung des Streifens durch Anwendung des in Fig. 4 dargestellten Meßprinzipes ohne Darstellung der Recheneinheit.Figure 5 shows an apparatus for measuring friction of the strip by applying the measuring principle shown in Fig. 4 without Representation of the arithmetic unit.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Meßmethode ist ein austauschbarer zylindrischer Reibungswulst 10 mit dem Eckstück 9 verbunden, das an dem Meßgerät derart befestigt ist, daß der Reibungswulst frei während der Messung der Biege- und Geradrichtungskräfte rotieren kann, während er starr festgeklemmt wird, wenn die Reibungskräfte gemessen werden. Der Musterstreifen 11 wird an dem hydraulischen Zugzylinder 1 befestigt und über den Reibungswulst 10 zu dem Klemmkopf des Bremszylinders 2 geführt, der von dem elektrohydraulischen Servoventil 12 gesteuert ist. Der Streifen wird an dem Zug- und dem Bremszylinder beispielsweise mit Hilfe von durch Schrauben verklemmten Klauen befestigt. Die Zuggeschwindigkeit des Zylinders 1 und die Bremskraft des Zylinders 2 werden unter Verwendung der Steuer- und Meßeinheiten der Hydraulikanlage 6 und der Elektronikanlage 3 eingestellt. Während des Tests wird dem Reibungswulst 10 erlaubt, frei zu rotieren, wenn die Biege- und Geradrichtungskräft registriert wird. Dann wird der Reibungswulst verriegelt und die Spannungs- und Bremskräfte, die während der Reibungsmessung wirksam sind, werden für die Recheneinheit von den Signalen der Belastungszellen 7 und 8 erhalten. Die Analogschaltung 4 der Berechnungseinheit bildet dann den Reibungskoeffizienten, der von der Ausgangseinheit 5 beispielsweise als digitale Anzeige abgelesen werden kann.In the measurement method shown in Fig. 3 is an exchangeable cylindrical friction bead 10 with the Corner piece 9 connected, which is attached to the measuring device in such a way that the friction bead is free during the Measurement of bending and straightening forces can rotate while being rigidly clamped when the Frictional forces are measured. The pattern strip 11 is attached to the hydraulic pulling cylinder 1 and guided via the friction bead 10 to the clamping head of the brake cylinder 2, which is controlled by the electrohydraulic Servo valve 12 is controlled. The strip is attached to the pull and brake cylinders, for example with the help of fastened by bolts jammed claws. The pulling speed of cylinder 1 and the braking force of the Cylinder 2 are set using the control and measuring units of the hydraulic system 6 and the electronic system 3. During the test, the friction bead 10 is allowed to rotate freely when the flexural and Straightening forces are registered. Then the friction bead is locked and the tension and braking forces, which are effective during the friction measurement are used for the processing unit from the signals of the load cells 7 and 8 received. The analog circuit 4 of the calculation unit then forms the coefficient of friction that is derived from the output unit 5 can be read, for example, as a digital display.

A 20 307/8 - 10 -A 20 307/8 - 10 -

Das Meßprinzip nach Fig. 4 weicht von der oben beschriebenen Methode dadurch ab, daß ein getrenntes Eckstück mit einer frei laufenden Welle 14 dem Gerät zur Messung der Biege- und Geradrichtungskraft hinzugefügt ist. Die Welle 14 hat den gleichen Radius wie der Reibungswulst 17 an seinem Berührungsbereich mit dem Streifen. Eine dritte Belastungszelle 15 ist an dem Gerät angeordnet, um die Bremskraft zu messen, während die Belastungszelle 8 die Bremszugkraft bzgl. des Reibungswulstes 17 mißt. Die Meßsignale von den Belastungszellen 7, 8 und 15 werden der Berechnungseinheit zugeführt, die mit Hilfe der Analogschaltung 4 den Reibungskoeffizienten bildet. Der Reibungskoeffizient kann direkt von der Ausgabeeinheit 5 erhalten werden.The measuring principle according to FIG. 4 differs from the method described above in that a separate corner piece with a free-running shaft 14 is added to the device for measuring the bending and straightening force. the Shaft 14 has the same radius as the friction bead 17 at its area of contact with the strip. One third load cell 15 is arranged on the device, to measure the braking force while the load cell 8 the braking tractive force with respect to the friction bead 17 measures. The measurement signals from the load cells 7, 8 and 15 are fed to the calculation unit, which with the help of the Analog circuit 4 forms the coefficient of friction. Of the The coefficient of friction can be obtained directly from the output unit 5.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung basiert auf dem in Fig. 4 dargestellten Meßprinzip. Der Körper 18 ist in der Form eines starren rechteckigen Rahmens gebildet, der in zwei Teile mit dem Quersteg 20 geteilt wurde. Der hydraulische Zugzylinder 1 und der Bremszylinder 2, gesteuert von dem elektrohydraulisehen Servoventil, sind an dem unteren Abschnitt des Rahmens zwischen den Stegen 20 und 21 angeordnet. Das Eckstück 16, an dem der Reibungs wulst 17 befestigt ist, und der Kantenblock 13, an dem die frei laufende Welle 14 mit Lagern befestigt ist, sind an dem oberen Steg 19 befestigt. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist die Hydraulikeinheit 6 in dem unteren Abschnitt des Rahmens angeordnet, der entsprechend den gestrichelten Linien 22 geschützt ist.The device shown in FIG. 5 is based on the measuring principle shown in FIG. The body 18 is formed in the form of a rigid rectangular frame which has been divided into two parts with the transverse web 20. Of the hydraulic pull cylinder 1 and the brake cylinder 2 controlled by the electrohydraulic servo valve arranged on the lower portion of the frame between the webs 20 and 21. The corner piece 16, on which the friction bead 17 is attached, and the edge block 13, on which the free-running shaft 14 is attached with bearings, are attached to the upper web 19. In the embodiment shown in FIG. 5, the hydraulic unit is 6 arranged in the lower portion of the frame, which is protected according to the dashed lines 22.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in den Grenzen der beigefügten Patentansprüche variieren.The invention is not restricted to the embodiments described above, but can be used within the limits of the appended claims vary.

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Claims (8)

AnsprücheExpectations Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Reibung von Blatt- und StreifenmaterialienMethod and apparatus for measuring the friction of sheet and strip materials Verfahren zur Messung der Reibung von Blatt- und Streifenmaterialien, bei dem eine Streifenprobe (11) mit oder ohne Schmierung in einem bestimmten Berührungswinkel über einen an einem Eckstück (9) befestigten Reibungswulst (10, 17) gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Biege- und Geradrichtungskräfte (F^) gleichzeitig mit den Zug- und Bremszugkräften (F-," Fg) unter Verwendung einer einzigen Streifenprobe (11) ein Teil der Strei fenprobe (11) über eine frei rotierende, gelagerte Welle (14) und ein Teil über den festen Reibungs-Method of measuring the friction of sheet and strip materials using a strip sample (11) with or without lubrication at a certain contact angle via a corner piece (9) attached friction bead (10, 17) is pulled, characterized in that for measuring the bending and straightening forces (F ^) simultaneously with the Tensile and braking tensile forces (F-, "Fg) using a single strip sample (11) part of the strip sample (11) via a freely rotating, stored one Shaft (14) and part of the fixed friction ' ' - -L=J-O-./ 33Ί8Ί7Ζ '' - -L = J - O-./ 33Ί8Ί7Ζ A 20 307/8 - 2 -A 20 307/8 - 2 - wulst (10, 17) gezogen wird, wobei der Radius der frei rotierenden Welle (14) dem Krümmungsradius des Berührungsbereiches zwischen dem Reibungswulst (10, 17) und der Streifenprobe (11) entspricht.bead (10, 17) is pulled, the radius of the freely rotating shaft (14) being the radius of curvature of the Contact area between the friction bead (10, 17) and the strip sample (11) corresponds. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremszugkraft konstant gehalten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the braking tractive force is kept constant. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremszugkraft entsprechend einer vorgegebenen Regel geändert wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the braking tractive force corresponding to a predetermined Rule is changed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Messen der Biege- und Geradrichtungskraft (Fi3) die Wirkung der sich der Drehung der frei laufenden Welle (14) entgegenstellenden Kräfte kompensiert wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that when measuring the bending and straightening force (Fi 3 ), the effect of the rotation of the freely rotating shaft (14) opposing forces is compensated. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berechnung der Reibungskraft und der Biege- und Geradrichtungskraft der Streifenprobe erforderlichen Kräfte von der Differenz der vor und nach dem Reibungswulst wirkenden Kräfte (F1 - F«) oder vor bzw. hinter der rotierenden Welle wirkenden Kräfte (F2 - F3) oder von dem an dem Reibungswulst bzw. der rotierenden Welle wirkenden Drehmoment oder von der auf den Reibungswulst und die rotierende Welle wirkenden Normalkraft bestimmt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the forces required to calculate the frictional force and the bending and straightening force of the strip sample depend on the difference between the forces acting before and after the friction bead (F 1 - F «) or before or Forces (F2 - F 3 ) acting behind the rotating shaft or by the torque acting on the friction bead or the rotating shaft or by the normal force acting on the friction bead and the rotating shaft. 6. Reibungsmeßvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Zugeinheit für die Streifenprobe (11), einem Eckstück (9), einer Bremszugeinheit und Einrichtungen6. Friction measuring device, in particular for performing the method according to one of the preceding claims, with a pulling unit for the strip sample (11), a corner piece (9), a brake pulling unit and devices • O ■• O ■ te a te a A 20 307/8 - 3 - .A 20 307/8 - 3 -. zur Befestigung der Streifenprobe (11) an den Zugbzw. Bremszugeinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Eckstück (9) derart ausgebildet ist, daß sein Reibungswulst (10) beim Bestimmen der Biege- und Geradrichtungskräfte (F.) frei rotiert, jedoch während der Reibungsmessungen verriegelt ist.to attach the strip sample (11) to the Zugbzw. Brake pull units, characterized in that the corner piece (9) is designed such that its Friction bead (10) when determining the bending and Straight forces (F.) rotates freely, however is locked during the friction measurements. 7. Reibungsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eckstück (9) derart ausgebildet ist, daß der Reibungswulst (17) und die rotierende Welle (14) an einer Revolvereinrichtung oder einem ähnlichen System befestigt sind, mit dessen Hilfe der Reibungswulst (17) und die Welle (14) während des Testens in die Meßposition abwechselnd eingebracht werden können.7. Friction measuring device according to the preamble of Claim 6, characterized in that the corner piece (9) is designed such that the friction bead (17) and the rotating shaft (14) on one Turret mechanism or a similar system are attached, with the help of which the friction bead (17) and the shaft (14) during testing in the Measuring position can be introduced alternately. 8. Reibungsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibungswulst (17) starr an dem Eckstück verklemmt ist und ein getrenntes Eckstück für die frei rotierende Welle (14) vorgesehen ist, deren Radius dem Krümmungs· radius des Kontaktbereiches zwischen dem Reibungswulst (17) und dem Streifen (11) entspricht, wobei ein Teil der Streifenprobe (11) sich über die frei rotierende Welle (14) und ein Teil über den festen Reibungswulst (17) bewegt.8. Friction measuring device according to the preamble of Claim 6, characterized in that the friction bead (17) is rigidly clamped to the corner piece and a separate corner piece is provided for the freely rotating shaft (14), the radius of which corresponds to the curvature radius of the contact area between the friction bead (17) and the strip (11), wherein part of the strip sample (11) extends over the freely rotating shaft (14) and part over the fixed Friction bead (17) moved.
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