FI66089B

FI66089B - Foerfarande och anordning foer maetning av friktion hos skiv- och bandformiga material

Info

Publication number: FI66089B
Application number: FI821783A
Authority: FI
Inventors: Jarmo Kumpulainen; Arto Ranta-Eskola; Martti Sulonen; Hannu Haapajaervi; Erkki Sirkkola
Original assignee: Fiskars Ab Oy
Priority date: 1982-05-20
Filing date: 1982-05-20
Publication date: 1984-04-30
Also published as: DE3318172A1; GB2121970A; FI66089C; FI821783A0; FI821783A; GB8313974D0

Description

1 6 5089

Menetelmä ja laite levy- ja nauhamaisten materiaalien kitkan mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite levy- ja nauhamaisten materiaalien kitkan mittaamiseksi vetämällä koenauhaa kulmakappaleen yli.

Yleisesti materiaaliparien välisten kitkakertoimien tuntemi-5 nen eri olosuhteissa on tarpeellista monissa käyttösovellutuksissa. Esimerkiksi ohutlevytuotteiden muovauksen onnistumiseen vaikuttavat työkalujen muotoilun ja toimintojen sekä levymateriaalin mekaanisten ominaisuuksien lisäksi levyn ja työkalun väliset pintareaktiot, jotka riippuvat pintojen to-10 pografiästä, voiteluaineen viskositeetista sekä voiteluaineen ja pintojen kemiallisesta koostumuksesta. Viime aikoina tapahtunut siirtyminen helposti poistettaviin voiteluaineisiin ja suurilujuuksisiin ohutlevyihin lisää levyn ja työkalun kiinnileikkautumisriskiä. Tutkimusten mukaan Japa-15 nin autoteollisuudessa työkalujen kunnostustöistä yli 70 % johtuu kiinnileikkautumisesta ja sitä seuranneesta levymateriaalin tarttumisesta työkalun pinnalle.

Yleisimmin kitkaa ja kiinnileikkautumista tutkitaan yksinkertaisilla liuku- tai nauhanvetotesteillä esim. vetämällä 20 tutkittavaa ohutlevynauhaa tasomaisten tai sylinterimäisten työkalujen välistä. Näiden heikkoutena on koenauhan käytäntöä vastaamaton kuormitustapa; ainoastaan pinnankarheuden huippukohdat ovat plastisessa tilassa. Kuitenkin muovaus-prosesseissa plastiseen muodonmuutokseen liittyvällä pinnan 25 karhenemisella ja pintaa peittävän luonnollisen oksidikalvon murtumisella on suuri vaikutus kitkakäyttäytymiseen. Tämän vuoksi on kehitetty menetelmiä, joissa levyä voidaan muokata kokeen aikana, esim. vetämällä ja taivuttamalla ohutlevynauhaa kiinteän kulmakappaleen yli. Näissä kokeissa ei kui-30 tenkaan voida erottaa toisistaan plastiseen työhön ja kitka- 2 6:3089 häviöihin kulunutta energiaa, joten todellista kitkakerroin-ta ei pystytä määrittämään.

Keksinnön lähtökohtana olevassa kitkanmittaustestissä vedetään koenauhaa kuvan 1 mukaisesti kiinteän sylinterimäisen 5 kitkapalan yli vetovoimalla . Kuormitus jäljittelee muo-vaustyökalujen kriittisissä kohdissa (pyöristyssäteet ja ve-toharjänteet) vallitsevaa tilannetta. Koenauhaan aiheutetaan plastinen deformaatio pidätysvoiman F2 avulla, jolloin pinnanlaatu vastaa käytännön muovausta. Nauhan taivutukseen 10 ja oikaisuun vaadittava voima F^ määritetään sitten erillisellä kokeella vetämällä koenauhaa laakeroidun kitkarullan yli. Kitkahäviöihin kuluu siten voima F^, jolle pätee yhtälö PM = P1 - Pb - P2 ’

Kitkakertoimen laskemiseksi on lisäksi tunnettava kokonais-15 normaalivoima F^° , joka saadaan lasketuksi veto- ja pidätys-voimien avulla. Kun voimat F^ ja F^ot ovat tiedossa, voidaan kitkakerroin laskea yhtälöstä μ = F^/F^ot.

Seuraavassa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin koenauhaan vaikuttavia voimia, kun nauhaa vedetään kiinteän kitkapalan yli. 20 Kuvan 2 merkintöjä käyttäen havaitaan, että vedettäessä koenauhaa r-säteisen kitkapalan yli on voimainkrementin dF tekemä työ liukumatkalla r d0 yhtä suuri kuin vastaava kitkatyö v yFNrdO, missä F^ tarkoittaa normaalivoimaa liukupintaa vasten. Siten

25 dFr d0 = wF„rdO C N

Koska F^ = FdO, saadaan dFrcdO = yFrdOdO tai f - 4de c 1: f 3 6 ΰ 08 9

Integroimalla yli kontaktikulman (δ) saadaan

Frpb 4 S ΪΓ- = S tai f2 o u - 1 Γ° In Λ " Fbl

Taivutus- ja oikaisuvoima on riippuvainen koenauhan kuor-5 mituksesta, materiaalista ja dimensioista.

Kuten edellä todettiin, joudutaan keksinnön lähtökohtana olevassa kitkanmittausmenetelmässä suorittamaan kaksi erillistä koetta: toinen veto- ja pidätysvoimien mittaamiseksi ja toinen koe taivutus- ja oikaisuvoimien mittaamiseksi. Keksin-10 nön tarkoituksena on kehittää ennestään tunnettua kitkanmit-tausmenetelmää ja laitetta siten, että koenauhan kitka voidaan selvittää yhdellä mittauskerralla siten, että mittaustulos on välittömästi luettavissa laitteen laskinyksikön tulostiedoista. Keksinnölle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa 15 patenttivaatimuksissa.

Keksinnön käyttökohteina ovat esimerkiksi voiteluaineiden luokittelu ja kehitystyö, levymateriaali/työkalu - kitkaparien luokittelu sekä tutkimukset, joissa tarkastellaan pintojen topografian (erityisesti työkalun pinnankarheuden), muovaus-20 geometrian (työkalun säteen, levyn paksuuden) ja prosessi- muuttujien (esim. nopeuden, pintapaineen tai lämpötilan) vaikutusta kitkaan.

Seuraavassa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin eräitä keksinnön suoritusmuotoja oheisiin piirustusten kuviin viittaamalla. 25 Piirustuksissa FIG. 1 esittää kitkanmittausmenetelmän periaatetta vedettäes- 4 63089 sä koenauhaa kiinteän kitkapalan yli.

FIG. 2 esittää kitkapalaan ja koenauhaan vaikuttavia voima-komponentteja.

FIG. 3 esittää keksinnön mukaisen kitkanmittausmenetelmän 5 lohkokaaviota.

FIG. 4 esittää keksinnön mukaisen kitkanmittausmenetelmän vaihtoehtoista toteuttamistapaa.

FIG. 5 esittää laitetta koenauhan kitkan mittaamiseksi FIG. 4:n mukaista menetelmää sovellettaessa, kun laskinyksik-10 kö on jätetty esittämättä.

FIG. 3:n mukaisessa kitkanmittausmenetelmässä järjestetään mittauslaitteeseen kiinnitettyyn kulmakappaleeseen 9 vaihdettavissa oleva sylinterimäinen kitkapala 10 siten, että se taivutus- ja oikaisuvoimia mitattaessa pääsee vapaasti pyö-15 rimään ja kitkavoimia mitattaessa on lukittuna pyörimättömäksi. Koenauha 11 kiinnitetään hydrauliseen vetosylinteriin 1 ja ohjataan kitkapalan 10 yli sähköhydraulisen servoventtiilin 12 ohjaaman jarrutussylinterin 2 kiinnityspäähän. Koenauha kiinnitetään veto- ja jarrutussylintereihin esim. pul-20 teillä kiinnitettävillä kiristimillä. Sylinterin 1 vetono-peutta ja sylinterin 2 jarrutusvoimaa säädetään hydrauliikan ohjausyksikön 6 ja mittaus- ja ohjauselektroniikkayksikön 3 avulla. Koetta suoritettaessa annetaan kitkapalan 10 ensin pyöriä vapaasti, jolloin antureiden 7 ja 8 avulla saadaan 25 laskinlaitteeseen signaalit kitkamittauksen aikana vaikuttavasta vetovoimasta ja pidätysvoimasta. Laskinyksikön analogiapiirillä 4 muodostetaan sitten koenauhan kitkakerroin, joka saadaan näkyville laskimen tulostusyksiköstä 5 esim. digitaalisena näyttönä.

30 FIG. 4:n mukainen mittaustapa eroaa edellä selostetusta mene-

II

6 5089 telmästä siten, että taivutus- ja oikaisuvoimien mittaamiseksi on laitteeseen järjestetty erillinen kulmakappale 13, johon on laakeroitu herkästi pyörivä akseli 14. Akselilla 14 on sama säde kuin kitkapalan 17 ja koenauhan välisellä kon-5 taktialueella. Jarrutusvoiman mittaamiseksi on laitteeseen kiinnitetty kolmas voima-anturi 15 anturin 8 mitatessa koe-nauhaan vaikuttavaa pidätysvoimaa kitkapalan 17 suhteen. Mittaussignaalit antureilta 7, 8 ja 15 johdetaan laskinyksik-köön, joka muodostaa analogiapiirin 4 avulla kitkakertoimen, 10 joka saadaan välittömästi näkyville tulosyksiköstä 5.

FIG. 5:n esittämä laite perustuu FIG. 4:ssä esitettyyn mittausperiaatteeseen. Laitteen runko 18 on rakennettu suorakaiteen muotoiseksi tukevaksi kehikoksi, joka on jaettu kahteen osaan poikkipalkilla 20. Rungon alaosaan, poikkipalkkien 20 15 ja 21 väliin, on asennettu koenauhaa 11 vetävä hydraulisylin-teri 1 ja sähköhydraulisen servoventtiilin ohjaama jarrutus-sylinteri 2. Kulmakappale 16, johon on kiinnitetty kitkapala 17, sekä kulmakappale 13, johon on laakeroitu herkästi pyörivä akseli 14, ovat kiinnitetyt mittalaitteen yläpalkkiin 20 19. Hydrauliikkayksikkö 6 on sijoitettu FIG. 5:n esittämässä suoritusmuodossa rungon alaosaan, joka on koteloitu katkoviivojen 22 osoittamalla tavalla.

Keksintö ei rajoitu edellä selostettuihin suoritusmuotoihin, vaan kitkanmittausmenetelmä ja laite voivat vaihdella oheisten 25 patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

6 06089

1. Menetelmä levy- ja nauhamaisten materiaalien kitkan mittaamiseksi vetämällä voideltua tai voitelematonta koenauhaa (11) kulmakappaleeseensa kiinnitetyn kitkapalan (10) yli määrätyssä kosketuskulmassa, tunnettu siitä, että 5 koenauhan (11) taivutus- ja oikaisuvoimien (F^) mittaamiseksi samasta koenauhasta veto- ja pidätysvoimien (F^,F2) kanssa osa koenauhasta (11) vedetään samanaikaisesti herkästi pyörimään laakeroidun akselin (10,14) yli ja osa lukitun kitka-palan (10,17) yli. Laakeroidun akselin (10,14) säde vastaa 10 kitkapalan ja koenauhan välisen kontaktialueen kaarevuussä-dettä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jarruvoima pidetään vakiona tai vastaamassa annettua muuttuvaa ohjearvoa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että taivutus- ja oikaisuvoimia (F^) mitattaessa kompensoidaan pyörivän akselin (14,10) pyörimistä vastustavien voimien vaikutus.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että koenauhan kitkavoiman ja taivutus- ja oikaisuvoimien laskemiseksi tarvittavat voimat mitataan joko ennen ja jälkeen kitkapalaa (10,17) tai pyörivää akselia (14,10) vaikuttavien voimien erotuksesta (F.J-F2, F2-F3) tai kitkapalaa (10,17)/pyörivää akselia (14,10) kier- 25 tävästä momentista tai kitkapalaan ja pyörivään akseliin vaikuttavista normaalivoimista.

5. Kitkanmittauslaite jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen menetelmän toteuttamiseksi laitteen käsittäessä koenauhan (11) vetolaitteen (1), kulmakappaleen, pidätinlait- 30 teen (2) sekä laitteet koenauhan kiinnitettämiseksi veto- ja h 7 6 3089 pidätinlaitteisiin, tunnettu siitä, että kulma-kappale (9) on rakennettu joko siten, että kitkapala (10) pyörii vapaasti taivutus- ja oikaisuvoimia (F^) mitattaessa, mutta on lukittuna kitkaa mitattaessa tai siten, että kitka-5 pala (-t) ja laakeroitu (-dut) akseli (—t) on järjestetty revolveriin tai vastaavan työkalun vaihtojärjestelmään, jolla kitkapala ja akseli voidaan vaihtaa mittausasemaan kokeen aikana.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite kitkan mittaamiseksi, 10 tunnettu siitä, että kitkapala (17) on kiinnitetty kiinteästi kulmakappaleeseensa (16) ja että laitteeseen on asennettu erillinen kulmakappale (13) vapaasti pyörivää akselia (14) varten, jonka säde vastaa kitkapalan ja nauhan kontaktialueen sädettä (r), jolloin osa koenauhasta (11) kul-15 kee vapaasti pyörivän akselin (14) ja osa kiinteän kitka-palan (17) yli. 8 6 508 9