FI66089C

FI66089C - PROCEDURE FOR ORDERING FOR FREQUENCY OF FRICTION HAVING SKIV- AND BANDFORM MATERIAL

Info

Publication number: FI66089C
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: 1984-08-10
Also published as: GB8313974D0; GB2121970A; FI821783A7; FI821783A0; DE3318172A1; FI66089B

Description

1 6 50891 6 5089

Menetelmä ja laite levy- ja nauhamaisten materiaalien kitkan mittaamiseksiMethod and apparatus for measuring friction of sheet and strip-like materials

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite levy- ja nauhamaisten materiaalien kitkan mittaamiseksi vetämällä koenauhaa kulmakappaleen yli.The invention relates to a method and a device for measuring the friction of plate and strip-like materials by pulling a test strip over a corner piece.

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.In general, knowing the coefficients of friction between material pairs under different conditions is necessary in many applications. For example, in addition to tool design and function, as well as the mechanical properties of the sheet material, the success of forming sheet metal products is affected by surface reactions between the sheet and the tool, depending on surface to-10 chromatography, lubricant viscosity, and lubricant and surface chemical composition. The recent shift to easily removable lubricants and high-strength sheet metal increases the risk of sheet and tool sticking. According to studies, in the automotive industry of Japa-15, more than 70% of tool repairs are due to cutting and subsequent adhesion of sheet material to the tool surface.

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.Most commonly, friction and sticking are investigated by simple sliding or strip drawing tests, e.g., by pulling 20 sheet metal strips to be examined between planar or cylindrical tools. The weakness of these is the type of loading that does not correspond to the practice of the test strip; only the peaks of surface roughness are in the plastic state. However, in molding processes, the roughening of the surface associated with plastic deformation and the rupture of the natural oxide film covering the surface have a major effect on the friction behavior. Therefore, methods have been developed in which the plate can be modified during the experiment, e.g. by pulling and bending the sheet metal strip over a fixed corner piece. In these experiments, however, it is not possible to distinguish between the energy expended in plastic work and the friction losses, so that the actual coefficient of friction cannot be determined.

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 ’In the friction measurement test which is the starting point of the invention, the test strip is pulled over a fixed cylindrical piece of friction 5 according to Fig. 1 by pulling. The load mimics the situation at the critical points of the shaping tools (rounding radii and traction ridges). The test strip is subjected to plastic deformation by means of a retention force F2, whereby the surface quality corresponds to practical molding. The force F 1 required for bending and straightening the strip 10 is then determined in a separate experiment by pulling the test strip over the bearing friction roller. The friction losses are thus subjected to a force F ^ for which the equation 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.In order to calculate the coefficient of friction, it is also necessary to know the total normal force F ^ °, which can be calculated by means of the tensile and retention forces. When the forces F ^ and F ^ ot are known, the coefficient of friction can be calculated from the equation 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. SitenThe forces acting on the test strip when the strip is pulled over a fixed friction piece are considered in more detail below. Using the notations in Figure 2, it is observed that when the test strip is pulled over a friction piece of radius r, the work done by the force increment dF on the sliding distance r d0 is equal to the corresponding friction work v yFNrdO, where F ^ means normal force against the sliding surface. So

25 dFr d0 = wF„rdO C N25 dFr d0 = wF „rdO C N

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

Integroimalla yli kontaktikulman (δ) saadaanIntegration over the contact angle (δ) gives

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

Taivutus- ja oikaisuvoima on riippuvainen koenauhan kuor-5 mituksesta, materiaalista ja dimensioista.The bending and straightening force depends on the load, material and dimensions of the test strip.

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.As stated above, in the friction measurement method on which the invention is based, two separate tests have to be performed: one for measuring tensile and retaining forces and the other for measuring bending and correcting forces. The object of the invention is to develop a previously known friction measurement method and device so that the friction of a test strip can be determined in one measurement so that the measurement result can be read immediately from the output data of the calculator unit of the device. The characteristic features of the invention are set out in the appended claims.

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.Applications of the invention include, for example, the classification and development of lubricants, the classification of sheet material / tool-friction pairs, and studies on surface topography (especially tool surface roughness), molding geometry (tool radius, plate thickness) and process variables (e.g., speed, surface pressure, or temperature).

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.In the following, some embodiments of the invention will be considered in more detail with reference to the accompanying drawings. 25 In the drawings FIG. 1 shows the principle of a friction measurement method when pulling a test strip over a fixed friction piece.

FIG. 2 esittää kitkapalaan ja koenauhaan vaikuttavia voima-komponentteja.FIG. 2 shows the force components acting on the friction piece and the test strip.

FIG. 3 esittää keksinnön mukaisen kitkanmittausmenetelmän 5 lohkokaaviota.FIG. 3 shows a block diagram of a friction measurement method 5 according to the invention.

FIG. 4 esittää keksinnön mukaisen kitkanmittausmenetelmän vaihtoehtoista toteuttamistapaa.FIG. 4 shows an alternative embodiment of the friction measurement method according to the invention.

FIG. 5 esittää laitetta koenauhan kitkan mittaamiseksi FIG. 4:n mukaista menetelmää sovellettaessa, kun laskinyksik-10 kö on jätetty esittämättä.FIG. 5 shows an apparatus for measuring the friction of a test strip FIG. 4 when the calculator unit is not shown.

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.FIG. 3, a replaceable cylindrical friction piece 10 is provided on the angle piece 9 attached to the measuring device so that it can rotate freely when measuring bending and straightening forces and is locked to rotate when measuring friction forces. The test strip 11 is attached to the hydraulic traction cylinder 1 and guided over the friction piece 10 to the attachment end of the braking cylinder 2 controlled by the electro-hydraulic servo valve 12. The test strip is attached to the traction and braking cylinders, eg with tensioners attached to the pull-20s. The traction speed of the cylinder 1 and the braking force of the cylinder 2 are adjusted by means of the hydraulic control unit 6 and the measuring and control electronics unit 3. When performing the test, the friction piece 10 is first allowed to rotate freely, whereby the sensors 7 and 8 provide the calculator 25 with signals of the traction and holding force acting during the friction measurement. The analog circuit 4 of the calculator unit then generates a coefficient of friction of the test strip, which is displayed on the calculator output unit 5, e.g. as a digital display.

30 FIG. 4:n mukainen mittaustapa eroaa edellä selostetusta mene-30 FIG. The measurement method according to 4 differs from the method described above.

IIII

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 5.6 5089 so that in order to measure the bending and straightening forces, a separate angle piece 13 is arranged in the device, on which a sensitively rotating shaft 14 is mounted. The shaft 14 has the same radius as in the contact area between the friction piece 17 and the test strip. In order to measure the braking force, a third force sensor 15 is attached to the device, while the sensor 8 measures the holding force acting on the test strip with respect to the friction piece 17. The measurement signals from the sensors 7, 8 and 15 are fed to a calculator unit which, by means of an analog circuit 4, generates a coefficient of friction 10 which is immediately visible from the input unit 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.FIG. 5 is based on FIG. 4. The body 18 of the device is constructed as a rectangular support frame divided into two parts by a cross member 20. In the lower part of the body, between the cross members 20 15 and 21, a test strip 11 is mounted A drive hydraulic cylinder 1 and an electro-hydraulic servo valve controlled brake cylinder 16 a friction piece 17 is attached, and an angle piece 13 on which a sensitive rotating shaft 14 is mounted are fixed to the upper beam 20 19 of the measuring device. The hydraulic unit 6 is located in FIG. 5, to the lower part of the body encased as indicated by dashed lines 22.

Keksintö ei rajoitu edellä selostettuihin suoritusmuotoihin, vaan kitkanmittausmenetelmä ja laite voivat vaihdella oheisten 25 patenttivaatimusten puitteissa.The invention is not limited to the embodiments described above, but the friction measurement method and apparatus may vary within the scope of the appended claims.

Claims

6 06089

A method for measuring the friction of sheet and strip-like materials by pulling a lubricated or unlubricated test strip (11) over a friction piece (10) attached to its angle piece at a predetermined contact angle, characterized by measuring the bending and straightening forces (F 1) of the test strip and with the retaining forces (F1, F2), part of the test strip (11) is simultaneously pulled sensitively to rotate over the bearing shaft (10, 14) and part over the locked friction piece (10, 17). The radius of the bearing shaft (10, 14) corresponds to the radius of curvature of the contact area between the friction piece 10 and the test strip.

Method according to Claim 1, characterized in that the braking force is kept constant or corresponds to a given variable setpoint.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the effect of the forces resisting rotation of the rotating shaft (14, 10) is compensated when measuring the bending and straightening forces (F 1).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the forces required to calculate the frictional force and the bending and straightening forces of the test strip are measured either before and after the difference between the forces acting on the friction piece (10,17) or the rotating shaft (14,10) (FJ-F2). F2-F3) or the friction piece (10,17) / rotating shaft (14,10) from the torque or the normal forces acting on the friction piece and the rotating shaft.

Friction measuring device for carrying out a method according to one of the preceding claims, the device comprising a test strip (11) pulling device (1), a corner piece, a retaining device (2) and means for attaching the test strip to traction and holding devices, characterized in that the corner piece ( 9) is constructed either so that the friction piece (10) rotates freely when measuring bending and straightening forces (F ^), but is locked when measuring friction or so that the friction-5 piece (s) and the bearing (s) shaft (-) (t) be provided with a revolver or equivalent tool change system that allows the friction piece and shaft to be changed to the measuring station during the test.

A device for measuring friction according to claim 5, characterized in that the friction piece (17) is fixedly attached to its angle piece (16) and that a separate angle piece (13) is mounted on the device for a freely rotating shaft (14) with a radius corresponding to the friction piece and strip contact area. a radius (r) in which part of the test strip (11) passes over the freely rotating shaft (14) and part over the fixed friction piece (17). 8 6 508 9