專利名稱：鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測(cè)試裝置，特別涉及鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試中所使用的探針傳感器。
背景技術(shù)：
隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益尖銳，全球各大汽車制造商都努力加快汽車輕型化的研究與開發(fā)。汽車輕型化中一個(gè)很重要的內(nèi)容就是汽車覆蓋件的輕型化。由于鋁合金板的質(zhì)量比鋼板輕而且強(qiáng)度好，滿足輕型化的要求，因此已經(jīng)開始被用來(lái)制造汽車覆蓋件，但鋁合金板的塑性非常差，在常溫下難以成形。為了提高鋁合金板的可成形性能，常常采用溫成形工藝。在溫成形過(guò)程中，板料的延展性增強(qiáng)，變形抗力降低，同時(shí)，在較高的溫度下，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，降低了回彈，因而提高了覆蓋件的成形精度。但是由于鋁合金板溫成形過(guò)程中摩擦特性比鋼板成形時(shí)更為復(fù)雜，既受成形溫度的影響，又有其固有的特點(diǎn)鋁合金板表面的氧化層具有堅(jiān)硬、易碎、強(qiáng)粘附的特點(diǎn)，而不是象鋼板表面氧化層在成形時(shí)本身就可充當(dāng)潤(rùn)滑劑。對(duì)鋁合金覆蓋件成形過(guò)程中摩擦和潤(rùn)滑現(xiàn)象缺乏深刻的認(rèn)識(shí)，容易出現(xiàn)以下問(wèn)題摩擦與潤(rùn)滑狀態(tài)的不甚合理，造成板料在成形過(guò)程中出現(xiàn)起皺、破裂、塑性變形不足、尺寸超差等缺陷；板料成形有限元分析中摩擦邊界條件確定的不甚合理，造成模擬分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的不一致，嚴(yán)重影響了有限元分析技術(shù)在鋁合金板料成形中的應(yīng)用。因此，為了合理控制和利用摩擦與潤(rùn)滑，優(yōu)化模具及工藝設(shè)計(jì)，提高覆蓋件產(chǎn)品質(zhì)量，降低不合格率，延長(zhǎng)模具使用壽命，為從摩擦學(xué)角度來(lái)進(jìn)行模具及工藝設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，有必要對(duì)鋁合金溫成形過(guò)程的摩擦進(jìn)行測(cè)試。板料成形摩擦測(cè)試是指對(duì)板料成形過(guò)程的摩擦力與摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，各國(guó)學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，取得了一些進(jìn)展。1977年，Ghosh進(jìn)行了板料沖頭拉延成形的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的載荷行程關(guān)系對(duì)摩擦條件有一定的影響。1978年，Nine進(jìn)行了拉延筋的摩擦測(cè)試，研究了拉延筋與壓料面上的摩擦現(xiàn)象，并估算出拉延筋處的摩擦系數(shù)。Duncan J.L.，School B.S.，F(xiàn)ilho J.G.，A tensile strip test for evaluatingfriction in sheet metal forming，SAE Technical Paper，1978，No.780391.和Wang X.J.，Duncan J.L.，Devenpenck M.L.，J.of AppliedMetalworking，1983，3，3.在標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)了專用裝置，用板料拉過(guò)凸模圓角的方法測(cè)試出沖頭與板料之間的摩擦系數(shù)。但其裝置在進(jìn)行測(cè)試前要將板料預(yù)成形為U形，且板料與凸模的包角在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中固定為90度，這與實(shí)際板料成形過(guò)程中包角發(fā)生變化有較大差別，對(duì)實(shí)驗(yàn)精度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。Nine H.D.，IDDRG WGMeeting，Toronto，1988.設(shè)計(jì)了一種傾斜沖頭可扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)，該裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制的加載系統(tǒng)，能控制扭轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，模擬一些實(shí)際生產(chǎn)工況。但是，該方法穩(wěn)定性較差，加上實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴，故未能在板料成形摩擦實(shí)驗(yàn)研究方面發(fā)展。Wang W.，Robert H.，W.，A realistic friction test for sheet formingoperations，SAE Trans.of Materials & Manufacturing，1993，930807，915～922.對(duì)以前的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，于1993年設(shè)計(jì)出一種能模擬板料成形時(shí)凸模圓角處真實(shí)摩擦狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置考慮了潤(rùn)滑的影響，能模擬真實(shí)的變形過(guò)程和接觸條件，板料與凸模的包角在變形過(guò)程中可以變化，通過(guò)采用旋轉(zhuǎn)圓棒消除彎曲變形對(duì)測(cè)試的影響，能直接控制和測(cè)出載荷大小和加載行程，并計(jì)算出摩擦系數(shù)，測(cè)出相應(yīng)的應(yīng)變分布。Saha P.K.，Wilson W.R.D.，Influence of plasticstrain on friction in sheet metal forming，Wear，1994.將板料試樣拉延經(jīng)過(guò)圓柱棒料，以模擬簡(jiǎn)單板料成形過(guò)程，在各種幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)條件下，進(jìn)行了摩擦測(cè)試。Hus T.C.，Liu C.C.，“Intemal variable”effects inpunch friction characterization，Trans.of ASME，J.of Tibology，1998，121，510～516.進(jìn)行了凸模摩擦系數(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。他對(duì)比了各種潤(rùn)滑劑的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦力由潤(rùn)滑劑內(nèi)部的剪切阻力和直接接觸面上的粘著阻力、犁溝阻力構(gòu)成，摩擦力的大小與潤(rùn)滑劑的粘度、拉延速度以及接觸表面粗糙度有關(guān)，在不同的潤(rùn)滑區(qū)域摩擦力不同，摩擦力隨拉延速度的減小而增加。
上述摩擦測(cè)試方法的特點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置來(lái)模擬模具，以板料的彎曲反彎曲變形來(lái)模擬復(fù)雜的板料成形過(guò)程，從而測(cè)量出板料在彎曲反彎曲過(guò)程的摩擦力或摩擦系數(shù)。但實(shí)際上，這種測(cè)試過(guò)程并不是真實(shí)的板料成形過(guò)程，特別是無(wú)法體現(xiàn)一般板料成形中所包含的拉深(drawing)的特點(diǎn)，即沒(méi)有板料的厚向收縮。因此采用模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的摩擦力或摩擦系數(shù)并不等同于真實(shí)的板料成形過(guò)程的摩擦力與摩擦系數(shù)。尚未發(fā)現(xiàn)已有摩擦測(cè)試方法和摩擦測(cè)試裝置能解決真實(shí)板料成形過(guò)程，特別是真實(shí)的鋁合金板料溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出了一種鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地測(cè)量出真實(shí)的板料溫成形過(guò)程的摩擦力與摩擦系數(shù)，并且還可以運(yùn)用于其它金屬塑性成形過(guò)程的摩擦測(cè)試，如鍛造、擠壓成形等。
本實(shí)用新型的一種鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，包括垂直探針、垂直套筒、水平探針、水平套筒，垂直探針的底部位于垂直套筒內(nèi)，使得垂直探針只能沿垂直方向移動(dòng)；水平探針的底部位于水平套筒內(nèi)，使得水平探針只能沿水平方向移動(dòng)；水平探針端部伸入垂直套筒徑向穿透孔并托住垂直探針底端，水平套筒一端裝有調(diào)節(jié)螺釘、其端部頂住水平探針底端。
所述的鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，所述水平探針和垂直探針上貼有應(yīng)變片，其引出導(dǎo)線連往應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。
探針摩擦測(cè)試法是一種直接測(cè)量方法，即將探針傳感器安裝在成形模具內(nèi)，在真實(shí)的成形過(guò)程中實(shí)時(shí)地測(cè)量摩擦力與摩擦系數(shù)的變化規(guī)律，垂直探針和水平探針?lè)謩e測(cè)量出板料成形過(guò)程中板料作用在垂直探針上表面的切向力(即摩擦力)T和正壓力N，由庫(kù)侖摩擦定律可得摩擦系數(shù)μ為μ＝T/N。
本實(shí)用新型的探針傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作方便等特點(diǎn)；能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量出真實(shí)的板料成形過(guò)程的摩擦力和摩擦系數(shù)，為研究鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦學(xué)特性提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)手段；探針摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置還能用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果；本實(shí)用新型的探針傳感器也能應(yīng)用于其它的塑性成形工藝，如鍛造和擠壓工藝。


圖1為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例；圖2為水平探針的主視圖和左視圖；圖3為水平套筒左視圖及其A-A剖面圖；圖4為垂直套筒左視圖及其A-A剖面圖；圖5為垂直探針主視圖及其俯視圖；圖6為凹模的三面視圖；圖7為垂直探針固定板的三面視圖；圖8為采用本實(shí)用新型的摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為采用本實(shí)用新型的摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型具體說(shuō)明。
如圖1所示，垂直探針1的底部位于垂直套筒2內(nèi)，水平探針3的底部位于水平套筒4內(nèi)，水平探針端部伸入垂直套筒徑向穿透孔，水平套筒4一端裝有調(diào)節(jié)螺釘5、其端部頂住水平探針底端。
采用本實(shí)用新型的摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置局部結(jié)構(gòu)如圖8所示，水平套筒4由緊固螺釘6固定在探針固定板10上，垂直套筒2由螺釘9固定在探針固定板10上，緊固螺母7可以固定調(diào)節(jié)螺釘5的位置，定位螺釘8可以固定水平探針3的位置，其中垂直探針1的底部必須和垂直套筒2有很好的配合，以保證垂直探針1只能沿垂直方向移動(dòng)。由壓邊圈15壓住的板料13在凸模16作用下由法蘭部分向型腔流動(dòng)時(shí)，作用在垂直探針1上表面的摩擦力使垂直探針1產(chǎn)生一個(gè)彎矩，而正向力則由垂直探針1傳遞至水平探針3，使水平探針3產(chǎn)生一個(gè)彎矩。這兩個(gè)彎矩可分別由貼在垂直探針1上的垂直應(yīng)變片12和水平探針3上的水平應(yīng)變片11經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)測(cè)量并記錄下來(lái)，從而可以得到所需測(cè)量的兩個(gè)力T和N，并計(jì)算出摩擦系數(shù)μ。水平探針3的傾斜面和調(diào)節(jié)螺釘5是用來(lái)預(yù)先調(diào)節(jié)垂直探針1在凹模14表面的伸出量，以保證作用在垂直探針頂部的單位正壓力等于單位壓邊力，使測(cè)試過(guò)程處于真實(shí)的板料成形狀態(tài)。
鋁合金板料溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。探針傳感器T安裝在凹模14內(nèi)，用來(lái)測(cè)量鋁板與凹模表面相互作用的摩擦力和摩擦系數(shù)。所述裝置的其它組成部分為連接螺釘17、上模板18、銷釘19、上隔熱板20、凸模墊板21、凸模固定板22、螺母23、加熱板24、墊圈25、下隔熱板26、拉桿27、拉板28、材料試驗(yàn)機(jī)滑塊29、打料桿30、工作臺(tái)31、下模板32和凹模墊板33。
整個(gè)鋁合金板料溫成形過(guò)程摩擦在線測(cè)試系統(tǒng)還包括多用途三軸加載板材試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)(配備拉壓力傳感器、光柵尺和伺服控制閥)、DH5935動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)一臺(tái)、實(shí)驗(yàn)裝置一套、加熱管、加熱板和熱電偶若干、溫度控制系統(tǒng)一臺(tái)、各種自制探針傳感器多個(gè)、Raytek非接觸測(cè)溫儀一臺(tái)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)(控制、采集和分析)和自制的數(shù)據(jù)采集和分析軟件。
為了確保該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)安全、順利地進(jìn)行，必須采用高溫應(yīng)變片。在應(yīng)變片粘貼過(guò)程中，必須按以下工藝進(jìn)行貼片1)將探針貼片表面打磨、清洗；2)在探針貼片面涂上高溫膠；3)貼片于探針上并加壓3公斤每平方厘米4)將探針置于加熱爐內(nèi)，升溫至80℃，保溫半小時(shí)；5)升溫至100℃，保溫一小時(shí)；6)升溫至150℃，保溫一小時(shí)；7)升溫至260℃，保溫二小時(shí)；8)關(guān)閉電爐電源，讓已貼片探針隨爐冷卻。
摩擦測(cè)試實(shí)施1)對(duì)探針傳感器進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定；2)將探針傳感器安裝在鋁合金板溫成形模具內(nèi)；3)將探針傳感器按半橋方式連接在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上；4)進(jìn)行鋁合金板溫成形實(shí)驗(yàn)；5)用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)時(shí)采集所測(cè)得的數(shù)據(jù)；6)利用自行開發(fā)的分析程序，計(jì)算出摩擦系數(shù)，并得出成形過(guò)程摩擦力和摩擦系數(shù)曲線圖。
權(quán)利要求1.一種鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，包括垂直探針、垂直套筒、水平探針、水平套筒，垂直探針的底部位于垂直套筒內(nèi)，使得垂直探針只能沿垂直方向移動(dòng)；水平探針的底部位于水平套筒內(nèi)，使得水平探針只能沿水平方向移動(dòng)；水平探針端部伸入垂直套筒徑向穿透孔并托住垂直探針底端，水平套筒一端裝有調(diào)節(jié)螺釘、其端部頂住水平探針底端。
2.權(quán)利要求1所述的鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，其特征在于所述水平探針和垂直探針上貼有應(yīng)變片，其引出導(dǎo)線連往應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。
專利摘要鋁合金板溫成形過(guò)程摩擦測(cè)試探針傳感器，屬于測(cè)試裝置，以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地測(cè)量出真實(shí)的板料溫成形過(guò)程的摩擦力與摩擦系數(shù)，本實(shí)用新型包括垂直探針、垂直套筒、水平探針、水平套筒，垂直探針的底部位于垂直套筒內(nèi)，使得垂直探針只能沿垂直方向移動(dòng)；水平探針的底部位于水平套筒內(nèi)，使得水平探針只能沿水平方向移動(dòng)；水平探針端部伸入垂直套筒徑向穿透孔并托住垂直探針底端，水平套筒一端裝有調(diào)節(jié)螺釘、其端部頂住水平探針底端。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作方便等特點(diǎn)；能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量板料成形過(guò)程的摩擦力和摩擦系數(shù)，還能用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，也能應(yīng)用于鍛造和擠壓工藝。
文檔編號(hào)G01N19/02GK2681124SQ200420017080
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月3日
發(fā)明者李志剛, 郭正華 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)