專利名稱：薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于系統(tǒng)的摩擦學(xué)理論和條件磨損模擬原則、可以模擬金屬板帶 在沖壓過(guò)程中摩擦耦合變形的試驗(yàn)裝置，稱之為"薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝 置"，用以研究亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼和其他金屬板材在沖壓過(guò)程中的摩擦磨損性能和成 形條件的優(yōu)化。
技術(shù)背景目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于金屬板帶在沖壓成形過(guò)程中摩擦耦合變形行為的研究基本上處于 空白狀態(tài)，已經(jīng)進(jìn)行的研究也多是分別針對(duì)金屬板帶單純的摩擦或者變形過(guò)程的研 究，而這種分離式的研究所得到的成果對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用有限。在國(guó)外，普遍 使用拉伸彎曲(BUT: Bending-Under-Tension)試驗(yàn)裝置來(lái)研究金屬板材在摩擦耦合 變形磨損條件下的摩擦學(xué)性能。這種方法是利用拉力使金屬板帶依靠與固定軋輥間的 摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)變形和磨損，主要用于研究配副(即軋輥)材料和板材的摩擦特性，其應(yīng) 用中主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題1、試驗(yàn)前需要對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)彎曲變形，而此會(huì)對(duì)材料 狀態(tài)產(chǎn)生一定影響，使研究結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差；2、 BUT試驗(yàn)系統(tǒng)的加載模式 是一種靜態(tài)加載的方式，受到設(shè)計(jì)最大載荷的限制，且與實(shí)際沖壓過(guò)程的條件存在較 大的區(qū)別；3、 BUT試驗(yàn)系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中板帶固定不動(dòng)，依靠拉力使和輥?zhàn)?配對(duì) 副)接觸部分產(chǎn)生摩擦和變形，不能較為真實(shí)地模擬沖壓過(guò)程中的板帶的變形情況。在工業(yè)生產(chǎn)中，亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼存在的最大問(wèn)題就是在沖壓成形過(guò)程中與模具 發(fā)生的粘著磨損，這在降低了產(chǎn)品的表面質(zhì)量的同時(shí)也嚴(yán)重影響了模具的使用壽命。 針對(duì)此種情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界進(jìn)行了許多基礎(chǔ)研究。國(guó)內(nèi)的研究主要涉及奧氏體不銹 鋼的沖壓成形工藝、潤(rùn)滑條件、材料的表面狀態(tài)和沖頭速度、模具及表面強(qiáng)化、摩擦 系數(shù)分布等；而歐、美、日等國(guó)則側(cè)重于成形過(guò)程中的摩擦試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑劑選 擇、模具材料和表面處理、微力學(xué)摩擦行為表征等的研究。上述研究或僅研究成形工 藝、材料FLD (成形極限圖)和加工硬化；或僅從外因研究其表象行為，沒(méi)有從摩擦 學(xué)的系統(tǒng)角度探討摩擦和變形導(dǎo)致的材料內(nèi)部和表層組織演化和性能轉(zhuǎn)變引起的磨 損機(jī)制的轉(zhuǎn)型的系統(tǒng)條件和規(guī)律，也就難以獲得對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義的滿意結(jié) 果，難以實(shí)現(xiàn)解決亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼與模具的粘著問(wèn)題、優(yōu)化摩擦副表面狀態(tài)的目的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)己有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種薄金屬板帶摩擦耦合變形 試驗(yàn)裝置，能夠模擬亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼薄板帶在成形過(guò)程中與模具間的摩擦耦合變 形。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾頭的拉、壓功能作為加載源，通過(guò)具有特定圓弧半徑的壓頭對(duì) 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)中的薄金屬板帶進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)摩擦耦合變形的目的。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置，包括試樣板帶和貼裝在試樣板帶測(cè)試部 分下表面的應(yīng)變片、以及加載壓塊，其特征在于所述的試樣板帶的兩端由連接件連接 成環(huán)形帶而環(huán)繞安裝在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)的兩根傳動(dòng)軸上，應(yīng)變片由導(dǎo)線經(jīng)一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器 連接至一個(gè)數(shù)據(jù)處理器，所述的加載壓塊裝夾在一個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾頭上，與試驗(yàn)機(jī) 匹配使用。上述的試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)是 一個(gè)電機(jī)倒置安裝裝在一個(gè)支撐板上，該電機(jī)的輸出軸 上固定安裝一塊轉(zhuǎn)板，該轉(zhuǎn)板和一根連桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接構(gòu)成的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，連桿的另一 端與一個(gè)連接塊連接，連接塊與一個(gè)直線導(dǎo)軌相滑配，連接塊通過(guò)一個(gè)連接軸與所述 的連接件相連接，則電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)度遞給連接件實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)所 述的環(huán)繞在兩根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的環(huán)形帶往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使試樣板帶的測(cè)試部位在加載壓塊 下面作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。上述的試樣板帶為觀鈴狀的試樣板帶，保證試驗(yàn)過(guò)程中在試樣滑動(dòng)摩擦部分產(chǎn)生 彎曲和拉伸變形，便于研究板帶預(yù)變形后的摩擦磨損行為。上述的加載壓塊為可拆調(diào)換壓塊，加載力的大小通過(guò)調(diào)換加載壓塊壓頭圓弧角的 曲率半徑進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本 發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置中，試驗(yàn)板帶呈環(huán)狀而環(huán)繞在試驗(yàn)機(jī)的兩根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，其測(cè)試部 位作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而加載壓塊相對(duì)不動(dòng)而垂直給予施壓，模擬了板帶成形過(guò)程中與 模具間的摩擦耦合變形，可用以研究亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼與模具鋼配副在變形條件下的 摩擦摩損，為優(yōu)化板帶和模具材料的摩擦、改善產(chǎn)品表面質(zhì)量、延長(zhǎng)模具使用壽命提 供試驗(yàn)基礎(chǔ)。本發(fā)明也適用于其他薄板在沖壓成形過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究。


圖1是本發(fā)明的薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3在圖2的俯視圖。圖4是圖2中B"及"C-C"處剖面圖。圖5是試樣板帶示意圖。圖6是不銹鋼板帶試驗(yàn)后的截面金相圖(試驗(yàn)條件名義載荷300N，持續(xù)時(shí)間 5min)。圖7是不銹鋼板帶試驗(yàn)后表面SEM形貌圖(試驗(yàn)條件名義載荷150N,持續(xù)時(shí) 間10min)。圖8是不銹鋼帶試驗(yàn)中測(cè)得的表面三維形貌圖(試驗(yàn)條件名義載荷150N，持 續(xù)時(shí)間10min)。圖9是不銹鋼帶摩擦后表面SEM形貌圖(試驗(yàn)條件名義載荷300N，持續(xù)時(shí)間 5min)。圖IO是不銹鋼帶試驗(yàn)中測(cè)得的表面三維形貌圖(試驗(yàn)條件名義載荷300N，持 續(xù)時(shí)間5min)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下參見圖1，本薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置包括試樣板帶2和貼裝在試樣板 帶2測(cè)試部位下表面的應(yīng)變片5、以及加載壓塊4，所述的試樣板帶2的兩端由連接 件1連接成環(huán)形帶而環(huán)繞安裝在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)的兩根傳動(dòng)軸3、 6上，應(yīng)變片5由導(dǎo)線 經(jīng)一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器23連接至一個(gè)數(shù)據(jù)處理器24，所述的加載壓塊4裝夾在一個(gè)萬(wàn)能 試驗(yàn)機(jī)的夾頭上，與試驗(yàn)機(jī)匹配使用。由于在沖壓成形過(guò)程中板材在角部附近具有較大的彎曲變形和接近角部的拉伸 變形，同時(shí)在成形過(guò)程中模具與板材在這些部位會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦磨損，而且在變形過(guò) 程中板材表面粗糙度也會(huì)漸進(jìn)地發(fā)生變化，因此設(shè)計(jì)利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾頭的拉、壓功 能作為加載源，將壓塊4裝載于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)壓塊與金屬板帶2在滑動(dòng)過(guò)程中 的相互作用來(lái)產(chǎn)生摩擦和塑性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板帶摩擦耦合變形行為的研究。通過(guò)上述的試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)金屬板帶的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬沖壓過(guò)程中金屬板帶相對(duì)于模具的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)摩擦和變形的發(fā)生。另外，為了保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在試樣滑動(dòng)摩擦部分產(chǎn)生彎曲和拉伸變形，將金屬 板帶試樣設(shè)計(jì)為啞鈴狀的窄帶形狀(見附圖5),也便于研究板帶預(yù)變形后的摩擦磨 損行為。上述的試驗(yàn)機(jī)和圖2和圖3所示。通過(guò)該試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)摩擦耦合變形，對(duì)沖壓 成形過(guò)程中金屬板帶與模具間的摩擦磨損行為及其自身的塑性變形進(jìn)行研究。上述的試驗(yàn)機(jī)主要由定位支撐、動(dòng)力產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和傳遞以及工作部分四大結(jié) 構(gòu)板塊構(gòu)成，分別介紹如下-(1) 定位支撐結(jié)構(gòu)由工作平臺(tái)8、平臺(tái)16、電機(jī)支撐板18和支撐柱20構(gòu)成，布 局及尺寸要滿足與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)面相匹配的要求。平臺(tái)16是整個(gè)試驗(yàn)裝置的基 座，通過(guò)支撐柱20和電機(jī)支撐板18以及工作平臺(tái)8連接固定在一起，構(gòu)成試驗(yàn)裝置的 支撐結(jié)構(gòu)。(2) 動(dòng)力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)由軸承止動(dòng)蓋14、滾動(dòng)軸承15和電機(jī)19組成。電機(jī)使用無(wú) 極變速電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度的控制。(3) 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和傳遞結(jié)構(gòu)由直線導(dǎo)軌9、連接塊IO、直線導(dǎo)軌支臺(tái)ll、連桿12、 轉(zhuǎn)板軸13和轉(zhuǎn)板17組成。轉(zhuǎn)板17與連桿12通過(guò)轉(zhuǎn)板軸13構(gòu)成一個(gè)曲柄連桿結(jié)構(gòu)(見說(shuō) 明書附圖4)，將由電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)直線導(dǎo)軌9轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并最終由與 直線導(dǎo)軌9連接的連接塊10將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞給連接體1及其固定在連接體上的金 屬板帶2。(4) 工作部分結(jié)構(gòu)由連接體l、連接軸7、軸承座22、滾動(dòng)軸承21和傳動(dòng)軸3 和6組成。連接體1通過(guò)連接軸7和連接塊10固定在一起，用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬板帶2的直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)；工作時(shí)，金屬板帶試樣包覆于傳動(dòng)軸3和6上，板帶兩端固定于連接體l上(通 過(guò)連接體上的壓塊固定)，金屬板帶處于塑性變形的區(qū)域在背部貼上應(yīng)變片5用以數(shù) 據(jù)采集。本實(shí)施例的薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置的部分參數(shù)(1) 額定最大載荷依研究對(duì)象的力學(xué)性能指標(biāo)和加載源一萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓下 力綜合確定；(2) 滑動(dòng)形式往復(fù)滑動(dòng)磨損；(3) 滑動(dòng)速率依與由控制器控制的調(diào)速電動(dòng)機(jī)和減速器的減速比確定， 一般 試驗(yàn)的滑動(dòng)速度不大于0. 2m/s:(4)滑動(dòng)的往復(fù)行程通過(guò)調(diào)整與電機(jī)減速器相連的曲柄機(jī)構(gòu)尺寸，可改變鵬鈴狀試樣摩擦部分的長(zhǎng)度， 一般往復(fù)行程為60mm，最大100mm。 本發(fā)明的試驗(yàn)操作步驟如下1、 將"摩擦耦合試驗(yàn)機(jī)"置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)面，調(diào)整萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓頭位 置至兩傳動(dòng)軸3和6中間，固定試驗(yàn)機(jī)并進(jìn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的匹配使用；2、 試樣裝夾將預(yù)先標(biāo)度并記錄原始尺寸的試樣置于兩傳動(dòng)軸3和6之間，并 繞于其上，通過(guò)連接體1上的壓塊固定于其上，其效果見說(shuō)明書附圖2和3兩傳動(dòng)軸 間的薄帶；3、 將壓塊4安裝于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上夾頭并用銷釘固定；4、 電源和控制連接將電源線接入控制器上，從控制器輸出端子引入電機(jī)電源；5、 將試樣的非摩擦部分用砂紙打磨并用無(wú)水乙醇清洗干凈，用502膠粘貼應(yīng)變 片5，應(yīng)變片與應(yīng)變儀相連放大并輸入到示波器存儲(chǔ)和顯示試驗(yàn)過(guò)程中的波形；6、 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定根據(jù)試樣摩擦部分的橫截面積和試驗(yàn)需要確定試驗(yàn)載荷，調(diào) 整控制器的輸出電流確定電機(jī)和減速器的輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的滑動(dòng)速率；7、 在啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)后，啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮功能并設(shè)定最大載荷，逐漸下降至 與試樣接觸，加載至最大載荷開始試驗(yàn)；8、 試驗(yàn)完成后，在顯微鏡下測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的尺寸變化(每個(gè)標(biāo)度尺寸一長(zhǎng) 度和厚度變化量)，確定試樣的變形量，并在掃描電子顯微鏡下檢測(cè)磨損表面形貌。試驗(yàn)實(shí)例1:名義載荷為150N時(shí)的耦合摩擦與變形的試驗(yàn)在150N的名義載荷下，對(duì)SUS304亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼板試樣進(jìn)行耦合摩擦和變形 試驗(yàn)，持續(xù)10min，其結(jié)果如附圖7、 8所示。在試驗(yàn)后測(cè)得試樣摩擦區(qū)的總變形量達(dá)到8.29%，試樣的厚度減薄、寬度變小。 附圖7是不銹鋼帶在摩擦磨損試驗(yàn)后的表面SEM照片，附圖8是其試驗(yàn)后的表面 三維形貌圖，結(jié)合7的厚度測(cè)試結(jié)果說(shuō)明不銹鋼試樣表面發(fā)生了一定程度的磨損。試驗(yàn)實(shí)例2:名義載荷為300N時(shí)的耦合摩擦與變形的試驗(yàn)在300N的名義載荷下，對(duì)SUS304亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼板試樣進(jìn)行了同樣的耦合 摩擦和變形試驗(yàn)，進(jìn)行到第5分鐘的時(shí)候，帶材伸長(zhǎng)量過(guò)大且試樣摩擦區(qū)中間部位從 邊緣向中心區(qū)，試驗(yàn)機(jī)停機(jī)。其結(jié)果如附圖6、 9和10所示。附圖6是不銹鋼試樣的金相照片，明顯可見其由邊緣向中心擴(kuò)展的裂紋，試驗(yàn)后 對(duì)試樣的測(cè)量得到其摩擦區(qū)的變形量高達(dá)33%，由此可見，在大載荷下不銹鋼帶試樣 發(fā)生了劇烈的形變。附圖9和10分別是不銹鋼帶在摩擦磨損試驗(yàn)后的表面SEM照片和表面三維 形貌圖，與在150N的情況相比，其磨損程度更為嚴(yán)重。
權(quán)利要求
1. 一種薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置，包括試樣板帶(2)和貼裝在試樣板帶(2)測(cè)試部分下表面的應(yīng)變片(5)、以及加載壓塊(4)，其特征在于所述的試樣板帶(2)的兩端由連接件(1)連接成環(huán)形帶而環(huán)繞安裝在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)的兩根傳動(dòng)軸(3、6)上，應(yīng)變片(5)由導(dǎo)線經(jīng)一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(23)連接至一個(gè)數(shù)據(jù)處理器(24)，所述的加載壓塊(4)裝夾在一個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾頭上，與試驗(yàn)機(jī)匹配使用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試 驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)是 一個(gè)電機(jī)(19)倒置安裝裝在一個(gè)支撐板(18)上，該電機(jī)(19) 的輸出軸上固定安裝一塊轉(zhuǎn)板(17)，該轉(zhuǎn)板(17)和一根連桿(12)轉(zhuǎn)動(dòng)連接 構(gòu)成的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，連桿(12)的另一端與一個(gè)連接塊(10)連接，連接塊(IO) 與一個(gè)直線導(dǎo)軌(9)相滑配，連接塊(10)通過(guò)一個(gè)連接軸(23)與所述的連 接件(1)相連接，則電機(jī)(19)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)度遞給連接件(1)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線 運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)所述的環(huán)繞在兩根轉(zhuǎn)動(dòng)軸(3、 6)上的環(huán)形帶往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使 試樣板帶(2)的測(cè)試部位在加載壓塊(4)下面作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的試 樣板帶(2)為啞鈴狀的試樣板帶，保證試驗(yàn)過(guò)程中在試樣滑動(dòng)摩擦部分產(chǎn)生彎 曲和拉伸變形，便于研究板帶預(yù)變形后的摩擦磨損行為。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的加 載壓塊(4)為可拆調(diào)換壓塊，加載力的大小通過(guò)調(diào)換加載壓塊(4)壓頭圓弧角 的曲率半徑進(jìn)行調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄金屬板帶摩擦耦合變形試驗(yàn)裝置。它包括試樣板帶和貼裝在板帶測(cè)試部位下表面的應(yīng)變片，以及加載壓塊，試樣板帶的兩端由連接件連接成環(huán)形帶而環(huán)繞安裝在一個(gè)試驗(yàn)機(jī)的兩根傳動(dòng)軸上，應(yīng)變片由導(dǎo)線經(jīng)一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接至一個(gè)數(shù)據(jù)處理器，所述的加載壓塊裝夾在一個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾頭上，與試驗(yàn)機(jī)匹配使用。本發(fā)明能夠模擬亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼薄板帶在成形過(guò)程中與模具間的摩擦耦合變形，用以研究亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼與模具鋼配副在變形條件下的摩擦磨損，為優(yōu)化板帶和模具材料的摩擦、改善產(chǎn)品表面質(zhì)量、延長(zhǎng)模具使用壽命提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。本發(fā)明也適用于其他薄板在沖壓成形過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101266201SQ20081003638
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月21日
發(fā)明者升 周, 蘇國(guó)彪, 薛宗玉, 韋習(xí)成 申請(qǐng)人:上海大學(xué)