一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及摩擦學領域，具體地指一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量方法及裝置技術背景
[0002]近年來，隨著對汽車輕量化、節(jié)能減排和安全性的要求日益提高，超高強度鋼越來越多的被用于車體的重要結(jié)構(gòu)件和安全零部件的制造，如A柱、B柱、防撞梁等。高強度鋼板冷沖壓成形后的強度可達800 - lOOOMPa，傳統(tǒng)的冷沖壓方法難以解決超高強度鋼板在汽車車身制造中遇到的所需的成形載荷大，成形后零件的回彈難以控制，導致零件尺寸和形狀穩(wěn)定性變差等問題。在追求低成形力、超高強度的成形技術過程中，低合金高強鋼熱成形技術獲得應用。
[0003]隨著高強鋼及熱沖壓成形技術在汽車工程中的推廣應用，人們逐漸認識到，除了提高汽車結(jié)構(gòu)件強度之外，零部件力學性能與車身安全性要求相匹配的問題同樣值得關注，即同一零件的不同區(qū)域?qū)嶋H上有著不同的力學性能需求，獲得零件定制力學性能一般有如下方式:還料初始溫度定制化，模具溫度定制化，冷卻速率定制化。
[0004]摩擦在熱成形過程中是至關重要的，影響著零件的最終質(zhì)量，同時與零件與模具的表面磨損也直接相關。熱成形過程中，熱成形鋼的摩擦因子測量一直是一個重要的科學問題，也引起了國內(nèi)外眾多學者的研宄，然而對于在定制條件下的熱成形摩擦因子測量方法或裝置卻鮮有提及。隨著定制力學性能的高強鋼熱成形零件的逐步應用，傳統(tǒng)的測定坯料溫度，模具溫度，冷卻速率和初始組織均一的熱成形鋼摩擦因子已經(jīng)不能滿足實際需求。本發(fā)明正是基于這一點提出了一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是要提供一種測量定制條件下熱成形鋼摩擦因子的方法及其裝置，該裝置和方法能使得我們獲得在定制條件下的熱成形鋼摩擦因子，為實際生產(chǎn)和數(shù)值模擬參數(shù)設定提供指導。
[0006]為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明提出一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量裝置，其特征在于:
[0007]其包括加熱爐，可控加熱模具，壓力加載裝置，夾緊裝置，滾珠絲杠，拉力傳感器，壓力傳感器，溫度測量儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，爐溫控制器，導軌，上支架，下底座；所述加熱爐的加熱溫度受爐溫控制器的控制；所述導軌位于加熱爐一側(cè)，所述滾珠絲杠位于導軌上方；所述滾珠絲杠由伺服電機驅(qū)動，帶動夾緊裝置，所述夾緊裝置安裝在導軌上，用于夾緊待測對象，在滾珠絲杠的作用下，夾緊裝置帶動待測對象作水平方向移動；拉力傳感器安裝在所述滾珠絲杠與夾緊裝置之間；所述下底座位于滾珠絲杠和加熱爐之間，所述上支架位于下底座上，兩者之間留有空間，以供待測對象在其間水平移動；可控加熱模具安裝在下底座以及壓力加載裝置之間，可控加熱模具由上模塊和下模塊組成，上、下模塊表面幾何和物理特征相同，上、下模塊之間有空間供待測對象水平穿過；所述壓力加載裝置安裝在上支架上，所述壓力加載裝置通過壓力傳感器向待測對象施加壓力；
[0008]工作時，待測對象一端在加熱爐內(nèi)，另一端由夾緊裝置夾緊，由伺服電機驅(qū)動下的滾珠絲杠通過拉力傳感器，將拉力傳遞到夾緊裝置，使待測對象水平移動；在移動過程中，待測對象同時接受位于上部的壓力加載裝置通過壓力傳感器傳來的壓力，和可控加熱模具傳來的熱量；
[0009]所述溫度測量儀是非接觸式溫度測量儀，用于測量待測對象進入可控加熱模具時刻的溫度，其輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別與拉力傳感器、壓力傳感器、溫度測量儀電氣連接，在待測對象移出過程中，采集相應的溫度、垂直壓力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直壓力Fn計算出在不同溫度下，待測對象移出過程中摩擦因子。
[0010]進一步的，在加熱爐出口處裝有可控氣體流量噴射裝置，在待測對象移出過程中，對其噴射氣流以改變冷卻速度。
[0011]進一步的，所述可控氣體流量噴射裝置的噴氣口是環(huán)形的，所噴射的是壓縮空氣或者壓縮氮氣，保證坯料各區(qū)域獲得一致的冷卻速率。
[0012]進一步的，所述的可控加熱模具用熱作模具鋼制成，內(nèi)置可控加熱器件。
[0013]進一步地，所述的可控加熱模具用高溫保溫材料包裹，使得模具溫度更快上升到更高溫度；
[0014]進一步的，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓力傳感器、拉力傳感器、溫度測量儀、可控加熱模具、可控氣體流量噴射裝置的壓力、拉力、溫度信息，并計算、存儲和顯示摩擦因子隨溫度變化的曲線。
[0015]相應地，基于所述裝置，本發(fā)明提出一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量方法，其特征在于包括如下步驟:
[0016](I)參數(shù)設定:設定壓力加載裝置壓力值、可控加熱模具的溫度場、滾珠絲杠水平牽引速度、加熱爐溫度、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率、可控氣體流量噴射裝置的噴氣流量；
[0017](2)首先啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動加熱爐、可控加熱模具；
[0018](3)當坯料和可控加熱模具達到定制的溫度場分布時，啟動滾珠絲杠，其帶動夾緊裝置，使坯料按設定水平牽引速度移出加熱爐；
[0019]在移出過程中，坯料受到壓力加載裝置通過可控加熱模具上、下模塊表面?zhèn)鱽淼膲毫?，以及滾珠絲杠通過拉力傳感器傳來的拉力；可控氣體流量噴射裝置按設定的噴氣流量向坯料噴射氣流，使坯料按預定的冷卻速度冷卻；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過壓力傳感器、拉力傳感器、溫度測量儀，采集坯料受到的垂直壓力、水平拉力，以及溫度，送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0020](4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)采集的溫度、垂直壓力值Fn和水平拉力值F1，計算出在某一溫度下，坯料移出過程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直壓力Fn。
[0021]進一步地，所述步驟(I)中，可控加熱模具由熱作模具鋼制成，由上模塊和下模塊組成，上、下模塊表面幾何和物理特征相同，上、下模塊之間留有空間供坯料水平穿過；可控加熱模具內(nèi)置可控加熱器件，定制溫度范圍為25-550°C。模具中內(nèi)置加熱棒的位置分布根據(jù)隨性原則來決定，即加熱孔的開設盡量使得模具表面溫度均勻，而非根據(jù)形狀來決定。模具表面溫度分布規(guī)律可通過數(shù)值模擬計算和實驗驗證獲取，進而優(yōu)化得到最優(yōu)的加熱棒分布位置。
[0022]進一步地，所述步驟(2)中，加熱爐加熱方式是感應加熱、電阻絲爐加熱或直接電加熱，或者是三種加熱方式的任意組合，坯料溫度可為均勻溫度，亦可為按照所設定的溫度場分布，即定制化坯料溫度。定制溫度范圍為25-950°C，加熱保溫溫度為850-950°C，保溫時間為3-10分鐘。
[0023]進一步的，所述的可控加熱模具用高溫保溫材料包裹，使得模具溫度更快上升到更高溫度。
[0024]進一步的，所述可控氣體流量噴射裝置的噴氣口是環(huán)形的，所噴射的是壓縮空氣或者壓縮氮氣，保證坯料各區(qū)域獲得一致的冷卻速率。
[0025]本發(fā)明中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集、計算、存儲、顯示功能，而且還可對包含在垂直壓力值Fn中的可控加熱模具上模塊質(zhì)量所造成的附加壓力進行修正。
[0026]本發(fā)明的設計原理為，利用所發(fā)明的測量裝置，測量試件在定制條件下熱成形鋼的摩擦因子。具體為坯料溫度連續(xù)變化條件下熱成形鋼摩擦因子的測量，不同模具溫度下熱成形鋼摩擦因子的測量，不同冷卻速率下熱成形鋼摩擦因子測量方法，不同初始組織條件下高強摩擦因子的測量。簡單坯料試件溫度的連續(xù)變化可通過加熱裝置實現(xiàn)，亦可通過混合加熱方式實現(xiàn)更加復雜地坯料溫度連續(xù)變化；可控加熱模具溫度可通過模具內(nèi)置加熱裝置來實現(xiàn)和調(diào)節(jié)；不同冷卻速率可通過調(diào)節(jié)壓縮氣體噴出流量來實現(xiàn)；不同的初始坯料組織則可以通過事先熱處理來實現(xiàn)。
[0027]隨著定制力學性能的高強鋼熱成形零件的逐步應用，傳統(tǒng)的測定坯料溫度，模具溫度，冷卻速率和初始組織均一的熱成形鋼摩擦因子已經(jīng)不能滿足實際需求。本發(fā)明通過定制熱成形過程中不同條件并測定其摩擦因子，進而為實際加工生產(chǎn)提供指導，為數(shù)值模擬計算提供實驗基礎。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的均一條件下摩擦因子的測量具有更大的應用前景。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖2為實施定制坯料溫度條件下的摩擦因子測試結(jié)果圖
[0030]圖3為實施定制模具溫度條件下的模具溫控原理示意圖
[0031]圖4為實施定制冷卻速率條件下的環(huán)形裝置示意圖
[0032]圖5為實施定制冷卻速率條件下的摩擦因子測試結(jié)果圖
[0033]圖6為實施定制初始組織條件下的摩擦因子測試結(jié)果圖
[0034]圖中標記:加熱爐1、坯料2、可控加熱模具3、壓力加載裝置4、拉力傳感器5、夾緊裝置6、滾珠絲杠7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8、溫度測量儀9、爐溫控制器10、壓力傳感器11、可控氣體流量噴射裝置12、導軌13、上支架14、下底座15。
【具體實施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
[0036]如圖1所示的定制條件下熱成形鋼摩擦因子測量裝置，包括伺服電機、伺服控制系統(tǒng)、熱成形鋼坯料2、帶動坯料進行直線運動的滾珠絲杠7、導軌13、用于加熱坯料2的加熱爐1、測定坯料2溫度的溫度測量儀9、控制加熱爐I溫度的爐溫溫控器10、測定拉力的拉力傳感器5、施加壓力的壓力加載裝置4、用于安裝壓力加載裝置4的上支架14、用于測定壓力的壓力傳感器11、用于夾緊坯料2的夾緊裝置6、采集溫度、壓力、拉力和流量信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8、下底座15、可控氣體流量噴射裝置12。
[0037]一種定制條件下熱成形鋼摩擦因子的測量方法，主要步驟包括:設定壓力加載裝置4壓力值，設定可控加熱模具3的溫度場、滾珠絲杠7水平牽引速度、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8采樣頻率；啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8、加熱爐1、可控加熱模具3和滾珠絲杠7 ;夾緊裝置6帶動坯料2水平移除加熱爐I ;可控氣體流量噴射裝置12向坯料2噴射氣流；壓力傳感器11、拉力傳感器5、溫度測量儀9、可控加熱模具3和可控氣體流量