热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置，包括下模，下模、隔热陶瓷和滑动小车由上至下依次通过螺栓固定在一起，滑动小车设置于直线滚动导轨上，滑动小车通过直线滚动导轨的限制实现水平方向无摩擦运动；下模前后两侧各安装有若干加热棒；与下模相对应地设置有可拆卸式上模，上模上部通过承力弹簧与螺杆装置相连，螺杆装置中内嵌压电负荷传感器；测试时，下模上部与板条试样前端的下表面完全贴合固定在一起，半条试样的上表面与上模接触；下模上与板条试样接触面下部安装有热电偶传感器；滑动小车通过夹紧装置安装于程控式电动执行器的传动轴上，传动轴上安装有水平测力传感器。本发明同时还公开了利用该测试装置的测试方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置及测试方法。

背景技术

有关数据指出，“汽车整车质量降低10％，可提高燃油效率6％-8％；滚动阻力减少10％， 可提高燃油效率3％；车辆机构传动效率提高10％，可提高燃油效率7％”。因此，汽车轻量 化对于整车质量降低，以至于提高燃油效率有十分重要的意义。在新能源发展状况还不明 朗的形势下，轻量化已成为全世界汽车企业应对低油耗的最佳手段。

但是，超高强钢在室温下变形能力很差。一方面，超高强钢板强度高，在室温下塑性 变形范围很窄，所需冲压力大，容易开裂；另一方面，冲压成形后零件回弹增加，导致零 件尺寸和形状稳定性变差。因此传统的冷冲压方法难以解决超高强钢在汽车车身制造中遇 到的问题。在热冲压工艺中，先进高强钢或超高强钢板料在加热炉中被加热到奥氏体化温 度(900～950℃)，并在奥氏体区保持5分钟，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同 时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100％马氏体组织。与其他成形工艺相比，板料的 热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形；能够生产具有 复杂几何形状的工件，成形零件具有良好的尺寸精度；配以合适的热处理方式，可使板料 发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件。

在热冲压成形工艺中，主要存在两种摩擦情况，如图1所示，其中包括压料板20、凹 模21、硼钢板料(与下文中的板条试样11是同一部件)、凸模19和顶块22。一种是压料 板20、凹模21与硼钢板料(与下文中的板条试样11是同一部件)之间的双面摩擦(命名 为a类型)，另外一种是凹模圆角处硼钢板料与凹模21之间的单面摩擦(命名为b类型)。 第一种摩擦情况描述成一金属薄板在拉力F_T作用下通过承受一恒定法向力F_N的两块平板 之间(图2a中的a)。该模型可以反映真实情况的法向力和滑动速度。通过拉/压力传感器 测的拉力和法向力，通过公式(1)计算获得摩擦系数

$\mu =\frac{F_T}{2·F_N}---\left(1\right)$

针对第二种摩擦情况，图2b中的b所示的受力模型：金属薄板放在一平板和圆柱形凸 模之间，圆柱形凸模施加一恒定外力F_N，金属薄板在外力F_T作用下以一定速度通过凸模 和平板。该装置可以提供较大的法向压力，可以尽可能地逼近真实凹模圆角处受力情况。 与第一种摩擦情况不同，金属薄板只有一个面与平板接触，通过公式(2)计算获得摩擦系数

$\mu =\frac{F_T}{F_N}---\left(2\right)$

摩擦对于热冲压成形过程来说至关重要，直接影响到了模具磨损及成形件质量。如何 确定高温高压状态下的摩擦系数，是一个关键问题。不同的测试摩擦系数的方法中，由于 工件和模具接触不一样，这对摩擦系数的确定非常重要，必须有类似于热冲压的接触条件。 国内外相关学者及工程技术人员对高温状态下硼钢的摩擦机理进行了深入研究，有关人员 也提出了几种摩擦方面专利。

中国专利ZL201420013222，《板材高温摩擦系数测量装置》公开了一种简易的板材高 温摩擦系数测量装置，但该装置如何施加法向力、如何控制法向力的大小；如何控制拉伸 速度及力的大小等方面没有相关阐述。

中国专利申请201310674042.9，《一种测试热冲压成形过程板材的热摩擦系数装置》 公开了一种测试在高温条件下高强度钢板的摩擦系数值的装置，通过计算机处理测量的压 力值，根据库仑摩擦力公式计算出摩擦系数值。但该摩擦装置只能针对图1所示的a区域 的摩擦，所采用的摩擦模型是图2a所示的a型摩擦模型，无法解决图1中b区域的摩擦情 况。

中国专利ZL201320016668.6，《一种测量高温高压状态下摩擦系数的装置》公开了 一种高温高压下的摩擦系数测定装置，该装置虽然可以测量法向力、控制拉伸速度的大小， 但是由于凸凹模是固定在测试装置上的，仍然只能测量图1所示的a区域的摩擦。

如何测试图2b所示的b区域的摩擦系数面临众多的困难：该类摩擦属于单面摩擦情况， 且接触面为曲面，无法通过传统的摩擦系数测试装置进行测试。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种热冲压成形过程单面摩擦系数 测试装置及测试方法，利用该装置及方法可以接触面为曲面的单面摩擦情况。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置，包括下模，下模、隔热陶瓷和滑动小车 由上至下依次通过螺栓固定在一起，滑动小车设置于直线滚动导轨上，滑动小车通过直线 滚动导轨的限制实现水平方向无摩擦运动；下模前后两侧各安装有若干加热棒；

与下模相对应地设置有可拆卸式上模，上模上部通过承力弹簧与螺杆装置相连，螺杆 装置中内嵌压电负荷传感器；

测试时，下模上部与板条试样前端的下表面完全贴合固定在一起，半条试样的上表面 与上模接触；下模上与板条试样接触面下部安装有热电偶传感器；

滑动小车通过夹紧装置安装于程控式电动执行器的传动轴上，所述传动轴上安装有水 平测力传感器；

所述程控式电动执行器、水平测力传感器、压电负荷传感器、加热棒和热电偶传感器 均由计算机控制。

所述上模和下模的中心在同一垂直面上。

所述上模为可拆换平面凸模，该平面凸模对应凹模入口区域板条试样与模具之间的摩 擦情况，即用来测量接触面为平面的单面摩擦情况，此时板条试样近似认为是平板，一侧 受摩擦，接触为面接触；一侧处自由状态，无摩擦作用。

所述上模为可拆换圆柱面凸模，该圆柱面凸模对应凹模圆角或者凸模圆角与板条试样 之间的摩擦情况，即接触面为曲面的单面摩擦情况，此时板条试样与凹模或者凸模圆角贴 合，呈弯曲状态，一侧受摩擦，接触为线接触；一侧处自由状态，无摩擦作用。

所述板条试样的宽度为上模宽度的120％，用平面凸模或者圆柱面凸模测量板条试样的 单面摩擦系数时，采用板条试样的宽度为上模宽度的120％，能够防止板条试样在拉拽过程 中对凸模表面产生划伤。

所述滑动小车由电动直线执行器驱动，其滚动摩擦阻力极小，可以忽略。

所述热电偶传感器为K型热电偶传感器，其安装在下模上表面下距离下模和板条试样 接触面0.5mm处。

所述滑动小车中设置有冷却水道，可使小车保持在室温状态，保证其滑动的稳定性。

所述上模和下模对应外侧设置有加热炉，所述加热炉成圆柱形，并在加热炉两端的防 火塞处设置有矩形出入口，以减少热量散失、方便试样进出，所述矩形出入口与板条试样 放置在下模的位置处于同一水平面，加热炉外围安装有保温箱；加热炉内还安装有一热电 偶，并通过一个控制器，利用实时温度值作为反馈信号来调节加热功率。

所述程控式电动执行器和直线滚动导轨均固定安装于底板上，所述底板上钻有多个用 来安装实验装置的相关模块的孔。

一种利用热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1)根据需要测试摩擦的类型即曲面单面摩擦或者平面单面摩擦，选用上模并安装在实 验装置上，保证上模、下模中心在同一垂直面上；

2)将板条试样从加热炉一端经矩形入口穿过加热炉，然后将板条试样一端镶嵌固定到 下模上，且板条试样上表面高出上模1mm，四周通过螺钉将试样固定防止实验过程滑动；

3)将滑动小车通过夹紧装置与程控式电动执行器的传动轴相连；

4)启动加热系统，设定加热温度值并启动加热棒；加热速度12-15K/s，加热至930° 后保温5分钟；

5)当下模达到指定温度，滑动小车带动下模移至上模对应位置；

6)通过螺杆装置快速施加法向力F_N，当法向力达到指定值后，试验正式开始，板条 试样经程控式电动执行器带动以一定的速度拉伸，穿过上、下模；板条试样在空气中的冷 却速度为15K/s，由此估算当试样到达模具时特定温度下所需的时间，并计算拉伸速度，按 照此速度移动试样；当试样通过设定好的距离后，该次试验结束；

7)通过连接计算机的数据采集卡采集法向测力传感器的法向力F_N和水平测力传感器 的拉力F_T并记录；根据公式计算摩擦系数μ；每次试验测试三次，対试验结果取 平均值作为最终该测试条件下的摩擦系数。

本发明中实验装置的基本结构包括一个可程控式电动执行器，其最大拉力峰值、滑动 速度和行程可根据具体需求进行选取。本实验装置根据实际热冲压工艺现场条件、试样尺 寸选择最大拉力峰值110kN—200kN，滑动速度0—300mm/s，最大行程200—250mm。在 电动执行器和连接板之间安装有负载传感器，用来直接记录传动轴移动时产生的拉力或者 压力的数值。

本发明的有益效果是：(1)能够在高温下进行摩擦系数的测试，比如温度超过900℃； (2)能够承受相当于实际模具和板料之间的较大压力范围的外载；(3)实验装置具有多功 能多模块化的特点，不仅适合接触面为曲面的单面摩擦情况，而且适合接触面为平面的单 面摩擦情况。

附图说明

图1是热冲压成形过程中的摩擦情况图；

图2a、图2b分别是热冲压成形过程中两种摩擦模型图；

图3是本发明一个实施例的单面摩擦系数测试装置结构示意图；

图4是本发明一个实施例的单面摩擦系数测试装置的模具结构示意图；

图5是平面凸模结构示意图；

图6是圆柱面凸模结构示意图；

其中，1.计算机，2.夹紧装置，3.程控式电动执行器，4.传动轴，5.水平测力传感器， 6.螺杆装置，7.法向测力传感器，8.承力弹簧，9.可拆卸式上模，10.加热炉，11.板条试 样，12.下模，13.隔热陶瓷，14.滑动小车，15.直线滚动导轨，16.底板，17.加热棒，18. 冷却水道，19.凸模，20.压料板，21.凹模，22.顶块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

发明中实验装置的基本结构包括一个可程控式电动执行器3，其最大拉力峰值、滑动速 度和行程可根据具体需求进行选取。本实验装置根据实际热冲压工艺现场条件、试样尺寸 选择最大拉力峰值110kN—200kN，滑动速度0—300mm/s，最大行程200—250mm。在程 控式电动执行器3和夹紧装置2之间安装有水平测力传感器5，用来直接记录传动轴移动时 产生的拉力或者压力的数值。底板16上钻有很多孔，用来安装实验装置的其他模块。

板条试样11通过夹持固定在下模12，即板条试样11前端的下表面与下模12完全贴 合在一起，而上表面与上模9接触。

上模9为一可拆换凸模，可更换为平面凸模(如图5所示)，也可更换为圆柱面凸模 (如图6所示)。两种情况的凸模分别对应凹模入口区域钢板与模具之间的摩擦情况(此 时钢板近似认为是平板，一侧受摩擦，接触为面接触；一侧处自由状态，无摩擦作用)和 凹模圆角或者凸模圆角与钢板之间的摩擦情况(此时钢板与凹模或者凸模圆角贴合，呈弯 曲状态，一侧受摩擦，接触为线接触；一侧处自由状态，无摩擦作用)。

如图3所示，为了实现板条试样11单面受摩擦力，板条试样11固定所用的下模12与 一直线滚动导轨15相连，其滚动摩擦阻力极小，可以忽略。在传动轴4上安装有一水平测 力传感器5，用来记录实验过程中的拉力F_T的大小。

该装置通过螺杆系统6实现法向力F_N的施加，另外螺杆系统6内嵌一压电负荷传感器 (即法向测力传感器7)，控制和检测法向力。在上模9和负载传感器7之间设置承力弹簧 8，使试样能够获得更加可控、更加稳定的法向压力。

为了反映热冲压过程中模具受热传导影响导致的温升现象，下模12前后两侧各安装有 4个直径为10mm，长度为130mm的加热棒17，加热棒17最高加热温度可高达1000℃。

K型热电偶传感器安装在下模12上距离下模和板条试样11接触面0.5mm处，通过加 热系统检控下模的温度。

如图4所示，滑动小车14和下模12之间安装有一玻璃陶瓷镶块13隔热，玻璃陶瓷镶 块13选用科林玻璃厂研制的高级玻璃陶瓷Macor，该材料拥有良好的机械加工性能，并且 具有热导率低、比热高、膨胀系数小等优点，大大降低了与接触钢板之间的热传递，是一 种性能优良的保温退火镶块。滑动小车14安装有冷却水道18，使其保持在室温状态，保证 其滑动的稳定性。下模12、隔热陶瓷13及滑动小车14通过螺栓固定在一起。轨道15通过 螺栓固定在实验装置底板16上。滑动小车14通过轨道15的限制实现水平方向无摩擦运动。

可拆换凸模，包括平面凸模和圆柱面凸模，其结构示意图如图5、图6所示。其中图5 为平面凸模，图6为圆柱面凸模，分别用来测量接触面为平面的单面摩擦情况和接触面为 曲面的单面摩擦情况。

当选用平面凸模或者圆柱面凸模测量板条试样11的单面摩擦系数时，为了防止板条试 样11在拉拽过程中对凸模表面产生划伤，本发明设定板条试样的宽度为凸模宽度的120％。

上模9、下模12材料选用热作模具钢H13，国内牌号是4Cr5MoSiV1，该钢具有较高 的热强度和硬度。上模9、下模12经过1100℃淬火550℃回火处理，硬度值HRC45～50。

加热炉10的选用。选用的加热炉10需要满足两个条件：(1)炉温最高能加热至950℃； (2)方便片状料的进出及拉力的施加。为此将加热炉10设计成圆柱形，并在两端的防火 塞处设置有矩形出入口以减少热量散失、方便板条试样11进出。要求加热炉10安装在测 试装置上之后，其矩形出入口与板条试样11放置在下模12的位置处于同一水平面。为了 保护加热炉10、尽可能地减少热量散失，外围安装了一种用不锈钢板制成的保温箱。为了 检测控制加热炉10内的温度，加热炉10内安装有一热电偶，并通过一个控制器，利用实 时温度值作为反馈信号来调节加热功率。

为了控制机构的运动和下模12的加热，计算机允许人工定位滑动小车的位置；通过热 电偶控制下模的加热温度，监控平板试样及下模的温度。该系统还包括力的控制模块，监 控法向和水平方向力传感器。

利用热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

首先根据需要测试摩擦的类型(曲面单面摩擦或者平面单面摩擦)，选用上模9并安装 在实验装置上，保证上模9、下模12中心在同一垂直面上。

板条试样从加热炉10一端经矩形入口穿过加热炉10，然后将板条试样11一端镶嵌固 定到下模12。板条试样11上表面高出上模1mm，四周通过螺钉将试样固定防止实验过程 滑动。

滑动小车14通过夹紧装置2与程控制电动执行器3的传动动轴4相连。

启动加热系统，设定加热温度值并启动加热棒17。加热速度12-15K/s，加热至930°后 保温5分钟。

当下模12达到指定温度，滑动小车14带动下模12移至上模9对应位置。

通过螺杆装6置快速施加法向力。当法向力达到指定值后，试验正式开始，板条试样 11被程控制电动执行器3以一定的速度拉伸，穿过上、下模9、12。板条试样11在空气中 的冷却速度约为15K/s，由此估算当试样到达模具时特定温度下所需的时间，并计算拉伸速 度，按照此速度移动试样。当试样通过设定好的距离后，该次试验结束。

通过连接计算机的数据采集卡采集法向测力传感器的法向力F_N和水平测力传感器的 拉力F_T并记录；根据公式计算摩擦系数μ；每次试验测试三次，対试验结果取平 均值作为最终该测试条件下的摩擦系数。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。