一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及摩擦学领域，具体地指一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置技术背景
[0002]近年来，随着对汽车轻量化、节能减排和安全性的要求日益提高，超高强度钢越来越多的被用于车体的重要结构件和安全零部件的制造，如A柱、B柱、防撞梁等。高强度钢板冷冲压成形后的强度可达800 - lOOOMPa，传统的冷冲压方法难以解决超高强度钢板在汽车车身制造中遇到的所需的成形载荷大，成形后零件的回弹难以控制，导致零件尺寸和形状稳定性变差等问题。在追求低成形力、超高强度的成形技术过程中，低合金高强钢热成形技术获得应用。
[0003]随着高强钢及热冲压成形技术在汽车工程中的推广应用，人们逐渐认识到，除了提高汽车结构件强度之外，零部件力学性能与车身安全性要求相匹配的问题同样值得关注，即同一零件的不同区域实际上有着不同的力学性能需求，获得零件定制力学性能一般有如下方式:还料初始温度定制化，模具温度定制化，冷却速率定制化。
[0004]摩擦在热成形过程中是至关重要的，影响着零件的最终质量，同时与零件与模具的表面磨损也直接相关。热成形过程中，热成形钢的摩擦因子测量一直是一个重要的科学问题，也引起了国内外众多学者的研宄，然而对于在定制条件下的热成形摩擦因子测量方法或装置却鲜有提及。随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明正是基于这一点提出了一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是要提供一种测量定制条件下热成形钢摩擦因子的方法及其装置，该装置和方法能使得我们获得在定制条件下的热成形钢摩擦因子，为实际生产和数值模拟参数设定提供指导。
[0006]为实现此目的，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置，其特征在于:
[0007]其包括加热炉，可控加热模具，压力加载装置，夹紧装置，滚珠丝杠，拉力传感器，压力传感器，温度测量仪，数据采集系统，炉温控制器，导轨，上支架，下底座；所述加热炉的加热温度受炉温控制器的控制；所述导轨位于加热炉一侧，所述滚珠丝杠位于导轨上方；所述滚珠丝杠由伺服电机驱动，带动夹紧装置，所述夹紧装置安装在导轨上，用于夹紧待测对象，在滚珠丝杠的作用下，夹紧装置带动待测对象作水平方向移动；拉力传感器安装在所述滚珠丝杠与夹紧装置之间；所述下底座位于滚珠丝杠和加热炉之间，所述上支架位于下底座上，两者之间留有空间，以供待测对象在其间水平移动；可控加热模具安装在下底座以及压力加载装置之间，可控加热模具由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间有空间供待测对象水平穿过；所述压力加载装置安装在上支架上，所述压力加载装置通过压力传感器向待测对象施加压力；
[0008]工作时，待测对象一端在加热炉内，另一端由夹紧装置夹紧，由伺服电机驱动下的滚珠丝杠通过拉力传感器，将拉力传递到夹紧装置，使待测对象水平移动；在移动过程中，待测对象同时接受位于上部的压力加载装置通过压力传感器传来的压力，和可控加热模具传来的热量；
[0009]所述温度测量仪是非接触式温度测量仪，用于测量待测对象进入可控加热模具时刻的温度，其输出与数据采集系统相连；所述数据采集系统，分别与拉力传感器、压力传感器、温度测量仪电气连接，在待测对象移出过程中，采集相应的温度、垂直压力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn计算出在不同温度下，待测对象移出过程中摩擦因子。
[0010]进一步的，在加热炉出口处装有可控气体流量喷射装置，在待测对象移出过程中，对其喷射气流以改变冷却速度。
[0011]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0012]进一步的，所述的可控加热模具用热作模具钢制成，内置可控加热器件。
[0013]进一步地，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度；
[0014]进一步的，所述的数据采集系统采集压力传感器、拉力传感器、温度测量仪、可控加热模具、可控气体流量喷射装置的压力、拉力、温度信息，并计算、存储和显示摩擦因子随温度变化的曲线。
[0015]相应地，基于所述装置，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，其特征在于包括如下步骤:
[0016](I)参数设定:设定压力加载装置压力值、可控加热模具的温度场、滚珠丝杠水平牵引速度、加热炉温度、数据采集系统采样频率、可控气体流量喷射装置的喷气流量；
[0017](2)首先启动数据采集系统，然后启动加热炉、可控加热模具；
[0018](3)当坯料和可控加热模具达到定制的温度场分布时，启动滚珠丝杠，其带动夹紧装置，使坯料按设定水平牵引速度移出加热炉；
[0019]在移出过程中，坯料受到压力加载装置通过可控加热模具上、下模块表面传来的压力，以及滚珠丝杠通过拉力传感器传来的拉力；可控气体流量喷射装置按设定的喷气流量向坯料喷射气流，使坯料按预定的冷却速度冷却；数据采集系统通过压力传感器、拉力传感器、温度测量仪，采集坯料受到的垂直压力、水平拉力，以及温度，送入数据采集系统；
[0020](4)数据采集系统根据采集的温度、垂直压力值Fn和水平拉力值F1，计算出在某一温度下，坯料移出过程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn。
[0021]进一步地，所述步骤(I)中，可控加热模具由热作模具钢制成，由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料水平穿过；可控加热模具内置可控加热器件，定制温度范围为25-550°C。模具中内置加热棒的位置分布根据随性原则来决定，即加热孔的开设尽量使得模具表面温度均匀，而非根据形状来决定。模具表面温度分布规律可通过数值模拟计算和实验验证获取，进而优化得到最优的加热棒分布位置。
[0022]进一步地，所述步骤(2)中，加热炉加热方式是感应加热、电阻丝炉加热或直接电加热，或者是三种加热方式的任意组合，坯料温度可为均匀温度，亦可为按照所设定的温度场分布，即定制化坯料温度。定制温度范围为25-950°C，加热保温温度为850-950°C，保温时间为3-10分钟。
[0023]进一步的，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度。
[0024]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0025]本发明中，数据采集系统包括计算机系统，数据采集系统具有采集、计算、存储、显示功能，而且还可对包含在垂直压力值Fn中的可控加热模具上模块质量所造成的附加压力进行修正。
[0026]本发明的设计原理为，利用所发明的测量装置，测量试件在定制条件下热成形钢的摩擦因子。具体为坯料温度连续变化条件下热成形钢摩擦因子的测量，不同模具温度下热成形钢摩擦因子的测量，不同冷却速率下热成形钢摩擦因子测量方法，不同初始组织条件下高强摩擦因子的测量。简单坯料试件温度的连续变化可通过加热装置实现，亦可通过混合加热方式实现更加复杂地坯料温度连续变化；可控加热模具温度可通过模具内置加热装置来实现和调节；不同冷却速率可通过调节压缩气体喷出流量来实现；不同的初始坯料组织则可以通过事先热处理来实现。
[0027]随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明通过定制热成形过程中不同条件并测定其摩擦因子，进而为实际加工生产提供指导，为数值模拟计算提供实验基础。本发明相对于传统的均一条件下摩擦因子的测量具有更大的应用前景。
【附图说明】
[0028]图1为本发明装置整体结构示意图
[0029]图2为实施定制坯料温度条件下的摩擦因子测试结果图
[0030]图3为实施定制模具温度条件下的模具温控原理示意图
[0031]图4为实施定制冷却速率条件下的环形装置示意图
[0032]图5为实施定制冷却速率条件下的摩擦因子测试结果图
[0033]图6为实施定制初始组织条件下的摩擦因子测试结果图
[0034]图中标记:加热炉1、坯料2、可控加热模具3、压力加载装置4、拉力传感器5、夹紧装置6、滚珠丝杠7、数据采集系统8、温度测量仪9、炉温控制器10、压力传感器11、可控气体流量喷射装置12、导轨13、上支架14、下底座15。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0036]如图1所示的定制条件下热成形钢摩擦因子测量装置，包括伺服电机、伺服控制系统、热成形钢坯料2、带动坯料进行直线运动的滚珠丝杠7、导轨13、用于加热坯料2的加热炉1、测定坯料2温度的温度测量仪9、控制加热炉I温度的炉温温控器10、测定拉力的拉力传感器5、施加压力的压力加载装置4、用于安装压力加载装置4的上支架14、用于测定压力的压力传感器11、用于夹紧坯料2的夹紧装置6、采集温度、压力、拉力和流量信息的数据采集系统8、下底座15、可控气体流量喷射装置12。
[0037]一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，主要步骤包括:设定压力加载装置4压力值，设定可控加热模具3的温度场、滚珠丝杠7水平牵引速度、数据采集系统8采样频率；启动数据采集系统8、加热炉1、可控加热模具3和滚珠丝杠7 ;夹紧装置6带动坯料2水平移除加热炉I ;可控气体流量喷射装置12向坯料2喷射气流；压力传感器11、拉力传感器5、温度测量仪9、可控加热模具3和可控气体流量