热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种热冲压成形过程单面摩擦系数测试装置。
【背景技术】
[0002] 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，W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。
[0003] 但是，超高强钢在室溫下变形能力很差。一方面，超高强钢板强度高，在室溫下塑 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W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溫度 巧00~950°C)，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 行冲压成形和泽火，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W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W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。
[0004] 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、棚钢板料（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与棚钢板料（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棚钢板料与凹模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Ft作用下通过承受一恒定法向力FW的两块平板 之间（图2a中的a)。该模型可W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
[00 化]
(1)
[0006] 针对第二种摩擦情况，图化中的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Fw,金属薄板在外力Ft作用下W-定速度通过凸 模和平板。该装置可W提供较大的法向压力，可W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
[0007]
釣
[0008] 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。 如何确定高溫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，运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溫状态下棚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。
[0009] 中国专利化201420013222,《板材高溫摩擦系数测量装置》公开了一种简易的板 材高溫摩擦系数测量装置，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。
[0010] 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溫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。
[0011] 中国专利化201320016668. 6,《一种测量高溫高压状态下摩擦系数的装置》公开了 一种高溫高压下的摩擦系数测定装置，该装置虽然可W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。
[0012] 如何测试图化所示的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。 【实用新型内容】
[0013] 本实用新型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，利用该装置及方法可W接触面为曲面的单面摩擦情况。
[0014] 为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
[0015] 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；
[0016] 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黃与螺杆装置相连， 螺杆装置中内嵌压电负荷传感器；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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。
[0020] 所述上模和下模的中屯、在同一垂直面上。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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W忽略。
[00巧]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。
[00%] 所述滑动小车中设置有冷却水道，可使小车保持在室溫状态，保证其滑动的稳定 性。
[0027] 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，W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溫箱；加热炉内还安装有一热 电偶，并通过一个控制器，利用实时溫度值作为反馈信号来调节加热功率。
[0028] 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。
[0029] 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W下步骤：
[0030] 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、下模中屯、在同一垂直面上；
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 4)启动加热系统，设定加热溫度值并启动加热棒；加热速度12-15K/S，加热至 930°后保溫5分钟；
[0034] 5)当下模达到指定溫度，滑动小车带动下模移至上模对应位置；
[00对 6)通过螺杆装置快速施加法向力Fw,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W-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溫度下所需的时间，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；
[0036] 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Fw和水平测力传 感器的拉力Ft并记录；根据公式
计算摩擦系数y;每次试验测试=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。
[0037] 本实用新型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IlOkN-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。
[0038] 本实用新型的有益效果是：（1)能够在高溫下进行摩擦系数的测试，比如溫度超 过900°C; (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】
[0039]图1是热冲压成形过程中的摩擦情况图； W40] 图2曰、图化分别是热冲压成形过程中两种摩擦模型图；
[0041]图3是本实用新型一个实施例的单面摩擦系数测试装置结构示意图；
[0042] 图4是本实用新型一个实施例的单面摩擦系数测试装置的模具结构示意图；
[0043] 图5是平面凸模结构示意图； W44] 图6是圆柱面凸模结构示意图；
[0045] 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.承力弹黃，9.可拆卸式上模，10.加热炉，11.板 条试样，12.下模