一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法及評價裝置的製作方法

2023-04-26 05:06:56

專利名稱：一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法及評價裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，特別適合測試塑性微體積成形過程的摩擦係數，屬於精密成形微摩擦領域。
背景技術：
根據傳統的塑性成形理論，在金屬塑性成形過程，摩擦係數或者摩擦因子是一定的，與試樣尺寸無關。然而，在塑性微成形領域，隨著試樣尺寸的減小，摩擦係數或者摩擦因子也隨之產生了變化，產生了明顯的摩擦尺度效應。在傳統摩擦係數測試的基礎上，根據相似性原理相繼提出了多種微成形摩擦的評價方法，比如圓柱壓縮實驗法、圓環壓縮試驗法、正擠壓實驗法和雙杯擠壓實驗法等等。哈爾濱工業大學龔峰研究了圓柱試樣微鐓粗過程的摩擦尺度效應，發現在油潤滑條件下，摩擦係數隨著試樣尺寸的減小而逐漸增大；而在固體潤滑情況下摩擦係數變 化不大(F. Gong, B. Guo, C. J. Wang, D. B. Shan. Size effect on friction of C3602 incylinder compression. Tribology Transactions. 2010, 53 (2) :244-248)。德國 A. Messner等人利用相似性原理研究了試樣外徑尺寸分別為8mm、4mm、2mm和Imm的圓環繳粗過程的微摩擦現象，結果顯示隨著試樣尺寸減小，摩擦係數增大(A. Messner, U. Engel, R. Kals,F. Vollertsen. Size effect in the FE—simulation of micro-forming process. Journalof Materials Processing Technology. 1994，45 (1-4) :371-376)。儘管圓柱 / 圓環壓縮實驗法簡單易操作，但是由於變形路徑簡單，相對新表面膨脹率低，僅能達到20%，在微成形摩擦測試方面準確度難以保證。正擠壓試驗法通過利用微擠壓過程載荷-行程曲線的斜率來評價塑性微體積成形過程的摩擦尺度效應(M. Noorani-Azad, M. Bakhshi-Jooybari, S. J. Hosseinipour,A. Gorji. Experimental and numerical study of optimal die profile in cold forwardrod extrusion of aluminum.Journal Materials Processing Technology.2005,164-165 :1572-1577)。但是，實驗中發現試樣與模具之間的接觸狀態十分複雜，需要同時考慮模具與坯料、模具筒形內壁與坯料之間共同作用，導致模擬結果與實驗數據難以吻合。德國EGeiger教授提出了利用雙杯擠壓實驗法研究了黃銅微成形過程的摩擦尺度效應，通過上、下杯高之比來評價微擠壓過程的摩擦係數。結果表明，隨著微型化的加劇，微成形過程的摩擦係數逐漸增加(N. Tiesler, U. Engel, M. Geiger. Formingofmicroparts-effects of miniaturization on friction. Proceedings of the 6thICTP. Nuremberg, 1999 :889-894)。但是，雙杯擠壓實驗中坯料與模具內壁之間的壓力較小，材料的應變強化對實驗結果影響較大，導致該方法在評價微成形尺寸效應時可信度降低。另外，由於微成形過程試樣尺寸小，以上幾種方法中潤滑劑的均勻施加與儲存十分困難，難以滿足塑性微體積成形過程的摩擦係數的表徵與測試要求。本專利針對以上問題提出了基於T型微鐓粗實驗法來評價塑性微體積成形的摩擦尺度效應。該方法利用成形過程的載荷及成形形狀對摩擦力的敏感性來實現對微成形摩擦係數的測試，試樣表面膨脹率超過50%，坯料與模具型腔表面正壓力大，潤滑劑很容易施加到兩端封閉的V型模具型腔內，特別適合塑性微體積成形摩擦尺度效應的評價與分析。

發明內容
本發明針對現有塑性微體積成形摩擦係數測試方法中潤滑劑的均勻施加與儲存困難的問題，提出了一種基於T型微鐓粗法的塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法及評價裝置，解決了不同潤滑條件下塑性微成形摩擦係數的測量問題。本發明為解決上述技術問題採取的技術方案為本發明所述塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法是按照以下步驟實現的步驟一、採用的T型微鐓粗實驗法進行塑性微體積成形(微成形)實驗，所述實驗是基於微型衝頭、圓柱型試樣(圓柱坯料)以及V型溝槽凹模來實現的；
在T型微鐓粗實驗過程中，圓柱型試樣在微型衝頭的作用下產生變形，並向V型溝槽凹模的V型溝槽內填充，使成形件截面形狀呈T形；步驟二、填充過程中微型衝頭載荷與摩擦力成線性關係，採用衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率評價微成形過程摩擦係數；斜率值越大，摩擦係數就越大；步驟三、定義參數K為T型微鐓粗實驗過程圓柱型試樣向V型溝槽填充時衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率，作為評價微體積成形過程摩擦尺度效應的評價參數；K值與微成形過程摩擦係數或者摩擦因子成線性關係，可得K = A+BmK = C+D μ其中m為摩擦係數，μ為摩擦因子，A、B、C、D為常數。一種實現上述評價方法的塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，所述裝置包括上層、中層、下層、微型衝頭以及V型溝槽凹模；所述上層由由上至下設置的上模板、上墊板以及衝頭固定板接連在一起組成，上層中通過銷釘進行定位並通過螺釘進行連接；中層由中間墊板、合模板以及加熱圈組成，中間墊板位於合模板的上方，加熱圈安裝在合模板上的中心孔內；下層由凹模固定板和下模座組成，凹模固定板位於下模座的上方；上層、中層、下層通過四根精密導柱和八個導套進行導向，中層、下層中各安裝有四個導套，每對下上設置的導套同軸；上層、中層之間通過帶有彈簧的連接柱連接，在合模時，中間墊板在帶有彈簧的連接柱的作用下運動，直至與下層接觸；通過連接柱內部的彈簧實現對壓縮過程位移的輸出，即上層沿帶有彈簧的連接柱下行時，連接柱上的彈簧被壓縮，彈簧的彈力驅動中層下行合模；中層和下層之間設有四個彈簧，且中層和下層之間設有連接側板，在開模時，中間墊板在四個彈簧的作用下彈起，並在連接側板的作用下限位；微型衝頭居中安裝在上層及中層上，微型衝頭下部的工作端位於加熱圈內，V型溝槽凹模安裝在凹模固定板上，且V型溝槽凹模位於微型衝頭的正下方；力傳感器通過固定螺栓固定在上墊板內位於且位於微型衝頭上；力傳感器用於在T型微壓縮過程中，進行測試試件變形過程衝頭的載荷；雷射位移傳感器通過螺栓安裝在下模座上；反射鏡片通過鏡片固定板安裝在上模板上，反射鏡片位於雷射位移傳感器的正上方；雷射位移傳感器通過測試反射鏡片的相對位置實現對上層的位移測量。所述塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置在使用時，上模板與微衝壓設備上工作檯固定，下模座與設備下工作檯固定。
本發明的有益效果是本發明所述裝置利用T型微鐓粗方法評價塑性微體積成形過程摩擦尺度效應。該方法利用微鐓粗過程的載荷-位移曲線和T型高度對摩擦力的敏感性來實現對微成形摩擦係數的測試，試樣表面膨脹率大，潤滑劑容易施加到兩端封閉的V型模具型腔內，該坯料與模具型腔表面正壓力大，摩擦係數測試準確，特別適合塑性微體積成形摩擦尺度效應的評價。同時，能夠實現固體潤滑、液體潤滑以及幹摩擦情況下微成形摩擦尺度效應評價。另外，解決了高溫條件下微成形摩擦系 數的測試問題。


圖I是T型微鐓粗實驗法的示意圖，圖2是衝頭載荷-衝頭位移曲線圖(橫坐標表示衝頭載荷，單位是N ;縱坐標表示衝頭位移,單位是mm)；圖3是本發明所述評價裝置的主視圖，圖4是圖3的A-A俯視剖視圖，圖5是圖3的仰視圖，圖6是圖3的右視圖；圖7是利用發明所述評價裝置進行微成型的狀態圖(中層II和下層III已接觸，圓柱型試樣2成型前)，圖8是利用發明所述評價裝置進行微成型的狀態圖(中層II和下層III接觸，上層I下行完畢，圓柱型試樣2完成最終成型)；圖9是V型溝槽凹模3上圓柱型試樣2終成形後的狀態圖(放大圖)。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I 2所示，本實施方式所述的一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法是按照以下步驟實現的步驟一、採用的T型微鐓粗實驗法進行塑性微體積成形(微成形)實驗，所述實驗是基於微型衝頭I、圓柱型試樣2 (圓柱坯料)以及V型溝槽凹模3來實現的；在T型微鐓粗實驗過程中，圓柱型試樣2在微型衝頭I的作用下產生變形，並向V型溝槽凹模3的V型溝槽內填充，使成形件截面形狀呈T形；步驟二、填充過程中微型衝頭載荷與摩擦力成線性關係，採用衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率表徵微成形過程摩擦係數；斜率值越大，摩擦係數就越大；步驟三、定義參數K為T型微鐓粗實驗過程圓柱型試樣2向V型溝槽填充時衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率，作為評價微體積成形過程摩擦尺度效應的評價參數；K值與微成形過程摩擦係數或者摩擦因子成線性關係，可得K = A+BmK = C+D μ其中m為摩擦係數，μ為摩擦因子，A、B、C、D為與材料性能有關的常數。
具體實施方式
二 如圖3 9所示，本實施方式所述的一種實現具體實施方式
一所述評價方法的塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，所述裝置包括上層I、中層II、下層III、微型衝頭I以及V型溝槽凹模3 ;所述上層I由由上至下設置的上模板6、上墊板7以及衝頭固定板8接連在一起組成，上層I中通過銷釘進行定位並通過螺釘進行連接；中層II由中間墊板9、合模板10以及加熱圈16組成，中間墊板9位於合模板10的上方,加熱圈16安裝在合模板10上的中心孔內；下層III由凹模固定板11和下模座12組成，凹模固定板11位於下模座12的上方；上層I、中層II、下層III通過四根精密導柱5和八個導套4進行導向，中層II、下層III中各安裝有四個導套4，每對下上設置的導套4同軸；上層I、中層II之間通過帶有彈簧的連接柱15連接，在合模時，中間墊板9在帶有彈簧的連接柱15的作用下運動，直至與下層III接觸；通過連接柱內部的彈簧實現對壓縮過程位移的輸出，即上層I沿帶有彈簧的連接柱15下行時，連接柱15上的彈簧被壓縮，彈簧15-1的彈力驅動中層II下行合模；中層II和下層III之間設有四個彈簧17，且中層II和下層III之間設有連接側板21，在開模時，中間墊板9在四個彈簧17的作用下彈起，並在連接側板21的作用下限位；微型衝頭I居中安裝在上層I及中層II上，微型衝頭I下部的工作端位於加熱圈16內，V型溝槽凹模3安裝在凹模固定板11上，且V型溝槽凹模3位於微型衝頭I的正下方；力傳感器14通過固定螺栓13固定在上墊板7內位於且位於微型衝頭I上；力傳感器14用於在T型微壓縮過程中，進行測試試件變形過程衝頭的載荷；雷射位移傳感器18通過螺栓安裝在下模座12上；反射鏡片19通過鏡片固定板20安裝在上模板6上，反射鏡片19位於雷射位移傳感器18的正上方；雷射位移傳感器18通過測試反射鏡片19的相對位置實現對上層I的位移測量。所述塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置在使用時，上模板6與微衝壓設備上工作檯固定，下模座與設備下工作檯固定。
具體實施方式
三如圖3 9所示，本實施方式中，中層II中的合模板10、下層III中的凹模固定板11各安裝有四個導套4。其它組成及連接關係與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四如圖3 9所示，本實施方式所述四個彈簧17均布安裝在凹模固定板11上相應開孔內，四個彈簧17的上端均與合模板10接觸。其它組成及連接關係與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
五如圖3 9所示，本實施方式中，V型溝槽凹模3上的V型溝槽的兩端分別安裝有凹模封閉膠塞22。其它組成及連接關係與具體實施方式
二、三或四相同。針對本發明再進行如下說明本發明採用的T型微鐓粗實驗方法由微型衝頭I、圓柱型試樣2以及V型溝槽凹模3三個部分組成。圓柱坯料在衝頭的作用下產生變形，由於成形件形狀為T形，故稱之為T型微鐓粗實驗法，如圖I所示。在T型微鐓粗過程中，圓柱試樣在衝頭作用下往凹模的V型溝槽填充，通過力學分析，填充過程中衝頭載荷與摩擦力成線性關係。因此，採用衝裁載荷位移曲線的斜率表徵微成形過程摩擦係數，如圖2所示。從圖中可以看出，斜率值越大，摩擦係數就越大。定義參數K為T型鐓粗過程坯料向V型溝槽填充時載荷-位移曲線的斜率，作為評價微體積成形過程摩擦尺度效應的評價參數。由圖I理論分析可知K值與微成形過程摩擦係數或者摩擦因子成線性關係，可得K = A+BmK = C+D μ其中m為摩擦係數，μ為摩擦因子，A、B、C、D為常數。本發明所述的塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置包括I、II、III上中下三個部分。第I層由上模板6、上墊板7以及衝頭固定板8組成，該層中通過銷釘進行定位，通過螺釘進行連接。第II層由中間墊板9、合模版10以及加熱圈16組成，加熱圈安裝在合模版的中心孔內，在高溫測試實驗時使用。第III層由凹模固定板11和下模座12組成。整個裝置在工作過程中，通過4根精密導柱5和8個導套4進行導向。上模板11與微衝壓設備上工作檯固定，下模座與設備下工作檯固定。開模時，中間墊板9在4個彈簧17彈起，並在連接側板21的作用下限位。合模時，中間墊板9在帶有彈簧的連接柱15的作用下運動，直至與第III層接觸，並通過連接柱內部的彈簧實現對壓縮過程位移的輸出。T型微壓縮過程中，通過採用固定在上墊板7內的力傳感器14進行測試變形過程衝頭的載荷，力傳感器14通過固定螺栓13固定在模具內。工作過程中，通過採用安裝裝置上的雷射位移傳感器18進行位移測量，雷射位移傳感器通過螺栓安裝在下模座12上。裝置的上模板上安裝有鏡片固定板20和反射鏡片19，雷射位移傳感器通過測試鏡片的相對位置實現對工作過程的位移測量。凹模封閉膠塞22安裝在凹模的兩端，在採用液體潤滑實驗時使用。本發明所述構件的選擇(I)T型凹模尺寸推薦當微型試樣直徑為Imm時，凹模模具尺寸推薦為V型槽寬度為O. 5mm，圓角R為O. 1，V型溝槽角β為20°。(2)本裝置採用的實驗設備為的微衝壓實驗機，最大輸出可達30ΚΝ，位移精度為·
10μ m,最大速度可達150mm/s。(3)力傳感器採用日本Kyowa公司生產的LMB-A微型傳感器，量程為500-2KN，線性度為0.5%。(4)雷射位移傳感器採用德國ME公司生產的ILD-2200-10位移傳感器，解析度為O. 5 μ m0(5)採用奧地利Dewetron公司生產的DEWE-3021高速數據採集系統，共有16個通道，採樣率可達200KS/s/Ch，能夠實現力和位移的完全同步採集。
權利要求
1.一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法，其特徵在於所述方法是按照以下步驟實現的 步驟一、採用的T型微鐓粗實驗法進行塑性微體積成形實驗，所述實驗是基於微型衝頭(I)、圓柱型試樣⑵以及V型溝槽凹模⑶來實現的； 在T型微鐓粗實驗過程中，圓柱型試樣(2)在微型衝頭(I)的作用下產生變形，並向V型溝槽凹模(3)的V型溝槽內填充，使成形件截面形狀呈T形； 步驟二、填充過程中微型衝頭載荷與摩擦力成線性關係，採用衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率評價微成形過程摩擦係數；斜率值越大，摩擦係數就越大； 步驟三、定義參數K為T型微鐓粗實驗過程圓柱型試樣(2)向V型溝槽填充時衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率，作為評價微體積成形過程摩擦尺度效應的評價參數； K值與微成形過程摩擦係數或者摩擦因子成線性關係，可得 K = A+Bm K = C+D μ 其中m為摩擦係數，μ為摩擦因子，A、B、C、D為常數。
2.一種實現權利要求I所述評價方法的塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，其特徵在於所述裝置包括上層(I)、中層(II)、下層(III)、微型衝頭(I)以及V型溝槽凹模(3);所述上層(I)由由上至下設置的上模板￠)、上墊板(7)以及衝頭固定板(8)接連在一起組成衝層(II)由中間墊板(9)、合模板(10)以及加熱圈(16)組成，中間墊板(9)位於合模板(10)的上方，加熱圈(16)安裝在合模板(10)上的中心孔內；下層(III)由凹模固定板(11)和下模座(12)組成，凹模固定板(11)位於下模座(12)的上方；上層(I)、中層(II)、下層(III)通過四根精密導柱(5)和八個導套(4)進行導向，中層(II)、下層(III)中各安裝有四個導套⑷，每對下上設置的導套⑷同軸；上層(I)、中層(II)之間通過帶有彈簧的連接柱(15)連接，在合模時，中間墊板(9)在帶有彈簧的連接柱(15)的作用下運動，直至與下層(III)接觸；中層(II)和下層(III)之間設有四個彈簧(17)，且中層(II)和下層(III)之間設有連接側板(21)，在開模時，中間墊板(9)在四個彈簧(17)的作用下彈起，並在連接側板(21)的作用下限位；微型衝頭⑴居中安裝在上層⑴及中層(II)上，微型衝頭⑴下部的工作端位於加熱圈(16)內，V型溝槽凹模(3)安裝在凹模固定板(11)上，且V型溝槽凹模(3)位於微型衝頭(I)的正下方；力傳感器(14)固定在上墊板(7)內位於且位於微型衝頭(I)上；力傳感器(14)用於在T型微壓縮過程中，進行測試試件變形過程衝頭的載荷；雷射位移傳感器(18)安裝在下模座(12)上；反射鏡片(19)通過鏡片固定板(20)安裝在上模板(6)上,反射鏡片(19)位於雷射位移傳感器(18)的正上方；雷射位移傳感器(18)通過測試反射鏡片(19)的相對位置實現對上層(I)的位移測量。
3.根據權利要求2所述的一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，其特徵在於中層(II)中的合模板(10)、下層(III)中的凹模固定板(11)各安裝有四個導套(4)。
4.根據權利要求3所述的一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，其特徵在於所述四個彈簧(17)均布安裝在凹模固定板(11)上相應開孔內，四個彈簧(17)的上端均與合模板(10)接觸。
5.根據權利要求2、3或4所述的一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價裝置，其特徵在於V型溝槽凹模(3)上的V型溝槽的兩端分別安裝有凹模封閉膠塞(22)。
全文摘要
一種塑性微體積成形摩擦尺度效應評價方法及評價裝置，屬於精密成形微摩擦領域，解決了不同潤滑條件下塑性微成形摩擦係數的測量問題。所述實驗是基於微型衝頭、圓柱型試樣以及V型溝槽凹模來實現的；採用衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率表徵微成形過程摩擦係數；定義參數K為T型微鐓粗實驗過程圓柱型試樣向V型溝槽填充時衝頭載荷-衝頭位移曲線的斜率，作為評價微體積成形過程摩擦尺度效應的評價參數；所述裝置包括上層、中層、下層；微型衝頭下部的工作端位於加熱圈內，V型溝槽凹模安裝在凹模固定板上，且V型溝槽凹模位於微型衝頭的正下方；力傳感器固定在上墊板內位於且位於微型衝頭上。本發明特別適合塑性微體積成形摩擦尺度效應的評價。
文檔編號G01N19/02GK102901701SQ201210420728
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者徐傑, 郭斌, 單德彬, 王春舉 申請人:哈爾濱工業大學