確定摩擦係數的裝置和方法

2023-04-24 19:26:56

專利名稱：確定摩擦係數的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及確定摩擦係數的裝置和方法以及模製件從壓鑄模脫模的方法。
在製造壓鑄的模製件時，要求將模製件從壓鑄模脫模。模製件從壓鑄模的可脫模性由所用塑料的材料特性所決定。大批量自動化生產這種模製件的前提條件是，使模製件在生產條件下可以無故障無缺陷地脫模。因此，對於選擇了例如熱塑性塑料的壓鑄生產來說，使模製件可靠脫模是重要的標準。
脫模前模製件附著在壓鑄模的模壁上。這種附著強度通過靜摩擦係數體現。脫模時，使模製件與壓鑄模的模壁脫離。靜摩擦係數越高，為此需要的「脫模力」越大。因此，靜摩擦係數還表示模製件的可脫模程度模製件和模壁之間的靜摩擦係數越低，模製件就越容易脫模。
現有技術中公開了確定模製件從熱塑性塑料中可脫模性的方法。通常的方法是壓鑄套筒，套筒在冷卻階段期間與模芯熱壓配合併由此產生無法精確確定的法向力。冷卻階段結束後，將壓鑄模打開，並藉助環形鑄件頂出器使套筒與套筒附著的鑄模圓柱體芯脫離。在此，脫模所需的力由鑄件頂出器單元的液壓系統向鑄件頂出器施加的最大壓力確定。然而，根據這些脫模力不能計算出明確的靜摩擦係數，因為套筒的法向力在鑄模芯上不是均勻分布，而是局部分布。
此外，上述公知方法的缺點是，靜摩擦係數的測量在很大程度上取決於相關模製件的幾何形狀和其他各種加工參數，如增壓強度、冷卻時間的長短、鑄模壁溫度的高低和模製件的脫模速度等。即使在平板形壓鑄件中，由於平板中心的凹陷部位法向力也不會均勻傳遞。因此，上述那些公知的方法不能測量與所謂的邊界條件無關的靜摩擦係數。
因此，本發明的目的在於，提供一種用於確定摩擦係數的改進的裝置和改進的方法以及用於模製件脫模的改進的方法。
這一目的藉助獨立權利要求的特徵得以實現。優選的實施方式在從屬權利要求中給出。
本發明可以精確測定不同材料的靜摩擦係數和滑動摩擦係數。測定的靜摩擦係數和滑動摩擦係數是對鑄模陽模的各對熱塑性塑料/鋼普遍有效的特徵參數。由此在考慮到具體模製件法向力的情況下，可以具體說明任意壓鑄的模製件的可脫模性以及所要求的「脫模力」的強度。
確定摩擦係數可以在與生產中模製件脫模相同的條件下進行。本發明可以在模製件脫模前直接測量模製件和模壁之間的靜摩擦係數和滑動摩擦係數，也就是說在與模製件的幾何形狀無關和在明確確定壓鑄參數情況下進行測量。因此，測定的摩擦係數對評價模製件的可脫模性來說是普遍有效的和客觀的標準。
按照一個優選的實施方式，為實施測量方法所使用的裝置由傳動單元和測量單元組成。在傳動單元中，可無級調節轉數的電機通過傳動齒輪箱作用到齒輪皮帶傳動上。
測量單元與壓鑄模形成一體。壓鑄模澆注口側的空穴是所謂的隨動件。它可以通過傳動單元的齒輪皮帶傳動產生旋轉運動。壓鑄模空穴的另一半構成鑄模陽模。陽模可以水平移動。且通過法向力傳感器與氣壓缸固定連接。此外，鑄模陽模可將旋轉運動傳遞到轉矩傳感器上。隨動件、鑄模陽模和澆注口部件-和外部部件可以單獨和分別用水和/或者油退火。
在依據本發明所述方法的一種實施方式中，測量樣品和鑄模陽模之間的靜摩擦係數和/或者滑動摩擦係數。通過將所要研究的塑料-例如熔化的熱塑性塑料-壓鑄到由隨動件和鑄模陽模構成的鑄模空穴完成樣品的製造。待塑料在鑄模空穴內硬化後進行測量。
樣品可以為帶齒狀邊緣的圓盤。直徑例如可以為95mm，厚度為2.5mm。
在塑料溶液硬化期間，樣品壓鑄件的表面通過與鑄模陽模連接的氣壓缸的作用與鑄模陽模保持接觸。優選在進行實際測量之前通過移動隨動件去掉樣品的澆注口。
最好將隨動件連同處於隨動件內的樣品通過傳動單元的齒輪皮帶傳動旋轉一定的角度，例如37°。由於樣品和陽模之間存在靜摩擦，因而可將轉矩傳遞到鑄模陽模上。轉矩由轉矩傳感器記錄。隨後，壓鑄模完全上升，藉助鑄件頂出杆將樣品頂出，然後壓鑄模重新關閉。此時隨動件迴轉到其起點。之後可以製造另一個樣品。
樣品轉動前附著在鑄模陽模上。通過轉動鬆開這種結合。為此需要的轉矩M由轉矩傳感器記錄。根據該轉矩、樣品平均半徑r和由鑄模陽模作用於樣品上的法向力F(法向力可在氣壓缸上通過法向力傳感器記錄)中，依據下列公式計算出摩擦係數μμ＝M/(r*F)在樣品轉動期間，傳遞到鑄模陽模上的轉矩發生變化。如果將轉矩接收器連接在數據記錄儀上，用圖形記錄下轉矩變化在時間上的分布，便得到特徵曲線。從樣品傳遞到鑄模陽模上的轉矩首先陡升，例如達到非常突出的最大值，然後降到例如相當穩定的終值。最大轉矩相當於靜摩擦係數，較低的相當穩定的最終轉矩相當於滑動摩擦係數。
當達到最大轉矩時，鑄模陽模和樣品之間的附著結合脫開。模製件脫模時出現相同的情況。因此，根據最大轉矩得出的靜摩擦係數代表了模製件的可脫模性。
令人驚異的是，按依據本發明的方法測得的靜摩擦係數和滑動摩擦係數在很大程度上與當時壓鑄條件無關，特別是與增壓的強度和持續時間無關。同樣令人驚異的是，摩擦係數與試驗條件也無關，也就是說與作用於樣品的表面壓力和樣品旋轉運動的角速度無關。這意味著，按照本發明所述方法測得的靜摩擦係數和滑動摩擦係數是鑄模陽模各對塑料/鋼的通用特徵值。
也就是說，本發明可以不依賴於模製件的特殊幾何形狀和特殊測量條件確定實際摩擦係數。
下面藉助優選實施例對本發明作詳細說明。其中

圖1表示依據本發明所述裝置的實施方式；圖2表示採用圖1所示裝置測量的按時間分布的轉矩變化；圖3表示在確定的鑄模溫度下相應的轉矩變化；圖4表示測得的靜摩擦係數和滑動摩擦係數與鑄模溫度的關係；圖5表示用圖1所示裝置確定的靜摩擦係數和滑動摩擦係數的與表面壓力關係；以及圖6表示用圖1所示裝置製造的樣品。
圖1表示用於確定靜摩擦係數和滑動摩擦係數的裝置。該裝置包括與轉矩傳感器2連接的鑄模陽模1。在轉矩傳感器2的後面設置法向力傳感器3。通過氣壓缸4可以向鑄模陽模1施加力。
由鑄模陽模1，轉矩傳感器2，法向力傳感器3和氣壓缸4組成的設備通過軸向支承的導軌5固定。相應的導軌橫梁6用於導軌5的導向以及用於接收從鑄模陽模1傳遞到轉矩傳感器2上的轉矩。只有在法向力傳感器3不承受徑向力的情況下，才能要求通過導軌橫梁6全部接收該轉矩。
導軌橫梁6固定在緊固底板8上。通過圖1中未示出的液壓裝置可以向塑料壓鑄的鑄模陽模1上施加高壓。
該裝置還包括鑄模穴9，它與鑄模陽模1共同構成塑料壓鑄模。鑄模穴9包括一個隨動件10和一個澆注口套筒11。隨動件10和澆注口套筒11可彼此相對在縱向上移動；為此可在隨動件10和澆注口套筒11之間設置球軸承或者滑動軸承。處於隨動件10和緊固底板12之間的是彈性件13，例如盤形彈簧。
通過成形單元14可以將液態的塑料通過澆注口套筒11注入封閉的塑料壓鑄模。
隨動件10用於接納齒輪皮帶15，通過齒輪皮帶盤16、離合器17和傳動齒輪箱18與電機19連接。
按下述順序對靜摩擦係數和滑動摩擦係數進行測量首先，關閉壓鑄模，即將鑄模陽模1插入其鑄模穴9。此時隨動件10和緊固底板12之間的彈性件13受到壓縮。通過澆注口套筒11將液態塑料注入成形單元14的壓鑄模內，其中-如注塑機通常的那樣-通過圖1中未示出的液壓裝置產生高壓。
通過將液態塑料注入壓鑄模，在那裡形成由所要研究的塑料材料構成的樣品。真正確定靜摩擦係數和/或滑動摩擦係數也可以在所需要的冷卻時間結束後，即，在壓鑄模內的塑料凝固以後進行。
為此，首先使鑄模陽模1回移較小的距離，例如2mm。隨動件10由於彈性件13在鑄模陽模移動方向上的作用力而跟隨鑄模陽模1的這種移動。在塑料壓鑄模的這種移動中，鑄模陽模1和鑄模穴9之間在每個時間點上都保持鑄模閉合，從而使樣品20和鑄模陽模1之間的接觸仍然存在。
當隨動件10在縱向上移動時，澆注口套筒11保持固定，從而使在塑料壓鑄過程中形成的澆注口21與處於壓鑄模內的樣品20分離。在進行測量前將澆注口21與樣品20分離的優點是，避免因澆注口21造成測量結果有誤。
為對塑料壓鑄模內樣品20的靜摩擦係數和/或滑動摩擦係數進行測量，首先向鑄模陽模1施加法向力，以便將鑄模陽模1壓向樣品20。由氣壓缸4施加的法向力可以處於300和3000N之間，優選在1500至3000N的範圍內。施加法向力後，接通電機19，通過傳動齒輪箱18、離合器17、齒輪皮帶盤16和齒輪皮帶15並通過隨動件10向樣品20傳遞轉矩。為了更加可靠地向樣品20傳遞這種轉矩，該樣品最好處於帶有由隨動件10構成的壓鑄模空穴部分的閉合鑄模內。傳動齒輪箱18最好為所需轉矩提供1∶200的傳動比。
在轉矩的作用下樣品20繞中軸進行例如37°的一定轉動。在這種轉動中，作用於樣品20上的轉矩全部或者部分傳遞到鑄模陽模1上。傳遞的轉矩由轉矩傳感器測量和記錄。為此，可以將轉矩傳感器2連接到所謂的數據記錄儀上，以便掌握由樣品20傳遞到鑄模陽模1上的轉矩在時間上的變化。在樣品20旋轉時，產生從靜摩擦向滑動摩擦的過渡，由轉矩傳感器2測到的特徵性的實時轉矩變化變小。
圖2示出在對樣品20(參照圖1)上進行測量時轉矩傳感器2測到的特徵性的轉矩變化曲線。圖2的測量曲線表明由轉矩傳感器2測量的轉矩以最大轉矩的百分比在時間軸上的變化。在到達所謂的激發閾值後，因為鑄模陽模1和樣品還都處於靜摩擦的範圍內，所以轉矩曲線首先陡升。轉矩曲線達到明顯的最大值-在所示的例子中，在超過激發閾值後約1秒時達到約90％的刻度。可以用這樣測得的最大轉矩以及通過氣壓缸4施加到鑄模陽模1上的法向力和樣品20的平均半徑r來計算靜摩擦係數。
在到達最大轉矩後，轉矩曲線下降，然後到達陰影線表示的滑動摩擦區。在滑動摩擦的區域內，傳遞的轉矩約為60％。根據在滑動摩擦情況下傳遞的轉矩以及法向力和樣品20的平均半徑r確定相應的滑動摩擦係數。在進行測量後，如圖1所示，打開壓鑄模，也就是使鑄模陽模1返回，並將樣品20從鑄模穴9中排出。此後重新關閉塑料壓鑄模，以便為繼續進行測量製造另一樣品20。優選的是在同樣的邊界條件下進行同樣的測量，並利用塑料材料連續測量約5-10次。然後將分別確定的靜摩擦係數和滑動摩擦係數取平均值，以便進一步提高測量結果的精確性。該過程可以通過數據記錄儀的數值計算程序自動進行。
圖3表示的是與圖2的曲線圖相應的測量實例，在圖1所示的裝置中按下列條件壓鑄聚碳酸酯(聚碳酸酯樹脂2800)樣品-物料溫度300℃-鑄模溫度90℃-注入速度40mm/sec-額定壓力600bar
當壓鑄的樣品厚度為2.5mm時，帶齒狀邊緣的中心壓鑄圓盤的直徑為95mm。
通過用壓鑄模內設置的壓力傳感器測量鑄模的內部壓力來確定增壓階段結束的時刻。在增壓階段結束後，藉助氣壓缸4(參照圖1)以3200牛頓的法向力將鑄模陽模1壓向樣品20。藉助法向力傳感器在0-10千-牛頓的測量範圍調節所述法向力。
在成形階段結束後，將成形單元14的噴嘴從鑄模移開。接著將壓鑄模打開5mm，其中，通過用澆注口底座壓住隨動件10而去除澆注口21。然後，藉助電機19的傳動單元將隨動件和處於隨動件內的樣品20以0.5mm/sec的速度(與樣品的平均半徑相關)旋轉37°角。
此時傳遞到鑄模陽模1上的轉矩由與測量裝置成一體的轉矩傳感器2(測量範圍0-200牛頓米)藉助應變計按電阻測量的原理測量和記錄。將這樣獲得的數據傳遞到數據記錄儀上，記錄下圖3的轉矩在時間上的變化。從轉矩曲線的最大值中得出的靜摩擦係數為0.515，在滑動摩擦範圍內從時間上穩定的轉矩終值中得出滑動摩擦係數為0.439。
圖4示出在與塑料壓鑄模的鑄模溫度有關的情況下藉助圖1中的測量裝置測得的靜摩擦係數和滑動摩擦係數。圖4中的上部曲線表明測得的靜摩擦係數，下部曲線為測得的滑動摩擦係數。鑄模溫度在50℃和100℃的較大範圍內變化。從圖4的曲線變化中可以看出，無論是靜摩擦係數還是滑動摩擦係數的確定在很大程度上不取決於圖1所示裝置內的鑄模溫度。
圖5表示的是採用圖1的裝置在不同表面壓力下進行測量的結果。圖5的上部曲線變化再次表明測得的靜摩擦係數，下部曲線變化為滑動摩擦係數。為此，通過氣壓缸4向樣品20施加不同的法向力，從而產生不同的表面壓力。
從圖5的曲線變化中可以看出，用圖1所示裝置檢測摩擦係數僅在很小程度上受表面壓力大小的影響。
圖6表示的是樣品20放大的頂視圖和側剖面。樣品20在其外圓周上具有齒狀外形，以便保證為傳遞轉矩而與隨動件10一起進行可靠的鑄模隨動。樣品20在其中間區域內具有拱頂22。拱頂22的作用是提高樣品的彈性，以便在樣品冷卻收縮時抑制變形。由此保證樣品20在其平面區域23內平整地緊貼在鑄模陽模1的表面上。區域23具有下標為i的內半徑r和下標為a的外半徑r，從中得出下標為m的平均半徑r，用平均半徑可計算摩擦係數。例如，樣品20具有的直徑為95mm，內半徑ri為28mm和外半徑ra為42mm。
因此，本發明可以準確和普遍有效地確定靜摩擦係數和滑動摩擦係數，從而精確檢測壓鑄模中任意模製件所要求的「鑄件頂出力」。這一點與現有技術中公開的不是普遍有效的、而是僅為特定模製件和過程提供脫模力的脫模套筒法相比是一個非常重大的進步。
附圖標記1.鑄模陽模2.轉矩傳感器3.法向力傳感器4.氣壓缸5.導軌6.導軌橫梁7.導板8.緊固底板9.鑄模穴10.隨動件11.澆注口套筒12.緊固底板13.彈性件14.成形單元15.齒輪皮帶16.齒輪皮帶盤17.離合器18.傳動齒輪箱19.電機20.樣品21.澆注口22.拱頂23.平面區域
權利要求
1.確定摩擦係數的裝置，帶有通過陽模(1)向樣品(20)施加法向力的部件(4)，對樣品施加轉矩的部件和測量樣品向陽模傳遞的轉矩的部件(2)。
2.按照權利要求1所述的裝置，其中，陽模是用於接納的樣品壓鑄模的鑄模陽模。
3.按照權利要求1或2所述的裝置，其中，法向力由氣壓部件傳遞到陽模上。
4.按照權利要求1，2或3所述的裝置，帶有測量法向力的部件(3)。
5.按照前述權利要求之一所述的裝置，帶有一個數據檢測機構，用於檢測由測量部件提供的轉矩測量數據。
6.按照前述權利要求之一所述的裝置，帶有包括一個鑄模陽模和一個鑄型穴的壓鑄模，所述壓鑄模用於形成樣品。
7.按照權利要求6所述的裝置，其中，鑄型穴包括一個澆注口套筒和一個隨動件，澆注口套筒和隨動件可相對移動。
8.按照權利要求7所述的裝置，帶有彈性部件(13)，特別是盤形彈簧，所述彈性部件用於向隨動件施加力使隨動件相對於澆注口套筒移動。
9.按照權利要求7或8之一所述的裝置，其中，隨動件用於形狀配合地接納樣品。
10.按照權利要求9所述的裝置，其中，隨動件在壓鑄模空穴區域內具有粗糙的或者鋸齒狀的區域，以便與樣品形成形狀配合連接。
11.按照權利要求6-10之一所述的裝置，其中，壓鑄模的構成方式是，使可在壓鑄模內製成的樣品在內部區域呈拱形，在外部區域為平面。
12.按照前述權利要求之一所述的裝置，其中，向樣品施加轉矩的部件具有鎖膛卡板傳動裝置或者齒輪皮帶傳動裝置。
13.確定摩擦係數的方法，具有下列步驟- 在壓鑄模內製造樣品，- 通過鑄模陽模向樣品施加法向力，- 向樣品施加轉矩，- 測量通過樣品傳遞到鑄模陽模上的轉矩以及- 根據法向力和傳遞的轉矩確定摩擦係數。
14.按照權利要求13所述的方法，其中，製造第一區域為平面和第二區域為拱形的樣品。
15.按照權利要求13或14所述的方法，其中，藉助氣壓產生法向力。
16.按照權利要求13，14或15所述的方法，其中，預先規定法向力，傳遞的轉矩由數據檢測裝置記錄。
17.按照權利要求13-16之一所述的方法，其中，檢測傳遞轉矩的時段持續到鑄模陽模和樣品之間從靜摩擦向滑動摩擦過渡的時段。
18.按照權利要求13-17之一所述的方法，其中，樣品在邊緣區域具有齒狀的或者粗糙的外形，由此構成與壓鑄模鑄型穴的鑄模隨動性。
19.按照權利要求13-18之一所述的方法，其中，壓鑄過程中的轉矩通過樣品壓鑄件和鑄模陽模之間的接觸傳遞。
20.按照權利要求13-19之一所述的方法，其中，在對樣品施加轉矩前去除樣品的澆注口。
21.按照權利要求20所述的方法，其中，通過將轉矩傳給樣品的隨動件和壓鑄模澆注口套筒之間的相對移動去除澆注口。
22.藉助作用力將任意模製件從壓鑄模中脫模的方法，其中，模製件脫模所需要的力的大小根據權利要求13-21所述方法測定的摩擦係數來決定。
全文摘要
為測量樣品20的靜摩擦係數和滑動摩擦係數，通過鑄模陽模1向樣品20施加法向力，然後通過傳動齒輪箱18，離合器17和齒輪皮帶15將電機19的轉矩傳給隨動件10和樣品20。由樣品20傳遞到鑄模陽模1上的轉矩的變化曲線通過轉矩檢測器2測量。根據從靜摩擦向滑動摩擦過渡的轉矩特徵變化曲線測定靜摩擦係數和滑動摩擦係數。
文檔編號B29C45/76GK1500208SQ02807737
公開日2004年5月26日 申請日期2002年3月22日 優先權日2001年4月4日
發明者A·卡明斯基, K·薩魯斯基, A 卡明斯基, 乘夠 申請人:拜爾公司