专利名称：一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法及评价装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，特别适合测试塑性微体积成形过程的摩擦系数，属于精密成形微摩擦领域。
背景技术：
根据传统的塑性成形理论，在金属塑性成形过程，摩擦系数或者摩擦因子是一定的，与试样尺寸无关。然而，在塑性微成形领域，随着试样尺寸的减小，摩擦系数或者摩擦因子也随之产生了变化，产生了明显的摩擦尺度效应。在传统摩擦系数测试的基础上，根据相似性原理相继提出了多种微成形摩擦的评价方法，比如圆柱压缩实验法、圆环压缩试验法、正挤压实验法和双杯挤压实验法等等。哈尔滨工业大学龚峰研究了圆柱试样微镦粗过程的摩擦尺度效应，发现在油润滑条件下，摩擦系数随着试样尺寸的减小而逐渐增大；而在固体润滑情况下摩擦系数变 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)。德国 A. Messner等人利用相似性原理研究了试样外径尺寸分别为8mm、4mm、2mm和Imm的圆环缴粗过程的微摩擦现象，结果显示随着试样尺寸减小，摩擦系数增大(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)。尽管圆柱 / 圆环压缩实验法简单易操作，但是由于变形路径简单，相对新表面膨胀率低，仅能达到20%，在微成形摩擦测试方面准确度难以保证。正挤压试验法通过利用微挤压过程载荷-行程曲线的斜率来评价塑性微体积成形过程的摩擦尺度效应(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，实验中发现试样与模具之间的接触状态十分复杂，需要同时考虑模具与坯料、模具筒形内壁与坯料之间共同作用，导致模拟结果与实验数据难以吻合。德国EGeiger教授提出了利用双杯挤压实验法研究了黄铜微成形过程的摩擦尺度效应，通过上、下杯高之比来评价微挤压过程的摩擦系数。结果表明，随着微型化的加剧，微成形过程的摩擦系数逐渐增加(N. Tiesler, U. Engel, M. Geiger. Formingofmicroparts-effects of miniaturization on friction. Proceedings of the 6thICTP. Nuremberg, 1999 :889-894)。但是，双杯挤压实验中坯料与模具内壁之间的压力较小，材料的应变强化对实验结果影响较大，导致该方法在评价微成形尺寸效应时可信度降低。另外，由于微成形过程试样尺寸小，以上几种方法中润滑剂的均匀施加与储存十分困难，难以满足塑性微体积成形过程的摩擦系数的表征与测试要求。本专利针对以上问题提出了基于T型微镦粗实验法来评价塑性微体积成形的摩擦尺度效应。该方法利用成形过程的载荷及成形形状对摩擦力的敏感性来实现对微成形摩擦系数的测试，试样表面膨胀率超过50%，坯料与模具型腔表面正压力大，润滑剂很容易施加到两端封闭的V型模具型腔内，特别适合塑性微体积成形摩擦尺度效应的评价与分析。
发明内容
本发明针对现有塑性微体积成形摩擦系数测试方法中润滑剂的均匀施加与储存困难的问题，提出了一种基于T型微镦粗法的塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法及评价装置，解决了不同润滑条件下塑性微成形摩擦系数的测量问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为本发明所述塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法是按照以下步骤实现的步骤一、采用的T型微镦粗实验法进行塑性微体积成形(微成形)实验，所述实验是基于微型冲头、圆柱型试样(圆柱坯料)以及V型沟槽凹模来实现的；
在T型微镦粗实验过程中，圆柱型试样在微型冲头的作用下产生变形，并向V型沟槽凹模的V型沟槽内填充，使成形件截面形状呈T形；步骤二、填充过程中微型冲头载荷与摩擦力成线性关系，采用冲头载荷-冲头位移曲线的斜率评价微成形过程摩擦系数；斜率值越大，摩擦系数就越大；步骤三、定义参数K为T型微镦粗实验过程圆柱型试样向V型沟槽填充时冲头载荷-冲头位移曲线的斜率，作为评价微体积成形过程摩擦尺度效应的评价参数；K值与微成形过程摩擦系数或者摩擦因子成线性关系，可得K = A+BmK = C+D μ其中m为摩擦系数，μ为摩擦因子，A、B、C、D为常数。一种实现上述评价方法的塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，所述装置包括上层、中层、下层、微型冲头以及V型沟槽凹模；所述上层由由上至下设置的上模板、上垫板以及冲头固定板接连在一起组成，上层中通过销钉进行定位并通过螺钉进行连接；中层由中间垫板、合模板以及加热圈组成，中间垫板位于合模板的上方，加热圈安装在合模板上的中心孔内；下层由凹模固定板和下模座组成，凹模固定板位于下模座的上方；上层、中层、下层通过四根精密导柱和八个导套进行导向，中层、下层中各安装有四个导套，每对下上设置的导套同轴；上层、中层之间通过带有弹簧的连接柱连接，在合模时，中间垫板在带有弹簧的连接柱的作用下运动，直至与下层接触；通过连接柱内部的弹簧实现对压缩过程位移的输出，即上层沿带有弹簧的连接柱下行时，连接柱上的弹簧被压缩，弹簧的弹力驱动中层下行合模；中层和下层之间设有四个弹簧，且中层和下层之间设有连接侧板，在开模时，中间垫板在四个弹簧的作用下弹起，并在连接侧板的作用下限位；微型冲头居中安装在上层及中层上，微型冲头下部的工作端位于加热圈内，V型沟槽凹模安装在凹模固定板上，且V型沟槽凹模位于微型冲头的正下方；力传感器通过固定螺栓固定在上垫板内位于且位于微型冲头上；力传感器用于在T型微压缩过程中，进行测试试件变形过程冲头的载荷；激光位移传感器通过螺栓安装在下模座上；反射镜片通过镜片固定板安装在上模板上，反射镜片位于激光位移传感器的正上方；激光位移传感器通过测试反射镜片的相对位置实现对上层的位移测量。所述塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置在使用时，上模板与微冲压设备上工作台固定，下模座与设备下工作台固定。
本发明的有益效果是本发明所述装置利用T型微镦粗方法评价塑性微体积成形过程摩擦尺度效应。该方法利用微镦粗过程的载荷-位移曲线和T型高度对摩擦力的敏感性来实现对微成形摩擦系数的测试，试样表面膨胀率大，润滑剂容易施加到两端封闭的V型模具型腔内，该坯料与模具型腔表面正压力大，摩擦系数测试准确，特别适合塑性微体积成形摩擦尺度效应的评价。同时，能够实现固体润滑、液体润滑以及干摩擦情况下微成形摩擦尺度效应评价。另外，解决了高温条件下微成形摩擦系 数的测试问题。
图I是T型微镦粗实验法的示意图，图2是冲头载荷-冲头位移曲线图(横坐标表示冲头载荷，单位是N ;纵坐标表示冲头位移,单位是mm)；图3是本发明所述评价装置的主视图，图4是图3的A-A俯视剖视图，图5是图3的仰视图，图6是图3的右视图；图7是利用发明所述评价装置进行微成型的状态图(中层II和下层III已接触，圆柱型试样2成型前)，图8是利用发明所述评价装置进行微成型的状态图(中层II和下层III接触，上层I下行完毕，圆柱型试样2完成最终成型)；图9是V型沟槽凹模3上圆柱型试样2终成形后的状态图(放大图)。
具体实施例方式具体实施方式
一如图I 2所示，本实施方式所述的一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法是按照以下步骤实现的步骤一、采用的T型微镦粗实验法进行塑性微体积成形(微成形)实验，所述实验是基于微型冲头I、圆柱型试样2 (圆柱坯料)以及V型沟槽凹模3来实现的；在T型微镦粗实验过程中，圆柱型试样2在微型冲头I的作用下产生变形，并向V型沟槽凹模3的V型沟槽内填充，使成形件截面形状呈T形；步骤二、填充过程中微型冲头载荷与摩擦力成线性关系，采用冲头载荷-冲头位移曲线的斜率表征微成形过程摩擦系数；斜率值越大，摩擦系数就越大；步骤三、定义参数K为T型微镦粗实验过程圆柱型试样2向V型沟槽填充时冲头载荷-冲头位移曲线的斜率，作为评价微体积成形过程摩擦尺度效应的评价参数；K值与微成形过程摩擦系数或者摩擦因子成线性关系，可得K = A+BmK = C+D μ其中m为摩擦系数，μ为摩擦因子，A、B、C、D为与材料性能有关的常数。
具体实施方式
二 如图3 9所示，本实施方式所述的一种实现具体实施方式
一所述评价方法的塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，所述装置包括上层I、中层II、下层III、微型冲头I以及V型沟槽凹模3 ;所述上层I由由上至下设置的上模板6、上垫板7以及冲头固定板8接连在一起组成，上层I中通过销钉进行定位并通过螺钉进行连接；中层II由中间垫板9、合模板10以及加热圈16组成，中间垫板9位于合模板10的上方,加热圈16安装在合模板10上的中心孔内；下层III由凹模固定板11和下模座12组成，凹模固定板11位于下模座12的上方；上层I、中层II、下层III通过四根精密导柱5和八个导套4进行导向，中层II、下层III中各安装有四个导套4，每对下上设置的导套4同轴；上层I、中层II之间通过带有弹簧的连接柱15连接，在合模时，中间垫板9在带有弹簧的连接柱15的作用下运动，直至与下层III接触；通过连接柱内部的弹簧实现对压缩过程位移的输出，即上层I沿带有弹簧的连接柱15下行时，连接柱15上的弹簧被压缩，弹簧15-1的弹力驱动中层II下行合模；中层II和下层III之间设有四个弹簧17，且中层II和下层III之间设有连接侧板21，在开模时，中间垫板9在四个弹簧17的作用下弹起，并在连接侧板21的作用下限位；微型冲头I居中安装在上层I及中层II上，微型冲头I下部的工作端位于加热圈16内，V型沟槽凹模3安装在凹模固定板11上，且V型沟槽凹模3位于微型冲头I的正下方；力传感器14通过固定螺栓13固定在上垫板7内位于且位于微型冲头I上；力传感器14用于在T型微压缩过程中，进行测试试件变形过程冲头的载荷；激光位移传感器18通过螺栓安装在下模座12上；反射镜片19通过镜片固定板20安装在上模板6上，反射镜片19位于激光位移传感器18的正上方；激光位移传感器18通过测试反射镜片19的相对位置实现对上层I的位移测量。所述塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置在使用时，上模板6与微冲压设备上工作台固定，下模座与设备下工作台固定。
具体实施方式
三如图3 9所示，本实施方式中，中层II中的合模板10、下层III中的凹模固定板11各安装有四个导套4。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四如图3 9所示，本实施方式所述四个弹簧17均布安装在凹模固定板11上相应开孔内，四个弹簧17的上端均与合模板10接触。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
五如图3 9所示，本实施方式中，V型沟槽凹模3上的V型沟槽的两端分别安装有凹模封闭胶塞22。其它组成及连接关系与具体实施方式
二、三或四相同。针对本发明再进行如下说明本发明采用的T型微镦粗实验方法由微型冲头I、圆柱型试样2以及V型沟槽凹模3三个部分组成。圆柱坯料在冲头的作用下产生变形，由于成形件形状为T形，故称之为T型微镦粗实验法，如图I所示。在T型微镦粗过程中，圆柱试样在冲头作用下往凹模的V型沟槽填充，通过力学分析，填充过程中冲头载荷与摩擦力成线性关系。因此，采用冲裁载荷位移曲线的斜率表征微成形过程摩擦系数，如图2所示。从图中可以看出，斜率值越大，摩擦系数就越大。定义参数K为T型镦粗过程坯料向V型沟槽填充时载荷-位移曲线的斜率，作为评价微体积成形过程摩擦尺度效应的评价参数。由图I理论分析可知K值与微成形过程摩擦系数或者摩擦因子成线性关系，可得K = A+BmK = C+D μ其中m为摩擦系数，μ为摩擦因子，A、B、C、D为常数。本发明所述的塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置包括I、II、III上中下三个部分。第I层由上模板6、上垫板7以及冲头固定板8组成，该层中通过销钉进行定位，通过螺钉进行连接。第II层由中间垫板9、合模版10以及加热圈16组成，加热圈安装在合模版的中心孔内，在高温测试实验时使用。第III层由凹模固定板11和下模座12组成。整个装置在工作过程中，通过4根精密导柱5和8个导套4进行导向。上模板11与微冲压设备上工作台固定，下模座与设备下工作台固定。开模时，中间垫板9在4个弹簧17弹起，并在连接侧板21的作用下限位。合模时，中间垫板9在带有弹簧的连接柱15的作用下运动，直至与第III层接触，并通过连接柱内部的弹簧实现对压缩过程位移的输出。T型微压缩过程中，通过采用固定在上垫板7内的力传感器14进行测试变形过程冲头的载荷，力传感器14通过固定螺栓13固定在模具内。工作过程中，通过采用安装装置上的激光位移传感器18进行位移测量，激光位移传感器通过螺栓安装在下模座12上。装置的上模板上安装有镜片固定板20和反射镜片19，激光位移传感器通过测试镜片的相对位置实现对工作过程的位移测量。凹模封闭胶塞22安装在凹模的两端，在采用液体润滑实验时使用。本发明所述构件的选择(I)T型凹模尺寸推荐当微型试样直径为Imm时，凹模模具尺寸推荐为V型槽宽度为O. 5mm，圆角R为O. 1，V型沟槽角β为20°。(2)本装置采用的实验设备为的微冲压实验机，最大输出可达30ΚΝ，位移精度为·
10μ m,最大速度可达150mm/s。(3)力传感器采用日本Kyowa公司生产的LMB-A微型传感器，量程为500-2KN，线性度为0.5%。(4)激光位移传感器采用德国ME公司生产的ILD-2200-10位移传感器，分辨率为O. 5 μ m0(5)采用奥地利Dewetron公司生产的DEWE-3021高速数据采集系统，共有16个通道，采样率可达200KS/s/Ch，能够实现力和位移的完全同步采集。
权利要求
1.一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法，其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的 步骤一、采用的T型微镦粗实验法进行塑性微体积成形实验，所述实验是基于微型冲头(I)、圆柱型试样⑵以及V型沟槽凹模⑶来实现的； 在T型微镦粗实验过程中，圆柱型试样(2)在微型冲头(I)的作用下产生变形，并向V型沟槽凹模(3)的V型沟槽内填充，使成形件截面形状呈T形； 步骤二、填充过程中微型冲头载荷与摩擦力成线性关系，采用冲头载荷-冲头位移曲线的斜率评价微成形过程摩擦系数；斜率值越大，摩擦系数就越大； 步骤三、定义参数K为T型微镦粗实验过程圆柱型试样(2)向V型沟槽填充时冲头载荷-冲头位移曲线的斜率，作为评价微体积成形过程摩擦尺度效应的评价参数； K值与微成形过程摩擦系数或者摩擦因子成线性关系，可得 K = A+Bm K = C+D μ 其中m为摩擦系数，μ为摩擦因子，A、B、C、D为常数。
2.一种实现权利要求I所述评价方法的塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，其特征在于所述装置包括上层(I)、中层(II)、下层(III)、微型冲头(I)以及V型沟槽凹模(3);所述上层(I)由由上至下设置的上模板￠)、上垫板(7)以及冲头固定板(8)接连在一起组成冲层(II)由中间垫板(9)、合模板(10)以及加热圈(16)组成，中间垫板(9)位于合模板(10)的上方，加热圈(16)安装在合模板(10)上的中心孔内；下层(III)由凹模固定板(11)和下模座(12)组成，凹模固定板(11)位于下模座(12)的上方；上层(I)、中层(II)、下层(III)通过四根精密导柱(5)和八个导套(4)进行导向，中层(II)、下层(III)中各安装有四个导套⑷，每对下上设置的导套⑷同轴；上层(I)、中层(II)之间通过带有弹簧的连接柱(15)连接，在合模时，中间垫板(9)在带有弹簧的连接柱(15)的作用下运动，直至与下层(III)接触；中层(II)和下层(III)之间设有四个弹簧(17)，且中层(II)和下层(III)之间设有连接侧板(21)，在开模时，中间垫板(9)在四个弹簧(17)的作用下弹起，并在连接侧板(21)的作用下限位；微型冲头⑴居中安装在上层⑴及中层(II)上，微型冲头⑴下部的工作端位于加热圈(16)内，V型沟槽凹模(3)安装在凹模固定板(11)上，且V型沟槽凹模(3)位于微型冲头(I)的正下方；力传感器(14)固定在上垫板(7)内位于且位于微型冲头(I)上；力传感器(14)用于在T型微压缩过程中，进行测试试件变形过程冲头的载荷；激光位移传感器(18)安装在下模座(12)上；反射镜片(19)通过镜片固定板(20)安装在上模板(6)上,反射镜片(19)位于激光位移传感器(18)的正上方；激光位移传感器(18)通过测试反射镜片(19)的相对位置实现对上层(I)的位移测量。
3.根据权利要求2所述的一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，其特征在于中层(II)中的合模板(10)、下层(III)中的凹模固定板(11)各安装有四个导套(4)。
4.根据权利要求3所述的一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，其特征在于所述四个弹簧(17)均布安装在凹模固定板(11)上相应开孔内，四个弹簧(17)的上端均与合模板(10)接触。
5.根据权利要求2、3或4所述的一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价装置，其特征在于V型沟槽凹模(3)上的V型沟槽的两端分别安装有凹模封闭胶塞(22)。
全文摘要
一种塑性微体积成形摩擦尺度效应评价方法及评价装置，属于精密成形微摩擦领域，解决了不同润滑条件下塑性微成形摩擦系数的测量问题。所述实验是基于微型冲头、圆柱型试样以及V型沟槽凹模来实现的；采用冲头载荷-冲头位移曲线的斜率表征微成形过程摩擦系数；定义参数K为T型微镦粗实验过程圆柱型试样向V型沟槽填充时冲头载荷-冲头位移曲线的斜率，作为评价微体积成形过程摩擦尺度效应的评价参数；所述装置包括上层、中层、下层；微型冲头下部的工作端位于加热圈内，V型沟槽凹模安装在凹模固定板上，且V型沟槽凹模位于微型冲头的正下方；力传感器固定在上垫板内位于且位于微型冲头上。本发明特别适合塑性微体积成形摩擦尺度效应的评价。
文档编号G01N19/02GK102901701SQ201210420728
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者徐杰, 郭斌, 单德彬, 王春举 申请人:哈尔滨工业大学