一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法与流程

1.本发明涉及摩擦因子测量领域，尤其是一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法。


背景技术：

2.金属材料锻造成形过程中，摩擦的存在对金属的流动有很大影响。尤其在高温条件下，金属材料与模具间的摩擦因子增大，进一步影响了材料的变形和流动。采用数值模拟分析材料的热加工变形行为，为了使数值模拟结果更精确，需要给出准确的高温摩擦系数。
3.为了测量摩擦系数的大小，传统方法通常采用圆环镦粗法来进行测量，通过测量圆环试样变形后内外圆的直径变化，并与理论校正曲线进行对比，得到摩擦系数。然而，这种方法通常在常温下使用，且理论校正曲线不能保证所有变形条件下都准确。
4.中国专利cn201611205090.3，《一种使用热力模拟机测量摩擦系数的方法》公开了一种使用热力模拟机测量摩擦系数的方法，通过数值模拟确定不同摩擦条件下试样变形后的中部直径尺寸，建立摩擦系数与中部直径尺寸一一对应的基准曲线，通过实验确定试样压缩变形后的实际中部直径尺寸，并与基准曲线进行对比，从而确定摩擦系数。采用这种方法确定摩擦系数时，摩擦系数与试样中部直径尺寸所构成的基准曲线的准确度至关重要。采用数值模拟确定不同摩擦系数下的试样中部直径，通常采用均匀的温度条件来进行模拟，然而，采用热力模拟实验机进行实际热压缩实验时，由于试样采用电流加热，待测的试样及压头与电极接触通电加热的同时，也在向外导热，达到温度平衡。试样中心处的温度可以稳定控制在实验设置的温度，而试样两端与压头的接触面则由于散热导致温度较低，因此试样上的温度不均匀，即试样中间温度高，试样两端温度低。随着压缩的进行，试样长度逐渐减小，传热条件发生变化，导致试样上不同位置的温度时刻发生变化，因此试样与压头的接触面温度也在发生变化，而摩擦系数的大小与温度有关，即随着变形的进行，试样与砧子间的摩擦系数也在发生变化。因此，采用这种方法所测量摩擦系数时，数值模拟过程没有考虑试样上的温度不均匀性，模拟所得基准曲线并不准确，导致计算所得摩擦系数也存在一定误差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：为解决传统方法测量热加工过程中材料与模具间的摩擦因子不准确的问题，提出一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法。
6.本发明的技术方案是：
7.提供一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法，所述方法是按照以下步骤进行的：
8.步骤一：准备热压缩柱状试样和热压缩压头，试样长度为l0，试样半径为r0；在所述试样上焊接多个热电偶；所述多个热电偶在所述试样柱面上纵向排布，且在试样中部与试样端部之间等间距排布；将试样置于两压头中间，施加预紧力夹紧试样；
9.在所述柱状试样的柱面中部设置位移传感器，用于实时测量热压缩过程中柱面的径向位移量，设置热压缩实验的参数，其中参数包括加热温度t和变形量，进行热压缩实验；
10.步骤二：提取热压缩实验数据，数据包括随压缩时间变化的各时刻压缩量s，以及各压缩量s对应的各热电偶的温度；
11.对所述各压缩量s下各个热电偶温度进行拟合，计算得到各压缩量s下的试样端面温度ts；
12.根据试样的初始直径和对应各压缩量s的径向位移量计算得到，各压缩量s下的试样中间截面直径d
exp
；并根据各压缩量s与对应的试样中间截面直径d
exp
拟合得到压缩量s与对应中间截面直径d
exp
的关系；
13.步骤三：通过数值模拟软件对步骤一的热压缩实验进行数值模拟，其中模拟参数包括步骤二得到的试样端面温度ts、试样中间截面温度、变形量以及摩擦因子，且试样中间截面温度为步骤一的加热温度t；摩擦因子为零，数值模拟后得到各压缩量s对应的试样中间截面的基准直径d0；
14.步骤四：再次进行至少两次热压缩数值模拟，第i次模拟得到各压缩量s与试样中间截面直径的对应关系，对于第i次模拟，在模拟前根据公式计算各压缩量s对应的当前摩擦因子mi：
[0015][0016]
并在模拟时将摩擦因子变更为mi，对各压缩量s对应的中间截面直径与实验所得中间截面直径d
exp
进行比较，当满足时，则结束模拟，并计算各压缩量s对应的摩擦因子m
i+1
；否则继续进行下一次数值模拟；
[0017]
步骤五：根据步骤二得到的各压缩量s与试样端面温度ts的对应关系，以及步骤四得到的各压缩量s与摩擦因子m
i+1
的对应关系，得到不同温度下的摩擦因子。
[0018]
进一步地，所述热压缩柱状试样和热压缩压头材料都为金属材料，且在相同变形条件下，热压缩压头的强度大于热压缩试样的强度。
[0019]
进一步地，热压缩柱状试样的长度l0与半径r0的比值范围在1～3；
[0020]
采用更大长径比的试样，即试样直径不变的情况下，试样长度增加了，由于热传导作用，试样与热压缩压头接触面温度会更低，因此，采用长径比更大的试样，可以获得更大温度范围内的摩擦因子；同时更长的试样也便于热电偶的焊接。
[0021]
进一步地，步骤一中所述多个热电偶数量为三个或四个。
[0022]
在试样上焊接三个或四个热电偶，既可以满足试样上多点位置温度测量，并通过拟合计算得到试样端面温度，又可以直接利用热模拟实验机的多通道温度测量系统，无需增加其他温度信号采集装置。
[0023]
进一步地，步骤一中，在热压缩压头上涂抹润滑剂，然后将试样置于两压头中间，施加预紧力夹紧试样。
[0024]
通过改变润滑剂，可以测量不同润滑条件下的摩擦系数。
[0025]
进一步地，热压缩实验的变形量范围为30％～70％。
[0026]
在热压缩过程中，由于端面摩擦的作用，试样会形成两端直径小，中间直径大的鼓形，变形量越大鼓形越明显，因此，采用较大的变形量，可以提高摩擦系数的计算准确度。
[0027]
进一步地，步骤二中，采用线性拟合方法对所述各压缩量s下各个热电偶温度进行拟合，计算得到各压缩量s下的试样端面温度ts；
[0028]
线性拟合方法简单、方便，可以快速计算得到试样端面温度。
[0029]
进一步地，步骤二中，采用高斯函数对所述各压缩量s下各个热电偶温度进行拟合，计算得到各压缩量s下的试样端面温度ts。
[0030]
实验结果表明，热压缩试样上的温度分布为中间区域温度高，两端温度低的，温度分布符合高斯函数特征，采用高斯函数对试样上各点温度进行拟合，计算得到的试样端面温度更准确。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
(1)本发明的一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法，考虑了试样上的温度不均匀性，通过多个热电偶测量试样压缩过程中不同位置的温度，并计算获得试样与热压缩压头接触面温度，将接触面温度作为边界条件代入数值模拟，模拟结果更精确，计算所得摩擦因子更准确。
[0033]
(2)本发明的一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法，获得了热压缩全过程试样中间截面直径变化规律，通过数值模拟所得试样中间截面直径尺寸与实验所得结果进行对比，对摩擦因子进行迭代修正，计算结果更准确。
[0034]
(3)本发明的一种利用热压缩实验测量高温摩擦因子的方法，由于热压缩过程试样与压头的接触面温度时刻发生变化，因此，采用本方法可以通过一次计算获得不同温度下的摩擦因子。
附图说明
[0035]
图1为本发明的利用热压缩实验测量高温摩擦因子流程图；
[0036]
图2为本发明的热压缩实验示意图；
[0037]
图3为本发明具体实施例1的热压缩试样不同位置温度变化曲线；
[0038]
图4为本发明具体实施例1的热压缩试样与压头接触面温度变化规律；
[0039]
图5a为本发明具体实施例1的试样直径实验值与第一次模拟结果对比；
[0040]
图5b为本发明具体实施例1的试样直径实验值与第三次模拟结果对比；
[0041]
图6为本发明具体实施例2的热压缩试样不同位置温度变化曲线；
[0042]
图7为本发明具体实施例2的热压缩试样与压头接触面温度变化规律；
[0043]
图8a为本发明具体实施例2的试样直径实验值与第一次模拟结果对比；
[0044]
图8b为本发明具体实施例2的试样直径实验值与第三次模拟结果对比；
[0045]
其中，1为热压缩试样，2为热电偶，3为热压缩压头，4为位移传感器。
具体实施方式
[0046]
将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应该被解释为限于本文中
阐述的示例。相反，描述这些示例，使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。
[0047]
下面结合附图并通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0048]
实施例1：
[0049]
步骤一：准备热压缩柱状试样和热压缩压头，其中，热压缩试样材料为钛合金，热压缩压头材料牌号为k403，试样长度为15mm，试样半径为5mm；在所述试样上焊接三个热电偶；所述三个热电偶在所述试样柱面上纵向排布，且在试样中部与试样端部之间等间距排布，间距为2.5mm；将试样置于两压头中间，施加预紧力夹紧试样；
[0050]
步骤二：在所述柱状试样的柱面中部设置位移传感器，用于实时测量热压缩过程中柱面的径向位移量，设置热压缩实验的参数，其中参数包括加热温度700℃，压缩变形量为50％，进行热压缩实验；
[0051]
步骤三：提取热压缩实验数据，数据包括随压缩时间变化的各时刻压缩量s，以及各压缩量s对应的各热电偶的温度，结果如图3所示，可以看出，试样中部热电偶温度t1始终稳定在700℃，而t2和t3的温度随着压缩量的增大逐渐增大，且在相同压缩量下，试样温度从中部到端面递减，即t1》t2》t3；
[0052]
对所述各压缩量s下各个热电偶温度进行拟合，计算得到各压缩量s下的试样端面温度ts，结果如图4所示，可以看出，试样端面温度随着压缩量的增大而增大；
[0053]
根据试样的初始直径和对应各压缩量s的径向位移量计算得到，各压缩量s下的试样中间截面直径d
exp
；并根据各压缩量s与对应的试样中间截面直径d
exp
拟合得到压缩量s与对应中间截面直径d
exp
的关系，结果如图5a所示；
[0054]
步骤四：通过数值模拟软件对步骤一的热压缩实验进行数值模拟，其中模拟参数包括步骤三得到的试样端面温度ts、试样中间截面温度、压缩变形量50％以及摩擦因子，且试样中间截面温度为步骤一的加热温度700℃；摩擦因子为零，数值模拟后得到各压缩量s对应的基准直径d0，结果如图5a所示；
[0055]
步骤五：设置摩擦因子m1＝1进行数值模拟，得到第1次模拟后压缩量s与试样中间截面直径的对应关系，结果如图5a所示；
[0056]
步骤六：根据公式代入各压缩量s下的中间接截面直径得到一组摩擦因子m2，将所述一组摩擦因子m2按照所对应的压缩量代入数值模拟软件，在所述温度条件不变的情况下进行第2次数值模拟，得到对应各压缩量s下的中间截面直径
[0057]
步骤七：根据公式代入各压缩量s下的中间接截面直径得到一组摩擦因子m3，将所述一组摩擦因子m3按照所对应的压缩量代入数值模拟软件，在所述温度条件不变的情况下进行第3次数值模拟，得到对应各压缩量s下的中间截面直径结果如图5b所示，可以看出与d
exp
基本重合；
[0058]
步骤八：由于第3次模拟的各压缩量s下的中间截面直径满足
条件，数值模拟结束。根据公式代入各压缩量s下的中间截面直径得到一组摩擦因子m4。
[0059]
步骤九：根据步骤三得到的各压缩量s与试样端面温度ts的对应关系，以及步骤八得到的各压缩量s与摩擦因子m4的对应关系，可以得到不同温度下的摩擦因子，如表1所示。
[0060]
表1实施例1三次模拟计算后的摩擦因子
[0061]
压缩量/mm接触面温度/℃摩擦因子0.95665℃0.2881.85670℃0.2903.13675℃0.2925.79680℃0.295
[0062]
实施例2：
[0063]
步骤一：准备热压缩柱状试样和热压缩压头，其中，热压缩试样材料为高温合金，热压缩压头材料为硬质合金，试样长度为12mm，试样半径为4mm；在所述试样上焊接四个热电偶；所述四个热电偶在所述试样柱面上纵向排布，且在试样中部与试样端部之间等间距排布，间距为1.5mm；将试样置于两压头中间，施加预紧力夹紧试样；
[0064]
步骤二：在所述柱状试样的柱面中部设置位移传感器，用于实时测量热压缩过程中柱面的径向位移量，设置热压缩实验的参数，其中参数包括加热温度1070℃，压缩变形量为50％，进行热压缩实验；
[0065]
步骤三：提取热压缩实验数据，数据包括随压缩时间变化的各时刻压缩量s，以及各压缩量s对应的各热电偶的温度，结果如图6所示，可以看出，试样中部热电偶温度t1始终稳定在1070℃，而t2、t3、t4的温度随着压缩量的增大逐渐增大，且在相同压缩量下，试样温度从中部到端面递减，即t1》t2》t3》t4；
[0066]
对所述各压缩量s下各个热电偶温度进行拟合，计算得到各压缩量s下的试样端面温度ts，结果如图7所示,可以看出，试样端面温度随着压缩量的增大而增大；；
[0067]
根据试样的初始直径和对应各压缩量s的径向位移量计算得到，各压缩量s下的试样中间截面直径d
exp
；并根据各压缩量s与对应的试样中间截面直径d
exp
拟合得到压缩量s与对应中间截面直径d
exp
的关系，结果如图8a所示；
[0068]
步骤四：通过数值模拟软件对步骤一的热压缩实验进行数值模拟，其中模拟参数包括步骤三得到的试样端面温度ts、试样中间截面温度、压缩变形量50％以及摩擦因子，且试样中间截面温度为步骤一的加热温度1070℃；摩擦因子为零，数值模拟后得到各压缩量s对应的基准直径d0，结果如图8a所示；
[0069]
步骤五：设置摩擦因子m1＝1进行数值模拟，得到第1次模拟后压缩量s与试样中间截面直径的对应关系，结果如图8a所示；
[0070]
步骤六：根据公式代入各压缩量s下的中间接截面直径得到一组摩擦因子m2，将所述一组摩擦因子m2按照所对应的压缩量代入数值模拟软件，在所述
温度条件不变的情况下进行第2次数值模拟，得到对应各压缩量s下的中间截面直径
[0071]
步骤七：根据公式代入各压缩量s下的中间接截面直径得到一组摩擦因子m3，将所述一组摩擦因子m3按照所对应的压缩量代入数值模拟软件，在所述温度条件不变的情况下进行第3次数值模拟，得到对应各压缩量s下的中间截面直径结果如图8b所示，可以看出与d
exp
基本重合；
[0072]
步骤八：由于第3次模拟的各压缩量s下的中间截面直径满足条件，数值模拟结束。根据公式代入各压缩量s下的中间截面直径得到一组摩擦因子m4。
[0073]
步骤九：根据步骤三得到的各压缩量s与试样端面温度ts的对应关系，以及步骤八得到的各压缩量s与摩擦因子m4的对应关系，可以得到不同温度下的摩擦因子，如表2所示。
[0074]
表2实施例2三次模拟计算后的摩擦因子
[0075][0076][0077]
已出于例示和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比不同的优点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。