一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置与测试方法
【专利摘要】一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置与测试方法，属于材料成形领域。所述测试装置包括上模部分和下模部分，上模部分由上模板、上模块、上隔热环、螺钉和销钉组成，下模部分由下模板、下模块、下隔热环、弹簧、电加热丝、石棉隔热板、热电偶测温计、螺钉和销钉组成。工作时，利用电加热丝对测试装置加热，热电偶测温计实时读取坯料和下模块的温度；下隔热环外壁插入上隔热环内壁并保持滑动配合，不仅对上模部分起导向作用，同时通过上、下隔热环和石棉隔热板大大减小坯料以及下模块的散热；利用圆环镦粗法进行摩擦系数和摩擦因子的测试。本发明能够在比较准确的温度范围测量热塑性成形的摩擦特性参数，不需要专用设备，简单易行。
【专利说明】一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置与测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料成形领域，尤其涉及一种金属热塑性成形过程摩擦特性的测试装置与测试方法。
【背景技术】
[0002]塑性成形是金属材料的重要加工方法之一。为提高成形过程金属的塑性变形能力、降低变形抗力，许多塑性成形都需要在高温状态下进行。同时，成形过程中工件与模具的接触面上存在压力以及摩擦力的强烈作用，会对生产带来负面的影响，例如增大变形抗力、模具磨损、工件表面擦伤，以及改变变形体内的应力状态、产生残余应力等。为了减小摩擦、提高模具使用寿命以及塑性成形的质量，实践中一般要采取适当的润滑措施，即在工件和模具的接触面上涂敷一定的润滑剂。由于塑性成形时材料不断变形、摩擦面不断变化，且接触面上的压强和温度一般很高，因此塑性成形的摩擦与润滑问题十分复杂，迄今对摩擦机理及影响因素、理论分析方法等相关问题的认识仍有待深入。
[0003]准确测定塑性成形过程的摩擦系数(或摩擦因子)等摩擦特性参数，对计算成形载荷、提高塑性成形数值模拟的精度、分析和预测成形的缺陷以及合理指导生产实践等均具有重要意义。目前，测定塑性成形过程摩擦特性参数的实验方法主要有圆环镦粗法、轧制法等。但这些方法在测试热态下塑性成形的摩擦特性参数时，由于试样在加热炉中取出后降温很快，以及试样和模具的温度无法准确控制等原因，测试结果常常存在很大误差。利用Gleeble热模拟机等设备，虽然可以在相对准确的温度条件下进行热压缩等实验，并在此基础上测定热塑性变形过程的摩擦特性参数，但除了试验成本高以外，受到设备本身的限制，热模拟试验机能够压缩的试样尺寸较小，很难采用常规的圆环镦粗法测量热塑性变形过程的摩擦系数；另外，热模拟机一般采用对试样两端接通电流的电阻加热方式，在测试不导电的玻璃基润滑剂等材料时，实验就难以进行。
[0004]鉴于现有方法存在温度难以准确控制、测试误差大、操作不便等问题，有必要寻找一种能够模拟实际热塑性成形过程，准确控制试样与模具温度，且容易实现、精度较高的塑性成形摩擦特性参数的测试手段。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置，以及利用该装置进行的热塑性成形摩擦特性参数的测试方法。
[0006]本发明提供的热塑性成形摩擦特性参数的测试装置，包括上模部分和下模部分。上模部分由上模板、上模块、上隔热环、螺钉和销钉组成。上模板是外形为圆形或矩形的厚板，厚板下表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面与上模板的上表面之间有台阶状通孔和圆形通孔；上模块为圆柱体，材料与实际热塑性成形模具所用的材料相一致，所述圆柱体的顶面与上模板的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与上模板圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的顶面在与所述上模板圆形凹槽内的台阶状通孔和圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉将上模板和上模块连接，用销钉将上模板和上模块定位；上隔热环为中空的环状体，所述环状体上端的外壁采用紧配合方式嵌入所述上模板的圆形凹槽内。
[0007]下模部分由下模板、下模块、下隔热环、弹簧、电加热丝、石棉隔热板、热电偶测温计、螺钉和销钉组成。下模板是外形为圆形或矩形的厚板，厚板上表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面和下模板的下表面之间有台阶状通孔和圆形通孔，沿板厚方向的中间有一个与上、下表面平行的横向通孔，所述横向通孔穿过下模板圆形凹槽的轴心，在圆形凹槽的轴心及其两侧有三个垂直通孔与所述横向通孔相连，且所述圆形凹槽轴心两侧的垂直通孔中，一个离圆形凹槽的轴心较近，另一个离圆形凹槽的轴心较远。下模块为圆柱体，材料与实际热塑性成形模具所使用的材料相一致，所述圆柱体的侧壁有石棉隔热板，圆柱体的底面与所述下模板的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与下模板圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的底面在与下模板圆形凹槽内的台阶状通孔以及圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉将下模板和下模块连接，用销钉将下模板和下模块定位；下模块的圆柱体的中间有一个通孔，在与离所述下模板圆形凹槽的轴心较近的垂直通孔对应位置有一个盲孔。下隔热环为中空的环状体，环状体内壁有石棉隔热板，外壁的下端有一个凸台阶，且凸台阶下端采用紧配合嵌入所述下模板的圆形凹槽内，下隔热环的环状体外、在凸台阶上方外套有一个弹簧，下隔热环内壁的石棉隔热板和下模块侧壁的石棉隔热板之间有电加热丝，电加热丝的导线通过下模板上离圆形凹槽的轴心较远的一个垂直通孔和横向通孔引出到下模部分的外面。
[0008]在测试前，测试装置的上模部分放到下模部分上，下隔热环的外壁插入上隔热环的内壁并保持滑动配合，一方面对上模部分向下的运动起导向作用，同时又将上、下模块和电加热丝与外界隔开，起到隔热的作用。所述下隔热环凸台阶上的弹簧与上隔热环底面相接触，并向上支撑上隔热环和整个上模部分，使得在上模部分向下运动前，上模块的底面与下模块上表面的坯料之间有2?4_的间隙。一个热电偶测温计的导线穿过下模板的横向通孔、圆形凹槽轴心位置的垂直通孔进入下模块中间的通孔，另一个热电偶测温计的导线穿过下模板的横向通孔、离圆形凹槽的轴心较近的一个垂直通孔进入下模块的盲孔，分别测量下模块上表面中间位置和盲孔中的温度，代表试样的温度和下模块的温度。
[0009]本发明提供的热塑性成形摩擦特性的测试方法包括以下步骤:
[0010](I)将测试装置的上、下模部分闭合，用螺钉和压板将下模部分固定在压力机的工作台面上；
[0011](2)将按照圆环镦粗法制作的环形坯料放到加热炉中加热，读取加热炉的温度数据；
[0012](3)将下模部分的电加热丝接通电流进行加热，同时利用两个热电偶测温计读取下模块上表面中间位置和盲孔中的温度，当温度达到预定值时切断电流；
[0013](4)根据坯料的材料种类，将坯料在加热炉中加热到该材料热锻温度的上限后取出，表面快速喷涂上润滑剂，然后打开测试装置的上模部分，将坯料放入下模块上平面的中间位置，再将上模部分放在下模部分上，闭合测试装置；
[0014](5)读取此时热电偶测温计记录的下模块上表面中间位置和盲孔中的温度，如果两个温度有一个低于允许的数值，则下模部分的电加热丝接通电流进行加热，直到读取的两个温度值均达到允许的范围；[0015](6)开动压力机，使上模部分向下压并完成压缩过程，然后拿开上模部分，取出试样；
[0016](7)测量环形试样压缩后的内径，并按照圆环镦粗法将测量尺寸与理论校正曲线比较，得出摩擦系数或摩擦因子；
[0017](8)重复以上过程，取三次试验的平均值作为摩擦系数或摩擦因子的测试结果。
[0018]与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果:
[0019]本发明提供的热塑性成形摩擦特性参数的测试装置和测试方法，利用电加热丝对测试装置进行加热，利用上、下隔热环和石棉隔热板大大减小坯料以及上、下模块向外的散热，同时通过热电偶测温计实时测量坯料以及下模块的温度，再利用圆环镦粗法完成摩擦特性参数的测量，能够在比较准确的温度范围测量热塑性成形的摩擦系数和摩擦因子，且不需要专用设备、简单易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为测试装置的示意图，图中左边为上、下模部分闭合，但压力机滑块尚未压下的自由状态，右边为上、下模部分闭合，且上模部分被压力机向压下的状态。
[0021]图2为测试装置的俯视图。图中左边为从上模部分顶面向下的投影，右边为拿开上模部分后的下模部分的投影视图；
[0022]图3为上模板的侧向剖视图；图4为上模板的俯视图；
[0023]图5为上模块的侧向剖视图；图6为上模块的俯视图；
[0024]图7为下隔热环的侧向剖视图；图8为下隔热环的俯视图；
[0025]图9为上隔热环的俯视图；图10为上隔热环的侧向剖视图；
[0026]图11为下模板的侧向剖视图；图12为下模板的俯视图；
[0027]图13为下模块的侧向剖视图；图14为下模块的俯视图。
[0028]图1~图12中，I—螺钉；2—上模块；3—试样；4一上隔热环；5—下模块；6—下模板；7—导线；8—热电偶测温计；9 —电加热丝；10—石棉隔热板；11—弹簧；12—下隔热环；13—上模板；14一销钉。
【具体实施方式】
[0029]下面以测定外径D=40mm,内径d=20mm,高H=IOmm的7050招合金圆环在350~450°C范围的热塑性成形摩擦系数为例，说明本发明的【具体实施方式】。
[0030]测试装置包括上模部分和下模部分。上模部分由上模板(13)、上模块(2)、上隔热环(4)、螺钉(I)和销钉(14)组成。上模板(13)是外形为圆形的厚板，厚板下表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面与上模板(13)的上表面之间有台阶状通孔和圆形通孔；上模块(2)为圆柱体，材料为H13模具钢，所述圆柱体的顶面与上模板(13)的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与上模板(13)圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的顶面在与所述上模板(13)圆形凹槽内的台阶状通孔和圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉(I)将上模板(13)和上模块(2)连接，用销钉(14)将上模板(13)和上模块(2)定位；上隔热环(4)为中空的环状体，所述环状体上端的外壁采用紧配合方式嵌入所述上模板(13)的圆形凹槽内。[0031]下模部分由下模板(6)、下模块(5)、下隔热环(12)、弹簧(11)、电加热丝(9)、石棉隔热板(10)、热电偶测温计(8)、螺钉(I)和销钉(14)组成。下模板(6)是外形为圆形的厚板，厚板上表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面和下模板(6)的下表面之间有台阶状通孔和圆形通孔，沿板厚方向的中间有一个与上、下表面平行的横向通孔，所述横向通孔穿过下模板(6)圆形凹槽的轴心，在圆形凹槽的轴心及其两侧有三个垂直通孔与所述横向通孔相连，且所述圆形凹槽轴心两侧的垂直通孔中，一个离圆形凹槽的轴心较近，另一个离圆形凹槽的轴心较远。下模块(5)为圆柱体，材料为H13模具钢，所述圆柱体的侧壁有石棉隔热板(10)，圆柱体的底面与所述下模板(6)的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与下模板(6)圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的底面在与下模板(6)圆形凹槽内的台阶状通孔以及圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉(I)将下模板(6)和下模块(5)连接，用销钉(14)将下模板(6)和下模块(5)定位；下模块(5)的圆柱体的中间有一个通孔，在与离所述下模板(6)圆形凹槽的轴心较近的垂直通孔对应位置有一个盲孔。下隔热环(12)为中空的环状体，环状体内壁有石棉隔热板(10)，外壁的下端有一个凸台阶，且凸台阶下端采用紧配合嵌入所述下模板(6)的圆形凹槽内，下隔热环(12)的环状体外、在凸台阶上方外套有一个弹簧(11)，且下隔热环(12)内壁的石棉隔热板(10)和下模块(5)侧壁的石棉隔热板
(10)之间有电加热丝(9)，电加热丝(9)的导线通过下模板(6)上离圆形凹槽的轴心较远的一个垂直通孔和横向通孔弓I出到下模部分的外面。
[0032]测试过程包括以下步骤:
[0033](I)上、下模部分闭合，用螺钉将下模部分固定在压力机的工作台面上；
[0034](2)将外径D=40mm,内径d=20mm,高H=IOmm的7050招合金圆环还料放在加热炉中进行加热，同时读取加热的温度数据；
[0035](3)下模部分的电加热丝接通电流进行加热，同时利用两个热电偶测温计(8)读取下模块(5)上表面中间位置和盲孔中的温度，当温度达到250°C，切断电流；
[0036](4)将坯料在加热炉中加热到450°C后取出，表面快速喷涂上润滑剂，打开测试装置的上模部分，将坯料放入下模块上平面的中间位置，然后将上模部分放在下模部分上，测试装置闭合；
[0037](5)读取此时热电偶测温计(8)记录的下模块(5)上平面中间位置和盲孔中的温度，如果中间位置的温度低于350°C，或者盲孔中的温度低于200°C，则电加热丝接通电流进行加热，直到两个温度分别大于350°C和200°C ；
[0038](6)开动压力机，将上模部分下压并完成压缩过程，然后将上模部分拿开，取出试样；
[0039](7)测量环形试样压缩后的内径，并按照圆环镦粗法将内径尺寸与理论校正曲线相比较，得出摩擦系数或摩擦因子；
[0040](8)重复以上过程，取三次试验的平均值作为摩擦系数或摩擦因子的测试结果。
【权利要求】
1.一种热塑性成形摩擦特性参数的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括上模部分和下模部分；上模部分由上模板、上模块、上隔热环、螺钉和销钉组成，上模板是外形为圆形或矩形的厚板，厚板下表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面与上模板的上表面之间有台阶状通孔和圆形通孔；上模块为圆柱体，材料与实际热塑性成形模具所用的材料相一致，所述圆柱体的顶面与上模板的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与上模板圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的顶面在与所述上模板圆形凹槽内的台阶状通孔和圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉将上模板和上模块连接，用销钉将上模板和上模块定位；上隔热环为中空的环状体，所述环状体上端的外壁采用紧配合方式嵌入所述上模板的圆形凹槽内； 下模部分由下模板、下模块、下隔热环、弹簧、电加热丝、石棉隔热板、热电偶测温计、螺钉和销钉组成，下模板是外形为圆形或矩形的厚板，厚板上表面的中间有一个圆形凹槽，圆形凹槽的底面和下模板的下表面之间有台阶状通孔和圆形通孔，沿板厚方向的中间有一个与上、下表面平行的横向通孔，所述横向通孔穿过下模板圆形凹槽的轴心，在圆形凹槽的轴心及其两侧有三个垂直通孔与所述横向通孔相连，且所述圆形凹槽轴心两侧的垂直通孔中，一个离圆形凹槽的轴心较近，另一个离圆形凹槽的轴心较远；下模块为圆柱体，材料与实际热塑性成形模具所使用的材料相一致，所述圆柱体的侧壁有石棉隔热板，圆柱体的底面与所述下模板的圆形凹槽的底面贴合，且轴心与下模板圆形凹槽的轴心对齐，圆柱体的底面在与下模板圆形凹槽内的台阶状通孔以及圆形通孔相对应的位置，分别加工有螺纹孔和光孔，用螺钉将下模板和下模块连接，用销钉将下模板和下模块定位；下模块的圆柱体的中间有一个通孔，在与离所述下模板圆形凹槽的轴心较近的垂直通孔对应位置有一个盲孔；下隔热环为中空的环状体，环状体内壁有石棉隔热板，外壁的下端有一个凸台阶，且凸台阶下端采用紧配合嵌入所述下模板的圆形凹槽内，下隔热环的环状体外、在凸台阶上方外套有一个弹簧，且下隔热环内壁的石棉隔热板和下模块侧壁的石棉隔热板之间有电加热丝，电加热丝的导线通过下模板上离圆形凹槽的轴心较远的一个垂直通孔和横向通孔引出到下模部分的外面。
2.如权利要求一所述的热塑性成形摩擦特性参数的测试装置，其特征在于，在测试前，测试装置的上模部分放到下模部分上，下隔热环的外壁插入上隔热环的内壁并保持滑动配合；下隔热环凸台阶上的弹簧与上隔热环底面相接触，并向上支撑上隔热环和整个上模部分，使得在上模部分向下运动前，上模块的底面与下模块上表面的坯料之间有2~4mm的间隙；一个热电偶测温计的导线穿过下模板的横向通孔、圆形凹槽轴心位置的垂直通孔进入下模块中间的通孔，另一个热电偶测温计的导线穿过下模板的横向通孔、离圆形凹槽的轴心较近的一个垂直通孔进入下模块的盲孔。
3.一种利用权利要求一所述测试装置进行的热塑性成形摩擦特性参数的测试方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将测试装置的上、下模部分闭合，用螺钉和压板将下模部分固定在压力机的工作台面上； (2)将按照圆环镦粗法制作的环形坯料放到加热炉中加热，读取加热炉的温度数据； (3)将下模部分的电加热丝接通电流进行加热，同时利用两个热电偶测温计读取下模块上表面中间位置和盲孔中的温度 ，当温度达到预定值时切断电流；(4)根据坯料的材料种类，将坯料在加热炉中加热到该材料热锻温度的上限后取出，表面快速喷涂上润滑剂，然后打开测试装置的上模部分，将坯料放入下模块上平面的中间位置，再将上模部分放在下模部分上，闭合测试装置； (5)读取此时热电偶测温计记录的下模块上表面中间位置和盲孔中的温度，如果两个温度有一个低于允许的数值，则下模部分的电加热丝接通电流进行加热，直到读取的两个温度值均达到允许的范围； (6)开动压力机，使上模部分向下压并完成压缩过程，然后拿开上模部分，取出试样； (7)测量环形试样压缩后的内径，并按照圆环镦粗法将测量尺寸与理论校正曲线比较，得出摩擦系数或摩擦因子； (8)重复以上过程， 取三次试验的平均值作为摩擦系数或摩擦因子的测试结果。
【文档编号】B30B15/02GK103612415SQ201310631555
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】温彤, 周杰, 张硕, 黄倩, 岳远旺 申请人:重庆大学