一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置及方法
一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及摩擦学领域，具体地指一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置技术背景
[0002]近年来，随着对汽车轻量化、节能减排和安全性的要求日益提高，超高强度钢越来越多的被用于车体的重要结构件和安全零部件的制造，如A柱、B柱、防撞梁等。高强度钢板冷冲压成形后的强度可达800 - lOOOMPa，传统的冷冲压方法难以解决超高强度钢板在汽车车身制造中遇到的所需的成形载荷大，成形后零件的回弹难以控制，导致零件尺寸和形状稳定性变差等问题。在追求低成形力、超高强度的成形技术过程中，低合金高强钢热成形技术获得应用。
[0003]随着高强钢及热冲压成形技术在汽车工程中的推广应用，人们逐渐认识到，除了提高汽车结构件强度之外，零部件力学性能与车身安全性要求相匹配的问题同样值得关注，即同一零件的不同区域实际上有着不同的力学性能需求，获得零件定制力学性能一般有如下方式:还料初始温度定制化，模具温度定制化，冷却速率定制化。
[0004]摩擦在热成形过程中是至关重要的，影响着零件的最终质量，同时与零件与模具的表面磨损也直接相关。热成形过程中，热成形钢的摩擦因子测量一直是一个重要的科学问题，也引起了国内外众多学者的研宄，然而对于在定制条件下的热成形摩擦因子测量方法或装置却鲜有提及。随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明正是基于这一点提出了一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是要提供一种测量定制条件下热成形钢摩擦因子的方法及其装置，该装置和方法能使得我们获得在定制条件下的热成形钢摩擦因子，为实际生产和数值模拟参数设定提供指导。
[0006]为实现此目的，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置，其特征在于:
[0007]其包括加热炉，可控加热模具，压力加载装置，夹紧装置，滚珠丝杠，拉力传感器，压力传感器，温度测量仪，数据采集系统，炉温控制器，导轨，上支架，下底座；所述加热炉的加热温度受炉温控制器的控制；所述导轨位于加热炉一侧，所述滚珠丝杠位于导轨上方；所述滚珠丝杠由伺服电机驱动，带动夹紧装置，所述夹紧装置安装在导轨上，用于夹紧待测对象，在滚珠丝杠的作用下，夹紧装置带动待测对象作水平方向移动；拉力传感器安装在所述滚珠丝杠与夹紧装置之间；所述下底座位于滚珠丝杠和加热炉之间，所述上支架位于下底座上，两者之间留有空间，以供待测对象在其间水平移动；可控加热模具安装在下底座以及压力加载装置之间，可控加热模具由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间有空间供待测对象水平穿过；所述压力加载装置安装在上支架上，所述压力加载装置通过压力传感器向待测对象施加压力；
[0008]工作时，待测对象一端在加热炉内，另一端由夹紧装置夹紧，由伺服电机驱动下的滚珠丝杠通过拉力传感器，将拉力传递到夹紧装置，使待测对象水平移动；在移动过程中，待测对象同时接受位于上部的压力加载装置通过压力传感器传来的压力，和可控加热模具传来的热量；
[0009]所述温度测量仪是非接触式温度测量仪，用于测量待测对象进入可控加热模具时刻的温度，其输出与数据采集系统相连；所述数据采集系统，分别与拉力传感器、压力传感器、温度测量仪电气连接，在待测对象移出过程中，采集相应的温度、垂直压力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn计算出在不同温度下，待测对象移出过程中摩擦因子。
[0010]进一步的，在加热炉出口处装有可控气体流量喷射装置，在待测对象移出过程中，对其喷射气流以改变冷却速度。
[0011]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0012]进一步的，所述的可控加热模具用热作模具钢制成，内置可控加热器件。
[0013]进一步地，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度；
[0014]进一步的，所述的数据采集系统采集压力传感器、拉力传感器、温度测量仪、可控加热模具、可控气体流量喷射装置的压力、拉力、温度信息，并计算、存储和显示摩擦因子随温度变化的曲线。
[0015]相应地，基于所述装置，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，其特征在于包括如下步骤:
[0016](I)参数设定:设定压力加载装置压力值、可控加热模具的温度场、滚珠丝杠水平牵引速度、加热炉温度、数据采集系统采样频率、可控气体流量喷射装置的喷气流量；
[0017](2)首先启动数据采集系统，然后启动加热炉、可控加热模具；
[0018](3)当坯料和可控加热模具达到定制的温度场分布时，启动滚珠丝杠，其带动夹紧装置，使坯料按设定水平牵引速度移出加热炉；
[0019]在移出过程中，坯料受到压力加载装置通过可控加热模具上、下模块表面传来的压力，以及滚珠丝杠通过拉力传感器传来的拉力；可控气体流量喷射装置按设定的喷气流量向坯料喷射气流，使坯料按预定的冷却速度冷却；数据采集系统通过压力传感器、拉力传感器、温度测量仪，采集坯料受到的垂直压力、水平拉力，以及温度，送入数据采集系统；
[0020](4)数据采集系统根据采集的温度、垂直压力值Fn和水平拉力值F1，计算出在某一温度下，坯料移出过程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn。
[0021]进一步地，所述步骤(I)中，可控加热模具由热作模具钢制成，由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料水平穿过；可控加热模具内置可控加热器件，定制温度范围为25-550°C。模具中内置加热棒的位置分布根据随性原则来决定，即加热孔的开设尽量使得模具表面温度均匀，而非根据形状来决定。模具表面温度分布规律可通过数值模拟计算和实验验证获取，进而优化得到最优的加热棒分布位置。
[0022]进一步地，所述步骤(2)中，加热炉加热方式是感应加热、电阻丝炉加热或直接电加热，或者是三种加热方式的任意组合，坯料温度可为均匀温度，亦可为按照所设定的温度场分布，即定制化坯料温度。定制温度范围为25-950°C，加热保温温度为850-950°C，保温时间为3-10分钟。
[0023]进一步的，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度。
[0024]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0025]本发明中，数据采集系统包括计算机系统，数据采集系统具有采集、计算、存储、显示功能，而且还可对包含在垂直压力值Fn中的可控加热模具上模块质量所造成的附加压力进行修正。
[0026]本发明的设计原理为，利用所发明的测量装置，测量试件在定制条件下热成形钢的摩擦因子。具体为坯料温度连续变化条件下热成形钢摩擦因子的测量，不同模具温度下热成形钢摩擦因子的测量，不同冷却速率下热成形钢摩擦因子测量方法，不同初始组织条件下高强摩擦因子的测量。简单坯料试件温度的连续变化可通过加热装置实现，亦可通过混合加热方式实现更加复杂地坯料温度连续变化；可控加热模具温度可通过模具内置加热装置来实现和调节；不同冷却速率可通过调节压缩气体喷出流量来实现；不同的初始坯料组织则可以通过事先热处理来实现。
[0027]随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明通过定制热成形过程中不同条件并测定其摩擦因子，进而为实际加工生产提供指导，为数值模拟计算提供实验基础。本发明相对于传统的均一条件下摩擦因子的测量具有更大的应用前景。
【附图说明】
[0028]图1为本发明装置整体结构示意图
[0029]图2为实施定制坯料温度条件下的摩擦因子测试结果图
[0030]图3为实施定制模具温度条件下的模具温控原理示意图
[0031]图4为实施定制冷却速率条件下的环形装置示意图
[0032]图5为实施定制冷却速率条件下的摩擦因子测试结果图
[0033]图6为实施定制初始组织条件下的摩擦因子测试结果图
[0034]图中标记:加热炉1、坯料2、可控加热模具3、压力加载装置4、拉力传感器5、夹紧装置6、滚珠丝杠7、数据采集系统8、温度测量仪9、炉温控制器10、压力传感器11、可控气体流量喷射装置12、导轨13、上支架14、下底座15。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0036]如图1所示的定制条件下热成形钢摩擦因子测量装置，包括伺服电机、伺服控制系统、热成形钢坯料2、带动坯料进行直线运动的滚珠丝杠7、导轨13、用于加热坯料2的加热炉1、测定坯料2温度的温度测量仪9、控制加热炉I温度的炉温温控器10、测定拉力的拉力传感器5、施加压力的压力加载装置4、用于安装压力加载装置4的上支架14、用于测定压力的压力传感器11、用于夹紧坯料2的夹紧装置6、采集温度、压力、拉力和流量信息的数据采集系统8、下底座15、可控气体流量喷射装置12。
[0037]一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，主要步骤包括:设定压力加载装置4压力值，设定可控加热模具3的温度场、滚珠丝杠7水平牵引速度、数据采集系统8采样频率；启动数据采集系统8、加热炉1、可控加热模具3和滚珠丝杠7 ;夹紧装置6带动坯料2水平移除加热炉I ;可控气体流量喷射装置12向坯料2喷射气流；压力传感器11、拉力传感器5、温度测量仪9、可控加热模具3和可控气体流量 喷射装置12，采集坯料2受到的垂直压力、水平拉力、温度以及流量信息，送入数据采集系统8。
[0038]上述技术方案中，加热炉I加热方式是感应加热，实践中电阻丝炉加热、直接电加热也可以；可控加热模具3由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料2水平穿过；可控加热模具3由热作模具钢制成，内置可控加热器件，并由高温保温材料包裹。
[0039]上述技术方案中，加热炉温度和坯料温度可通过炉温控制器10使加热炉I保持在设定温度，温度范围为850-950°C，K型热电偶焊接在可控加热模具3表面。可控加热模具3可单独设定温度场，也可通过炉温控制器10设定温度场，模具温度范围为25-550°C。
[0040]上述技术方案中，滚珠丝杠7与拉力传感器5相连；压力加载装置4与压力传感器11相连；加载装置4安装在上支架14上，可控加热模具3安装在下底座15与压力加载装置4之间，可控加热模具3上下模块留有空间供坯料2水平穿过，上下模块完全对称，表面状况一致，上支架14和下底座15之间留有空间，可供待测对象在空间中移动；
[0041]上述技术方案中，坯料2—部分暴露在加热炉I外部，坯料温度由高温向低温连续变化，即本装置可以测得定制坯料温度条件下的摩擦因子。
[0042]上述技术方案中，可控加热模具3温度可以通过内置加热棒升至指定值，焊接在模具上的热电偶将模具表面的温度反馈至温度控制器，可控硅调节加热棒功率使得模具温度维持稳定，即本装置可以测得定制模具温度条件下的摩擦因子。
[0043]上述技术方案中，在加热炉I出口处装有可控气体流量喷射装置12的喷器口是环形的，喷射气体为压缩空气或氮气，冷却气体流量可以通过可控气体流量喷射装置12来控制，使得坯料试件2达到不同的冷却速率，即本装置可测得定制冷却速率条件下的摩擦因子。
[0044]上述技术方案中，可准备不同初始组织坯料2至于本装置中，即本装置可测得不同初始坯料试件组织条件下的摩擦因子。
[0045]上述技术方案中，可通过数据采集系统8采集压力传感器11、拉力传感器5、温度测量仪9、可控加热模具3、可控气体流量喷射装置12的压力、拉力、温度和流量信息，由内置计算机系统存储、计算和动态曲线显示。
[0046]说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0047]试验研宄表明，本装置可以测得在定制条件下热成形钢摩擦因子。实施例如下:
[0048]图2为实施定制坯料温度条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25 °C，定制坯料温度为250?850 °C连续变化。坯料温度单调增加时摩擦因子并不单调增加，而是低温区维持较低值，而后跳跃至极点值，最后在高温区稳定在较高值。
[0049]图3为实施定制模具温度条件下的模具温控原理示意图。加热棒对可控加热模具加热，焊接在模具表面的K型热电偶将温度反馈至控制器中，通过可控硅调节加热棒功率使模具表面维持在指定温度。
[0050]图4为实施定制冷却速率条件下的冷却气体喷射器。模具冷却气体通过喷射器导入，形成对试件的环形喷射，避免了传统单一面喷射装置使得上下表面冷却不均匀的缺陷。
[0051]图5为实施定制冷却速率条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25°C，定制三种冷却速率，分别为27.3°C /s、38.8 V /s和54.00C /S。随着冷却速率的提高，摩擦因子先下降后升高。
[0052]图6为实施定制初始组织条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出速率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25°C。a、b、c和d四种组织中，马氏体含量逐渐降低，珠光体/铁素体含量逐渐升高。随着初始组织中马氏体含量逐渐降低、珠光体/铁素体含量逐渐升高，摩擦因子呈现升高趋势。
【主权项】
1.一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置，其特征在于: 其包括加热炉(I)，可控加热模具(3)，压力加载装置(4)，夹紧装置(6)，滚珠丝杠(7)，拉力传感器(5)，压力传感器(11)，温度测量仪(9)，数据采集系统(8)，炉温控制器(10)，导轨(13)，上支架(14)，下底座(15)； 所述加热炉⑴的加热温度受炉温控制器(10)的控制； 所述导轨(13)位于加热炉⑴一侧，所述滚珠丝杠(7)位于导轨(13)上方；所述滚珠丝杠⑵由伺服电机驱动，带动夹紧装置(6)，所述夹紧装置(6)安装在导轨(13)上，用于夹紧待测对象，在滚珠丝杠(7)的作用下，夹紧装置￠)带动待测对象作水平方向移动；拉力传感器(5)安装在所述滚珠丝杠(7)与夹紧装置(6)之间； 所述下底座(15)位于滚珠丝杠(7)和加热炉(I)之间，所述上支架(14)位于下底座(15)上，两者之间留有空间，以供待测对象在其间水平移动；可控加热模具(3)安装在下底座(15)以及压力加载装置(4)之间，可控加热模具(3)由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间有空间供待测对象水平穿过； 所述压力加载装置(4)安装在上支架(14)上，所述压力加载装置(4)通过压力传感器(11)向待测对象施加压力； 工作时，待测对象一端在加热炉(I)内，另一端由夹紧装置(6)夹紧，由伺服电机驱动下的滚珠丝杠(7)通过拉力传感器(5)，将拉力传递到夹紧装置￠)，使待测对象水平移动；在移动过程中，待测对象同时接受位于上部的压力加载装置(4)通过压力传感器(11)传来的压力，和可控加热模具(3)传来的热量； 所述温度测量仪(9)是非接触式温度测量仪，用于测量待测对象进入可控加热模具(3)时刻的温度，其输出与数据采集系统(8)相连； 所述数据采集系统(8)，分别与拉力传感器(5)、压力传感器(11)、温度测量仪(9)电气连接，在待测对象移出过程中，采集相应的温度、垂直压力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn计算出在不同温度下，待测移出过程中摩擦因子。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在加热炉(I)出口处装有可控气体流量喷射装置(12)，在待测对象移出过程中，对其喷射气流以改变冷却速度。3.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的可控加热模具(3)用热作模具钢制成，内置可控加热器件。4.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的可控加热模具(3)用高温保温材料包裹。5.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述可控气体流量喷射装置(12)的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气。6.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的数据采集系统(8)采集压力传感器(11)、拉力传感器(5)、温度测量仪(9)、可控加热模具(3)、可控气体流量喷射装置(12)的压力、拉力、温度信息，并计算、存储和显示摩擦因子随温度变化的曲线。7.—种根据权利要求2所述装置的定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，其特征在于包括如下步骤: (I)参数设定:设定压力加载装置(4)压力值、可控加热模具(3)的温度场、滚珠丝杠(7)水平牵引速度、加热炉(I)温度、数据采集系统(8)采样频率、可控气体流量喷射装置(12)的喷气流量； (2)首先启动数据采集系统(8)，然后启动加热炉(I)、可控加热模具(3); (3)当坯料(2)和可控加热模具(3)达到定制的温度场分布时，启动滚珠丝杠(7)，其带动夹紧装置￠)，使坯料(2)按设定水平牵引速度移出加热炉(I); 在移出过程中，坯料(2)受到压力加载装置(4)通过可控加热模具(3)上、下模块表面传来的压力，以及滚珠丝杠(7)通过拉力传感器(5)传来的拉力；可控气体流量喷射装置(12)按设定的喷气流量向坯料(2)喷射气流，使坯料(2)按预定的冷却速度冷却；数据采集系统⑶通过压力传感器(11)、拉力传感器(5)、温度测量仪(9)，采集坯料⑵受到的垂直压力、水平拉力，以及温度，送入数据采集系统(8); (4)数据采集系统(8)根据采集的温度、垂直压力值Fn和水平拉力值F1，计算出在某一温度下，坯料移出过程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn。8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热炉(I)加热方式是感应加热、电阻丝炉加热或直接电加热，或者是三种加热方式的任意组合，加热保温温度为850-950 °C，保温时间为3-10分钟。9.根据权利要求7-8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(I)中，可控加热模具(3)由热作模具钢制成，由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料⑵水平穿过；可控加热模具(3)内置可控加热器件，定制温度范围为25-550°C。10.根据权利要求7-8所述的测量方法，其特征在于，所述的数据采集系统(8)可根据采集的温度信息，绘制出摩擦因子随温度变化的动态曲线。
【专利摘要】本发明所设计的一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置及方法，该装置包括加热炉系统，力监测系统，温度监测系统，流量检测系统、温度控制系统以及机械运动系统。该方法包括坯料温度连续变化条件下热成形钢摩擦因子的测量，不同模具温度下热成形钢摩擦因子的测量，不同冷却速率下热成形钢摩擦因子测量和不同初始组织条件下高强摩擦因子的测量。随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明正是基于这一点提出了一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置。
【IPC分类】G01N19/02
【公开号】CN104897564
【申请号】CN201510333076
【发明人】张宜生, 王子健, 朱彬
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
【技术领域】
[0001]本发明涉及摩擦学领域，具体地指一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置技术背景
[0002]近年来，随着对汽车轻量化、节能减排和安全性的要求日益提高，超高强度钢越来越多的被用于车体的重要结构件和安全零部件的制造，如A柱、B柱、防撞梁等。高强度钢板冷冲压成形后的强度可达800 - lOOOMPa，传统的冷冲压方法难以解决超高强度钢板在汽车车身制造中遇到的所需的成形载荷大，成形后零件的回弹难以控制，导致零件尺寸和形状稳定性变差等问题。在追求低成形力、超高强度的成形技术过程中，低合金高强钢热成形技术获得应用。
[0003]随着高强钢及热冲压成形技术在汽车工程中的推广应用，人们逐渐认识到，除了提高汽车结构件强度之外，零部件力学性能与车身安全性要求相匹配的问题同样值得关注，即同一零件的不同区域实际上有着不同的力学性能需求，获得零件定制力学性能一般有如下方式:还料初始温度定制化，模具温度定制化，冷却速率定制化。
[0004]摩擦在热成形过程中是至关重要的，影响着零件的最终质量，同时与零件与模具的表面磨损也直接相关。热成形过程中，热成形钢的摩擦因子测量一直是一个重要的科学问题，也引起了国内外众多学者的研宄，然而对于在定制条件下的热成形摩擦因子测量方法或装置却鲜有提及。随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明正是基于这一点提出了一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是要提供一种测量定制条件下热成形钢摩擦因子的方法及其装置，该装置和方法能使得我们获得在定制条件下的热成形钢摩擦因子，为实际生产和数值模拟参数设定提供指导。
[0006]为实现此目的，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置，其特征在于:
[0007]其包括加热炉，可控加热模具，压力加载装置，夹紧装置，滚珠丝杠，拉力传感器，压力传感器，温度测量仪，数据采集系统，炉温控制器，导轨，上支架，下底座；所述加热炉的加热温度受炉温控制器的控制；所述导轨位于加热炉一侧，所述滚珠丝杠位于导轨上方；所述滚珠丝杠由伺服电机驱动，带动夹紧装置，所述夹紧装置安装在导轨上，用于夹紧待测对象，在滚珠丝杠的作用下，夹紧装置带动待测对象作水平方向移动；拉力传感器安装在所述滚珠丝杠与夹紧装置之间；所述下底座位于滚珠丝杠和加热炉之间，所述上支架位于下底座上，两者之间留有空间，以供待测对象在其间水平移动；可控加热模具安装在下底座以及压力加载装置之间，可控加热模具由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间有空间供待测对象水平穿过；所述压力加载装置安装在上支架上，所述压力加载装置通过压力传感器向待测对象施加压力；
[0008]工作时，待测对象一端在加热炉内，另一端由夹紧装置夹紧，由伺服电机驱动下的滚珠丝杠通过拉力传感器，将拉力传递到夹紧装置，使待测对象水平移动；在移动过程中，待测对象同时接受位于上部的压力加载装置通过压力传感器传来的压力，和可控加热模具传来的热量；
[0009]所述温度测量仪是非接触式温度测量仪，用于测量待测对象进入可控加热模具时刻的温度，其输出与数据采集系统相连；所述数据采集系统，分别与拉力传感器、压力传感器、温度测量仪电气连接，在待测对象移出过程中，采集相应的温度、垂直压力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn计算出在不同温度下，待测对象移出过程中摩擦因子。
[0010]进一步的，在加热炉出口处装有可控气体流量喷射装置，在待测对象移出过程中，对其喷射气流以改变冷却速度。
[0011]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0012]进一步的，所述的可控加热模具用热作模具钢制成，内置可控加热器件。
[0013]进一步地，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度；
[0014]进一步的，所述的数据采集系统采集压力传感器、拉力传感器、温度测量仪、可控加热模具、可控气体流量喷射装置的压力、拉力、温度信息，并计算、存储和显示摩擦因子随温度变化的曲线。
[0015]相应地，基于所述装置，本发明提出一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，其特征在于包括如下步骤:
[0016](I)参数设定:设定压力加载装置压力值、可控加热模具的温度场、滚珠丝杠水平牵引速度、加热炉温度、数据采集系统采样频率、可控气体流量喷射装置的喷气流量；
[0017](2)首先启动数据采集系统，然后启动加热炉、可控加热模具；
[0018](3)当坯料和可控加热模具达到定制的温度场分布时，启动滚珠丝杠，其带动夹紧装置，使坯料按设定水平牵引速度移出加热炉；
[0019]在移出过程中，坯料受到压力加载装置通过可控加热模具上、下模块表面传来的压力，以及滚珠丝杠通过拉力传感器传来的拉力；可控气体流量喷射装置按设定的喷气流量向坯料喷射气流，使坯料按预定的冷却速度冷却；数据采集系统通过压力传感器、拉力传感器、温度测量仪，采集坯料受到的垂直压力、水平拉力，以及温度，送入数据采集系统；
[0020](4)数据采集系统根据采集的温度、垂直压力值Fn和水平拉力值F1，计算出在某一温度下，坯料移出过程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn。
[0021]进一步地，所述步骤(I)中，可控加热模具由热作模具钢制成，由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料水平穿过；可控加热模具内置可控加热器件，定制温度范围为25-550°C。模具中内置加热棒的位置分布根据随性原则来决定，即加热孔的开设尽量使得模具表面温度均匀，而非根据形状来决定。模具表面温度分布规律可通过数值模拟计算和实验验证获取，进而优化得到最优的加热棒分布位置。
[0022]进一步地，所述步骤(2)中，加热炉加热方式是感应加热、电阻丝炉加热或直接电加热，或者是三种加热方式的任意组合，坯料温度可为均匀温度，亦可为按照所设定的温度场分布，即定制化坯料温度。定制温度范围为25-950°C，加热保温温度为850-950°C，保温时间为3-10分钟。
[0023]进一步的，所述的可控加热模具用高温保温材料包裹，使得模具温度更快上升到更高温度。
[0024]进一步的，所述可控气体流量喷射装置的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气，保证坯料各区域获得一致的冷却速率。
[0025]本发明中，数据采集系统包括计算机系统，数据采集系统具有采集、计算、存储、显示功能，而且还可对包含在垂直压力值Fn中的可控加热模具上模块质量所造成的附加压力进行修正。
[0026]本发明的设计原理为，利用所发明的测量装置，测量试件在定制条件下热成形钢的摩擦因子。具体为坯料温度连续变化条件下热成形钢摩擦因子的测量，不同模具温度下热成形钢摩擦因子的测量，不同冷却速率下热成形钢摩擦因子测量方法，不同初始组织条件下高强摩擦因子的测量。简单坯料试件温度的连续变化可通过加热装置实现，亦可通过混合加热方式实现更加复杂地坯料温度连续变化；可控加热模具温度可通过模具内置加热装置来实现和调节；不同冷却速率可通过调节压缩气体喷出流量来实现；不同的初始坯料组织则可以通过事先热处理来实现。
[0027]随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明通过定制热成形过程中不同条件并测定其摩擦因子，进而为实际加工生产提供指导，为数值模拟计算提供实验基础。本发明相对于传统的均一条件下摩擦因子的测量具有更大的应用前景。
【附图说明】
[0028]图1为本发明装置整体结构示意图
[0029]图2为实施定制坯料温度条件下的摩擦因子测试结果图
[0030]图3为实施定制模具温度条件下的模具温控原理示意图
[0031]图4为实施定制冷却速率条件下的环形装置示意图
[0032]图5为实施定制冷却速率条件下的摩擦因子测试结果图
[0033]图6为实施定制初始组织条件下的摩擦因子测试结果图
[0034]图中标记:加热炉1、坯料2、可控加热模具3、压力加载装置4、拉力传感器5、夹紧装置6、滚珠丝杠7、数据采集系统8、温度测量仪9、炉温控制器10、压力传感器11、可控气体流量喷射装置12、导轨13、上支架14、下底座15。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0036]如图1所示的定制条件下热成形钢摩擦因子测量装置，包括伺服电机、伺服控制系统、热成形钢坯料2、带动坯料进行直线运动的滚珠丝杠7、导轨13、用于加热坯料2的加热炉1、测定坯料2温度的温度测量仪9、控制加热炉I温度的炉温温控器10、测定拉力的拉力传感器5、施加压力的压力加载装置4、用于安装压力加载装置4的上支架14、用于测定压力的压力传感器11、用于夹紧坯料2的夹紧装置6、采集温度、压力、拉力和流量信息的数据采集系统8、下底座15、可控气体流量喷射装置12。
[0037]一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，主要步骤包括:设定压力加载装置4压力值，设定可控加热模具3的温度场、滚珠丝杠7水平牵引速度、数据采集系统8采样频率；启动数据采集系统8、加热炉1、可控加热模具3和滚珠丝杠7 ;夹紧装置6带动坯料2水平移除加热炉I ;可控气体流量喷射装置12向坯料2喷射气流；压力传感器11、拉力传感器5、温度测量仪9、可控加热模具3和可控气体流量 喷射装置12，采集坯料2受到的垂直压力、水平拉力、温度以及流量信息，送入数据采集系统8。
[0038]上述技术方案中，加热炉I加热方式是感应加热，实践中电阻丝炉加热、直接电加热也可以；可控加热模具3由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料2水平穿过；可控加热模具3由热作模具钢制成，内置可控加热器件，并由高温保温材料包裹。
[0039]上述技术方案中，加热炉温度和坯料温度可通过炉温控制器10使加热炉I保持在设定温度，温度范围为850-950°C，K型热电偶焊接在可控加热模具3表面。可控加热模具3可单独设定温度场，也可通过炉温控制器10设定温度场，模具温度范围为25-550°C。
[0040]上述技术方案中，滚珠丝杠7与拉力传感器5相连；压力加载装置4与压力传感器11相连；加载装置4安装在上支架14上，可控加热模具3安装在下底座15与压力加载装置4之间，可控加热模具3上下模块留有空间供坯料2水平穿过，上下模块完全对称，表面状况一致，上支架14和下底座15之间留有空间，可供待测对象在空间中移动；
[0041]上述技术方案中，坯料2—部分暴露在加热炉I外部，坯料温度由高温向低温连续变化，即本装置可以测得定制坯料温度条件下的摩擦因子。
[0042]上述技术方案中，可控加热模具3温度可以通过内置加热棒升至指定值，焊接在模具上的热电偶将模具表面的温度反馈至温度控制器，可控硅调节加热棒功率使得模具温度维持稳定，即本装置可以测得定制模具温度条件下的摩擦因子。
[0043]上述技术方案中，在加热炉I出口处装有可控气体流量喷射装置12的喷器口是环形的，喷射气体为压缩空气或氮气，冷却气体流量可以通过可控气体流量喷射装置12来控制，使得坯料试件2达到不同的冷却速率，即本装置可测得定制冷却速率条件下的摩擦因子。
[0044]上述技术方案中，可准备不同初始组织坯料2至于本装置中，即本装置可测得不同初始坯料试件组织条件下的摩擦因子。
[0045]上述技术方案中，可通过数据采集系统8采集压力传感器11、拉力传感器5、温度测量仪9、可控加热模具3、可控气体流量喷射装置12的压力、拉力、温度和流量信息，由内置计算机系统存储、计算和动态曲线显示。
[0046]说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0047]试验研宄表明，本装置可以测得在定制条件下热成形钢摩擦因子。实施例如下:
[0048]图2为实施定制坯料温度条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25 °C，定制坯料温度为250?850 °C连续变化。坯料温度单调增加时摩擦因子并不单调增加，而是低温区维持较低值，而后跳跃至极点值，最后在高温区稳定在较高值。
[0049]图3为实施定制模具温度条件下的模具温控原理示意图。加热棒对可控加热模具加热，焊接在模具表面的K型热电偶将温度反馈至控制器中，通过可控硅调节加热棒功率使模具表面维持在指定温度。
[0050]图4为实施定制冷却速率条件下的冷却气体喷射器。模具冷却气体通过喷射器导入，形成对试件的环形喷射，避免了传统单一面喷射装置使得上下表面冷却不均匀的缺陷。
[0051]图5为实施定制冷却速率条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25°C，定制三种冷却速率，分别为27.3°C /s、38.8 V /s和54.00C /S。随着冷却速率的提高，摩擦因子先下降后升高。
[0052]图6为实施定制初始组织条件下的摩擦因子测试结果图。坯料移出速率为80mm/s，垂直压力为120N，模具温度为25°C。a、b、c和d四种组织中，马氏体含量逐渐降低，珠光体/铁素体含量逐渐升高。随着初始组织中马氏体含量逐渐降低、珠光体/铁素体含量逐渐升高，摩擦因子呈现升高趋势。
【主权项】
1.一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置，其特征在于: 其包括加热炉(I)，可控加热模具(3)，压力加载装置(4)，夹紧装置(6)，滚珠丝杠(7)，拉力传感器(5)，压力传感器(11)，温度测量仪(9)，数据采集系统(8)，炉温控制器(10)，导轨(13)，上支架(14)，下底座(15)； 所述加热炉⑴的加热温度受炉温控制器(10)的控制； 所述导轨(13)位于加热炉⑴一侧，所述滚珠丝杠(7)位于导轨(13)上方；所述滚珠丝杠⑵由伺服电机驱动，带动夹紧装置(6)，所述夹紧装置(6)安装在导轨(13)上，用于夹紧待测对象，在滚珠丝杠(7)的作用下，夹紧装置￠)带动待测对象作水平方向移动；拉力传感器(5)安装在所述滚珠丝杠(7)与夹紧装置(6)之间； 所述下底座(15)位于滚珠丝杠(7)和加热炉(I)之间，所述上支架(14)位于下底座(15)上，两者之间留有空间，以供待测对象在其间水平移动；可控加热模具(3)安装在下底座(15)以及压力加载装置(4)之间，可控加热模具(3)由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间有空间供待测对象水平穿过； 所述压力加载装置(4)安装在上支架(14)上，所述压力加载装置(4)通过压力传感器(11)向待测对象施加压力； 工作时，待测对象一端在加热炉(I)内，另一端由夹紧装置(6)夹紧，由伺服电机驱动下的滚珠丝杠(7)通过拉力传感器(5)，将拉力传递到夹紧装置￠)，使待测对象水平移动；在移动过程中，待测对象同时接受位于上部的压力加载装置(4)通过压力传感器(11)传来的压力，和可控加热模具(3)传来的热量； 所述温度测量仪(9)是非接触式温度测量仪，用于测量待测对象进入可控加热模具(3)时刻的温度，其输出与数据采集系统(8)相连； 所述数据采集系统(8)，分别与拉力传感器(5)、压力传感器(11)、温度测量仪(9)电气连接，在待测对象移出过程中，采集相应的温度、垂直压力值和水平拉力值，并按摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn计算出在不同温度下，待测移出过程中摩擦因子。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在加热炉(I)出口处装有可控气体流量喷射装置(12)，在待测对象移出过程中，对其喷射气流以改变冷却速度。3.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的可控加热模具(3)用热作模具钢制成，内置可控加热器件。4.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的可控加热模具(3)用高温保温材料包裹。5.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述可控气体流量喷射装置(12)的喷气口是环形的，所喷射的是压缩空气或者压缩氮气。6.根据权利要求1-2所述的测量装置，其特征在于，所述的数据采集系统(8)采集压力传感器(11)、拉力传感器(5)、温度测量仪(9)、可控加热模具(3)、可控气体流量喷射装置(12)的压力、拉力、温度信息，并计算、存储和显示摩擦因子随温度变化的曲线。7.—种根据权利要求2所述装置的定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法，其特征在于包括如下步骤: (I)参数设定:设定压力加载装置(4)压力值、可控加热模具(3)的温度场、滚珠丝杠(7)水平牵引速度、加热炉(I)温度、数据采集系统(8)采样频率、可控气体流量喷射装置(12)的喷气流量； (2)首先启动数据采集系统(8)，然后启动加热炉(I)、可控加热模具(3); (3)当坯料(2)和可控加热模具(3)达到定制的温度场分布时，启动滚珠丝杠(7)，其带动夹紧装置￠)，使坯料(2)按设定水平牵引速度移出加热炉(I); 在移出过程中，坯料(2)受到压力加载装置(4)通过可控加热模具(3)上、下模块表面传来的压力，以及滚珠丝杠(7)通过拉力传感器(5)传来的拉力；可控气体流量喷射装置(12)按设定的喷气流量向坯料(2)喷射气流，使坯料(2)按预定的冷却速度冷却；数据采集系统⑶通过压力传感器(11)、拉力传感器(5)、温度测量仪(9)，采集坯料⑵受到的垂直压力、水平拉力，以及温度，送入数据采集系统(8); (4)数据采集系统(8)根据采集的温度、垂直压力值Fn和水平拉力值F1，计算出在某一温度下，坯料移出过程中摩擦因子:摩擦因子=0.5X水平拉力F1/垂直压力Fn。8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热炉(I)加热方式是感应加热、电阻丝炉加热或直接电加热，或者是三种加热方式的任意组合，加热保温温度为850-950 °C，保温时间为3-10分钟。9.根据权利要求7-8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(I)中，可控加热模具(3)由热作模具钢制成，由上模块和下模块组成，上、下模块表面几何和物理特征相同，上、下模块之间留有空间供坯料⑵水平穿过；可控加热模具(3)内置可控加热器件，定制温度范围为25-550°C。10.根据权利要求7-8所述的测量方法，其特征在于，所述的数据采集系统(8)可根据采集的温度信息，绘制出摩擦因子随温度变化的动态曲线。
【专利摘要】本发明所设计的一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量装置及方法，该装置包括加热炉系统，力监测系统，温度监测系统，流量检测系统、温度控制系统以及机械运动系统。该方法包括坯料温度连续变化条件下热成形钢摩擦因子的测量，不同模具温度下热成形钢摩擦因子的测量，不同冷却速率下热成形钢摩擦因子测量和不同初始组织条件下高强摩擦因子的测量。随着定制力学性能的高强钢热成形零件的逐步应用，传统的测定坯料温度，模具温度，冷却速率和初始组织均一的热成形钢摩擦因子已经不能满足实际需求。本发明正是基于这一点提出了一种定制条件下热成形钢摩擦因子的测量方法及装置。
【IPC分类】G01N19/02
【公开号】CN104897564
【申请号】CN201510333076
【发明人】张宜生, 王子健, 朱彬
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
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