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专利名称：铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测试装置，特别涉及铝合金板温成形过程摩擦测试中所使用的探针传感器。
背景技术：
随着能源和环境问题的日益尖锐，全球各大汽车制造商都努力加快汽车轻型化的研究与开发。汽车轻型化中一个很重要的内容就是汽车覆盖件的轻型化。由于铝合金板的质量比钢板轻而且强度好，满足轻型化的要求，因此已经开始被用来制造汽车覆盖件，但铝合金板的塑性非常差，在常温下难以成形。为了提高铝合金板的可成形性能，常常采用温成形工艺。在温成形过程中，板料的延展性增强，变形抗力降低，同时，在较高的温度下，产生应力松弛，降低了回弹，因而提高了覆盖件的成形精度。但是由于铝合金板温成形过程中摩擦特性比钢板成形时更为复杂，既受成形温度的影响，又有其固有的特点铝合金板表面的氧化层具有坚硬、易碎、强粘附的特点，而不是象钢板表面氧化层在成形时本身就可充当润滑剂。对铝合金覆盖件成形过程中摩擦和润滑现象缺乏深刻的认识，容易出现以下问题摩擦与润滑状态的不甚合理，造成板料在成形过程中出现起皱、破裂、塑性变形不足、尺寸超差等缺陷；板料成形有限元分析中摩擦边界条件确定的不甚合理，造成模拟分析结果与实际生产的不一致，严重影响了有限元分析技术在铝合金板料成形中的应用。因此，为了合理控制和利用摩擦与润滑，优化模具及工艺设计，提高覆盖件产品质量，降低不合格率，延长模具使用寿命，为从摩擦学角度来进行模具及工艺设计提供理论和实验依据，有必要对铝合金温成形过程的摩擦进行测试。板料成形摩擦测试是指对板料成形过程的摩擦力与摩擦系数进行测定，各国学者在这方面进行了研究，取得了一些进展。1977年，Ghosh进行了板料冲头拉延成形的实验，发现不同的载荷行程关系对摩擦条件有一定的影响。1978年，Nine进行了拉延筋的摩擦测试，研究了拉延筋与压料面上的摩擦现象，并估算出拉延筋处的摩擦系数。Duncan J.L.，School B.S.，Filho J.G.，A tensile strip test for evaluatingfriction in sheet metal forming，SAE Technical Paper，1978，No.780391.和Wang X.J.，Duncan J.L.，Devenpenck M.L.，J.of AppliedMetalworking，1983，3，3.在标准拉伸实验机设计了专用装置，用板料拉过凸模圆角的方法测试出冲头与板料之间的摩擦系数。但其装置在进行测试前要将板料预成形为U形，且板料与凸模的包角在实验过程中固定为90度，这与实际板料成形过程中包角发生变化有较大差别，对实验精度会产生一定的影响。Nine H.D.，IDDRG WGMeeting，Toronto，1988.设计了一种倾斜冲头可扭转的实验装置来测定摩擦系数，该装置采用液压驱动、计算机控制的加载系统，能控制扭转和轴向进给运动，模拟一些实际生产工况。但是，该方法稳定性较差，加上实验费用昂贵，故未能在板料成形摩擦实验研究方面发展。Wang W.，Robert H.，W.，A realistic friction test for sheet formingoperations，SAE Trans.of Materials & Manufacturing，1993，930807，915～922.对以前的实验装置进行了改进，于1993年设计出一种能模拟板料成形时凸模圆角处真实摩擦状态的实验装置。该装置考虑了润滑的影响，能模拟真实的变形过程和接触条件，板料与凸模的包角在变形过程中可以变化，通过采用旋转圆棒消除弯曲变形对测试的影响，能直接控制和测出载荷大小和加载行程，并计算出摩擦系数，测出相应的应变分布。Saha P.K.，Wilson W.R.D.，Influence of plasticstrain on friction in sheet metal forming，Wear，1994.将板料试样拉延经过圆柱棒料，以模拟简单板料成形过程，在各种几何与运动学条件下，进行了摩擦测试。Hus T.C.，Liu C.C.，“Intemal variable”effects inpunch friction characterization，Trans.of ASME，J.of Tibology，1998，121，510～516.进行了凸模摩擦系数的测试实验。他对比了各种润滑剂的影响，发现摩擦力由润滑剂内部的剪切阻力和直接接触面上的粘着阻力、犁沟阻力构成，摩擦力的大小与润滑剂的粘度、拉延速度以及接触表面粗糙度有关，在不同的润滑区域摩擦力不同，摩擦力随拉延速度的减小而增加。
上述摩擦测试方法的特点是用简单的测试装置来模拟模具，以板料的弯曲反弯曲变形来模拟复杂的板料成形过程，从而测量出板料在弯曲反弯曲过程的摩擦力或摩擦系数。但实际上，这种测试过程并不是真实的板料成形过程，特别是无法体现一般板料成形中所包含的拉深(drawing)的特点，即没有板料的厚向收缩。因此采用模拟测试实验所测得的摩擦力或摩擦系数并不等同于真实的板料成形过程的摩擦力与摩擦系数。尚未发现已有摩擦测试方法和摩擦测试装置能解决真实板料成形过程，特别是真实的铝合金板料温成形过程摩擦测试的问题。

发明内容
本实用新型提出了一种铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，以实时动态地测量出真实的板料温成形过程的摩擦力与摩擦系数，并且还可以运用于其它金属塑性成形过程的摩擦测试，如锻造、挤压成形等。
本实用新型的一种铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，包括垂直探针、垂直套筒、水平探针、水平套筒，垂直探针的底部位于垂直套筒内，使得垂直探针只能沿垂直方向移动；水平探针的底部位于水平套筒内，使得水平探针只能沿水平方向移动；水平探针端部伸入垂直套筒径向穿透孔并托住垂直探针底端，水平套筒一端装有调节螺钉、其端部顶住水平探针底端。
所述的铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，所述水平探针和垂直探针上贴有应变片，其引出导线连往应变测试系统。
探针摩擦测试法是一种直接测量方法，即将探针传感器安装在成形模具内，在真实的成形过程中实时地测量摩擦力与摩擦系数的变化规律，垂直探针和水平探针分别测量出板料成形过程中板料作用在垂直探针上表面的切向力(即摩擦力)T和正压力N，由库仑摩擦定律可得摩擦系数μ为μ＝T/N。
本实用新型的探针传感器具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、操作方便等特点；能够实时地测量出真实的板料成形过程的摩擦力和摩擦系数，为研究铝合金板温成形过程摩擦学特性提供了一种有效的实验手段；探针摩擦测试实验装置还能用于评价润滑剂的润滑效果；本实用新型的探针传感器也能应用于其它的塑性成形工艺，如锻造和挤压工艺。


图1为本实用新型的一种实施例；图2为水平探针的主视图和左视图；图3为水平套筒左视图及其A-A剖面图；图4为垂直套筒左视图及其A-A剖面图；图5为垂直探针主视图及其俯视图；图6为凹模的三面视图；图7为垂直探针固定板的三面视图；图8为采用本实用新型的摩擦测试实验装置局部结构示意图；图9为采用本实用新型的摩擦测试实验装置整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型具体说明。
如图1所示，垂直探针1的底部位于垂直套筒2内，水平探针3的底部位于水平套筒4内，水平探针端部伸入垂直套筒径向穿透孔，水平套筒4一端装有调节螺钉5、其端部顶住水平探针底端。
采用本实用新型的摩擦测试实验装置局部结构如图8所示，水平套筒4由紧固螺钉6固定在探针固定板10上，垂直套筒2由螺钉9固定在探针固定板10上，紧固螺母7可以固定调节螺钉5的位置，定位螺钉8可以固定水平探针3的位置，其中垂直探针1的底部必须和垂直套筒2有很好的配合，以保证垂直探针1只能沿垂直方向移动。由压边圈15压住的板料13在凸模16作用下由法兰部分向型腔流动时，作用在垂直探针1上表面的摩擦力使垂直探针1产生一个弯矩，而正向力则由垂直探针1传递至水平探针3，使水平探针3产生一个弯矩。这两个弯矩可分别由贴在垂直探针1上的垂直应变片12和水平探针3上的水平应变片11经动态应变仪和计算机测量并记录下来，从而可以得到所需测量的两个力T和N，并计算出摩擦系数μ。水平探针3的倾斜面和调节螺钉5是用来预先调节垂直探针1在凹模14表面的伸出量，以保证作用在垂直探针顶部的单位正压力等于单位压边力，使测试过程处于真实的板料成形状态。
铝合金板料温成形过程摩擦测试装置整体结构如图9所示。探针传感器T安装在凹模14内，用来测量铝板与凹模表面相互作用的摩擦力和摩擦系数。所述装置的其它组成部分为连接螺钉17、上模板18、销钉19、上隔热板20、凸模垫板21、凸模固定板22、螺母23、加热板24、垫圈25、下隔热板26、拉杆27、拉板28、材料试验机滑块29、打料杆30、工作台31、下模板32和凹模垫板33。
整个铝合金板料温成形过程摩擦在线测试系统还包括多用途三轴加载板材试验机一台(配备拉压力传感器、光栅尺和伺服控制阀)、DH5935动态应变测试系统一台、实验装置一套、加热管、加热板和热电偶若干、温度控制系统一台、各种自制探针传感器多个、Raytek非接触测温仪一台、计算机一台(控制、采集和分析)和自制的数据采集和分析软件。
为了确保该实验测试系统安全、顺利地进行，必须采用高温应变片。在应变片粘贴过程中，必须按以下工艺进行贴片1)将探针贴片表面打磨、清洗；2)在探针贴片面涂上高温胶；3)贴片于探针上并加压3公斤每平方厘米4)将探针置于加热炉内，升温至80℃，保温半小时；5)升温至100℃，保温一小时；6)升温至150℃，保温一小时；7)升温至260℃，保温二小时；8)关闭电炉电源，让已贴片探针随炉冷却。
摩擦测试实施1)对探针传感器进行检测标定；2)将探针传感器安装在铝合金板温成形模具内；3)将探针传感器按半桥方式连接在动态应变仪上；4)进行铝合金板温成形实验；5)用动态应变仪实时采集所测得的数据；6)利用自行开发的分析程序，计算出摩擦系数，并得出成形过程摩擦力和摩擦系数曲线图。
权利要求1.一种铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，包括垂直探针、垂直套筒、水平探针、水平套筒，垂直探针的底部位于垂直套筒内，使得垂直探针只能沿垂直方向移动；水平探针的底部位于水平套筒内，使得水平探针只能沿水平方向移动；水平探针端部伸入垂直套筒径向穿透孔并托住垂直探针底端，水平套筒一端装有调节螺钉、其端部顶住水平探针底端。
2.权利要求1所述的铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，其特征在于所述水平探针和垂直探针上贴有应变片，其引出导线连往应变测试系统。
专利摘要铝合金板温成形过程摩擦测试探针传感器，属于测试装置，以实时动态地测量出真实的板料温成形过程的摩擦力与摩擦系数，本实用新型包括垂直探针、垂直套筒、水平探针、水平套筒，垂直探针的底部位于垂直套筒内，使得垂直探针只能沿垂直方向移动；水平探针的底部位于水平套筒内，使得水平探针只能沿水平方向移动；水平探针端部伸入垂直套筒径向穿透孔并托住垂直探针底端，水平套筒一端装有调节螺钉、其端部顶住水平探针底端。本实用新型具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、操作方便等特点；能够实时测量板料成形过程的摩擦力和摩擦系数，还能用于评价润滑剂的润滑效果，也能应用于锻造和挤压工艺。
文档编号G01N19/02GK2681124SQ200420017080
公开日2005年2月23日 申请日期2004年2月3日 优先权日2004年2月3日
发明者李志刚, 郭正华 申请人:华中科技大学