一种金属管材液压成形时导向区摩擦系数的测量装置及其测
量方法
技术领域
背景技术
[0002] 管材液压成形技术由于具有工序少、成本低、重量轻等优点而成为现代轻量化技术的主体。在管材液压成形过程中，管材导向区（具体
位置见
附图1）的摩擦对成形性能起着举足轻重的作用，它会阻止材料向胀形区（附图1）的塑性流动，不仅影响成形件的
质量，而且会加剧模具磨损、降低模具寿命；另外，不准确的摩擦边界条件将会造成数值模拟结果不可靠，因此，提出一种金属管材液压成形过程中导向区摩擦系数的测量方法具有极大的意义。
[0003] 目前，金属管材液压成形过程中摩擦系数的测量主要采用直接测量法和间接测量法。直接测量方法是使用液压设备和模具等使金属管材产生胀形，通过压
力机构使管材在模具内滑动，然后利用力
传感器直接测量管材所受的
摩擦力和
正压力，从而计算出摩擦系数。例如，公开日为2006年7月1日，公开号为TW257479B的台湾发明
专利公开了一种管材液压成形导向区摩擦系数的测量方法，其工艺过程是这样实现的：首先将管材置于直筒状模具中，两端密封，向管材内通入高压液体，然后推动管材在模具内滑动，假设管材内液体压力与管材和模具之间
接触压力相等，则通过测量轴向进给力即可计算摩擦系数。这种方法原理简单，摩擦力直接可测，但缺点是，关于管材内部液体压力与接触压力相等的假设会对摩擦系数计算结果造成一定的误差；另外，在测量过程中，管材并未发生胀形，这与实际的液压成形也有一定的差异。公开日为2010年10月20日，公布号为CN101865818A的中国发明专利公开了一种管材塑性
变形时摩擦系数的测量方法，其工艺过程是这样实现的：首先将管材置于成形模具中，向管材内注入高压液体，推动管材使其与模具发生相对滑动，然后通过测力传感器测量出管材外壁所受的径向压力及管材沿轴向运动所需的拉力，最后根据库伦摩擦条件计算出管材在不同变形程度下的摩擦系数。此方法可以连续地测量管材在不同的塑性变形时的摩擦系数，但需要外界压力设备推动管材在模腔内滑动，应用环境条件较高。摩擦系数间接测量方法是通过试验和数值模拟结果找到一些易于测量的指标，这些测量指标对于摩擦系数的变化极其敏感，可以用来表征摩擦系数的大小。例如，参考文献《基于径压胀形确定管材的摩擦因数》（杨连发, 邓洋, 郭成. 机械工程学报, 2007, 43(1): 200-205.）用管材液压成形变形后的管材截面对
角线长度差表征摩擦系数。此方法原理简单，但工作量大，摩擦系数的标定比较困难，结果不太精确。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对目前管材液压成形导向区摩擦系数测量方法的不足，而提供一种管材液压成形时导向区摩擦系数的测量装置及其测量方法，该装置无需压力设备推动管材滑动，也无需假设管材内液体压力与接触压力相等，可以直接同时测量管材导向区的摩擦力与径向力，提高了测量
精度。另外该方法能够测量管材在不同表面粗糙度以及不同液压力下的摩擦系数。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是：
[0006] 一种金属管材液压成形时导向区摩擦系数的测量装置，主要由充液
螺柱、挡圈、密封柱、上
定位圈、下定位圈、测摩擦力传感器、测径向力传感器、导向柱、直线
轴承、底座、连接板、侧板和定位套筒组成；充液螺柱两端均有
螺纹且其中一端带有注液孔；密封柱套设在充液螺柱两端的外表面以进行密封，密封柱通过设置在其上、下两端的挡圈和定位套筒固定在充液螺柱的轴向位置上；连接板与上定位圈的外圆表面配合，并与两个测摩擦力传感器相连；测摩擦力传感器与底座相接触；下定位圈的底部与底座之间有间隙，以保证能够在径向上实现微小的移动；底座左右两端与下定位圈相连，导向柱与底座之间安装有直
线轴承，侧板与测径向力传感器相连，同时该侧板上设有
螺纹孔，通过螺钉与底座连接。
[0007] 所述上定位圈为阶梯圆柱状，与管材套装，并与管材之间可以产生相对滑动。
[0008] 所述下定位圈为左定位圈和右定位圈的剖分式结构，在左、右定位圈分别设有螺纹孔，
[0009] 所述底座右侧和底侧分别开设有一通孔，直线轴承外表面与右侧通孔配合。
[0010] 本测量装置是利用管材液压成形的原理直接测量管材导向区的摩擦系数，具体是：管材置于上下定位圈之间，其中下定位圈为剖分式；管材在高压液体作用下发生胀形，两端沿轴向自由收缩进而与定位圈之间产生相对滑动，上定位圈由于受到摩擦力向下靠拢，则管材导向区的摩擦力Ff可通过测力传感器直接测得；下定位圈为剖分式，它能够沿径向做微小移动，又由于下定位圈与底座之间并无滑动摩擦，则下定位圈所受到的径向力N可通过测力传感器直接测得，由这两个力即可直接计算出管材导向区的摩擦系数。
[0011] 利用上述测量装置测量金属管材液压成形时导向区摩擦系数的方法，包括如下步骤：
[0012] （1）将大小适中的金属薄壁管两端密封，放置在上下定位圈内；
[0013] （2）向管材内充入高压液体，管材在液压力作用下发生膨胀，两端沿轴向自由收缩，此时上定位圈由于受到摩擦力向下靠拢；
[0014] （3）通过安装在上下定位圈之间的测力传感器实时测量管材与上定位圈之间的摩擦力Ff；
[0015] （4）下定位圈为剖分式，且可沿径向有一定移动，则通过安装在下定位圈一侧的测力传感器可以实时测量管材与下定位圈之间的径向力N；
[0016] （5）根据库仑摩擦定律，由公式 =Ff/πN计算出管材液压成形导向区的动态摩擦系数 。
[0017] 所述的公式 =Ff/πN是由对管材的受力分析得到的，由于上定位圈与管材接触的长度和下定位圈与管材接触的长度一样，且管材内液体压强是均匀的，因此可认为上定位圈与管材之间的摩擦力Ff和下定位圈与管材之间的摩擦力相等。假设管材外半径为R，与下定位圈之间的接触长度为l，接触压强为PC，接触正压力为FN，对管材与下定位圈-右接触部位的受力分析如下：
[0018] 用于实现上述摩擦系数测量方法的装置具备如下特征：管材两端通过聚
氨酯密封柱进行密封，为了测得准确的径向力N，密封柱在管材胀形过程中不发生移动；上定位圈可以做成整体式直接与测摩擦力传感器相连，也可以通过连接板与测摩擦力传感器相连；用于测摩擦力和径向力的传感器可以只有一个，也可以对称分布，即底座可以是左右对称的机构；下定位圈测量径向力一侧与底座之间有间隙，以保证可以在径向上有微小移动；下定位圈底部与底座之间有间隙，以消除摩擦；导向柱与底座之间安装有直线轴承，以减小摩擦。
[0019] 本发明方法简单可靠，只需供给管材液压力，使其发生变形即可确定摩擦系数。较之其他测量摩擦系数装置最大的优点是无需压力设备推动管材使其与定位圈之间发生相对滑动，仅靠材料塑性流动引起管材沿轴向缩短这一变化过程即可测量管材与定位圈之间的摩擦力，对使用环境要求不高。另外，本方法也具有操作简便、结果可靠、成本低等优点，可以用来研究不同胀形条件如液压力以及管材外表面粗糙度等对导向区摩擦特性的影响规律。
附图说明
[0020] 图1为本发明摩擦系数测量装置的结构示意图；
[0021] 图2为本
实施例中的金属薄壁管材示意图；
[0022] 图3为实施本发明摩擦系数测量装置结构示意图；
[0023] 图4为本实施例中对管材与下定位圈-右相接触部位的受力分析图。
[0024] 图中：1.充液螺柱 2.上挡圈 3.上密封柱 4.管材 5.上定位圈 6.液体 7. 测摩擦力传感器组件 8. 测径向力传感器组件 9.导向柱 10.直线轴承 11.下右定位圈 12.底座 13.下密封柱 14.下挡圈 15.下左定位圈16.
垫圈 17.连接板18.上定位套筒 19.第一螺钉 20.右侧板 21.第二螺钉 22.下定位套筒；l.管材与下定位圈接触部位的长度 PC.管材与下定位圈之间的接触压强 N.径向力 Ff．摩擦力。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明。
[0026] 如图1，3所示，一种管材液压成形导向区摩擦系数的测量装置，主要由充液螺柱1、挡圈2、上密封柱3、下密封柱13、上定位圈5、测摩擦力传感器7、测径向力传感器8、导向柱9、直线轴承10、下右定位圈11、下左定位圈15、底座12、连接板17、第一螺钉19、第二螺钉21、右侧板20和上定位套筒18、下定位套筒22组成；充液螺柱1两端均有螺纹且其中一端带有注液孔；上密封柱3和下密封柱13具有内孔，设计套在充液螺柱1两端的外表面以进行密封，并被上挡圈2、上定位套筒18和下定位套筒22在轴向上固定；上定位圈5为阶梯圆柱状，且在垂直方向上未进行固定；连接板17有一内孔，与上定位圈5外圆表面配合，同时连接板17上设有螺纹孔，与两个测摩擦力传感器7相连；测摩擦力传感器7与安装在底座12上的第一螺钉19相接触；下定位圈设为剖分式，分为下右定位圈11和下左定位圈15，在下右定位圈11和下左定位圈15均设有螺纹孔，且底部与底座12之间有间隙，右侧与底座12有间隙以保证能够在径向上实现微小的移动；底座12左右两端设有螺纹孔，通过第二螺钉21与下右定位圈11和下左定位圈15相连，同时底座12右侧开有一孔，底侧开有一孔；直线轴承10外表面与底座右侧的孔配合；导向柱9与直线轴承10内孔配合；右侧板20有一左表面，与测径向力传感器8相连，同时该右侧板20上设有螺纹孔，通过第二螺钉21与底座12连接。
[0027] 如图3-4所示，将图2所示的金属薄壁管放入摩擦系数测量装置的上下定位圈内并密封好，密封柱3由于受到上挡圈2、垫圈16和上定位套筒18、下定位套筒22的作用无法在轴向上进行移动；通过充液螺柱1向管材4内注入高压液体，管材4在液压力作用下发生膨胀，两端沿轴向自由收缩，与上定位圈5之间产生摩擦，上定位圈5因受到摩擦力向下靠拢，因此测摩擦力传感器7可测得管材与上定位圈5之间的摩擦力Ff；由于下定位圈是剖分式的，分为下左定位圈15与下右定位圈11，当管材内通入高压液体6时，下左定位圈15与下右定位圈11向外膨胀，又由于下定位圈底部与底座12之间并未接触，它们之间没有摩擦力，且导向柱
9与底座12之间安装有直线轴承10，可消除滑动摩擦，因此通过安装在底座12与右侧板20之间的测径向力传感器组件8可测得下右定位圈11与管材之间的径向压力N；由于上定位圈5与管材接触的长度和下定位圈与管材接触的长度一样，且管材内液体压强是均匀的，可认为上定位圈5与管材之间的摩擦力Ff和下定位圈与管材之间的摩擦力相等，因此经推算可得出管材导向区的摩擦系数 =Ff/πN。
