铝合金板冲压摩擦试验机开发与试验

李小强; 张贺刚; 王烁; 李高峰; 孟庆阔; 张永生

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0542

铝合金板冲压摩擦试验机开发与试验

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0542

1.
北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191
2.
航发智造(北京)科技有限公司，北京 100083
3.
首钢集团有限公司技术研究院，北京 100041

基金项目: 国家自然科学基金(52075025); 中央高校基本科研业务费专项资金(YWF-22-L-504)

详细信息

通讯作者:
E-mail：lixiaoqiang@buaa.edu.cn

中图分类号: TG115.5⁺8
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出版历程
- 收稿日期: 2022-06-29
- 录用日期: 2022-07-22
- 网络出版日期: 2022-11-03
- 整期出版日期: 2024-06-27

Development and experimental of friction tester for aluminum alloy sheet stamping

1.
School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China
2.
Hangfa Intelligent Manufacturing (Beijing) Technology Co.，Ltd.，Beijing 100083，China
3.
Research Institute of Technology of Shougang Group Co.，Ltd.，Beijing 100041，China

Funds: National Natural Science Foundation of China (52075025); The Fundamental Research Funds for the Central Universities (YWF-22-L-504)

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Corresponding author: E-mail：lixiaoqiang@buaa.edu.cn

摘要

摘要:
针对铝合金板冲压成形对摩擦测试的需求，确定考虑加热条件下铝合金板材冲压摩擦伺服压力摩擦测试平台的总体设计方案，开发适用于铝合金板材成形的小载荷高精度多功能摩擦试验机系统。该系统由运动组件、加热系统及控制系统组成。运动组件实现上模具和夹头的运动支撑；加热系统实现模具与试件单独加热；在伺服控制模式下，结合外部力传感器和光栅尺，实现试件压力和模具间隙高精度高稳定性控制。实际应用检验该试验机对不同因素的区分度和重复性，并设计正交试验，探索不同因素对铝合金板材摩擦的影响。结果表明：试验机性能稳定，重复性好；影响摩擦系数因素的重要次序为：模具温度、压力、速度、润滑剂；温度越低，压力越大，速度越快，摩擦系数越小；同一种类型的润滑剂对摩擦系数的影响较小。随着压力的增大，摩擦系数减少的趋势越来越小，逐渐趋于平稳。
- 摩擦试验机 /
- 铝合金板冲压 /
- 伺服控制 /
- 摩擦试验 /
- 摩擦学行为
Abstract:
The overall design concept of the servo pressure and friction test platform for aluminum alloy sheets under heating circumstances was designed with the aim of meeting the need for friction testing of aluminum alloy sheet stamping. A small-load high-precision multi-functional friction testing machine system suitable for aluminum alloy sheet forming was developed. The system consists of a mechanical system, a heating system and a control system. The mechanical system realizes the movement support of the upper tool and chuck. The heating system realizes the separate heating of tools and specimens. In the servo control mode, combined with the external force sensor and the grating ruler, the force and displacement control double closed loop system is realized, which realizes the high precision and stability control of the specimen pressure and the tool gap. Finally, the orthogonal experiment was designed to explore the influence of different factors on the friction of aluminum alloy blank. The results show that the friction tester has stable performance and good repeatability. The important order of factors affecting friction coefficient is tool temperature, pressure, speed, and lubricant. The lower the temperature, the greater the pressure, the faster the speed, and the smaller the friction coefficient. The same type of lubricant has less influence on the coefficient of friction. The tendency of the coefficient of friction decreasing decreases with increasing pressure and eventually becomes more steady.
- friction tester /
- aluminum alloy sheet stamping /
- servo control /
- friction test /
- tribological behaviour

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图 1 平板滑动摩擦试验示意图

Figure 1. Schematic diagram of flat plate sliding friction test

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图 2 固定拉延筋摩擦试验示意图

Figure 2. Schematic diagram of fixed draw bead friction test

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图 3 铝合金板材摩擦试验系统示意图

Figure 3. Schematic diagram of aluminum alloy sheet friction test system

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图 4 试验系统原理

Figure 4. Test system principle

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图 5 试验控制原理

Figure 5. Test control principle

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图 6 位置模式与力矩模式下实际压力波动对比

Figure 6. Comparison of actual pressure fluctuations in position mode and torque mode

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图 7 原系统与弹簧特性曲线对比

Figure 7. Comparison of original system and spring characteristic curve

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图 8 现有竖直向传动系统及反馈量

Figure 8. Existing vertical drive system and feedback

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图 9 试验原理示意图

Figure 9. Schematic diagram of test principle

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图 10 热电偶夹持与现场试验图

Figure 10. Thermocouple clamping and field test chart

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图 11 各试件4个测温点变化

Figure 11. Change of four temperature measurement points of each test piece

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图 12 模具运动组件组成

Figure 12. Tool moving component

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图 13 试件运动组件组成

Figure 13. Specimen moving component

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图 14 试件加热方案

Figure 14. Specimen heating scheme

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图 15 系统控制方案

Figure 15. System control scheme

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图 16 下位机组成与功能

Figure 16. Lower machine composition and function

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图 17 上位机组成与功能

Figure 17. Upper machine composition and function

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图 18 上位机界面

Figure 18. Upper PC interface

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图 19 试件压力精度检测

Figure 19. Specimen pressure accuracy test

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图 20 压力测量值相对误差分布

Figure 20. Relative error distribution of pressure measurement

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图 21 试件拉力精度检测

Figure 21. Samples tension accuracy test

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图 22 拉力测量值相对误差分布

Figure 22. Relative error distribution of tension measurement

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图 23 铝合金摩擦试验机

Figure 23. Aluminium alloy friction tester

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图 24 模具与试件安装

Figure 24. Tools and specimen installation

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图 25 摩擦试验区分度测试结果对比

Figure 25. Comparison of friction discrimination test results

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图 26 不同温度下的重复性试验

Figure 26. Repeatability test at different temperatures

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图 27 铝合金摩擦试验件

Figure 27. Aluminium alloy friction specimen

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图 28 不同压力下的摩擦系数分布

Figure 28. Friction coefficient distribution under different pressures

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图 29 不同拉伸速度下的摩擦系数分布

Figure 29. Friction coefficient distribution under different speeds

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表 1 铝合金板材摩擦试验机参数指标

Table 1. Parameters index of aluminum alloy sheet friction tester

压力控制范围/N	载荷控制精度/%	拉力提供范围/N	试验速度范围/ (mm·s⁻¹)	有效拉伸范围/mm	温度控制范围/℃	温度控制精度/℃	板料厚度范围/mm	模具对中精度/mm	模具间隙控制/mm
≤2500	≤±1	≤2800	≤100	≤150	室温～300	≤±1	0.7-1.5	≤±0.1	≤±0.02

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表 2 试验分组明细

Table 2. Test group details

编号	长度/mm	宽度/mm	厚度/mm	表面状态
a	350	25	0.8	出厂防锈漆
b	350	25	1.2
c	350	35	0.8
d	350	35	1.2

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表 3 区分度试验设置

Table 3. Distinction test setup

材料	润滑剂	压力/N	取样角度/(°)	温度/℃
5182铝合金	FCT6130	400	0	室温
6016铝合金	ALUB VS	1100	90	100

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表 4 不同工况下的摩擦系数

Table 4. Friction coefficients under different operating conditions

序号	润滑剂	模具温度/℃	压力/N	拉伸速度/（mm·s⁻¹）	摩擦系数
H1	F	室温	600	5	0.099
H2	F	100	1200	20	0.080
H3	F	150	1800	35	0.077
H4	A	室温	1200	35	0.032
H5	A	100	1800	5	0.080
H6	A	150	600	20	0.115
H7	Q	室温	1800	20	0.058
H8	Q	100	600	35	0.098
H9	Q	150	1200	5	0.117

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表 5 正交试验分析结果

Table 5. Analysis results of orthogonal experiments

j	K_j1	K_j2	K_j3	R_j
1	0.0853	0.0757	0.0910	0.0153
2	0.063	0.086	0.103	0.040
3	0.104	0.0763	0.0717	0.0323
4	0.0987	0.0843	0.0690	0.0297
注：K_ji表示表4中j列i组摩擦系数之和的平均值，R_j为极差，即j列中每个因数的最大K_ji与最小K_ji之差。（j=1,2,3,4,分别应对表4中的第2~第5列，i=1,2,3, 分别对应表4中第j列中的3个分组，数值相同为1组）。

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表 6 压力对摩擦影响试验设置

Table 6. Experimental settings for effect of pressure on friction

试验材料	取样方向/(°)	润滑剂	拉伸速度/ （mm·s⁻¹）	温度	压力/N
5182 铝合金	90	FCT6130	10	室温	400，1100， 1800，2500

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表 7 拉伸速度对摩擦影响试验设置

Table 7. Experimental settings for the effect of speed on friction

试验材料	取样方向/(°)	润滑剂	拉伸速度/ （mm·s⁻¹）	温度	压力/N
5182铝合金	0	FCT6130	1，10，30，100	室温	1000

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