用于模擬熱沖壓成形過程的數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗機的研制

江福椿 高凱翔 王武榮

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361005； 2. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

在熱沖壓成形過程中，將加熱的板料快速轉(zhuǎn)移至模具中完成沖壓成形的過程中，板料的溫度是不斷變化的，如快速轉(zhuǎn)移過程中的降溫，成形過程中模具對板料的快速冷卻等。目前，國內(nèi)外對超高強度硼鋼的摩擦研究主要集中于試樣在某一溫度下的摩擦行為及機制，不涉及試樣溫度的動態(tài)變化。

日本的Yanagida等[1]研制了一臺熱沖壓摩擦模擬試驗機，該試驗機由紅外線加熱爐、液壓加載裝置和交流電機等組成，最高加熱溫度可達1 100 ℃，最大試驗力200 kN，最大拉動速度30 mm/s。在此試驗機基礎(chǔ)上，Yanagida等[2]測量了具有Al鍍層的22MnB5鋼和SPHC鋼與SKD61模具鋼對摩時的高溫摩擦因數(shù)，并研究了具有Al鍍層的22MnB5鋼在干摩擦和潤滑條件下的摩擦行為[3]。但該試驗機的數(shù)據(jù)不能實時顯示且沒有配備冷卻系統(tǒng)，因此試驗結(jié)果并不能真實反映實際的熱沖壓工藝。華中科技大學的田曉薇等[4]開發(fā)了一種高溫摩擦磨損試驗機用以模擬熱沖壓過程，并進行了先進高強鋼的高溫摩擦行為研究[5]。該試驗機采用感應(yīng)加熱、彈簧加載和伺服電機等，可進行高溫下的單向滑動摩擦磨損試驗。但該試驗機的最高加熱溫度只有700 ℃，不足以使試樣完成奧氏體化，且沒有配備冷卻系統(tǒng)，不能模擬熱沖壓中的成形淬火過程。Hardell等[6]在研究高溫下高強度硼鋼的摩擦磨損行為時采用了往復(fù)式摩擦磨損試驗機。Ghiotti等[7]研究帶Al- Si鍍層和Zn鍍層的熱沖壓硼鋼板的摩擦學和磨損性能時，采用了銷盤摩擦磨損試驗機。Mozgovoy等[8]研究溫度對預(yù)硬化工具鋼與22MnB5鋼接觸滑動時的摩擦磨損的影響時也采用了銷盤摩擦磨損試驗機。以上試驗儀器均不具備在摩擦過程中對試樣進行快速冷卻的功能。

本文對熱沖壓過程中的合模初期，超高強度硼鋼裸板與熱作模具鋼間的摩擦行為進行了深入分析，研制了一臺數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗機，在高溫摩擦過程中可同時對板料進行快速冷卻，較好地模擬實際熱沖壓過程，并可將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在屏幕上。還設(shè)計了另一個系統(tǒng)，可使后臺對前臺測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析和保存，為計算機模擬提供更準確的數(shù)據(jù)，并為優(yōu)化熱成形過程提供理論依據(jù)，為實際生產(chǎn)提供參考，使超高強度硼鋼更好地用于汽車制造。

1 試驗機概況

熱沖壓成形技術(shù)的主要原理是，將超高強度鋼板放入加熱爐中加熱至奧氏體化溫度以上使板料完全奧氏體化，隨后通過機械手等裝置將板料快速轉(zhuǎn)移到配置冷卻系統(tǒng)的熱沖壓模具中，在熱沖壓成形的同時對板料進行淬火，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使成形件具有更高的機械強度和良好的尺寸精度。為了使工件的形狀和尺寸保持穩(wěn)定，需保持模具閉合一段時間[9- 11]。本文根據(jù)這一原理研制了能模擬實際熱沖壓工藝的試驗機。

圖1為數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗機的示意圖，試驗機的摩擦工具中配有冷卻通道，可在摩擦過程中同時對試樣進行快速冷卻，模擬實際熱沖壓過程。同時試驗機可以測量模具與超高強度鋼板間的高溫摩擦因數(shù)，研究高溫摩擦的行為和機制。

圖1 數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗機的示意圖Fig.1 Schematic of the digital high- temperature friction and wear tester

試驗機中的高溫加熱系統(tǒng)可以對放入的條狀試樣進行加熱保溫，使其奧氏體化。該加熱爐總長1 000 mm，爐膛長600 mm，最高加熱溫度可達1 000 ℃。為方便條狀試樣的裝入和轉(zhuǎn)移，加熱爐一端開有方孔。為了支撐高溫軟化的條狀試樣并在試樣轉(zhuǎn)移時支撐其運動并減小摩擦，加熱爐爐床有直徑9.5 mm的耐高溫陶瓷球，如圖2所示。

圖2 陶瓷球和加熱爐爐床Fig.2 Ceramic balls and the furnace heart

加載系統(tǒng)采用杠桿施加試驗力，通過上摩擦工具作用于條狀試樣上，杠桿與上摩擦工具間的接觸為球與弧面結(jié)構(gòu)，便于使試驗力始終處于法向，如圖3所示的部件6、7、4、9和12。試驗前用壓力傳感器測定試驗力，加載系統(tǒng)試驗力為2～910 N。上下摩擦工具中設(shè)置有冷卻通道，用于在試驗中通冷卻水對摩擦中的高溫試樣進行快速冷卻，如圖4所示。

1- 固定底座；2- 內(nèi)六角圓柱頭螺釘；3- 杠桿支桿；4- 力方向調(diào)節(jié)球；5- 杠桿；6- 內(nèi)六角圓柱頭螺釘；7- 受力圓柱；8- 螺母；9- 摩擦工具連接件；10- 直線軸承；11- 定位板；12- 上摩擦工具；13- 支撐柱；14- 下摩擦工具；15- 圓柱銷圖3 試驗機加載系統(tǒng)的示意圖Fig.3 Schematic of loading system in the tester

圖4 摩擦磨損試驗機的摩擦工具Fig.4 Friction tools of the friction and wear tester

拉伸系統(tǒng)由步進電機套裝和直線導軌滑臺組成。步進電機套裝包括步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器及驅(qū)動器電源開關(guān)。直線導軌滑臺包括滾珠絲杠副、底座和滑塊。步進電機通過聯(lián)軸器與直線導軌滑臺相連，控制滑臺的運動速度和行程。拉伸系統(tǒng)的最大有效行程為1 000 mm，最大運行速度為50 mm/s，最大拉力為1 800 N。通過步進電機控制器可以對拉伸系統(tǒng)進行編程，實現(xiàn)不同速度與行程的運動組合，拉伸系統(tǒng)與摩擦試驗機見圖5。

圖5 拉伸系統(tǒng)及高溫摩擦試驗機Fig.5 Drawing system and the high temperature friction tester

數(shù)據(jù)采集由力傳感器和記錄儀組成。S型力傳感器一端固定在拉伸系統(tǒng)的滑塊上，一端與條狀試樣相連，見圖6。在摩擦試驗過程中通過高速無紙記錄儀采集拉力數(shù)據(jù)，由于摩擦試驗中條狀試樣的運動為勻速直線運動，因此采集的拉力即摩擦力。數(shù)據(jù)采集后的模擬量通過數(shù)據(jù)采集模塊的A/D，將模擬量計算成數(shù)字量并通過嵌入式主控系統(tǒng)處理后顯示于屏幕。

圖6 安裝的力傳感器Fig.6 Installed force sensor

高溫摩擦試驗前，通過步進電機控制器編輯步進電機的頻率和脈沖數(shù)，來控制拉伸系統(tǒng)的運行速度和運行距離，預(yù)設(shè)條狀試樣的轉(zhuǎn)移和摩擦兩段行程。設(shè)定高溫加熱爐的溫度，將試樣一端與S型力傳感器相連，當加熱爐溫度達到設(shè)定溫度時，將試樣另一端放入加熱爐中加熱保溫。待試樣加熱完成后，打開冷卻系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水流量，再啟動步進電機，拉伸系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)移速度將試樣從加熱爐中快速轉(zhuǎn)移出來以模擬實際熱沖壓的快速轉(zhuǎn)移過程。當試樣的恒溫加熱部位到達摩擦工具下方時，加載系統(tǒng)施加所需的法向試驗力P，同時拉伸系統(tǒng)再以預(yù)先設(shè)定的滑動速度拉動試樣以完成高溫摩擦試驗。

摩擦因數(shù)的計算公式為：

(1)

式中：P為法向試驗力，F(xiàn)為力傳感器測得的實時拉力。

平均摩擦因數(shù)的計算如下：

(2)

式中LS是摩擦距離。

2 試驗材料與試驗條件

試驗材料為熱沖壓常用的22MnB5超高強度硼鋼裸板[12- 13]。條狀試樣厚度為1.6 mm，長和寬分別為1 000和20 mm。摩擦工具的材料為經(jīng)淬火、回火的H13熱作模具鋼。條狀試樣和摩擦工具的化學成分如表1所示。條狀試樣的硬度為196.9 HV0.05，摩擦工具的硬度為56.3 HRC。

硼鋼板熱沖壓成形的加熱溫度一般為900～950 ℃，保溫時間5～8 min[13- 15]。本文采用的加熱溫度為950 ℃，保溫時間為5 min，加載系統(tǒng)施加的法向試驗力為540 N，試樣奧氏體化后的轉(zhuǎn)移速度為50 mm/s，摩擦的滑動速度為15 mm/s，

摩擦工具的冷卻水流量為5 L/min。

表1 試驗用22MnB5和H13鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the 22MnB5 and H13 steels(mass fraction) %

3 高溫摩擦試驗結(jié)果

采用K型熱電偶測定的加熱爐恒溫區(qū)長度為394 mm，如圖7所示，以確保在試驗中摩擦的部位為條狀試樣的恒溫加熱部位。

圖7 加熱爐恒溫區(qū)示意圖Fig.7 Schematic of the constant temperature zone of the furnace

圖8是條狀試樣初始摩擦部位的冷卻速率，此時的加熱爐溫度為930 ℃，試樣溫度600 ℃以上，水流量為5 L/min。淬火臨界冷卻速率為27 ℃/s[14,16- 17]，可以觀察到條狀試樣初始部位的冷卻速率可達到臨界冷卻速率以上。

圖8 試樣初始摩擦部位的冷卻速率隨時間的變化Fig.8 Cooling rate of the initial friction position of the specimen as a function of time

高溫摩擦試驗完成后，取0～300 mm摩擦距離的拉力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后得到條狀試樣的高溫摩擦因數(shù)，如圖9所示。可以看到，摩擦初始部位的摩擦因數(shù)先升高，之后進入平緩階段，在摩擦滑動距離為125～150 mm和250～300 mm時，摩擦因數(shù)略有升高，這可能是由于條狀試樣表面氧化物的形成與剝落造成的。摩擦因數(shù)整體波動不大，其平均摩擦因數(shù)為0.33。

圖9 高溫摩擦試驗過程中試樣的摩擦因數(shù)隨摩擦距離的變化Fig.9 Dependence of friction coefficient of the specimen on friction distance during high- temperature friction testing

4 結(jié)論

(1)新研制的摩擦磨損試驗機的高溫加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)運行良好，加熱溫度、法向試驗力以及拉伸速度非常穩(wěn)定，摩擦工具的冷卻強度達到了設(shè)計要求，力傳感器可準確并實時記錄運行中的拉力。

(2)在加熱溫度950 ℃、法向試驗力540 N、滑動摩擦速度15 mm/s和冷卻水流量5 L/min的條件下測定的條狀試樣的高溫摩擦因數(shù)平均為0.33。

(3)該試驗機還可根據(jù)需要，以不同的加熱溫度、摩擦溫度、法向試驗力和滑動摩擦速度進行高溫摩擦試驗，研究超高強度鋼板在熱沖壓過程中的摩擦行為及機制。