江福椿 高凱翔 王武榮

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361005； 2. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)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(jī)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(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由紅外線加熱爐、液壓加載裝置和交流電機(jī)等組成，最高加熱溫度可達(dá)1 100 ℃，最大試驗(yàn)力200 kN，最大拉動速度30 mm/s。在此試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)不能實(shí)時顯示且沒有配備冷卻系統(tǒng)，因此試驗(yàn)結(jié)果并不能真實(shí)反映實(shí)際的熱沖壓工藝。華中科技大學(xué)的田曉薇等[4]開發(fā)了一種高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)用以模擬熱沖壓過程，并進(jìn)行了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的高溫摩擦行為研究[5]。該試驗(yàn)機(jī)采用感應(yīng)加熱、彈簧加載和伺服電機(jī)等，可進(jìn)行高溫下的單向滑動摩擦磨損試驗(yàn)。但該試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度硼鋼的摩擦磨損行為時采用了往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。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(xué)和磨損性能時，采用了銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。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(yàn)機(jī)。以上試驗(yàn)儀器均不具備在摩擦過程中對試樣進(jìn)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(qiáng)度硼鋼裸板與熱作模具鋼間的摩擦行為進(jìn)行了深入分析，研制了一臺數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在高溫摩擦過程中可同時對板料進(jìn)行快速冷卻，較好地模擬實(shí)際熱沖壓過程，并可將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在屏幕上。還設(shè)計(jì)了另一個系統(tǒng)，可使后臺對前臺測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和保存，為計(jì)算機(jī)模擬提供更準(zhǔn)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(shí)際生產(chǎn)提供參考，使超高強(qiáng)度硼鋼更好地用于汽車制造。

1 試驗(yàn)機(jī)概況

熱沖壓成形技術(shù)的主要原理是，將超高強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(shí)際熱沖壓工藝的試驗(yàn)機(jī)。

圖1為數(shù)顯式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的示意圖，試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行快速冷卻，模擬實(shí)際熱沖壓過程。同時試驗(yàn)機(jī)可以測量模具與超高強(qiáng)度鋼板間的高溫摩擦因數(shù)，研究高溫摩擦的行為和機(jī)制。

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

試驗(yàn)機(jī)中的高溫加熱系統(tǒng)可以對放入的條狀試樣進(jìn)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(dá)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(yùn)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(yàn)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(yàn)力始終處于法向，如圖3所示的部件6、7、4、9和12。試驗(yàn)前用壓力傳感器測定試驗(yàn)力，加載系統(tǒng)試驗(yàn)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(yàn)中通冷卻水對摩擦中的高溫試樣進(jìn)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(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的摩擦工具Fig.4 Friction tools of the friction and wear tester

拉伸系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)套裝和直線導(dǎo)軌滑臺組成。步進(jìn)電機(jī)套裝包括步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及驅(qū)動器電源開關(guān)。直線導(dǎo)軌滑臺包括滾珠絲杠副、底座和滑塊。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與直線導(dǎo)軌滑臺相連，控制滑臺的運(yùn)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(yùn)行速度為50 mm/s，最大拉力為1 800 N。通過步進(jìn)電機(jī)控制器可以對拉伸系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同速度與行程的運(yùn)動組合，拉伸系統(tǒng)與摩擦試驗(yàn)機(jī)見圖5。

圖5 拉伸系統(tǒng)及高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)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(yàn)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(yàn)中條狀試樣的運(yùn)動為勻速直線運(yùn)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(jì)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(yàn)前，通過步進(jìn)電機(jī)控制器編輯步進(jìn)電機(jī)的頻率和脈沖數(shù)，來控制拉伸系統(tǒng)的運(yùn)行速度和運(yùn)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(dāng)加熱爐溫度達(dá)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(jìn)電機(jī)，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(shí)際熱沖壓的快速轉(zhuǎn)移過程。當(dāng)試樣的恒溫加熱部位到達(dá)摩擦工具下方時，加載系統(tǒng)施加所需的法向試驗(yàn)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(yàn)。

摩擦因數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：P為法向試驗(yàn)力，F(xiàn)為力傳感器測得的實(shí)時拉力。

平均摩擦因數(shù)的計(jì)算如下：

(2)

式中LS是摩擦距離。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為熱沖壓常用的22MnB5超高強(qiáng)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(xué)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(yàn)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(yàn)用22MnB5和H13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the 22MnB5 and H13 steels(mass fraction) %

3 高溫摩擦試驗(yàn)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(yàn)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(dá)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(yàn)完成后，取0～300 mm摩擦距離的拉力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(yàn)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(yàn)機(jī)的高溫加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)運(yùn)行良好，加熱溫度、法向試驗(yàn)力以及拉伸速度非常穩(wěn)定，摩擦工具的冷卻強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，力傳感器可準(zhǔn)確并實(shí)時記錄運(yùn)行中的拉力。

(2)在加熱溫度950 ℃、法向試驗(yàn)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(yàn)機(jī)還可根據(jù)需要，以不同的加熱溫度、摩擦溫度、法向試驗(yàn)力和滑動摩擦速度進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn)，研究超高強(qiáng)度鋼板在熱沖壓過程中的摩擦行為及機(jī)制。