用于模拟热冲压成形过程的数显式高温摩擦磨损试验机的研制

在热冲压成形过程中，将加热的板料快速转移至模具中完成冲压成形的过程中，板料的温度是不断变化的，如快速转移过程中的降温，成形过程中模具对板料的快速冷却等。目前，国内外对超高强度硼钢的摩擦研究主要集中于试样在某一温度下的摩擦行为及机制，不涉及试样温度的动态变化。

日本的Yanagida等[1]研制了一台热冲压摩擦模拟试验机，该试验机由红外线加热炉、液压加载装置和交流电机等组成，最高加热温度可达1 100 ℃，最大试验力200 kN，最大拉动速度30 mm/s。在此试验机基础上，Yanagida等[2]测量了具有Al镀层的22MnB5钢和SPHC钢与SKD61模具钢对摩时的高温摩擦因数，并研究了具有Al镀层的22MnB5钢在干摩擦和润滑条件下的摩擦行为[3]。但该试验机的数据不能实时显示且没有配备冷却系统，因此试验结果并不能真实反映实际的热冲压工艺。华中科技大学的田晓薇等[4]开发了一种高温摩擦磨损试验机用以模拟热冲压过程，并进行了先进高强钢的高温摩擦行为研究[5]。该试验机采用感应加热、弹簧加载和伺服电机等，可进行高温下的单向滑动摩擦磨损试验。但该试验机的最高加热温度只有700 ℃，不足以使试样完成奥氏体化，且没有配备冷却系统，不能模拟热冲压中的成形淬火过程。Hardell等[6]在研究高温下高强度硼钢的摩擦磨损行为时采用了往复式摩擦磨损试验机。Ghiotti等[7]研究带Al- Si镀层和Zn镀层的热冲压硼钢板的摩擦学和磨损性能时，采用了销盘摩擦磨损试验机。Mozgovoy等[8]研究温度对预硬化工具钢与22MnB5钢接触滑动时的摩擦磨损的影响时也采用了销盘摩擦磨损试验机。以上试验仪器均不具备在摩擦过程中对试样进行快速冷却的功能。

本文对热冲压过程中的合模初期，超高强度硼钢裸板与热作模具钢间的摩擦行为进行了深入分析，研制了一台数显式高温摩擦磨损试验机，在高温摩擦过程中可同时对板料进行快速冷却，较好地模拟实际热冲压过程，并可将数据呈现在屏幕上。还设计了另一个系统，可使后台对前台测试结果进行数据分析和保存，为计算机模拟提供更准确的数据，并为优化热成形过程提供理论依据，为实际生产提供参考，使超高强度硼钢更好地用于汽车制造。

1 试验机概况

热冲压成形技术的主要原理是，将超高强度钢板放入加热炉中加热至奥氏体化温度以上使板料完全奥氏体化，随后通过机械手等装置将板料快速转移到配置冷却系统的热冲压模具中，在热冲压成形的同时对板料进行淬火，使奥氏体转变为马氏体，从而使成形件具有更高的机械强度和良好的尺寸精度。为了使工件的形状和尺寸保持稳定，需保持模具闭合一段时间[9- 11]。本文根据这一原理研制了能模拟实际热冲压工艺的试验机。

图1为数显式高温摩擦磨损试验机的示意图，试验机的摩擦工具中配有冷却通道，可在摩擦过程中同时对试样进行快速冷却，模拟实际热冲压过程。同时试验机可以测量模具与超高强度钢板间的高温摩擦因数，研究高温摩擦的行为和机制。

图1 数显式高温摩擦磨损试验机的示意图
Fig.1 Schematic of the digital high- temperature friction and wear tester

试验机中的高温加热系统可以对放入的条状试样进行加热保温，使其奥氏体化。该加热炉总长1 000 mm，炉膛长600 mm，最高加热温度可达1 000 ℃。为方便条状试样的装入和转移，加热炉一端开有方孔。为了支撑高温软化的条状试样并在试样转移时支撑其运动并减小摩擦，加热炉炉床有直径9.5 mm的耐高温陶瓷球，如图2所示。

图2 陶瓷球和加热炉炉床
Fig.2 Ceramic balls and the furnace heart

加载系统采用杠杆施加试验力，通过上摩擦工具作用于条状试样上，杠杆与上摩擦工具间的接触为球与弧面结构，便于使试验力始终处于法向，如图3所示的部件6、7、4、9和12。试验前用压力传感器测定试验力，加载系统试验力为2～910 N。上下摩擦工具中设置有冷却通道，用于在试验中通冷却水对摩擦中的高温试样进行快速冷却，如图4所示。

1- 固定底座；2- 内六角圆柱头螺钉；3- 杠杆支杆；4- 力方向调节球；
5- 杠杆；6- 内六角圆柱头螺钉；7- 受力圆柱；8- 螺母；9- 摩擦工具
连接件；10- 直线轴承；11- 定位板；12- 上摩擦工具；13- 支撑柱；
14- 下摩擦工具；15- 圆柱销
图3 试验机加载系统的示意图
Fig.3 Schematic of loading system in the tester

图4 摩擦磨损试验机的摩擦工具
Fig.4 Friction tools of the friction and wear tester

拉伸系统由步进电机套装和直线导轨滑台组成。步进电机套装包括步进电机控制器、步进电机驱动器及驱动器电源开关。直线导轨滑台包括滚珠丝杠副、底座和滑块。步进电机通过联轴器与直线导轨滑台相连，控制滑台的运动速度和行程。拉伸系统的最大有效行程为1 000 mm，最大运行速度为50 mm/s，最大拉力为1 800 N。通过步进电机控制器可以对拉伸系统进行编程，实现不同速度与行程的运动组合，拉伸系统与摩擦试验机见图5。

图5 拉伸系统及高温摩擦试验机
Fig.5 Drawing system and the high temperature friction tester

数据采集由力传感器和记录仪组成。S型力传感器一端固定在拉伸系统的滑块上，一端与条状试样相连，见图6。在摩擦试验过程中通过高速无纸记录仪采集拉力数据，由于摩擦试验中条状试样的运动为匀速直线运动，因此采集的拉力即摩擦力。数据采集后的模拟量通过数据采集模块的A/D，将模拟量计算成数字量并通过嵌入式主控系统处理后显示于屏幕。

图6 安装的力传感器
Fig.6 Installed force sensor

高温摩擦试验前，通过步进电机控制器编辑步进电机的频率和脉冲数，来控制拉伸系统的运行速度和运行距离，预设条状试样的转移和摩擦两段行程。设定高温加热炉的温度，将试样一端与S型力传感器相连，当加热炉温度达到设定温度时，将试样另一端放入加热炉中加热保温。待试样加热完成后，打开冷却系统，调节水流量，再启动步进电机，拉伸系统以预先设定的转移速度将试样从加热炉中快速转移出来以模拟实际热冲压的快速转移过程。当试样的恒温加热部位到达摩擦工具下方时，加载系统施加所需的法向试验力P，同时拉伸系统再以预先设定的滑动速度拉动试样以完成高温摩擦试验。

摩擦因数的计算公式为：

(1)

式中：P为法向试验力，F为力传感器测得的实时拉力。

平均摩擦因数的计算如下：

(2)

式中LS是摩擦距离。

2 试验材料与试验条件

试验材料为热冲压常用的22MnB5超高强度硼钢裸板[12- 13]。条状试样厚度为1.6 mm，长和宽分别为1 000和20 mm。摩擦工具的材料为经淬火、回火的H13热作模具钢。条状试样和摩擦工具的化学成分如表1所示。条状试样的硬度为196.9 HV0.05，摩擦工具的硬度为56.3 HRC。

硼钢板热冲压成形的加热温度一般为900～950 ℃，保温时间5～8 min[13- 15]。本文采用的加热温度为950 ℃，保温时间为5 min，加载系统施加的法向试验力为540 N，试样奥氏体化后的转移速度为50 mm/s，摩擦的滑动速度为15 mm/s，

摩擦工具的冷却水流量为5 L/min。

表1 试验用22MnB5和H13钢的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical compositions of the 22MnB5 and H13 steels(mass fraction) %

3 高温摩擦试验结果

采用K型热电偶测定的加热炉恒温区长度为394 mm，如图7所示，以确保在试验中摩擦的部位为条状试样的恒温加热部位。

图7 加热炉恒温区示意图
Fig.7 Schematic of the constant temperature
zone of the furnace

图8是条状试样初始摩擦部位的冷却速率，此时的加热炉温度为930 ℃，试样温度600 ℃以上，水流量为5 L/min。淬火临界冷却速率为27 ℃/s[14,16- 17]，可以观察到条状试样初始部位的冷却速率可达到临界冷却速率以上。

图8 试样初始摩擦部位的冷却速率随时间的变化
Fig.8 Cooling rate of the initial friction position of
the specimen as a function of time

高温摩擦试验完成后，取0～300 mm摩擦距离的拉力数据，对数据进行处理后得到条状试样的高温摩擦因数，如图9所示。可以看到，摩擦初始部位的摩擦因数先升高，之后进入平缓阶段，在摩擦滑动距离为125～150 mm和250～300 mm时，摩擦因数略有升高，这可能是由于条状试样表面氧化物的形成与剥落造成的。摩擦因数整体波动不大，其平均摩擦因数为0.33。

图9 高温摩擦试验过程中试样的摩擦因数
随摩擦距离的变化
Fig.9 Dependence of friction coefficient of the
specimen on friction distance during high-
temperature friction testing

4 结论

(1)新研制的摩擦磨损试验机的高温加热系统、加载系统、拉伸系统运行良好，加热温度、法向试验力以及拉伸速度非常稳定，摩擦工具的冷却强度达到了设计要求，力传感器可准确并实时记录运行中的拉力。

(2)在加热温度950 ℃、法向试验力540 N、滑动摩擦速度15 mm/s和冷却水流量5 L/min的条件下测定的条状试样的高温摩擦因数平均为0.33。

(3)该试验机还可根据需要，以不同的加热温度、摩擦温度、法向试验力和滑动摩擦速度进行高温摩擦试验，研究超高强度钢板在热冲压过程中的摩擦行为及机制。