动态系数测量的摩擦试验

抽象的

为了研究钢对钢接触在不同滑动速度下的干摩擦现象，本文提出了一个包括三个实验装置在内的实验研究。一个带有气枪发射的弹道装置，允许估计摩擦系数在20米/秒到80米/秒之间。测试是通过在液压拉伸机(0.01米/秒到3米/秒)上改装传感器和安装在数控车床(1米到30米/秒)上的销钉-盘摩擦计完成的。在粗糙尺度上的相互作用是由白光干涉仪表面分析的特征。

1.介绍

在许多工程应用中，当接触面受热和磨损时，摩擦是一个关键参数。两个固体之间的相互作用通常通过库仑摩擦定律来模拟，该定律将正应力与切向应力(）.在许多型号适用于金属成型，摩擦系数由恒定值表示，这取决于材料的性质和表面粗糙度。然而，当滑动速度和接触压力倾向于极端条件时，需要更好地评估摩擦系数以正确代表物理现象。例如，在高速加工中，根据滑动速度和接触压力的函数建模摩擦系数可以考虑不同切割条件下切割力的演变[1]．此外，高压和高滑动速度的组合增加了这种系数的实验确定的难度[1- - - - - -6]．为了保证试验的可靠性，必须再现所研究工艺的高压、高速和表面特性的局部条件。这些条件必须用简单的几何形状来实现，这样接触参数的测量就很容易了。此外，为了表征大范围接触条件下的摩擦系数，通常需要组合不同的仪器。在此背景下，开发了三种测量接触压力大于250 MPa的动态摩擦的互补装置:(1)安装在数控车床上的销盘装置，(2)安装在快速液压机上的摩擦装置，(3)使用弹道装置(气体发射器)进行的实验。通过叠加不同装置获得的速度范围也可以验证结果。选取钢对钢(C22)，研究了其对接头和微焊缝粗糙度尺度的相互作用。在0.01 m/s ~ 80 m/s的滑动速度范围内，确定了摩擦系数的演化规律。

2.实验装置

为了结合高滑动速度和高接触压力，开发了一种测量摩擦过程中产生的力的原始传感器。具体的负载传感器(图1)集成在弹道平台上(图2)可达到120米/秒以上的滑动速度。另外两个设备用于扩展滑动速度的探测范围，并验证不同采集通道的测量结果。这些设备首先是液压动态试验机(图)3(一个))，能够接收传感器，另一种是更传统类型的销钉磁盘(图3（b））.弹道装置如图所示2由两个同轴管组成：第一个是发射管，第二个接收管导致减震器。该设备最初是开发的，以研究极端切削条件[7在完全正交的切割结构中，没有工业机械引起的缺陷。储存在蓄能器中的压缩空气的准瞬时膨胀推动弹丸高速进入发射管。一个足够长的管，结合一个调整的弹丸质量(不同的几何形状和不同的材料，以有一个合适的动能)基于测试参数，提供几乎恒定的速度(低于4%的变化)，弹丸在滑动过程中。一套由三个传感器组成的装置能准确记录弹丸的速度和加速度。

负载传感器(参见图1)，附在接受管上，支撑试样一个并通过测功环施加一个正常的压力。试样的平移运动B是由与射弹的无弹性碰撞引起的。标本B用于摩擦表面的尸检分析。负载传感器被设计为易于与另一个螺旋桨作为一个更传统的高速伺服液压机使用。该组件示意图如图所示3(一个)，允许探索低摩擦速度范围(）.张力机液压千斤顶代替弹丸，保证试样的位移B被两个血小板捏住一个．由摩擦产生的力的测量将是双重的，首先来自机器的测压元件，其次来自传感器。

第三种销盘式摩擦装置安装在数控车床上(见图)3（b））.芯轴提供样品(圆盘)的旋转，而血小板(销钉)固定在工具夹具上。力的测量是由一个Kistler测力计完成的，定位在销的支撑下。本研究中的所有试验都是在干摩擦条件下对C22 (MPa)。以类似于摩擦运动的方向(μm）。值得注意的是，摩擦测试在两个新表面（不连续相位）之间的单次通过。这种方法有助于了解两个表面的单一相互作用期间存在的基本现象。用白光干涉仪分析摩擦表面的样品。这些观察结果允许我们遵循粗糙度的演变，并且还要观察微谐波捕获的颗粒。

3.摩擦力的特性

摩擦系数是通过力的测量定义的: 在哪里是摩擦力还是切向力为法向力。在三种类型的测试中，滑动速度并且施加了正常的力量。垂直于接触表面的表观压力由 在哪里为表观接触面。在弹道装置试验期间记录的典型信号如图所示4．组合两个应变计的信号并平均以校正可能导致摩擦不连续的撞击中的任何未对准。确保标本的指导B由弹丸通过接收管，一个特殊的几何形状(如图所示1定义)。在试验结束时，观察到不恒定的刚度引起压力下降。只考虑信号中与恒压区相对应的部分来确定摩擦力。有了销盘摩擦计，还可以监测和记录试验过程中施加的法向力和由于摩擦而产生的力。与其他使用测功环的装置不同，压紧力的施加和卸荷都不是瞬时的。

此外，由于高速的动力影响，需要对记录的信号进行特殊分析。给出了信号的几种振动模式。提出了一种方法来区分负载传感器的主要特征模态和摩擦现象引起的频率。通过使用有限元模型进行振动分析来估计不同的本征模态(见图)5）.对仪表信号的有效处理(去除本征模频率)成为可能(图中粗线)4）.从滤波后的信号(图中水平折线)推导出摩擦系数的平均值4）.

4.结果和评论

数字6呈现摩擦系数作为不同接触压力的滑动速度的函数。由于三个装置的互补性，确定摩擦系数的演变为0.01m / s至80 m / s的速度。摩擦系数趋势随着滑动速度而减小，如先前的工作中的相似发展中所示[5，6]．

系数的堕落是由于温度的影响，温度随速度而增加。从30m /s开始，摩擦的变化较小。在较高的速度下，温度的影响与粘性行为(应力随应变率的增加)的影响相竞争。压力和滑动速度直接影响凸体的接触条件。由摩擦产生的变形过程导致两个固体的凸体之间的连通性的重建。形成或多或少强的结合点，大的滑动速度条件加速了凸体的剪切和变形机制;参见图7．

为了解释摩擦系数的变化，必须考虑到在剪切凸体过程中所涉及的所有热力学现象[5，6，8]．可以通过以下等式评估法向力和切向力： 在哪里为实际接触面积，τ棱角的剪切应力，和σ在连接处的正常应力。的因素表示实际产生剪切作用的实际接触面积的比例。真正的表面与明显的表面有关通过系数

的决心和对摩擦系数的演化过程进行描述和建模是必要的。例如,通过增加粗糙度之间的连接数量来增加正常力。尽管如此，通过实验观察，不能容易地确定这些参数的值。通过重建3D表面轮廓，可以使用白光显微镜实现表面分析。图中的插图8在20 m/s和视压力为40 MPa的弹道装置上进行摩擦试验后，A板(固定部分)滑动表面的演变。

从图中可以观察到，结的破裂导致两部分之间的质量传递，接触高度可达10微米8．表面粗糙度从0.9速度严重恶化 μ米至3.0μm.增加速度和压力改变了接触条件，通过削尖的峰值，表面发生了变化。数字9显示试样摩擦前后的表面 m/s andMPa。较高的压力会显著增加实际接触面积．然而，在棱柱的尺度上，剪切材料的体积大大减少(高度只有几微米)。与上面的试验(较低的压力和速度)相反，表面粗糙度有所改善，因为值从0.9减少 μm到0.82 μm.此外，尽管接触的数量增加了，但观察结果表明，只有一小部分接点被有效剪切。在这种情况下，参数的较低值必须被考虑。考虑到塑性流态的变化，可以解释表面形貌的演变。事实上，我们观察到，高滑动速度和大压力可以产生导致界面温度接近近熔体和完全熔体温度区间的条件[9- - - - - -11]．局部熔化发生在诸如摩擦对界面处的熔融金属膜的发展的粗糙结处。

参数的知识和，这取决于试验条件，但不足以解释摩擦系数的整体演化。材料的性能和温升也必须考虑在内。摩擦系数可以写成下面的形式假设在测试期间为常量: 剪切应力τ与材料热粘塑料行为有关，可以用剪切菌株表示，剪切应变率，以及温度T在畸形的粗糙中: 应变率可由下式估计: 在哪里h为突起剪切发生的高度。根据观测，高度的值是几个数量级的μm导致高度高的应变率．虽然应变速率趋于增加应力，但温度倾向于通过热软化过程减少。通过测量闪光温度可以给出温度的良好描述可以在联系人处找到。以前的结果(9]的研究表明，在相同接触条件下，闪蒸温度超过1000°C。最后，如果(5）以准确性所知，可以预测系数的值以及它在速度和压力下的渐近演化。

结论

动摩擦的分析需要精确的实验数据来描述在接触机制中发生的热机械现象。在此背景下，开发了一套三种互补性摩擦测量装置。该研究关注的是钢与钢之间的干摩擦，但这些装置的设计可以简单地适应对其他材料的研究。在很宽的滑动速度范围和不同的压力水平下，可以观察到摩擦系数的演变。这些装置上结果的收敛性提高了实验数据的可靠性。在高速下，温度的影响似乎是主要的。由于“热软化”，它导致摩擦系数下降。然而，根据施加的压力，摩擦系数可能继续下降(极端压力)或轻微增加(较低压力)。为了更好地理解这些变化，接触参数，如实际表面，材料的剪切体积，或在凸体接触温度必须被量化。由于局部塑性流动和熔化，高速和高压的联合作用降低了摩擦表面的表面粗糙度。 This could explain the asymptotic trend of the coefficient in extreme conditions.

参考文献

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