[发明专利]金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法

说明书

本发明公开了一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，该方法包括利用拉美公式建立金属孔结构的径向压应力关于强化量的数学模型，结合金属孔结构冷挤压强化过程的结构和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力理论模型，最后通过强化阻力测量装置测量强化阻力‑位移曲线，分析曲线特征并对曲线线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，将拟合参数代入理论摩擦阻力模型计算得到芯棒与挤压孔壁的摩擦系数。本发明实现了金属孔结构冷挤压过程中芯棒和挤压孔壁的摩擦系数有效测试，为冷挤压强化技术的研究和工程应用提供关键参数，并且具有计算效率高、准确度高、成本低，工程应用性强等优点。

技术领域

本发明属于测试领域，特别涉及金属孔结构的冷挤压强化过程中芯棒与连接孔壁间的摩擦系数测试方式。

背景技术

冷挤压强化是目前实现金属孔结构疲劳增寿的主要手段，可显著提高孔结构疲劳寿命，具有不改变材料及结构设计、不增重、成本低、强化效果明显、应用孔径范围广等优势，已广泛应用于飞机机身和机翼中关键承力构件连接孔的疲劳强化。

冷挤压强化过程中，挤压芯棒与连接孔过盈配合，芯棒与连接孔产生明显的强化阻力，强化阻力对强化拉力、孔壁轴向应力分布、孔口材料挤出量等具有重要影响，直接影响孔的冷挤压疲劳强化效果。强化阻力对挤压芯棒与连接孔壁的摩擦系数十分敏感，即使摩擦系数的小幅度改变也将引起强化阻力的明显变化。目前，为了降低成本、提高效率，孔的冷挤压强化过程的有限元建模研究十分普遍。对于冷挤压强化过程的建模研究，挤压芯棒和连接孔壁间的摩擦系数是关键输入参数，摩擦系数的准确度直接决定了研究结果的可靠性。因此，准确测量挤压芯棒和连接孔壁间的摩擦系数，对于冷挤压孔强化的模拟研究及工程应用至关重要。

一般情况下，摩擦系数可以根据库伦定理用摩擦力比接触压力计算得到。对于平面间摩擦，平面间接触压力和摩擦阻力容易测得，但冷挤压强化属于典型的柱面接触，柱面间接触压力测试较困难，而且摩擦阻力只是强化阻力的一部分，其测量亦较困难。专利号为201910339658.8的发明专利公开了一种用于测量挤压筒内壁摩擦因数的热挤压装置及方法，该发明通过在挤压筒与挤压模座之间设置第一压电式传感器，根据在挤压过程中第一压电式传感器数值的变化量得出坯料对挤压筒内壁的摩擦力，挤压筒沿挤压腔的轴线划分为左挤压筒和右挤压筒，测力装置能够测量挤压过程中与挤压腔轴线垂直方向上的力，进而计算出挤压筒内壁所受的径向压力，此时挤压筒内壁所受的摩擦力与径向压力之比即为润滑剂的摩擦系数。然而，该方法涉及的装置和测量过程较复杂，对于不同的测试对象需要设计加工不同的安装模座，时间和经济成本较高。此外，对于冷挤压强化过程，芯棒轴向测得的拉力为强化阻力，由摩擦阻力和剪切阻力构成，使用该方法只能测出强化阻力，不能测得准确的摩擦阻力，因此无法实现冷挤压强化过程摩擦系数的测量。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，实现对冷挤压强化研究和工程应用中关键参数的有效测试。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属孔结构的冷挤压强化摩擦系数测试方法，包括以下步骤：

S1、根据各向同性金属材料孔结构冷挤压强化过程，利用拉美公式建立挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型；

S2、根据金属孔结构冷挤压强化过程中金属孔的结构特征和强化特征，建立基于库伦摩擦原理的强化阻力模型；

S3、利用强化阻力测量装置获取冷挤压过程的强化阻力-位移曲线，并对线性摩擦阻力阶段进行线性拟合，得到曲线拟合的斜率参数和常数参数；

S4、根据强化阻力理论模型，计算金属孔结构冷挤压强化过程中挤压孔壁与芯棒接触面摩擦系数。

进一步地，所述步骤S1中挤压孔的径向压应力与强化量的关系模型具体为：