CN102560068A - 一种薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法包括夹头、试样、冷却装置、真空罐、机架、连接轴、气缸、固定螺丝、连接螺丝、法兰和弹性体，两夹头分别夹紧薄板带试样位于真空罐内，其中一个夹头与连接轴相连，连接轴由气缸通过气压驱动，气缸安装在机架上，法兰和弹性体套在并固定于连接轴上，弹性体位于机架和法兰之间。调整两夹头之间的距离，在模拟实验过程中，弹性体可以根据试样所受的拉/压力产生一个反作用力，从而有效地防止试样的变形，克服了现有薄板带退火模拟试验中，由于气缸压力以及真空罐压差的变化所导致的试样受拉/压力的不可控而造成的薄板带试样的严重变形的技术缺陷。

Description

一种薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法

技术领域

本发明涉及一种板带退火试验装置，特别涉及一种热模拟试验机薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法。

背景技术

连续退火模拟实验机是研究冷轧产品的组织性能与退火工艺关系的有效工具，对于开发冷轧产品具有重要意义。

中国专利CN200510023266.9公开了一种带钢连续退火工艺模拟装置，可连续模拟带钢试样在连续退火炉内的加热、均热、缓冷、快冷、过时效的过程。然而，在加热、均热过程中试样的热膨胀及受力情况的变化会使试样产生变形，该发明所提供的装置没有明确是否可以在退火过程中对试样施加张力及有效防止试样变形的措施。现有的多功能退火模拟器是将试样作为电阻直接通电加热，退火在空气中进行。虽然其配置了各种冷却模式，但在空气中退火试样会发生氧化。

美国DSI制造的Gleeble系列热模拟试验机可以通过选配不同组件，完成模拟一定的工艺。其中的Gleeble-3800热模拟试验机的通用系统提供了两套动力系统，即液压系统和气压缸(空气锤)系统。为模拟板带退火试验，该通用系统配备了一套板带退火组件。通过更换通用系统中的夹具组件，安装上板带退火的夹具装置，并配备相应的冷却装置，即组成了板带退火系统。为使板带退火试验中的板带处于张力作用，膨胀时不受液压主轴的干扰，因此，在进行模拟试验前，要将联轴器(连接液压主轴部分)拆除掉，以便板带一端的夹具仅在气缸带动的连接轴的作用下在轴向往复运动，达到安装试样以及板带处于张力状态的目的。

试验前，真空罐要抽真空，使真空罐内、外产生气压差，若气缸“tens.”开关处于关闭状态，随着真空罐内、外产生的气压差增大，此时连接轴带动夹紧板带试样一端的夹具沿着轴向压缩板带试样，从而造成板带试样的弯曲变形；若在试验前气缸“tens.”开关处于打开状态，虽然气缸会沿着轴向产生拉力，抵消由于气压差所产生的作用力，但在试验过程的冷却段，真空又要被破坏掉。随着冷却的进行，真空罐的内、外压力差减小，导致板带试样受气缸的拉力与真空罐内、外压力差的合力增大，由于板带试样高温时具有较低的强度，这样板带试样会产生不同程度的拉伸变形，甚至被拉断；若在此时程序设定关闭“tens.”开关，气缸的拉力突然消失，导致薄板带试样受力失衡，板带试样又会由于气压差的作用产生较严重的弯曲变形现象；气缸的拉/压力是在系统启动程序时预先设置好的，并且在试验的整个过程中是不可控制的。此外，由于在气缸的拉/压力作用下，由连接轴带动夹头的运动不可控，因此在安装试样时，需反复开、关气缸的“tens./comp.”来调整两夹头的距离，其调整的过程费时、费力，难度较大。

然而，对于薄板带试样尤其是厚度在1毫米以下的板带试样，在进行退火工艺模拟的实际操作中，由于试样的热膨胀以及受力情况影响，若采用上述技术，会导致其出现较明显的变形，使模拟试验失真，同时给后续的力学性能测试带来了困难，造成测试数据的不准确。

因此，应用现有的设备及方法，难于实现薄板带在退火工艺过程中保持平直，影响了其后续性能测试的可靠性，有待于提出一种薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种薄板带退火装置及防止薄板带试样变形的方法，以实现薄板带退火工艺的模拟试验。

本发明采用了如下技术方案：

1.本发明的装置包括夹头、试样、冷却装置、真空罐、机架、连接轴、气缸、固定螺丝、连接螺丝、法兰和弹性体，两夹头分别夹紧薄板带试样位于真空罐内，其中一个夹头与连接轴相连，连接轴由气缸通过气压驱动，气缸安装在机架上，其特征在于，法兰和弹性体套在并固定于连接轴上，弹性体位于机架和法兰之间。

本发明的具体结构有，弹性体可以为碟形弹簧或其它弹性体，将其套于连接轴上；法兰为整体或分体式结构。

本发明所采用的弹性体可以为碟形弹簧或其它弹性体，将其套于连接轴上，调整两夹头之间的距离，在模拟实验过程中，弹性体可以根据试样所受的拉/压力产生一个反作用力，从而有效地防止试样的变形。

2.气缸压力的设定方法

针对试样在试验过程的分析，设定气缸压力。所设定的气缸压力值，使薄板带试样高温时处于微张力状态，不产生弯曲。在设备空载条件下，调解气缸压力，记录使连接轴刚好运动时气缸压力的值，即为滑动摩擦力。

1)安装试样时有如下关系式

N＝T-f＝KΔL    (1)

其中，T为气缸拉/压力，f为连接轴所受的滑动摩擦力，K为与弹性体性质有关的参数，N为弹性体的弹力

2)对试样进行加热前，有如下平衡关系式

T+N＝(P₀-P₁)S+f₁+T₁    (2)

其中，P₀、P₁分别为外界和真空罐内的压强，S为连接轴的横截面积，f₁为连接轴所受的静摩擦力，T₁为试样受到的张力。

3)加热、保温段时，试样会产生热膨胀现象，膨胀量设为ΔL₁，则有如下平衡关系式

T+N₁+f₂＝(P₀-P₁)S+T₂    (3)

其中，N₁为弹簧的弹力，T₂为试样受到的张力，f₂为连接轴所受的静摩擦力

4)在冷却段，必须关闭“tens.”开关，此时T＝0，试样受压应力作用达平衡时有

N₂+f₃+T₃＝(P₀-P₁)S    (4)

其中，N₂为弹簧的弹力，T₃为试样受到的张力，f₃为连接轴所受的静摩擦力

5)气缸拉/压力设置值如下

T＝(P₀-P₁)S/2+f+KΔL₁/4    (5)

3.试样的安装

将气缸“comp.”开关置为开状态，由于气缸的作用，法兰压紧弹性体，并使弹性体产生长为ΔL的变形，此时两个夹头之间的距离刚好适合待测薄板带试样的安装。

4.试验过程控制

当启动程序对试样进行加热、保温时，试样会产生热膨胀现象，将气缸“tens.”开关置为开状态，此时薄板带试样受拉力，由于室温下薄板带试样具有较高强度，不会产生拉伸变形。抽真空使真空罐内、外产生压力差，使薄板带试样处于微张力状态。

在冷却段，必须关闭“tens.”开关，由冷却装置喷出冷却气体，此时气缸拉力为零，试样有发生弯曲变形的趋势，则需使弹性体进一步发生压缩变形，由于弹性体的弹力作用，使弹性体通过法兰带动连接轴会对试样产生拉应力。随弹性体的压缩，其变形越来越困难，且由于试样的冷缩和真空罐内外压力差减小的作用，使试样的弯曲度减小。

当真空罐内的压强由P₁→P₀过程中，真空罐内的压强要不断的增大，当真空罐内的压强达到P₁′时，弹簧的弹力、摩擦力与真空罐内、外压力差的合力为零，有如下关系式：

N₃+f₄＝(P₀-P₁′)S    (6)

其中，N₃为弹簧的弹力，f₄为连接轴所受的静摩擦力，P₁′为真空罐内压强的目标设定值，其值与弹性体的性质以及设备的状况有关。

此时，将气缸“comp.”开关置为开状态，通过气缸的压力作用压缩弹性体，保证试样不因受拉应力而发生变形，随弹性体弹力的增大及冷却的进行，试样发生冷缩现象，最终试样趋于恢复原长，试验过程结束。

本发明的有益效果是：在热模拟机的连接轴上安装、固定一法兰，法兰限定住一定厚度的弹性体变形范围，通过弹性体的弹力调节真空罐内、外气压差产生的压力以及气缸的拉/压力对薄板带试样的作用力，有效地防止了薄板带试样的变形，克服了现有薄板带退火模拟试验中，由于气缸压力以及真空罐压差的变化所导致的试样受拉/压力的不可控而造成的薄板带试样的严重变形的技术缺陷。

另外，调整好的气缸压力可以压紧弹性体使每次试验后的夹头都停在一个位置，在装试样时，不必往复调整夹头位置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为法兰的结构示意图，

图3为弹性体的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

如图1所示，本发明的装置包括夹头1、试样2、冷却装置3、真空罐4、机架5、连接轴6、气缸7、固定螺丝8、连接螺丝9、法兰10和弹性体11，夹头1夹紧薄板带试样2位于真空罐4内，夹头夹紧试样的一端与连接轴6相连，连接轴由气缸7通过气压驱动，气缸7安装在机架上，夹头1沿轴向往复运动，冷却装置3在冷却过程中可喷出冷却气体，其特点是，法兰10和弹性体11套在连接轴6上，由卡紧螺丝8卡紧，以限制弹性体11的变形范围；如图3所示，弹性体可以为碟形弹簧或其它弹性体，将其套于连接轴上，在模拟实验过程中，弹性体11可以根据试样2所受的拉/压力产生一个反作用力，从而有效地防止试样2的变形；图2所示，法兰10可以制成整体的或分体的，当其为分体式时，通过螺丝9套于连接轴6上。

下面通过一个具体的实施例对本发明的实施方法详细说明：

本发明是按下述步骤进行：

1.弹性体与法兰的安装

本发明实施例所采用的弹性体为碟形弹簧，将其套于连接轴上，调整两夹头间的距离，将一长度比待测试样长6mm的厚板带试样安装于两夹头之间，此板带试样不会因受气缸的压力而弯曲。此时，将法兰通过螺丝套于连接轴，并于碟形弹簧刚好接触处由卡紧螺丝卡紧。

2.气缸压力的设定

在设备空载条件下，调解气缸压力，记录使连接轴刚好运动时气缸压力的值，即为滑动摩擦力。

本实施例摩擦力取f＝300N，对试样在试验过程进行受力分析，弹簧的倔强系数若取K＝75N/mm，试样2长度为200mm，厚度为0.6mm，其受热膨胀量ΔL₁＝3mm，真空罐内压强取P₁＝13.3Pa，连接轴直径D＝100mm。经计算得：气缸拉/压力T＝750N

3.试样的安装

将步骤1的板带试样取出，将气缸控制开关“comp.”置为开状态，由于气缸压力的作用，法兰压紧碟形弹簧，并使弹簧压缩6mm，此时两个夹头之间的距离刚好适合待测薄板带试样的安装。

4.试验过程控制

将气缸控制开关“tens.”置为开状态，此时薄板带试样受拉力。由于室温下薄板带具有较高强度，不会产生拉伸变形。抽真空使真空罐内压强为P₁停止，此时的薄板带试样处于微张力状态。由步骤1中力学平衡方程及所确定的气缸压/拉力，保证了试样在加热保温段受微张力作用。

冷却段中关闭“tens.”开关，此时T＝0，取弹簧的倔强系数为75N/mm，在安装试样时弹簧7被压缩6mm，试样加热膨胀使弹簧压缩量变为3mm，此时弹簧弹力为225N，随着冷却的进行，真空罐内、外压力差减小且试样有一定的收缩量，试样受合力很快达到零。在冷却段时，真空罐内压强逐渐增大；若冷却段保持气缸“tens.”开关为开状态，则试样所受的张力不断增大，由于薄板带试样高温强度较小，从而会发生拉伸变形现象，这样即改变了试样的加工工艺，会导致所获得的试验数据不准确。

随着冷却进一步进行，真空罐内、外压力差进一步减小，摩擦力反向用以平衡弹簧弹力，当真空罐内的压强由P₁→P₀过程中，压强达到P₁′时，弹簧的弹力、摩擦力与真空罐内、外压力差的合力为零，此时将气缸控制开关“comp.”置为开状态，P₁′为真空罐内压强的目标设定值，其值与弹性体的性质以及设备的状况有关。本实施例P₁′＝0.43×10⁵pa时，弹簧的弹力、摩擦力与真空罐内、外压力差的合力为零，此时将气缸控制开关“comp.”置为开状态，通过气缸的压力作用压缩弹簧，保证试样的收缩状态，当P₁＝P₀时，弹簧回复原始压缩态，试样恢复原长，试验结束。

通过上述方法对不同厚度的薄板带试样进行板带退火工艺模拟实验后，得到对应不同板厚、不同弹簧倔强系数对应的气缸拉/压力以及试样的伸长量参数值，如表1所示。

表1

由表1可以看出，采用本发明对试样进行测试，其伸长量与试样原长相比可以忽略不计，即试样基本恢复了原长，说明本发明有效地防止了薄板带试样的变形，克服了现有薄板带退火模拟试验中，由于气缸压力以及真空罐压差的变化所导致的试样受拉/压力的不可控而造成的薄板带试样的严重变形的技术缺陷。

Claims (4)

1.一种薄板带退火装置，包括夹头(1)、连接轴(6)、冷却装置(3)、真空罐(4)，两夹头(1)分别夹紧薄板带试样(2)位于真空罐(4)内，其中的一个夹头(1)一端与连接轴相连，连接轴(6)由气缸(7)的驱动，其特征在于，法兰(10)和弹性体(11)套在连接轴(6)上，连接轴(6)安装在机架(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种薄板带退火装置，其特征在于所述的弹性体(11)为碟形弹簧或硬橡胶垫。

3.根据权利要求1所述的一种薄板带退火装置，其特征在于所述的法兰(10)为整体或分体式结构。

4.应用权利要求1所述的一种薄板带退火装置的防止薄板带试样变形的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)气缸压力的设定方法

(1)安装试样时有如下关系式

N＝T-f＝KΔL    (1)

其中，T为气缸拉/压力，f为连接轴所受的滑动摩擦力，K为与弹性体性质有关的参数，N为弹性体的弹力

(2)对试样进行加热前，有如下平衡关系式

T+N＝(P₀-P₁)S+f₁+T₁    (2)

其中，P₀、P₁分别为外界和真空罐内的压强，S为连接轴的横截面积，f₁为连接轴所受的静摩擦力，T₁为试样受到的张力。

(3)加热、保温段时，试样会产生热膨胀现象，膨胀量设为ΔL₁，则有如下平衡关系式

T+N₁+f₂＝(P₀-P₁)S+T₂    (3)

其中，N₁为弹簧的弹力，T₂为试样受到的张力，f₂为连接轴所受的静摩擦力

(4)在冷却段，必须关闭“tens.”开关，此时T＝0，试样受压应力作用达平衡时有：

N₂+f₃+T₃＝(P₀-P₁)S    (4)

其中，N₂为弹簧的弹力，T₃为试样受到的张力，f₃为连接轴所受的静摩擦力，

(5)气缸拉/压力设置值如下

T＝(P₀-P₁)S/2+f+KΔL₁/4    (5)

2)试样的安装

将气缸“comp.”开关置为开状态，由于气缸(7)的作用，法兰(10)压紧弹性体(11)，并使弹性体(11)产生长为ΔL的变形，此时两夹头(1)间的距离刚好适合待测薄板带试样(2)的安装；

3)试验过程控制

当启动程序对试样进行加热、保温时，将气缸“tens.”开关置为开状态；

在对试样进行冷却段时，关闭“tens.”开关；

当真空罐内的压强由P₁→P₀过程中，真空罐内的压强要不断的增大，当真空罐内的压强达到P₁′时，弹簧的弹力、摩擦力与真空罐内、外压力差的合力为零，有如下关系式：

N₃+f₄＝(P₀-P₁′)S    (6)

其中，N₃为弹簧的弹力，f₄为连接轴所受的静摩擦力，P₁′为真空罐内压强的目标设定值，其值与弹性体的性质以及设备的状况有关。

此时，将气缸“comp.”开关置为开状态；

当P₁＝P₀，弹簧回复原始压缩态，试样恢复原长，试验过程结束。

Images