CN102890097B - 精锻模具热变形检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种精锻模具热变形检测系统及其检测方法，通过模拟形成并保持模具均匀温度场和非均匀温度场并综合作用于待测模具并产生变形量，并在待测模具上选取测试点，计算得到待测模具的工作时实际变形量。所述的选取测试点的步骤为：1)以待测模具竖直方向为Z坐标，以垂直于待测模具端面的前后方向为Y坐标，测得待测模具外表面上Z坐标的最高点和最低点，取两点的Y坐标平均值和Z坐标平均值作为待测模具的中心点；2)以中心点为圆心均匀取待测模具内、外轮廓上并测得各点坐标数据。本发明可以模拟模具非均匀温度场并实时提取模具温度及变形量数据，有助于深入探究模具热变形规律。

Description

精锻模具热变形检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种精锻模具技术领域的设备及方法，具体是一种精锻模具热变形检测系统及其检测方法。

背景技术

精锻成形过程中，尤其是在温、热精锻中，模具需要预热、坯料加热温度较高以及成形过程中变形与摩擦生热，导致模具温度不断变化，直接影响精锻件的尺寸精度和模具寿命。因此，实时检测模具温度场与模具变形等数据，研究二者之间的关系，是控制锻件尺寸精度与提高模具寿命的基础。

目前，关于精锻模具的温度场与变形量测试还没有专用的装置。通用的热变形测量装置常将待测物放在恒温环境中进行测量。但实际中，精锻模具温度由于受多因素影响，其分布往往不均匀且随时间变化。利用通用的热变形测量装置很难模拟出模具工作时的非均匀温度场并实时检测温度分布和变形量等数据。

中国专利文献号CN1936558B，公开日2010-11-24，记载了一种“热变形测试装置”，包括温度控制箱和位于温度控制箱上方的光学探头。测量时先通过温度控制箱中的送风管向载物台输送热风，以加热待测物体。同时光学探头可于温度控制箱上方移动，自光学探头发出的入射光束透过耐热透光板照射平坦基准面和待测样品，通过检测自待测样品和平坦基准面反射的光束测出待测样品的几何公差和尺寸变化。该装置的优点在于通过多方位直接送风实现待测样品的快速升温或降温，实现对实际温度曲线的模拟。但所述加热方式适用于小样品，对于尺寸相对较大的精锻模具是不太适用的。

进一步检索发现，中国专利文献号CN1570550A，公开日2005-1-26，记载了一种“三维高精度多功能热变形实验装置”，包括：测、控温系统、支持与调整系统、微变形测量系统和瞄准定位系统；其特征是设置恒温恒湿箱及测温电路，在恒温恒湿箱中设置二维工作台，在微变形测量系统中采用双频激光干涉仪，瞄准定位系统中的测杆一端与电感测头固定，另一端贯穿恒温恒湿箱侧壁通过测杆座与X向工作台固联。该装置实现了三维测量的功能，并且测量空间充裕，可用于体积较大和形状复杂的机械零件热变形的测量和材料膨胀系数的测定，但由于零件通过恒温恒湿箱加热，只能测量零件在均匀温度场下的变形情况，无法模拟生成模具在预热及成形过程中所具有的非均匀温度场，很难应用于精锻模具的热变形测量。

上述热变形测量装置均在恒温条件下采集待测物的变形量，无法模拟精锻模具在预热及成形过程中的非均匀温度场，因此急需一种可以模拟形成模具非均匀温度场并实时检测模具温度及变形量数据的装置，研究模具温度分布规律与模具型腔变形量之间的关系，以提高锻件精度与模具寿命，同时为实际精锻模具设计提供依据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种精锻模具热变形检测系统及其检测方法，能够模拟形成模具非均匀温度场并实时测取模具温度及变形量数据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种精锻模具热变形检测系统，包括：温度控制模块、待测模具固定支撑机构、温度场测定模块、变形量测定模块、数据采集处理模块和系统控制模块，其中：待测模具固定支撑机构将待测模具固定于测量区域，数据采集处理模块分别与温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块相连以分别实时显示和存储温度控制信息、温度测定信息和变形测定信息，系统控制模块分别与温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块相连以传输控制信号以实现控制温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块的启动、测定和关闭。

所述的温度控制模块包括：用于模拟形成并保持模具均匀温度场的恒温恒湿箱、用于模拟形成并保持模具非均匀温度场的加热装置、耐热玻璃和隔热采集视窗，其中：耐热玻璃和隔热采集视窗将恒温恒湿箱水平间隔成三个空间，待测模具位于恒温恒湿箱中间，温度场测定模块位于恒温恒湿箱上相对隔热采集视窗的另一侧以采集模具温度场分布及变化情况，变形量测定模块位于恒温恒湿箱上相对于耐热玻璃的另一侧以测量模具变形量，加热装置设置于待测模具的中部。

所述的恒温恒湿箱的工作温度范围为0～200℃，恒温恒湿箱与数据采集处理模块相连以传输温度控制信息且与系统控制模块相连实现开闭。

所述的加热装置包括：电加热棒和铜套，铜套的内径与电加热棒的外径相匹配，铜套的外表面与待测模具的内表面配合，电加热棒与数据采集处理模块相连以传输温度控制信息且与系统控制模块相连实现开闭。

所述的电加热棒的工作温度为0～400℃。

所述的系统控制模块包括：PLC控制器及其附属电气元件，根据用户输入的测量参数和外部输入流程，通过向电磁阀输入信号来控制温度控制模块的开闭，通过PLC自带的输出电信号控制温度场测定模块和变形量测定模块的工作过程，其中：用户输入的测量工艺参数包括加热曲线、测量温度和循环测量次数；外部输入流程通过外部程序实现热变形检测过程。

所述的待测模具固定支撑机构包括可调宽度的隔热导轨，该宽度可调的隔热导轨包括：垂直于隔热采集视窗的前后方向导轨和平行于隔热采集视窗的左右方向导轨，其中：左右方向导轨支撑前后方向导轨并调节前后方向的宽度，前后方向导轨宽度可调以引导待测模具进入测量区域并固定。

所述的隔热采集视窗为镶有测量专用视窗玻璃的隔热板，专用视窗玻璃位于隔热板的中心位置。

所述的温度场测定模块包括：测温仪及其上下位置可调的固定支架，其中：测温仪与数据采集处理模块相连并传输所测温度信息，测温仪与系统控制模块相连并由其控制实现开闭。

所述的变形量测定模块包括：光学探头及其前后和上下两个自由度的可调支撑定位机构，其中：光学探头与数据采集处理模块相连并传输所测点坐标信息；光学探头与系统控制模块相连并接收电信号以实现启动、测定和关闭。

本发明涉及上述系统的检测方法，通过模拟形成并保持模具均匀温度场和非均匀温度场并综合作用于待测模具并产生变形量，并在待测模具上选取测试点，计算得到待测模具的工作时实际变形量。

所述的均匀温度场通过设置恒温恒湿箱实现。

所述的非均匀温度场通过在待测模具中部设置加热装置实现。

所述的选取测试点的步骤为：1)以待测模具竖直方向为Z坐标，以垂直于待测模具端面的前后方向为Y坐标，测得待测模具外表面上Z坐标的最高点和最低点，取两点的Y坐标平均值和Z坐标平均值作为待测模具的中心点；2)以中心点为圆心均匀取待测模具内、外轮廓上若干点并测得各点坐标数据。

所述的选取测试点由光学探头探测实现。

所述的待测模具内轮廓是指直径为10mm至50mm范围内的模具内表面，外轮廓是指直径为100mm至300mm范围内的模具外表面。

技术效果

本发明包括以下技术效果：①可适用于不同尺寸形状的精锻模具，通用性好；②可模拟模具非均匀温度场并实时提取模具温度及变形量数据，有助于深入探究模具热变形规律；③采用通用的测温仪及光学探头，测试装置搭建方便；④温度场测定模块和变形量测定模块与外部计算机相连，数据存储与分析方便。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为系统控制模块操作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：温度控制模块1、待测模具固定支撑机构2、温度场测定模块3和变形量测定模块4，温度场测定模块3和变形量测定模块4分别与数据采集处理模块5和系统控制模块20相连接，其中：待测模具固定支撑机构2将待测模具10固定于测量区域，数据采集处理模块5分别与温度控制模块1、温度场测定模块3和变形量测定模块4相连以分别实时显示和存储温度控制信息、温度测定信息和变形测定信息，系统控制模块分别与温度控制模块、温度场测定模块3和变形量测定模块4相连以传输控制信号以实现控制温度控制模块1、温度场测定模块3和变形量测定模块4的启动、测定和关闭。

所述的温度控制模块1包括：用于模拟形成并保持模具均匀温度场的恒温恒湿箱6、用于模拟形成并保持模具非均匀温度场的加热装置7、耐热玻璃8和隔热采集视窗9，其中：耐热玻璃8和隔热采集视窗9将恒温恒湿箱6水平间隔成三个空间，待测模具10位于两者中间，温度场测定模块3位于隔热采集视窗9的另一侧以采集模具温度场分布及变化情况，变形量测定模块4位于耐热玻璃8的另一侧以测量模具变形量，加热装置7设置于待测模具10的中部；加热装置7、恒温恒湿箱6分别与数据采集处理模块5和系统控制模块20相连接。

所述的待测模具固定支撑机构2将待测模具10固定在测量区域；数据采集处理模块5分别与温度场测定模块3和变形量测定模块4相连以实时显示和存储测试数据；系统控制模块20分别与温度场测定模块3和变形量测定模块4相连以传输电信号，控制其启动、测定和关闭。

所述的恒温恒湿箱6的工作温度范围为0～200℃。恒温恒湿箱6为800mm×500mm×500mm的隔热箱体。恒温恒湿箱6与数据采集处理模块5相连以传输温度控制信息且与系统控制模块20相连实现开闭。

所述的加热装置7包括：电加热棒11和铜套12，铜套12的内径与电加热棒11的外径相匹配，铜套12的外表面与待测模具10的内表面配合。电加热棒11与数据采集处理模块5相连以传输温度控制信息且与系统控制模块2相连实现开闭。

所述的电加热棒11的工作温度为0～400℃。

所述的数据采集处理模块5包括计算机。

所述的系统控制模块20包括PLC控制器及其附属电气元件，操作流程如图2所示。

所述的待测模具固定支撑机构2包括可调宽度的隔热导轨13，该宽度可调的隔热导轨13包括：垂直于隔热采集视窗9的前后方向导轨14和平行于隔热采集视窗9的左右方向导轨15，其中：左右方向导轨15支撑前后方向导轨14并调节前后方向的宽度，前后方向导轨14宽度可调以引导待测模具10进入测量区域并固定，最大宽度为400mm。

所述的隔热采集视窗9为镶有测量专用视窗玻璃的隔热板，专用视窗玻璃位于隔热板的中心位置。

所述的温度场测定模块3包括：测温仪16及其上下位置可调的固定支架17，其中：测温仪16与数据采集处理模块5、系统控制模块20分别相连。

隔热采集视窗9可沿恒温恒湿箱6内表面的滑槽插入，专用视窗玻璃位于隔热板高度为100mm至300mm之间的中心位置，以保证测温仪16采集到待测模具温度场。

所述的变形量测定模块4包括：光学探头18及其前后和上下两个自由度的可调支撑定位机构19，其中：光学探头18与数据采集处理模块5相连并传输所测点坐标信息，支撑定位机构19高度可在100mm至250mm的范围内自由调节；光学探头18与系统控制模块20相连并接收电信号以实现启动、测定和关闭。

实施例2

本实施例通过采用上述系统模拟形成并保持模具均匀温度场和非均匀温度场并综合作用于待测模具并产生变形量，并在待测模具上选取测试点，计算得到待测模具的工作时实际变形量。

所述的模拟形成并保持模具均匀温度场通过设置恒温恒湿箱实现。

所述的模拟形成并保持模具非均匀温度场通过在待测模具中部设置加热装置实现。

所述的选取测试点的步骤为：1)以待测模具竖直方向为Z坐标，以垂直于待测模具端面的前后方向为Y坐标，测得待测模具外表面上Z坐标的最高点和最低点，取两点的Z坐标平均值和Y坐标平均值作为待测模具的中心点；2)以中心点为圆心均匀取待测模具内、外轮廓上若干点并测得各点坐标数据。

所述的选取测试点由光学探头探测实现。

所述的待测模具内轮廓是指直径为10mm至50mm范围内的模具内表面，外轮廓是指直径为100mm至300mm范围内的模具外表面。

本实施例具体通过以下方式实现测试：

1)选定内表面为圆柱面、内径为40mm、高200mm的精锻模具作为待测模具10，将电加热棒11固定在外径为40mm、长180mm的铜套12中，插入待测模具10中心；

2)沿左右方向导轨15，将前后方向导轨14的宽度调整至40mm，将待测模具10沿导轨滚入恒温恒湿箱6中的测量区域并固定；

3)将镶有测量专用视窗玻璃的隔热采集视窗9和耐热玻璃8插入恒温恒湿箱6，分置于待测模具10左右两侧；

4)将测温仪16置于固定支架17上，调节固定支架17的高度与位置，使测温仪16正对待测模具10中心位置，并连接计算机，调试设备，保证测温仪16可以通过模具左侧隔热采集视窗9的预留孔处采集到模具温度场数据，并可以正常传输和存储温度场数据；

5)将光学探头18及其支撑定位机构19固定于待测模具10右侧，以耐热玻璃8相隔，保证光学探头18垂直于模具右侧表面，并与计算机相连接，调试设备使光学探头18能够在平面内自由移动，以正常采集、传输和存储点坐标数据；

6)通过计算机控制，移动光学探头18的位置，使其寻找到待测模具10外表面上的最高点和最低点，即Z坐标最大值点和最小值点，存储两点Y、Z坐标平均值作为模具中心位置坐标，以保证光学探头18能够正常寻找模具中心点；

7)启动恒温恒湿箱6，设定其工作温度为20℃，保温10min，实时观测红外测温仪所测得的图像，待模具温度场整体稳定在20℃时，移动光学探头，寻找待测模具10外表面上的最高点和最低点，即Z坐标最大值点和最小值点，并以两点Y、Z坐标平均值作为新的模具中心位置坐标值，以此点为中心，每隔30°均匀选取模具内、外轮廓上各12个点，测得各点坐标数据；

8)关闭恒温恒湿箱6，启动加热装置7，设定：

a)工作温度为200℃，保温1h，或者是，

b)工作温度为400℃，保温2h；

然后以模拟精锻模具预热时的非均匀温度场，实时观测测温仪16所测得的图像，待模具温度场稳定后，提取模具预热时的温度分布数据，移动光学探头18，按照步骤6中所述，再次寻找模具中心位置，并以此点为中心，每隔30°均匀选取模具内、外轮廓上各12个点，测得各点坐标数据，与步骤7中的数据相对比，推算得出模具预热后的变形量。

最后将模具中心位置与测温仪16测得的温度分布云图中心位置相对应，在云图中的相应方向上取若干个点，拟合得到温度场分布的近似曲线。存储模具各个方向上的变形量以及温度分布曲线，作为后续模拟及试验验证的计算依据。

Claims (8)

1.一种精锻模具热变形检测系统，其特征在于，包括：温度控制模块、待测模具固定支撑机构、温度场测定模块、变形量测定模块、数据采集处理模块和系统控制模块，其中：待测模具固定支撑机构将待测模具固定于测量区域，数据采集处理模块分别与温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块相连以分别实时显示和存储温度控制信息、温度测定信息和变形测定信息，系统控制模块分别与温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块相连以传输控制信号以实现控制温度控制模块、温度场测定模块和变形量测定模块的启动、测定和关闭；

所述的温度控制模块包括：用于模拟形成并保持模具均匀温度场的恒温恒湿箱、用于模拟形成并保持模具非均匀温度场的加热装置、耐热玻璃和隔热采集视窗，其中：耐热玻璃和隔热采集视窗将恒温恒湿箱水平间隔成三个空间，待测模具位于恒温恒湿箱中间，温度场测定模块位于恒温恒湿箱上相对隔热采集视窗的另一侧以采集模具温度场分布及变化情况，变形量测定模块位于恒温恒湿箱上相对于耐热玻璃的另一侧以测量模具变形量，加热装置设置于待测模具的中部。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的加热装置包括：电加热棒和铜套，铜套的内径与电加热棒的外径相匹配，铜套的外表面与待测模具的内表面配合，电加热棒与数据采集处理模块相连以传输温度控制信息且与系统控制模块相连实现开闭。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的待测模具固定支撑机构包括可调宽度的隔热导轨，该宽度可调的隔热导轨包括：垂直于隔热采集视窗的前后方向导轨和平行于隔热采集视窗的左右方向导轨，其中：左右方向导轨支撑前后方向导轨并调节前后方向的宽度，前后方向导轨宽度可调以引导待测模具进入测量区域并固定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的隔热采集视窗为镶有测量专用视窗玻璃的隔热板，专用视窗玻璃位于隔热板的中心位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的温度场测定模块包括：测温仪及其上下位置可调的固定支架，其中：测温仪与数据采集处理模块相连并传输所测温度信息，测温仪与系统控制模块相连并由其控制实现开闭。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的变形量测定模块包括：光学探头及其前后和上下两个自由度的可调支撑定位机构，其中：光学探头与数据采集处理模块相连并传输所测点坐标信息；光学探头与系统控制模块相连并接收电信号以实现启动、测定和关闭。

7.一种根据上述任一权利要求所述系统的精锻模具热变形检测方法，其特征在于，通过模拟形成并保持模具均匀温度场和非均匀温度场并综合作用于待测模具并产生变形量，并在待测模具上选取测试点，计算得到待测模具的工作时实际变形量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的选取测试点的步骤为：1)以待测模具竖直方向为Z坐标，以垂直于待测模具端面的前后方向为Y坐标，测得待测模具外表面上Z坐标的最高点和最低点，取两点的Y坐标平均值和Z坐标平均值作为待测模具的中心点；2)以中心点为圆心均匀取待测模具内、外轮廓上若干点并测得各点坐标数据。

Images