CN103018137A - 一种用于测定热冲压过程中接触热阻的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，包括施压装置、测定装置和电阻数据采集模块，所述测定装置包括试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装，所述试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装分别通过导线与电阻数据采集模块相连。所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述试样测定工装包括上工装、下工装和试样固定工装。本发明还公开了一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法。本发明通过测试接触界面的接触电阻间接得到接触热阻，克服了现有技术接触热阻时存在的问题：检测精度不高，且不能实时持续的评价传热过程中接触界面的接触热阻。

Description

一种用于测定热冲压过程中接触热阻的装置及方法

技术领域

本发明涉及接触热阻的测定装置及方法，尤其涉及热冲压过程中钢材与模具之间接触热阻的测试方法和装置，属于高强度钢板热冲压技术领域。 

背景技术

反向热传导问题（Inverse Heat Conduction Problem, IHCP）是一种不适定问题，它与常规的热传导过程不同。常规热传导过程是根据已知的初始条件或边界条件，求解传热体内部的温度变化，是一种适定问题。IHCP要根据传热体温度的变化情况计算传热体的边界条件或初始条件：即通过在传热体内部安装热传感器，并利用热传感器记录传热体内部的相应位置的温度变化，再利用适当的计算方法根据温度变化情况确定传热体的初始条件或边界条件。目前，国内外的学者已经提出了多种数值解析方法解决IHCP。由于反传热问题是一种不适定问题，它的求解要比常规热传导过程复杂许多，选择简便、可靠的方法研究反向热传导问题，在实际工程应用中具有重要价值。 

利用数值模拟方法研究硼钢热冲压工艺时，需要相应的热冲压关键参数，包括硼钢的各种热物性参数、力学性能参数，接触边界参数等。其中，接触热阻是最关键的参数之一，其准确程度直接影响温度场、应力应变场以及组织场的求解精度。 

当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。在缝隙部分，热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而气体的传热能力远不及一般的固体材料。接触热阻的存在，往往造成热流流过交界面时，沿热流方向温度发生突然下降，而这是工程应用中需要尽量避免的现象。减小接触热阻的措施之一是增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙，增大接触面。 

专利200510101731.6公开了“一种导热材料热阻测试方法及测试夹具”，该测试夹具由发热单元和散热单元组成；该测试方法包括如下几个步骤：（1）将导热材料夹持在所述发热单元和散热单元之间；（2）将夹持导热材料的测试夹具置于环境试验箱内，并设置环境试验箱的参数进行环境试验；（3）对经过环境试验的测试夹具，由发热单元加热，通过导热材料将热量传导到散热单元，并对发热单元与散热单元的温度分别进行测量；（4）在温度稳定时，计算发热单元的功耗和发热单元与散热单元的温差，从而计算热阻。该专利实现了对导热材料进行不同环境变化后的热阻可靠性测试，并提高了测试精度。 

专利201010229877.X公开了“一种接触热阻测试设备”，该设备主要包括支架、顶板、底板、应力加载装置、数据采集系统和加热装置，底板和顶板之间由下至上依次设置加热装置、试样和应力加载装置。该专利所提供的设备能够进行高温、高接触应力下的接触热阻测试试验，并且能够连续按要求改变热端温度（≤1000℃）和调整加载应力（≤500MPa），能够对多通道的监测点温度同时进行检测和记录，并进行分析和统计，避免了循环记录各通道所带来的误差。 

专利201010205070.2公开了一种“机械压力作用下接触热阻测量装置及测量方法”，该专利通过集成式数采测试仪和热电偶测得设定压力作用下标定的铜块、第一试件和第二试件上测试点的温度值，并将在每个试件上所测得的温度进行直线回归，把回归值分别外推到接触界面处，得到试件在接触界面处的温度值，将接触界面处的两个温度值进行相减得到接触界面处的温降；由标定的铜块上所测得的两点温度，根据导热基本定律计算得到通过试件的热流密度；然后根据接触热阻计算公式，求得设定机械压力作用下第一试件和第二试件的接触热阻。 

然而，目前公开的用于测试接触热阻的装置和方法，都存在着同样的缺陷，即无法直接得到接触面上的温度，只能通过直接测试相互接触的两个零件内部或表面的温度，推算出的接触表面的温度差，以评价接触热阻的大小，由此带来的问题是：（1）在测试过程中，热量从加热的测试端传递到另一个测试端需要一定的时间，且测试材料的密度、比热、导热系数等热物性参数均会影响热量在零件内部的传热，导致所得到的接触热阻精度不高，存在一定的局限性；（2）这些装置只能得到相互接触面的温差，无法评价相互接触面的温度对于接触热阻的影响，也就是说，不能实时、持续地评价整个传热过程中接触面热阻的变化情况。 

发明内容

本发明针对现有技术中用于测试接触热阻的装置及方法存在的问题，设计了用于测定热冲压过程中高温钢板与模具接触热阻的装置及方法，以实现在一定的界面压力和界面温度下对接触热阻的测试。 

本发明的设计原理：根据弱电接触的接触机理，当一对触头相互接触时，允许一恒定电流通过，跨过接触表面及其邻近区域产生一个电压降，这种类型的电阻叫做接触电阻。接触面的接触电阻主要由两个参数决定：接触表面的状态和所施加力的作用。接触表面的状态主要包括：表面的粗糙度和表面的几何形状，即接触电阻与接触热阻具备相同的产生原因。只要能准确地测得接触界面的接触电阻，即可根据相应的关系式得到相应条件下的接触热阻。而接触电阻与接触热阻相比，更容易测量。基于上述理由，本发明根据热冲压过程的特点，设计相应的装置和方法，通过测试接触界面的接触电阻得到接触界面的接触热阻。 

本发明的技术方案：一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，包括施压装置、测定装置和电阻数据采集模块，所述测定装置包括试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装，所述试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装分别通过导线与电阻数据采集模块相连： 

所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述试样测定工装包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装固定在上工作台上，所述下工装固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间；

所述上工装包括上模具、保温装置I、加热装置I和温度检测装置I，所述保温装置I和加热装置I从内向外依次设置在上模具的外侧，所述上模具通过上模具引出导线与电阻数据采集模块相连，所述温度检测装置I用于检测上模具中心部位的温度；

所述下工装包括下模具、保温装置III、加热装置III和温度检测装置III，所述保温装置III和加热装置III从内向外依次设置在下模具的外侧，所述下模具通过下模具引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置III用于检测下模具边缘部位的温度；所述加热装置III与加热装置I采用并联的方式连接；

所述试样固定工装包括试样放置区、保温装置II、加热装置II和温度检测装置II，所述保温装置II和加热装置II依次设置在试样放置区的外侧；所述温度检测装置II包括检测试样中心部位温度的温度检测装置IIa和检测试样边缘部位的温度检测装置IIb；

所述标准模块工装包括标准模块、保温装置IV、加热装置IV和温度检测装置IV，所述保温装置IV和加热装置IV从内向外依次设置在标准模块的外侧；所述标准模块通过标准模块上引出导线和标准模块下引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置IV包括检测标准模块中心部位温度的温度检测装置IVa和检测标准模块边缘部位的温度检测装置IVb；

所述标准试样工装包括标准试样、保温装置V、加热装置V和温度检测装置V，所述保温装置V和加热装置V从内向外依次设置在标准试样的外侧；所述标准试样通过标准试样上引出导线和标准试样下引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置V包括检测标准试样中心部位温度的温度检测装置Va和检测标准模块边缘部位的温度检测装置Vb；

所述标准模块的材料与上模具和下模具相同，所述标准模块的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准模块的高度等于上模具、下模具和试样高度之和；

所述标准试样的材料与试样相同，所述标准试样的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准试样的高度等于上模具、下模具和试样高度之和。

优选的是，所述上工装通过上工装固定板固定在上工作台上，所述下工装通过下工装固定板固定在下工作台上；所述上工装固定板和上模具之间从上到下依次设有弹性储能元件和上模具固定板。 

优选的是，所述上工装固定板的下侧设有上压板，所述上压板将上工装固定板固定在上工作台上；所述下工装固定板的上侧设有下压板，所述下压板将下工装固定板固定在下工作台上。 

优选的是，所述上工装还包括上工装浮动弹簧，所述上工装浮动弹簧安装在上模具固定板的下表面上；所述下工装还包括下工装浮动弹簧，所述下工装浮动弹簧安装在下工装固定板的上表面上。 

优选的是，所述上工装固定板、弹性储能元件和上模具固定板通过复位螺钉连接为一体，所述复位螺钉在螺钉孔内能自由滑动；所述上模具固定板和上模具通过固定螺钉I刚性连接，所述下工装固定板和下模具通过固定螺钉III刚性连接；所述上工装浮动弹簧固定在上模具固定板的下表面的环形槽内，所述下工装浮动弹簧固定在下工装固定板的上表面的环形槽内。 

优选的是，所述弹性储能元件为弹性元件，所述弹性元件为弹簧或橡胶；所述上模具和下模具的材料为4Cr5MoSiV；所述上工装浮动弹簧和下工装浮动弹簧均为圆柱弹簧，所述圆柱弹簧的钢丝直径为1-1.5mm；所述环形槽的外径比圆柱弹簧的直径小0.5-1mm。 

优选的是，所述保温装置I-V为绝热保温材料缠绕多层组成的保温套；所述保温装置I包括位于上模具侧面的上模具保温套和位于上模具上端面的上工装保温块；所述保温装置III包括位于下模具侧面的下模具保温套和位于下模具下端面的下工装保温块；所述加热装置I-V为工频感应加热圈；所述温度检测装置I-V为红外测温传感器。 

优选的是，所述对上模块和下模块进行加热的工频感应加热线圈的尺寸相同。 

优选的是，所述绝热保温材料为导热系数低的耐火纤维纸，所述耐火纤维纸的厚度为1-2mm，所述缠绕厚度为10mm；所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述试样固定工装中的工频感应加热圈的内径等于试样外径加20mm；所述工频感应加热线圈的开口通过绝缘夹紧块固定，所述工频感应加热线圈内部设有作为冷却水通道的中空金属管道；所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。 

一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法，包括以下几个步骤：   

① 将试样放置在试样固定工装的保温装置II内，设置测试温度；将施压设备的最大输出压力设置为测试压力；将加热装置I-III分别连接至工频感应加热电源，其中加热装置I和加热装置III以并联的方式与工频感应加热电源相连；将上模具引出导线、下模具引出导线分别与电阻数据采集模块相连；

② 同时启动加热装置I-III、温度检测装置I-III，对上模具、试样和下模具同时进行加热，并检测上模具中心部位、试样中心及边缘和下模具边缘部位的温度；根据试样中心和试样边缘的温度差值，调整加热装置II的功率；根据上模具中心部位和下模具边缘部位的温度差值，调整加热装置I和加热装置III的功率；

③ 待试样、上模具和下模具的中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，先启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录试样、上模具和下模具的电阻值；然后启动施压装置对试样测试工装施加压力，使上工装向下靠拢，直至试样同时与上模具、下模具接触；

④ 当试样同时与上模具、下模具接触后，施压装置继续施压，压缩弹性储能元件至上、下工装承受的压力达到设定标准时停止工作；

⑤ 施压装置停止工作后，由弹性储能元件继续为上、下工装施加压力，直至测试完毕，测试过程中，电阻数据采集模块将持续记录上模具、下模具和试样的电阻值之和；

⑥ 测试完成后，施压装置带动上工装向上运动，打开试样测试工装，取出测试试样；

⑦ 将标准模块放置在标准模块工装的保温装置IV内，设置测试温度；启动加热装置IV和温度检测装置IV，根据标准模块中心温度和边缘温度的差值调整加热装置IV的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准模块的电阻值；改变设置温度，采用相同的方法得到标准模块在一系列温度下的电阻值

将

除以标准模块的高度，得到标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值

；

⑧ 将标准试样放置在标准试样工装的保温装置V内，设置测试温度；启动加热装置V和温度检测装置V，根据标准试样中心温度和边缘温度的差值调整加热装置V的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准试样的电阻值；改变设置温度，采用相同的方法得到标准试样在一系列温度下的电阻值

将除以标准试样的高度，得到标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值；

⑨根据

的测试温度，选择相应温度下的

和采用Eq.1计算相应测试温度和压力下试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值：

$R_C=\frac{R_P^T-R_A^S\×H^S-R_A^M\×(H^{\mathrm{MT}}+H^{\mathrm{MB}})}{2}---(\mathrm{Eq}.1)$           

R_C为试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻；

为一定温度和压力下上模块、下模块和试样的电阻值之和；是标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值；H^S是试样的高度；

是标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值；H^MT是上模块的高度；H^MB是下模块的高度；

所述Eq.1的推导过程如下：

a. 试样与上模块、试样与下模块的接触电阻相同，其值为R_C，因而试样与两个模块的接触电阻的和为2×R_C；

b. 试样的电阻值为单位长度的电阻值

与试样高度的乘积H^S，其值为

c. 上模块的电阻值为标准模块单位长度的电阻值

与上模块高度的乘积H^MT，其值为 $R_A^M\×H^{\mathrm{MT}};$ ；

d. 下模块的电阻值为标准模块单位长度的电阻值与下模块高度的乘积H^MB，其值为 $R_A^M\×H^{\mathrm{MB}};$ ；

由此可得公式Eq.3： $R_P^T=2\×R_C+R_A^S\×H^S+R_A^M\×H^{\mathrm{MT}}+R_A^M\×H^{\mathrm{MB}}$

公式Eq.3变换后可得Eq.1。

⑩ 根据步骤⑨计算得到的试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值R_C，采用Eq.2计算接触热阻HR_C： 

HR_C＝R_C+(HR₀-R₀)            （Eq.2）

HR₀是接触压力为P₀时的接触热阻，R₀为接触压力为P₀时的接触电阻；所述HR₀可采用激光热导仪检测得到，所述R₀可通过步骤①至⑨得到；

所述公式Eq.2的推导过程如下：

a. 把接触热阻和接触电阻设置在同一横坐标（界面压力）下，如图9所示，当界面压力为P₀时，接触热阻与接触电阻的差值为L＝HR₀-R₀；

b. 当界面压力为P_X时，从测试得到的接触电阻随界面压力的变化曲线中可得到接触电阻值为R_C；此时的接触热阻为HR_C＝R_C+L，也就是HR_C＝R_C+(HR₀-R₀)。

优选的是，所述标准模块的材料与上模具和下模具相同，所述标准模块的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准模块的高度等于上模具和下模具和试样高度之和；所述标准试样的材料与试样相同，所述标准试样的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准试样的高度等于上模具和下模具和试样高度之和。 

优选的是，所述保温装置II为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述加热装置I-V为内设冷却水通道的工频感应加热圈；所述温度检测装置I-V为红外测温传感器；所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。 

本发明的有益效果： 

（1）本发明采用新的设计思路，通过测试接触界面的接触电阻间接得到接触热阻，从而克服了现有技术在测定接触热阻时存在的问题：检测精度不高而且无法实时、持续的评价整个传热过程中接触界面的接触热阻；

（2）本发明针对热冲压过程的特点，设计了用于测试热冲压过程中高温钢材与模具之间的接触热阻的装置，该装置的试样测试工装中，采用线圈尺寸相同的工频感应加热线圈对上模具和下模具进行加热，且二者采用并联方式相连，保证了上模具和下模具的温度相同；同时通过对试样、上模具和下模具的温度检测，保证三者的温度一致，从而可以直接确定接触界面的温度；

（3）本发明所述的测试装置包括（a）与上、下模具材料相同的标准模块工装和（b）与试样材料相同的标准试样工装；所述标准模块工装采用与上、下模具相同的材料，方便对上模具材料、下模具材料的单位长度的电阻进行计算；所述标准试样工装采用与试样相同的材料，方便对试样材料的单位长度的电阻进行计算；

（4）本发明可以根据需要设置测试温度，从而实现了实时、持续的评价传热过程中接触热阻的变化情况。

（5）采用红外传感器作为温度检测装置，避免了在试样表面焊接热电偶而影响上、模具与试样的接触；采用两个红外传感器分别监测中心部位边缘位置，保证了温度的准确测定； 

（6）在测试工装中采用弹性储能元件，保证测试过程中硼钢试样与上模块和下模块之间的界面压力稳定在设定的压力值；弹性储能元件还起到了减缓上模块、试样和下模块接触后的刚性冲击，对施压装置起到了相应的保护作用。

附图说明

图1是用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置的结构示意图； 

图2是试样测定工装中上工装的结构示意图；

图3是试样测定工装中试样固定工装的结构示意图；

图4是试样测定工装中下工装的结构示意图； 

图5是施加设定压力后试样测试工装闭合时的结构示意图；

图6是上工装的弹性储能元件在工装闭合时的结构示意图；

图7是标准模块工装的结构示意图；

图8是标准试样工装的结构示意图；

图9是根据接触电阻计算接触热阻的示意图；

其中：1、上工装固定板，2、弹性储能元件，3、上模具固定板，4、上模具，5、上模具保温套，6、监测试样边缘部位的红外传感器，7、上工装浮动弹簧，8、下模具保温套，9、下模具，10、下工装保温块，11、下工装浮动弹簧，12、下工装固定板，13、下工装冷却水通道，14、下工装工频感应加热圈，15、试样放置区，16、试样保温套，17、试样固定工装冷却水通道，18、试样固定工装的工频感应加热圈，19、监测试样中心部位的红外传感器，20、上工装工频感应加热圈，21、上工装冷却水通道，22、上工装保温块，23、监测上模具中心部位的红外传感器，24、监测下模具边缘部位的红外传感器，25、绝缘夹紧块，26、固定螺钉II，27、固定螺钉I，28、复位螺钉，29、上模具引出导线，30、下模具引出导线，31、监测标准模具边缘部位的红外传感器，32、监测标准模具中心部位的红外传感器，33、标准模具上引出导线，34、标准模具工装冷却水通道，35、标准模具工频感应加热圈，36、标准模具下引出导线，37、标准模块，38、标准模块保温套，39、监测标准试样边缘部位的红外传感器，40、监测标准试样中心部位的红外传感器，41、标准试样上引出导线，42、标准试样工装冷却水通道，43、标准试样工频感应加热圈，44、标准试样下引出导线，45、标准试样，46、标准试样保温套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。 

一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，包括施压装置、测定装置和电阻数据采集模块，所述测定装置包括试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装，所述试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装分别通过导线与电阻数据采集模块相连： 

所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述测定装置包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装通过压住上工装固定板1的上压板固定在上工作台上，所述下工装通过压住下工装固定板12的下压板固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间。

所述上工装包括上工装固定板1、弹性储能元件2、上模具固定板3、上工装保温块22、上模具4、上模具保温套5、上工装浮动弹簧7、上模具固定螺钉27、弹性储能元件复位螺钉28、上工装工频感应加热圈20。所述上工装固定板1、弹性储能元件2和上模具固定板3之间通过复位螺钉28连接在一起，复位螺钉28可在上工装固定板1的螺钉孔内自由滑动，保证弹性储能元件2在测试过程中可以压缩和复位；上模具固定板3、上工装保温块22和上模具4通过固定螺钉I 27刚性连接在一起；上模具保温套5由导热系数低的耐火纤维纸缠绕组成，所述耐火纤维纸的厚度为1～2 mm，所述缠绕厚度为10 mm；上模具固定板3下表面上加工了一个环形槽，所述环形槽的外径尺寸比上工装浮动弹簧7的外径小0.5～1mm，所述上工装浮动弹簧7安装在环形槽内固定。弹性储能元件2是弹簧；上模具4的材料是4Cr5MoSiV1；上工装浮动弹簧7采用钢丝直径为1~1.5 mm的圆柱弹簧，保证其有良好的浮动性能；利用与工频感应加热电源相连的上工装工频感应加热线圈20对上模具4进行加热，加热过程中，上工装冷却水通道21中通冷却水分别对上工装工频感应加热圈20进行冷却；上工装浮动弹簧7的内径比上工装工频感应加热圈20外径大3~5 mm，保证上工装浮动弹簧7可以自由浮动；上模具4上设有上模具导线29，用于连接电阻数据采集模块。所述上工装还包括用于检测上模具中心部位温度的红外传感器23。 

下工装包括下工装固定板12、下模具9、下工装保温块10、下模具保温套8、下工装浮动弹簧11、下模具固定螺钉26、下工装工频感应加热圈14。所述下工装固定板12、下工装保温块10和下模具9通过固定螺钉II 26刚性连接在一起；下模具保温套8由导热系数低的耐火纤维纸缠绕组成，所述耐火纤维纸的厚度为1～2 mm，所述缠绕厚度为10 mm；下模具固定板12上表面上设有环形槽，所述环形槽的外径尺寸比下工装浮动弹簧11的外径小0.5～1mm，所述下工装浮动弹簧11安装在环形槽内固定。下模具9的材料是4Cr5MoSiV1；下工装浮动弹簧11采用钢丝直径为1~1.5 mm的圆柱弹簧，保证其有良好的浮动性能；利用与工频感应加热电源相连的下工装工频感应加热线圈14对下模具9进行加热，加热过程中，下工装冷却水通道13中通冷却水对下工装工频感应加热圈14进行冷却；下工装浮动弹簧11的内径比下工装工频感应加热线圈14外径大3~5 mm，保证下工装浮动弹簧11在测试过程中可以自由浮动；下模具上有下模具导线30，用于连接电阻数据采集模块。所述下工装还包括用于检测下模具边缘部位温度的红外传感器24。所述下工装工频感应加热线圈14与上工装工频感应加热线圈20的线圈尺寸相同，并且二者以并联方式连接。 

试样固定工装包括试样放置区15、试样保温套16、试样固定工装的工频感应加热圈18、试样固定工装冷却水通道17、监测试样中心部位的红外传感器19、监测试样边缘部位的红外传感器6、绝缘夹紧块25。所述试样保温套16由导热系数低的耐火纤维纸缠绕组成，所述耐火纤维质的厚度为1～2 mm，所述缠绕厚度约为10 mm；试样固定工装的工频感应加热圈18的内径等于试样的外径加20 mm，所述试样固定工装的工频感应加热圈的开口处用绝缘夹紧块25固定；监测试样中心部位的红外传感器19用机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测试样中心部位的红外传感器19对准试样的中心部位；监测试样边缘部位的红外传感器6用常见的机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测试样边缘部位的红外传感6对准试样的边缘部位；试样固定工装的工频感应加热圈18利用方形空心紫铜管制造，铜管的中空部分是试样固定工装冷却水通道17。 

标准模块工装包括标准模块37、标准模块保温套38、标准模块工频感应加热圈35、监测标准模块边缘部位的红外传感器31、监测标准模块中心部位的红外传感器32、标准模块工装冷却水通道34。标准模块保温套38位于标准模块37的外围，由导热系数低的耐火纤维纸缠绕组成，所述耐火纤维纸的厚度在1～2 mm，所述缠绕厚度约为10 mm；监测标准模块中心部位的红外传感器32用常见的机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测标准模块中心部位的红外传感器32对准标准模块37中心部位；监测标准模块边缘部位的红外传感器31用常见的机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测标准模块边缘部位的红外传感31对准标准模块37边缘部位。标准模块37的材料与上模块4、下模块9的材料相同；标准模块工频感应加热圈35利用方形空心紫铜管制造，铜管的中空部分是标准模块工装冷却水通道34；标准模块工装有标准模块上引出导线33和标准模块下引出导线36，用于连接电阻数据采集模块。 

标准试样工装包括标准试样45、标准试样保温套46、标准模块工频感应加热圈43、监测标准试样边缘部位的红外传感器39、监测标准试样中心部位的红外传感器40、标准试样工装冷却水通道42。标准试样保温套46位于标准试样45的外围，由导热系数低的耐火纤维纸缠绕组成，所述耐火纤维纸的厚度在1～2 mm，所述缠绕厚度约为10 mm；监测标准试样中心部位的红外传感器40用常见的机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测监测标准试样中心部位的红外传感器40对准标准试样45中心部位；监测标准试样边缘部位的红外传感器39用常见的机床磁力座固定，调整磁力座的支臂，使监测标准试样边缘部位的红外传感器39对准标准试样45边缘部位。标准试样45的材料与试样的材料相同；标准试样工频感应加热圈43利用方形空心紫铜管制造，铜管的中空部分是标准试样工装冷却水通道42；标准试样工装有标准试样上引出导线41和标准试样下引出导线44，用于连接电阻数据采集模块。 

一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法，包括以下几个步骤： 

 ① 将试样放置在试样固定工装的试样保温套内，设置测试温度为800℃；将施压设备的最大输出压力设置为测试压力1MPa；将加热装置I-III分别连接至工频感应加热电源，其中加热装置I和加热装置III以并联的方式与工频感应加热电源相连；将上模具引出导线29和下模具引出导线30与电阻数据采集模块相连；

② 设定加热温度为800℃，同时启动加热装置I-III、温度检测装置I-III，对上模具4、试样和下模具9同时进行加热，加热过程中，作为加热装置的工频感应加热圈中的冷却水通道中通入冷却水进行冷却；利用温度检测装置I-III检测上模具中心部位、试样中心及边缘和下模具边缘部位的温度；根据试样中心和试样边缘的温度差值，调整加热装置II 的功率；根据上模具中心部位和下模具边缘部位的温度差值，调整加热装置I 和加热装置III 的功率；

③ 待试样、上模具4和下模具9的中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，先启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录试样、上模具4和下模具9的电阻值；然后启动施压装置对试样测试工装施加压力，使上工装向下靠拢，直至试样同时与上模具4、下模具9接触；由上工装浮动弹簧7和下工装浮动弹簧11组成的双浮动系统保证试样与上模块4下表面、下模块9上表面的距离始终相等；

④ 当试样同时与上模具4、下模具9接触后，施压装置继续施压，压缩弹性储能元件2至上、下工装承受的压力达到设定标准时停止工作；

⑤ 施压装置停止工作后，由弹性储能元件2继续为上、下工装施加压力，直至测试完毕，测试过程中，电阻数据采集模块将持续记录上模具4、下模具9和试样的电阻值之和；

⑥ 测试完成后，施压装置带动上工装向上运动，打开试样测试工装，取出测试试样；

⑦ 将标准模块放置在标准模块工装的保温装置IV内，设置测试温度；所述标准模块的材料与上模具4和下模具9相同，所述标准模块的外径与试样、上模具4和下模具9相同，所述标准模块的高度等于上模具4、下模具9和试样高度之和；启动加热装置IV和温度检测装置IV，根据标准模块中心温度和边缘温度的差值调整加热装置IV的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准模块的电阻值；改变设置温度，采用相同的方法得到标准模块在一系列温度下的电阻值将

除以标准模块的高度，得到标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值

；

⑧ 将标准试样放置在标准试样工装的保温装置V内，设置测试温度；所述标准试样的材料与试样相同，所述标准试样的外径与试样、上模具4和下模具9相同，所述标准试样的高度等于上模具4、下模具9和试样高度之和。启动加热装置V和温度检测装置V，根据标准试样中心温度和边缘温度的差值调整加热装置V的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准试样的电阻值；改变设置温度，采用相同的方法得到标准试样在一系列温度下的电阻值将

除以标准试样的高度，得到标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值；

⑨ 根据

的测试温度，选择相应温度下的

和

采用Eq.1计算相应测试温度和压力下试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值：

$R_C=\frac{R_P^T-R_A^S\×H^S-R_A^M\×(H^{\mathrm{MT}}+H^{\mathrm{MB}})}{2}---(\mathrm{Eq}.1)$            

R_C为试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻；为一定温度和压力下上模块、下模块和试样的电阻值之和；

是标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值；H^S是试样的高度；

是标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值；H^MT是上模块的高度；H^MB是下模块的高度；

所述Eq.1的推导过程如下：

a. 试样与上模块、试样与下模块的接触电阻相同，其值为R_C，因而试样与两个模块的接触电阻的和为2×R_C；

b. 试样的电阻值为单位长度的电阻值

与试样高度的乘积H^S，其值为

c. 上模块的电阻值为标准模块单位长度的电阻值与上模块高度的乘积H^MT，其值为 $R_A^M\×H^{\mathrm{MT}};$ ；

d. 下模块的电阻值为标准模块单位长度的电阻值

与下模块高度的乘积H^MB，其值为 $R_A^M\×H^{\mathrm{MB}};$ ；

由此可得公式Eq.3： $R_P^T=2\×R_C+R_A^S\×H^S+R_A^M\×H^{\mathrm{MT}}+R_A^M\×H^{\mathrm{MB}}$

公式Eq.3变换后可得Eq.1。

⑩ 根据步骤⑨计算得到的试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值R_C，采用Eq.2计算接触热阻HR_C： 

HR_C＝R_C+(HR₀-R₀)            （Eq.2）

HR₀是接触压力为P₀时的接触热阻，R₀为接触压力为为P₀时的接触电阻；所述HR₀可采用激光热导仪检测得到，所述R₀可通过步骤①至⑨得到；

所述公式Eq.2的推导过程如下：

a. 把接触热阻和接触电阻设置在同一横坐标（界面压力）下，如图9所示，当界面压力为P₀时，接触热阻与接触电阻的差值为L＝HR₀-R₀；

b. 当界面压力为P_X时，从测试得到的接触电阻随界面压力的变化曲线中可得到接触电阻值为R_C；此时的接触热阻为HR_C＝R_C+L，也就是HR_C＝R_C+(HR₀-R₀)。

Claims (10)

1.一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：包括施压装置、测定装置和电阻数据采集模块，所述测定装置包括试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装，所述试样测定工装、标准模块工装和标准试样工装分别通过导线与电阻数据采集模块相连：

所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述试样测定工装包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装固定在上工作台上，所述下工装固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间；

所述上工装包括上模具、保温装置I、加热装置I和温度检测装置I，所述保温装置I和加热装置I从内向外依次设置在上模具的外侧，所述上模具通过上模具引出导线与电阻数据采集模块相连，所述温度检测装置I用于检测上模具中心部位的温度；

所述下工装包括下模具、保温装置III、加热装置III和温度检测装置III，所述保温装置III和加热装置III从内向外依次设置在下模具的外侧，所述下模具通过下模具引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置III用于检测下模具边缘部位的温度；所述加热装置III与加热装置I采用并联的方式连接；

所述试样固定工装包括试样放置区、保温装置II、加热装置II和温度检测装置II，所述保温装置II和加热装置依次设置在试样放置区）的外侧；所述温度检测装置II包括检测试样中心部位温度的温度检测装置IIa和检测试样边缘部位的温度检测装置IIb；

所述标准模块工装包括标准模块、保温装置IV、加热装置IV和温度检测装置IV，所述保温装置IV和加热装置IV从内向外依次设置在标准模块的外侧；所述标准模块通过标准模块上引出导线和标准模块下引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置IV包括检测标准模块中心部位温度的温度检测装置IVa和检测标准模块边缘部位的温度检测装置IVb；

所述标准试样工装包括标准试样、保温装置V、加热装置V和温度检测装置V，所述保温装置V和加热装置V从内向外依次设置在标准试样的外侧；所述标准试样通过标准试样上引出导线和标准试样下引出导线与电阻数据采集模块相连；所述温度检测装置V包括检测标准试样中心部位温度的温度检测装置Va和检测标准模块边缘部位的温度检测装置Vb；

所述标准模块的材料与上模具和下模具相同，所述标准模块的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准模块的高度等于上模具、下模具和试样高度之和；

所述标准试样的材料与试样相同，所述标准试样的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准试样的高度等于上模具、下模具和试样高度之和。

2.根据权利要求1所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述上工装通过上工装固定板固定在上工作台上，所述下工装通过下工装固定板固定在下工作台上；所述上工装固定板和上模具之间从上到下依次设有弹性储能元件和上模具固定板。

3.根据权利要求2所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述上工装还包括上工装浮动弹簧，所述上工装浮动弹簧安装在上模具固定板下表面上；所述下工装还包括下工装浮动弹簧，所述下工装浮动弹簧安装在下工装固定板的上表面上。

4.根据权利要求2所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述上工装固定板、弹性储能元件和上模具固定板通过复位螺钉连接为一体，所述复位螺钉在螺钉孔内能自由滑动；所述上模具固定板和上模具通过固定螺钉I刚性连接，所述下工装固定板和下模具通过固定螺钉III刚性连接；所述上工装浮动弹簧固定在上模具固定板下表面的环形槽内，所述下工装浮动弹簧固定在下工装固定板的上表面的环形槽内。

5.根据权利要求3-4任意一项所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述弹性储能元件为弹性元件，所述弹性元件为弹簧或橡胶；所述上模具和下模具的材料为4Cr5MoSiV；所述上工装浮动弹簧和下工装浮动弹簧均为圆柱弹簧，所述圆柱弹簧的钢丝直径为1-1.5mm；所述环形槽的外径比圆柱弹簧的直径小0.5-1mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述保温装置I-V为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述保温装置I包括位于上模具侧面的上模具保温套和位于上模具上端面的上工装保温块；所述保温装置III包括位于下模具侧面的下模具保温套和位于下模具下端面的下工装保温块；所述加热装置I-V为工频感应加热圈；所述温度检测装置I-V为红外测温传感器。

7.根据权利要求6所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的装置，其特征在于：所述绝热保温材料为导热系数低的耐火纤维纸，所述缠绕厚度为10mm；所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述试样固定工装中的工频感应加热圈的内径等于试样外径加20mm；所述工频感应加热线圈的开口通过绝缘夹紧块固定，所述工频感应加热线圈内部设有作为冷却水通道的中空金属管道；所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。

8.一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

将试样放置在试样固定工装的保温装置II内，设置测试温度；将施压设备的最大输出压力设置为测试压力；将加热装置I-III分别连接至工频感应加热电源，其中加热装置I和加热装置III以并联的方式与工频感应加热电源相连；将上模具引出导线、下模具引出导线分别与电阻数据采集模块相连；

② 同时启动加热装置I-III、温度检测装置I-III，对上模具、试样和下模具同时进行加热，并检测上模具中心部位、试样中心及边缘和下模具边缘部位的温度；根据试样中心和试样边缘的温度差值，调整加热装置II的功率；根据上模具中心部位和下模具边缘部位的温度差值，调整加热装置I和加热装置III的功率；

③ 待试样、上模具和下模具的中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，先启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录试样、上模具和下模具的电阻值；然后启动施压装置对试样测试工装施加压力，使上工装向下靠拢，直至试样同时与上模具、下模具接触；

④ 当试样同时与上模具、下模具接触后，施压装置继续施压，压缩弹性储能元件至上、下工装承受的压力达到设定标准时停止工作；

⑤ 施压装置停止工作后，由弹性储能元件继续为上、下工装施加压力，直至测试完毕，测试过程中，电阻数据采集模块将持续记录上模具、下模具和试样的电阻值之和；

⑥ 测试完成后，施压装置带动上工装向上运动，打开试样测试工装，取出测试试样；

⑦ 将标准模块放置在标准模块工装的保温装置IV内，设置测试温度；启动加热装置IV和温度检测装置IV，根据标准模块中心温度和边缘温度的差值调整加热装置IV的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准模块的电阻值

；改变设置温度，采用相同的方法得到标准模块在一系列温度下的电阻值

，将

除以标准模块的高度，得到标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值

；

⑧ 将标准试样放置在标准试样工装的保温装置V内，设置测试温度；启动加热装置V和温度检测装置V，根据标准试样中心温度和边缘温度的差值调整加热装置V的功率；当中心温度均达到设定的测试温度，且中心与边缘的温度差不超过5℃时，启动基于USB接口技术的电阻数据采集模块，记录该温度下标准试样的电阻值

；改变设置温度，采用相同的方法得到标准试样在一系列温度下的电阻值，将

除以标准试样的高度，得到标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值

；

⑨ 根据

的测试温度，选择相应温度下的

和

，采用Eq.1计算相应测试温度和压力下试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值：

 

           

R_C为试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻；

为一定温度和压力下上模块、下模块和试样的电阻值之和；

是标准试样在一系列温度下单位长度的电阻值；H^S是试样的高度；

是标准模块在一系列温度下单位长度的电阻值；H^MT是上模块的高度；H^MB是下模块的高度；

⑩ 根据步骤⑨计算得到的试样与上模块或试样与下模块之间的接触电阻值R_C，采用Eq.2计算接触热阻HR_C：

HR_C＝R_C+(HR₀-R₀)            （Eq.2）

HR₀是接触压力为P₀时的接触热阻，R₀为接触压力为为P₀时的接触电阻；所述HR₀可采用激光热导仪检测得到，所述R₀可通过步骤①至⑨得到。

9.根据权利要求8所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法，其特征在于：所述标准模块的材料与上模具和下模具相同，所述标准模块的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准模块的高度等于上模具、下模具和试样高度之和；所述标准试样的材料与试样相同，所述标准试样的外径与试样、上模具和下模具相同，所述标准试样的高度等于上模具、下模具和试样高度之和。

10.根据权利要求8所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间接触热阻的方法，其特征在于：所述保温装置II为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述加热装置I-V为内设冷却水通道的工频感应加热圈；所述温度检测装置I-V为红外测温传感器；所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。

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