CN103286186B - 超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置及方法。该装置主要由Ⅰ和Ⅱ两路防氧化加热/加载系统、极点高度光电测量系统和冷却系统组成。其中的Ⅰ路为正压加载系统，Ⅱ路为背压加载系统，均由高压净化氩气源、具有压力与温度测控功能的炉外加热及加载气路、以及控制系统组成，两路防氧化加热/加载系统配合作用即可对试样无氧化加热，又能实现恒压、压力跃变和附加背压的对向差压等加载方式。光电测量系统实现对胀形件极点高度的非接触测量。冷却系统对需要冷却的构件实施循环冷水冷却。该装置实现了对胀形件极点高度的非接触测量，能够有效防止试样高温氧化，具有调压精度高、响应快、实验过程安全可靠等特征。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超塑性胀形实验装置，特别适用于高温防氧化超塑性自由胀形程序控制精确加载实验装置及方法，而且是超塑性充模胀形成形的重要基础。
背景技术：
超塑性胀形技术在航空、航天、汽车和精密仪表领域占有重要的地位，而且有良好的发展前景。超塑性自由胀形，边界固定、无摩擦影响，其胀形变形规律是超塑性充模胀形的基础。而且自由胀形的实验装置必须能测量自由胀形件极点高度随时间或压力的变化规律，这是制定不同超塑性板材充模胀形工艺方案的力学基础。由于超塑性胀形是处于双拉应力状态，超塑性变形又具有很强的结构敏感性，根据一维拉伸所得的变形规律，不能直接推广到二维胀形变形，即使已知材料的成分和微观结构，也无法从理论上求出二维胀形的变形规律。因此，必须针对具体超塑性板材的组成和微观结构，并在既定温度、应力状态下的加载路径进行实验测定，求得在一定压力下自由胀形件极点高度随时间和压力的变化规律，才便于制定超塑性充模胀形工艺方案。由于金属超塑性在最佳超塑温度下的变形抗力很小，对温度的敏感性很强，在初期超塑性自由胀形的实验装置都是通过与自由胀形件极点相接触的顶杆位移变化获得的，而顶杆是设在高温筒形压边模之外的位移传感器中，由于金属超塑性在高温下的变形抗力很小，极点处又是变薄最严重的区域，这便因胀形件无力顶起顶杆使实验测试失败，而且与极点接触的顶杆又造成胀形件的温度不均匀，这又是难以消除的。自本发明人的“保护气体超塑性胀形可控温度压力的光电记录试验装置”（200410010939.2）发明专利公告之后，提出了借助光电转换测量自由胀形极点高度随时间或压力变化的基本思想。虽然解决了接触测量法测量超塑性自由胀形的一些疑难问题，由于是手动实验控制，所得结果相当粗糙，已不能满足当今对超塑胀形的要求。采用步进电机或比例控制阀等调节气体流量，按设定压力自动控制记录对应的胀形件极点高度变化，设计程序精确控制的加载装置及方法。以求针对不同超塑性板材，在不同温度和不同加载路径下，从实验测量求得自由胀形的变形规律，为超塑性充模胀形提供定量依据，已成为超塑性成形必须解决的问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：设计一种在超塑性温度下，对不同板材的超塑性自由胀形实验装置与方法。实现双拉应力状态的恒压、压力跃变及附加背压的双拉对向差压胀形的多种加载路径，且具有防高温氧化、光电转换测量、调压精度高、响应快、实验结构安全等特征的超塑性自由胀形程序控制精确加载实验装置及方法。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下。
一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，所述实验装置主要由Ⅰ和Ⅱ两路防氧化加热/加载系统、极点高度光电测量系统和冷却系统组成。两路防氧化加热/加载系统中Ⅰ路为正压加载系统，Ⅱ路为背压加载系统，均由纯净高压氩气源、压力与温度测控的加热和加载气路、以及控制单元组成，两路加热/加载系统配合作用即能完成试样无氧化加热，又可实现恒压、压力跃变和附加背压对向差压等加载方式。极点高度光电测量系统由光源、光电传感器及其处理电路组成，实现对胀形件极点高度的非接触测量。冷却系统对需要冷却的部分实施循环水冷。
所述两路加热/加载系统中，高压氩气气瓶1、气瓶总阀2、压力表3，比例减压阀4和压力传感器5组成气源部分，由控制系统控制调节比例减压阀4输出，压力传感器5检测输出压力，实现氩气瓶输出气体的高压减压；高压减压后的氩气经精密调压阀6、第一高精度压力传感器9、快速开关阀10、单向阀12，经氩气进气管14进入炉内高温合金加热筒23加热，加热后的氩气经高温高压氩气背压进气管27和高温高压氩气胀形进气管26分别通入筒形压边模内胀形件的上腔和下腔，胀形件上、下腔通过排气管29、高温氩气排气室31及第二高精度压力传感器33、快速排气阀35与大气连通，组成了具有压力与温度测控功能的加热、加载气路，其中精密调压阀6由步进电机7驱动，增量型旋转编码器8检测电机旋转角度，第一高精度压力传感器9和第二高精度压力传感器33分别测控精密减压阀输出压力和筒形压边模内上、下腔的压力，炉内高温合金加热筒23置于中频感应加热炉22中，由中频感应加热电源20控制加热温度，进而加热内部氩气，第一热电偶含二次仪表21和第二热电偶含二次仪表36分别检测高温合金加热筒内温度和筒形压边模内上、下腔的温度，第二快速开关阀11连通两路气路，快速排气阀35由电磁换向阀和单向阀复合组成，可将上下腔内气体排出的同时防止空气进入；液压机活动横梁44、上绝热板45、环形上压边圈46、筒形压边模47、上绝热筒48、上环形压边模49、下压边模50、下绝热筒51、环形下压边圈52、下绝热板53、液压机工作台54组成胀形绝热保温炉及压边装置。
所述两路加热/加载的控制系统是以单片机微处理器为核心，实现对加载压力和加热温度的闭环调控。所述加载压力闭环调控，是指单片机通过压力传感器5检测气源压力，并控制比例减压阀4减压，实现高压减压闭环调控；对第一高精度压力传感器9设定实验压力P，通过第二高精度压力传感器33检测精密减压阀输出到筒形压边模内的压力P＇，并控制步进电机旋转方向和转角来调节压力输出，形成加载压力调控闭环控制，将压力传感器设定的压力提高至2P-P＇，筒形压边模内的压力便为P；所述加热温度闭环调控，是单片机通过第一热电偶含二次仪表21和第二热电偶含二次仪表36以及二次仪表检测当前高温合金加热筒内的温度和筒形压边模内的温度，并通过调节中频感应加热电源的输出功率来调节温度来实现加热温度闭环调控；将炉内高温合金加热筒23的温度设定在胀形试件的实验温度T，测得筒形压边模腔内的温度为T＇，再将炉内高温合金加热筒23的温度改设为2T＇T＇，筒形压边模内的温度便为T；单片机通过控制第一快速开关阀10、第二快速开关阀11和快速排气阀35的打开和关闭以实现加载或排空；单片机与PC机之间采用RS485通信，将采集的数据发送至上位PC机，上位PC机主要作为人机界面来输入和输出数据、指令等。
所述极点高度光电测量系统由光源含电源37、聚光透镜41、光电池42、光电转换器43，光源含电源37位于筒形压边模47的一侧，聚光透镜41、光电池42、光电转换器43位于压边模的另一侧，光源含电源37发出的平行光经过平行光窗口38时，胀形试件40遮挡部分光源，从平行光窗口透出的部分光线经聚光透镜41聚集到光电池42上，光电池42将高度信号转换为光动能，并由光电转换器43转换为极点高度值后，通过RS485接口发送到上位PC机。
所述冷却系统主要对需要冷却的构件实施冷水循环降温冷却，由纯净冷水箱25、循环水泵18和循环管路组成，其中循环水泵18输出的冷却水经四通17后形成四路循环，一路由管路15通入第一循环水冷室13，组成对单向阀12的水冷循环冷却，单向阀12是防止高温氩气的回流，两路通过管路中频感应加热炉循环水冷进水管19通入中频感应加热炉22，形成感应加热水冷循环冷却，最后一路由循环冷水进水管34.2和循环冷水回水管34.1通入第二循环水冷室Ⅰ32.1和第二循环水冷室Ⅱ32.2，32.1和32.2之间由耐高温软管30连通，组成对高温氩气排气室31及第二高精度压力传感器33的水冷循环冷却，最后由管路16、24和34回到纯净冷水箱25。
所述装置在实验前需对有关传感器的测量进行标定，标定内容主要包括：标定建立单片机输出控制电压与比例减压阀4输出压力之间的关系；标定建立步进电机7旋转角度与精密调压阀6输出压力之间的关系；标定建立单片机输出的控制电流与中频感应加热电源20输出功率之间的关系；标定建立光电池42输出信号与极点高度之间的关系；
所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载方法，采用恒压P加载方式，所述恒压加载只需一路气路Ⅰ工作，包括以下步骤：
（1）关闭各快速开关阀，设定所需目标压力，依据气路Ⅰ中当前压力值和初始标定压力值P，所得到步进电机Ⅰ7.1转角与输出气压间的关系，计算目标压力所对应的转角，并控制步进电机Ⅰ7.1旋转调压直至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1输出压力达到初始标定值。
（2）实验时打开气路Ⅰ的第一快速开关阀Ⅰ10.1进行加载，同时使快速排气阀Ⅰ35.1处于关闭状态、快速排气阀Ⅱ35.2处于开启状态，控制系统根据第二高精度压力传感器Ⅰ33.1测得胀形加载压力值P＇，使目标压力提高到2P-P＇，控制步进电机旋转调压使33.1的压力值达到2P-P＇，此时，第二高精度压力传感器Ⅰ33.1测得的压力值即为实验目标压力值P。
（3）同时由光电转换测量装置记录胀形件极点高度和时间的关系。
所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载方法，采用压力跃变前的压力P1和压力跃变后的压力P2进行压力跃变加载方式，包括以下步骤：
（1)关闭第二快速开关阀11和快速排气阀Ⅰ35.1和快速排气阀Ⅱ35.2，设定压力跃变后9.1、9.2的压力值P2，根据气路Ⅰ和Ⅱ中当前压力值和标定压力值P2所得的步进电机转角与输出气压间的关系，计算跃变后压力所对应的转角，根据第二高精度压力传感器Ⅰ33.1和第二高精度压力传感器Ⅱ33.2检测的压力值P2＇，将第一高精度压力传感器Ⅰ9.1和第一高精度压力传感器Ⅱ9.2的压力值提升为2P2-P2＇，于是气路Ⅰ和Ⅱ的压力值都调整至压力跃变后的压力值P2，而且筒形压边模的上腔和下腔的压力达到平衡。
（2）关闭第一快速开关阀Ⅱ10.2和11，打开快速排气阀Ⅰ35.1和快速排气阀Ⅱ35.2，将第一高精度压力传感器Ⅰ9.1设定在P1，关闭快速排气阀Ⅰ35.1，根据压力跃变前第一高精度压力传感器Ⅰ9.1设定的压力值P1和第二高精度压力传感器Ⅰ33.1实测的压力值P＇，将第一高精度压力传感器Ⅰ9.1的压力值提升为2P2-P2＇，于是第二高精度压力传感器Ⅰ33.1的压力值便为跃变前设定的压力值P1，与此同时，胀形件在压力P1的作用下自由胀形，并通过光电转换记录仪将压力P1作用下极点高度随时间变化的记录曲线，经时间Δt时，关闭第一快速开关阀Ⅰ10.1，打开第二快速开关阀11，压力便由P1跃变到P2自由胀形，同时记录压力跃变值P2极点高度与时间的关系曲线。
所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载方法，采用附加背压差压加载自由胀形，即采用附加背压的对向差压加载方式，包括以下步骤：
（1）关闭第一快速开关阀Ⅰ10.1和快速排气阀Ⅰ35.1和快速排气阀Ⅱ35.2，打开第一快速开关阀Ⅱ10.2和第二快速开关阀11，将第一高精度压力传感器Ⅱ9.2设定为背压P2，根据Ⅱ中当前压力值和标定压力值所得的步进电机转角与输出气压间的关系，计算所对应的转角，使气路Ⅰ和Ⅱ的压力调控至P2；
（2）关闭第二快速开关阀11，设定第一高精度压力传感器Ⅰ9.1的压力为正压P1，根据气路Ⅰ中当前压力值和标定所得的步进电机转角与输出气压间的关系，计算所对应的转角，使气路Ⅰ的压力调整至P1，然后打开第一快速开关阀Ⅰ10.1，胀形件便在附加背压P2、正压P1的差压（P1－P2）的作用下自由胀形，同时，由胀形极点高度与时间的关系输至光电记录仪。
本发明的有益效果：
1．采用非接触光电测量转换测量装置，可消除接触式的顶杆对超塑性自由胀形极点处造成附加应力和温度不均匀的不良影响。
2．采用炉外加热系统加热高压氩气，可显著缩短胀形件的加热时间，并增加了加热试件的均匀性，大大延缓了超塑性板材晶粒的长大，使金属板材的超塑性更为稳定。
3．采用压力传感器和热电偶的二次仪表，可使压力测控和温度测控更加精确。步进电机驱动精密调压阀，增量型旋转编码器检测电机旋转角度，压力传感器检测压力，压力控制能够形成串级PID控制，从而提高加载的精度和灵敏度，有效降低加载滞后。
4．能在双拉应力状态下，进行单向正压、压力跃变和附加背压的差压自由胀形。
5．设置快速排气阀Ⅰ35.1和快速排气阀Ⅱ35.2，可将管路和压腔内的空气排净，实现纯净高温高压氩气对试件的防氧化作用，并减少因上腔空间减小对压力的附加影响。
6．以PC机为人机界面完成整个加载过程的操作和控制，操作简单，自动化程度高。
附图说明：
图1为超塑性自由胀形实验装置结构图；
图2为控制系统结构框图；
图3为增量型旋转编码器信号细分辩向处理电路图
图中：1.1-纯净高压氩气瓶Ⅰ，1.2-纯净高压氩气瓶Ⅱ，2.1-气瓶总阀Ⅰ，2.2-气瓶总阀Ⅱ，3.1-压力表Ⅰ，3.2-压力表Ⅱ，4.1-比例减压阀Ⅰ，4.2-比例减压阀Ⅱ，5.1-压力传感器Ⅰ，5.2-压力传感器Ⅱ，6.1-精密调压阀Ⅰ，6.2-精密调压阀Ⅱ，7.1-步进电机Ⅰ，7.2-步进电机Ⅱ，8.1-增量型旋转编码器Ⅰ，8.2-增量型旋转编码器Ⅱ，9.1-第一高精度压力传感器Ⅰ，9.2-第一高精度压力传感器Ⅱ，10.1-第一快速开关阀Ⅰ，10.2-第一快速开关阀Ⅱ、11-第二快速开关阀，12.1-单向阀Ⅰ，12.2-单向阀Ⅱ，13-第一循环水冷室，14.1-氩气进气管Ⅰ，14.2-氩气进气管Ⅱ，15-循环水冷室进水管，16-循环水冷室出水管，17-四通阀，18-循环水泵，19.1-中频感应加热炉循环水冷进水管Ⅰ，19.2-中频感应加热炉循环水冷进水管Ⅱ，20.1-中频感应加热电源Ⅰ，20.2-中频感应加热电源Ⅱ，21.1-第一热电偶含二次仪表Ⅰ，21.2-第一热电偶含二次仪表Ⅱ，22.1-中频感应加热炉Ⅰ，22.2-中频感应加热炉Ⅱ，23.1-炉内高温合金加热筒Ⅰ，23.2-炉内高温合金加热筒Ⅱ，24.1-中频感应炉循环水冷回水管Ⅰ，24.2-中频感应炉循环水冷回水管Ⅱ，25-纯净冷水箱，26-高温高压氩气胀形进气管，27-高温高压氩气背压进气管，28-保温绝热套，29.1-排气管Ⅰ，29.2-排气管Ⅱ，30-耐高温软管，31.1-高温氩气排气室Ⅰ，31.2-高温氩气排气室Ⅱ，32.1-第二循环水冷室Ⅰ，32.2-第二循环水冷室Ⅱ，33.1-第二高精度压力传感器Ⅰ，33.2-第二高精度压力传感器Ⅱ，34.1-循环冷水回水管，34.2-循环冷水进水管，35.1-快速排气阀Ⅰ，35.2-快速排气阀Ⅱ，36.1-第二热电偶含二次仪表Ⅰ，36.2-第二热电偶含二次仪表Ⅱ，37-光源含电源，38-平行光窗口，39-胀形原件，40-胀形试件，41-聚光透镜，42-光电池，43-光电转换器，44-液压机活动横梁，45-上绝热板，46-环形上压边圈，47-筒形压边模，48-上绝热筒，49-上环形压边模，50-下压边模，51-下绝热筒，52-环形下压边圈，53-下绝热板，54-液压机工作台
具体实施方式：
下面结合附图实施例，进一步说明本发明的具体内容及其实施方法。附图1为本发明的超塑性自由胀形实验装置结构图，附图2为本发明的控制系统结构图。
一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，所述实验装置主要由Ⅰ和Ⅱ两路防氧化加热/加载系统、极点高度光电测量系统和冷却系统组成。两路防氧化加热/加载系统中Ⅰ路为正压加载系统，Ⅱ路为背压加载系统，均由净化高压氩气源、具有压力与温度测控功能的加热及加载气路、以及控制单元组成，两路加热/加载系统配合作用即能完成试样无氧化加热，又可实现恒压、压力跃变和附加背压对向差压等加载方式。极点高度光电测量系统由光源、光电传感器及其处理电路组成，实现对胀形件极点高度的非接触测量。冷却系统对需要冷却的构件实施冷却。
附图1为本发明的超塑性自由胀形实验装置结构图，纯净高压氩气瓶1、气瓶总阀2、压力表3、比例减压阀4和压力传感器5组成两路加载气路的气源部分，打开气瓶总阀2，压力表3显示高压气瓶内的气压，控制系统根据压力传感器5测得的压力，比例减压阀4减压至略高于实验所需的最高压力。高压减压后的气路组成压力与温度测控加热、加载气路，氩气经精密调压阀6、第一高精度压力传感器9、快速开关阀10、单向阀12后，由氩气进气管14通入炉内高温合金加热筒23加热，第二快速开关阀11连通两路气路，加热后的氩气经高温高压氩气胀形进气管26和高温高压氩气背压进气管27通入压边模内胀形件的下腔和上腔，下腔和上腔通过排气管29与高温氩气排气室31连通，并通过快速排气阀35连通大气，其中精密调压阀6由步进电机7驱动，增量型旋转编码器8检测电机旋转角度，第一高精度压力传感器9、第二高精度压力传感器33分别检测精密减压阀输出压力和胀形件上、下腔的压力，炉内高温合金加热筒23置于中频感应加热炉22中，由中频感应加热电源20控制加热，进而加热内部氩气，第一热电偶含二次仪表21和第二热电偶含二次仪表36分别检测炉内高温合金加热筒23内的温度和胀形件上、下腔的温度。液压机活动横梁44、上绝热板45、环形上压边圈46、筒形压边模47、上绝热筒48、上环形压边模49、下压边模50、下绝热筒51、环形下压边圈52、下绝热板53、液压机工作台54组成胀形绝热保温炉及压边装置。纯净冷水箱25、循环水泵18和循环管路组成冷却系统，其中循环水泵18输出的冷却水经四通17通入循环第一循环水冷室13和第二循环水冷室32和中频感应加热炉22，从各处循环回来热水则返回冷水箱25，第一循环水冷室13对单向阀12冷却，第二循环水冷室Ⅱ32对高温氩气排气室31及第二高精度压力传感器33冷却。光源含电源37、聚光透镜41、光电池42、光电转换器43组成极点高度光电测量系统，光源含电源37位于筒形压边模47的一侧，聚光透镜41、光电池42、光电转换器43位于压边模的另一侧，光源含电源37发出的平行光经过平行光窗口38时，胀形试件40遮挡部分光源，从平行光窗口透出的部分光线经聚光透镜41聚集到光电池42上，光电池42将高度信号转换为光电能，光电转换器43将光电能转换为极点高度值后，通过RS485接口发送到上位PC机。
附图2为控制系统结构图，PC机作为为上位机，完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制；单片机作为下位机，完成数据的采集及对装置的控制，包括气源高压减压调控、加载压力调控、温度调控和加载控制等，可选用C8051F120高性能单片机。压力传感器5、第一高精度压力传感器9和第二高精度压力传感器33输出信号经放大后输入C8051F120的12位ADC0，C8051F120单片机的ADC0包括一个9通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0），可程序控制完成三路压力信号的A/D转换和标度转换后获得压力值，增量型旋转编码器8输出两路相位差为90°的脉冲信号A和B，经细分辩向电路处理后进一步提高分辨率，且顺时针旋转时输出脉冲PA，逆时针旋转时输出脉冲PB，参阅附图3，可采用通用阵列逻辑芯片GAL22V10实现，两路脉冲信号分别输入单片机的定时/计数器T1和T2，T1和T2计数脉冲个数便可测得步进电机7的转角。单片机的DAC0输出0～VREF范围电压作为控制信号，来控制比例减压阀4减压，与压力传感器5组成气源部分高压减压闭环调控。单片机的P3.1和P3.2端口输出高/低电平、CEX输出脉冲信号控制步进电机驱动器，进而控制电机转向和转角实现来加载压力调节，与第一高精度压力传感器9、第二高精度压力传感器33组成加载压力闭环调控。第一热电偶含二次仪表21和第二热电偶含二次仪表36输出的温差电动势经二次仪表处理后获得温度值，并通过RS485通信发送到单片机，单片机依据测得的温度值，由DAC1输出0～VREF范围电压作为控制信号，来调节中频感应加热电源20的输出功率，实现加热温度闭环调控。单片机P3.2、P3.3和P3.4作为加载控制端口，通过控制固态继电器来控制第一快速开关阀10、第二快速开关阀11和快速排气阀35。光电转换器测得极点高度后由RS485通信发送到PC机。
所述装置在实验前需对有关传感器的测量进行标定，标定内容主要有：标定建立单片机输出控制电流与比例减压阀（4）输出压力之间的关系；标定建立步进电机旋转角度与精密减压阀输出压力之间的关系；标定建立单片机输出的控制电流与感应加热电源输出功率之间的关系；标定建立光电池输出信号与极点高度之间的关系。
应用该装置进行超塑性胀形实验时步骤如下：
1、抬起液压机活动横梁44，将胀形原件39装入上环形压边模49和下压边模50之间，液压机活动横梁44下移，直至按设定保压压边力将试件压紧，并调整好光电测量实验装置
2、打开第一快速开关阀Ⅰ10.1、第一快速开关阀Ⅱ10.2，快速排气阀Ⅰ35.1、快速排气阀Ⅱ35.2，关闭第二快速开关阀11，使高压氩气由Ⅰ路26和Ⅱ路27分别输入胀形原件39的上、下腔，由排气管Ⅰ29.1、排气管Ⅱ29.2输出，排净管路和上、下腔的空气。
3、通过PC机设定胀形原件39的超塑性温度为T，并T将发送至单片机后启动感应加热电源加热，直至第一热电偶含二次仪表Ⅰ21.1、第一热电偶含二次仪表Ⅱ21.2测得的温度值达到T，此时，第二热电偶含二次仪表Ⅰ36.1、第二热电偶含二次仪表Ⅱ36.2对胀形原件39的实测温度为T＇，T-T＇=ΔT，继续加热至21.1、21.2所测温度达到T+ΔT=2T-T＇，并调节中频感应加热电源Ⅰ20.1、中频感应加热电源Ⅱ20.2的输出功率，直至胀形原件39的温度稳定为T。
4、通过PC机选择加载方式并设定目标压力后开始实验，下位机单片机微处理器根据设定的加载方式控制实施加载：
（1）超塑性正压单向自由胀形：假设PC机设定的目标压力为P。实验时，关闭10.2、11、35.1，将Ⅱ路的气压关断，打开10.1、35.2。控制步进电机Ⅰ7.1旋转使精密调压阀Ⅰ6.1调压至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1所测压力达到P，此时，高温氩气排气室Ⅰ31.1中的第二高精度压力传感器Ⅰ33.1的实测压力为P＇，高温氩气排气室Ⅰ31.1的压力减少量为P-P＇，进一步控制步进电机旋转使精密调压阀Ⅰ7.1调压，至第一高精度压力传感器Ⅱ9.2所测压力达到2P-P＇，相应的高温氩气排气室Ⅰ31.1的压力便为设定的单向胀形压力P下自由胀形。与高温高压氩气接触的压力传感器是设在第二循环水冷室Ⅰ32.1中，以防止第二高精度压力传感器Ⅰ33.1损坏。在胀形过程中，试件极点高度的变化由光电转换器43经RS485通信发送到PC机，作为制定超塑性充模胀形成形工艺方案的理论依据。试验结束时，需将第一快速开关阀Ⅰ10.1关闭，打开快速排气阀Ⅰ35.1，使胀形压力迅速下降，否则会因突然抬起液压机，产生气体的爆炸。
（2）压力跃变超塑性自由胀形：假设PC机设定跃变前后压力为P1、P2。实验时，关闭10.2、11、35.1，打开10.1、35.2。控制步进电机Ⅰ7.1旋转使精密调压阀Ⅰ6.1调压至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1所测压力达到P1，此时高温氩气排气室Ⅰ31.1中的第二高精度压力传感器Ⅰ33.1的实测压力为P1＇，高温高压氩气室的压力减少量为P1-P1＇，控制步进电机Ⅰ7.1旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1所测压力达到2P1-P1＇，相应高温氩气排气室Ⅰ31.1的压力便为设定的压力P1，按设定时间在压力P1的作用下胀形。然后关闭10.1、10.2，打开11，由气路Ⅱ加载跃变至设定压力P2的作用下胀形。在胀形过程中，PC机通过接受光电转换器43发送的高度值，记录胀形试件极点高度随P1和P2的变化，作为测定超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值的依据。胀形结束后，需将胀形试件下腔内的高压氩气降至大气压，方可抬起液压机。
（3）附加背压的差压胀形：假设PC机设定正压为P1，附加背压P2，即差压为P1－P2。实验时，关闭10.1、35.1、35.2。控制步进电机Ⅱ7.2旋转使精密调压阀Ⅱ6.2调压至第一高精度压力传感器Ⅱ9.2所测压力达到P2，此时高温氩气排气室Ⅱ31.2中的第二高精度压力传感器Ⅱ33.2的实测压力为P2＇，高温高压氩气室的压力减少量为P2-P2＇，控制步进电机Ⅱ7.2旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅱ9.2所测压力达到2P2-P2＇，则高温氩气排气室Ⅰ31.1和高温氩气排气室Ⅱ31.2的压力便为设定的压力P2；关闭11，打开10.1，控制步进电机Ⅰ7.1旋转使精密调压阀Ⅰ6.1调压至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1所测压力达到P1，此时高温氩气排气室Ⅰ31.1中的第二高精度压力传感器Ⅰ33.1的实测压力为P1＇，高温高压氩气室的压力减少量为P1-P1＇，控制步进电机Ⅰ7.1旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅰ9.1所测压力达到2P1-P1＇，相应高温氩气排气室Ⅰ31.1的压力便为设定的压力P1，最后，胀形试件便在正压P1和附加背压P2的共同作用下胀形，即在P1-P2的差压作用下自由胀形。在胀形过程中，PC机通过接受光电转换器43发送的高度值记录胀形试件极点高度变化。
Claims (8)
1.一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，所述实验装置主要由Ⅰ和Ⅱ两路防氧化加热/加载系统、极点高度光电测量系统和冷却系统组成，所述的两路防氧化加热/加载系统中Ⅰ路为正压加载系统，Ⅱ路为背压加载系统，均由高压净化氩气源、具有压力与温度测控功能的加热及加载气路、以及控制单元组成，两路防氧化加热/加载系统配合作用能完成试样无氧化加热，实现恒压、压力跃变和附加背压的对向差压加载方式，所述极点高度光电测量系统由光源、光电传感器及其处理电路组成，实现对胀形件极点高度的非接触测量，所述冷却系统对需要冷却的部位实施循环冷水冷却，其特征在于：
所述的Ⅰ和Ⅱ两路防氧化加热/加载系统独立设置，其组成和作用相同，其中净化高压氩气瓶(1)、气瓶总阀(2)、压力表(3)、比例减压阀(4)和压力传感器(5)组成气源部分，由控制系统控制自动对氩气瓶输出高压气体减压，高压减压后的氩气经精密调压阀(6)、第一高精度压力传感器(9)、第一快速开关阀(10)、单向阀(12)、氩气进气管(14)后进入炉内高温合金加热筒(23)加热，加热后的两路氩气又经高温高压氩气背压进气管(27)和高温高压氩气胀形进气管(26)分别通入筒形压边模内的胀形件上腔和下腔，胀形件上、下腔通过排气管(29)、高温氩气排气室(31)及第二高精度压力传感器(33)、快速排气阀(35)与空气连通，组成具有压力与温度测控功能的防氧化加热及加载气路；所述精密调压阀(6)由步进电机(7)驱动调压，增量型旋转编码器(8)检测电机旋转角度，第一高精度压力传感器(9)和第二高精度压力传感器(33)分别检测精密减压阀输出压力和筒形压边模内上下腔的压力，炉内高温合金加热筒(23)置于中频感应加热炉(22)中，由中频感应加热电源(20)控制加热至高温，进而加热内部氩气，第一、二热电偶含二次仪表(21、36)分别检测高温合金加热筒内的温度和筒形压边模上下腔的温度，第二快速开关阀(11)连通两路气路，液压机活动横梁(44)、上绝热板(45)、环形上压边圈(46)、筒形压边模(47)、上绝热筒(48)、上环形压边模(49)、下压边模(50)、下绝热筒(51)、环形下压边圈(52)、下绝热板(53)和液压机工作台(54)组成胀形绝热保温炉及压边装置。
2.如权利要求1所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，其特征在于：
所述两路加热/加载系统的控制系统是以单片机微处理器为核心，实现对加热温度和加载压力的闭环调控，单片机通过压力传感器(5)检测气源压力，并控制比例减压阀(4)减压，实现高压减压闭环调控；单片机通过第一高精度压力传感器(9)和第二高精度压力传感器(33)检测精密减压阀输出压力和筒形压边模内的压力，并通过调节步进电机转角来调节压力，形成压力调控闭环控制；单片机通过控制第一快速开关阀(10)、第二快速开关阀(11)和快速排气阀(35)的打开和关闭以实现加载或排空；单片机通过第一热电偶含二次 仪表(21)和第二热电偶含二次仪表(36)，检测当前高温合金加热筒和筒形压边模内的温度，并通过调节中频感应加热电源(20)功率输出来调节温度，形成温度调控闭环控制；单片机与PC机之间采用RS485通信，将采集的数据发送至上位PC机，上位PC机作为人机界面来输入和输出数据、指令。
3.如权利要求1所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，其特征在于：
所述极点高度光电测量系统由光源含电源(37)、聚光透镜(41)、光电池(42)和光电转换器(43)组成，光源含电源(37)位于筒形压边模(47)的一侧，聚光透镜(41)、光电池(42)、光电转换器(43)位于压边模的另一侧，光源含电源(37)发出的平行光经过平行光窗口(38)时，胀形试件(40)遮挡部分光源，从平行光窗口透出的部分光线经聚光透镜(41)聚集到光电池(42)上，光电池(42)将高度信号转换为光电能，并由光电转换器(43)转换为极点高度值后，通过RS485接口发送到上位PC机。
4.如权利要求1所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，其特征在于：
所述冷却系统主要对需要冷却的部位实施冷水循环降温冷却，由纯净冷水箱(25)、循环水泵(18)和循环管路组成，其中循环水泵(18)输出的冷却水经四通(17)通入第一循环水冷室(13)和第二循环水冷室(32)、以及中频感应加热电源(20)和中频感应加热炉(22)，从各处循环回来热水则返回冷水箱(25)，第一循环水冷室(13)对单向阀(12)冷却，第二循环水冷室(32)对高温氩气排气室(31)及第二高精度压力传感器(33)冷却。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种超塑性光电测量自由胀形防氧化程序控制精确加载实验装置，其特征在于：
所述装置在实验前需对有关传感器的测量进行标定，标定内容主要有：
(1)标定建立单片机输出控制电流与比例减压阀(4)输出压力之间的关系；
(2)标定建立步进电机(7)旋转角度与精密调压阀(6)输出压力之间的关系；
(3)标定建立单片机输出的控制电流与中频感应加热电源(20)输出功率之间的关系；
(4)标定建立光电池(42)输出信号与极点高度之间的关系。
6.如权利要求1至4任一项所述载实验装置进行精确加载方法，采用恒压加载方式，其特征在于：
所述恒压加载只需一路气路Ⅰ工作，包括以下步骤：超塑性正压单向自由胀形：假设PC机设定的目标压力为P，实验时，关闭第一快速开关阀Ⅱ(10.2)、第二快速开关阀(11)和快速排气阀Ⅰ(35.1)，将Ⅱ路的气压关断，打开第一快速开关阀Ⅰ(10.1)、和快速排气 阀Ⅱ(35.2)，控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转使精密调压阀Ⅰ(6.1)调压至第一高精度压力传感器Ⅰ(9.1)所测压力达到P，此时，高温氩气排气室Ⅰ(31.1)中的第二高精度压力传感器Ⅰ(33.1)的实测压力为P′，高温氩气排气室Ⅰ(31.1)的压力减少量为P-P′，进一步控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转使精密调压阀Ⅰ(6.1)调压，至第一高精度压力传感器Ⅱ(9.2)所测压力达到2P-P′，相应的高温氩气排气室Ⅰ(31.1)的压力便为设定的单向胀形压力P下自由胀形，同时由光电转换测量装置记录胀形件极点高度和时间的关系。
7.如权利要求1至4任一项所述载实验装置进行精确加载方法，采用压力跃变加载方式，其特征在于：
包括以下步骤：压力跃变超塑性自由胀形：假设PC机设定跃变前后压力为P1、P2，实验时，关闭第一快速开关阀Ⅱ(10.2)、第二快速开关阀(11)、快速排气阀Ⅰ(35.1)，打开第一快速开关阀Ⅰ(10.1)、快速排气阀Ⅱ(35.2)，控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转使精密调压阀Ⅰ(6.1)调压至第一高精度压力传感器Ⅰ(9.1)所测压力达到P1，此时高温氩气排气室Ⅰ(31.1)中的第二高精度压力传感器Ⅰ(33.1)的实测压力为P′1，高温高压氩气室的压力减少量为P1-P′1，控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅰ(9.1)所测压力达到2P1-P′1，相应高温氩气排气室Ⅰ(31.1)的压力便为设定的压力P1，按设定时间在压力P1的作用下胀形，并将极点高度随时间变化关系输至光电转换记录仪，将第一高精度压力传感器Ⅱ(9.2)设定在压力P2，然后关闭第一快速开关阀Ⅰ(10.1)、第一快速开关阀Ⅱ(10.2)，打开第二快速开关阀(11)，由气路Ⅱ加载跃变至设定压力P2的作用下胀形，同时由光电转换测量装置记录胀形件极点高度和时间的关系，在胀形过程中，PC机通过接受光电转换器(43)发送的高度值，记录胀形试件极点高度随P1和P2的变化，作为测定超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值的依据。
8.如权利要求1至4任一项所述载实验装置进行精确加载方法，采用附加背压的对向差压加载方式，即附加背压、差压自由胀形的加载方式，其特征在于：
包括以下步骤：附加背压的差压胀形：假设PC机设定正压为P1，附加背压P2，即差压为P1－P2，实验时，首先关闭第一快速开关阀Ⅰ(10.1)、快速排气阀Ⅰ(35.1)、快速排气阀Ⅱ(35.2)，打开第一快速开关阀Ⅱ(10.2)和第二快速开关阀(11)，控制步进电机Ⅱ(7.2)旋转使精密调压阀Ⅱ(6.2)调压至第一高精度压力传感器Ⅱ(9.2)所测压力达到P2，此时高温氩气排气室Ⅱ(31.2)中的第二高精度压力传感器Ⅱ(33.2)的实测压力为P′2，高温高压氩气室的压力减少量为P2-P′2，控制步进电机Ⅱ(7.2)旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅱ(9.2)所测压力达到2P2-P′2，则高温氩气排气室Ⅰ(31.1)和高温氩气排气室Ⅱ(31.2)的压力便为设定的压力P2；然后关闭第二快速开关阀(11)，打开第一快速开关阀Ⅰ(10.1)，控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转使精密调压阀Ⅰ(6.1)调压至第一高精度压力传感器Ⅰ(9.1) 所测压力达到P1，此时高温氩气排气室Ⅰ(31.1)中的第二高精度压力传感器Ⅰ(33.1)的实测压力为P′1，高温高压氩气室的压力减少量为P1-P′1，控制步进电机Ⅰ(7.1)旋转调压至第一高精度压力传感器Ⅰ(9.1)所测压力达到2P1-P′1，相应高温氩气排气室Ⅰ(31.1)的压力便为设定的压力P1，最后，胀形试件便在正压P1和附加背压P2的共同作用下胀形，即在P1-P2的差压作用下自由胀形，PC机通过接受光电转换器43发送的高度值记录胀形试件极点高度变化。
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