CN103529072A - 一种测量热变形工件与模具间界面传热系数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置和方法，该装置包括加载装置、上工作台和下工作台。所述上工作台与加载装置的上夹具相连，所述下工作台与加载装置的下夹具相连。本发明的特点是结构简单、测量所需时间短，试样不会受到污染。

Description

一种测量热变形工件与模具间界面传热系数的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量热变形过程中工件和模具之间界面传热系数的装置，主要属于金属材料热加工领域。

背景技术

金属材料成形过程中的变形抗力、成形极限、工件的微观结构等对温度场的变化非常敏感。+

根据测量界面传热系数过程中温度场是否随时间变化，界面传热系数的测量方法可分为两种：稳态法和瞬态法。中国发明专利申请：“一种测量固体界面接触换热系数的装置”(专利号ZL200620091887.0)介绍了一种采用稳态法测量界面传热系数的装置。在该装置中，加热棒、第1试样、薄片、第2试样、冷切棒、定心钢球、压力装置顺序连接。在试样的周围缠绕有石棉保温层。使用加热棒加热第1试样，使用冷切棒为第2试样降温，同时测量试样各点的温度，当各点测量到的温度值不再变化时，便可利用各点的稳态温度值计算界面传热系数。加入薄片是为了增加第1试样与第2试样的接触面个数，减少热电偶的误差影响。

中国发明专利申请：“基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置”(专利号ZL200820218546.4)介绍了一种采用瞬态法测量固体界面接触换热系数的测量装置。该装置可分为上下两部分，上部分从上到下依次包括杠杆加载装置、压力变向节、定心圆球、低温试样连接杆、低温试样，在测量开始之前，上部分呈悬挂状态。低温试样位于低温加热炉内。下部分包括从下到上依次包括螺纹传动轴、高温试样支撑杆、高温试样，高温试样位于高温加热炉内。使用加热炉将高温试样和低温试样分别加热到预定温度，然后拉起低温加热炉，露出低温试样，同时，通过螺纹传动轴将高温试样推出高温加热炉，与低温试样发生接触，承受杠杆加载装置的压力。采用测温热电偶测量整个过程中的温度数据。

中国发明专利申请：“高温固体界面动态接触换热系数的测量方法和测量装置”(申请号200810013023.0，公开号CN101661009A)介绍了一种采用瞬态法测量高温固体界面传热系数的测量方法和装置。首先将测量装置抽真空，然后利用辐射聚光或激光加热热端试样，待加热到预定温度后，通过液压冲击方式加载，使热端试样与冷端试样接触，利用工控机通过温控仪表采集温度信号，进行分析计算。

使用稳态法测量界面传热系数时，首先需要建立稳态的温度场。当需要测量高界面温度下的界面传热系数时，达到稳态所需的时间长，有时可以长达八个小时，导致测量过程非常耗时。此外，该方法很难测量较高界面温度时的界面传热系数。因为界面温度很高时，试样加热端所需的温度更高，试样材料可能承受不了如此高的温度，所以也就很难测量高温成形过程，如高温合金等温锻造过程中的界面传热系数。

现有的使用瞬态法测量界面传热系数的装置结构比较复杂，不易实现。

为了获得工件与模具之间的界面传热系数，有必要发明一种简单、快速、可靠、测量范围宽的测量装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置和方法，该装置结构简单、测量过程所需时间短、试样不会受到污染。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置，包括加载装置、上工作台和下工作台。上工作台与加载装置的上夹具相连，下工作台与加载装置的下夹具相连。上工作台包括上连接杆、上绝热层、上绝热片、上夹紧套筒、第一待测试样、上加热装置、上温度测量采集装置、上温控装置；下工作台包括下连接杆、下绝热层、下绝热片、下夹紧套筒、第二待测试样、下加热装置、下温度测量采集装置、下温控装置。

上工作台与加载装置之间的连接，是通过上连接杆与加载装置的上夹具之间的连接实现的。第一待测试样与上连接杆通过上夹紧套筒连接在一起，其中，在第一待测试样连接端和上连接杆连接端之间放置有上绝热片，在第一待测试样和上连接杆的侧面均缠绕有上绝热层。上绝热片是导热系数极低的硅酸铝耐火纤维纸材料的圆形薄片，多片叠加在一起，厚度为10mm；上绝热层为硅酸铝耐火纤维纸，缠绕厚度为10mm。其有益效果是，可以将上连接杆的运动传递给第一待测试样，同时，保持两者的热绝缘。

下工作台与加载装置之间的连接，是通过下连接杆与加载装置的下夹具之间的连接实现的。第二待测试样与下连接杆通过下夹紧套筒连接在一起，其中，在第二待测试样连接端和下连接杆连接端之间放置有下绝热片，在第二待测试样和下连接杆的侧面均缠绕有下绝热层。下绝热片是导热系数极低的硅酸铝耐火纤维纸材料的圆形薄片，多片叠加在一起，厚度为10mm；下绝热层为硅酸铝耐火纤维纸，缠绕厚度为10mm。其有益效果是，可以将下连接杆的运动传递给第二待测试样，同时，保持两者的热绝缘。

上夹紧套筒为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓拧紧在一起。利用两个半圆环的夹紧力，将上连接杆与第一待测试样连接在一起。其有益效果是，可以保证上连接杆、第一待测试样及上夹紧套简之间的同轴度。

下夹紧套筒为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓拧紧在一起。利用两个半圆环的夹紧力，将下连接杆与第二待测试样连接在一起。其有益效果是，可以保证下连接杆、第二待测试样及下夹紧套筒之间的同轴度。

上加热装置为工频感应加热线圈，夹紧在第一待测试样侧面缠绕的绝热层上；上温控装置为红外传感器；上温度测量采集装置包括第一热电偶和第一采集装置，第一热电偶安放在第一待测试样的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，第一热电偶的输出端与第一采集装置相连。其有益效果是，工频感应加热线圈的加热速度快，并且与第一待测试样之间隔着绝热层，可以防止试样受到污染；热电偶距离待测试样表面很近，可以提高界面换热系数的计算精度。

下加热装置为工频感应加热线圈，夹紧在第二待测试样侧面缠绕的绝热层下；下温控装置为红外传感器；下温度测量采集装置包括第二热电偶和第二采集装置，第二热电偶安放在第二待测试样的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，第二热电偶的输出端与第二采集装置相连。其有益效果是，工频感应加热线圈的加热速度快，并且与第二待测试样之间隔着绝热层，可以防止试样受到污染；热电偶距离待测试样表面很近，可以提高界面换热系数的计算精度。

一种利用上述的装置测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的方法，其测量步骤如下：

步骤1：将上工作台和下工作台组装好，在上工作台和下工作台分别与加载装置连接之前，先分别对第一待测试样和第二待测试样进行加热测试，确定相应加热装置的最佳功率，并记录加热到预定温度所需的时间；

步骤2：将上工作台与加热装置的上夹具相连，将下工作台与加载装置的下夹具相连，根据需要，可在待测试样接触表面涂抹润滑剂；根据步骤1中确定的加热时间，先后启动加热装置，保证第一待测试样与第二待测试样同时加热到各自的预定温度；

步骤3：将待测试样加热到预定温度后，温控装置自动停止加热装置，同时启动第一采集装置和第二采集装置，分别记录第一待测试样和第二待测试样的温度；启动加载装置，上下工作台接触后，继续加载至预定载荷值，然后保载；

步骤4：测试结束后，利用采集的温度数据，计算界面传热系数。

本发明采用以上结构，具有以下优点：

(1)使用对开式的夹紧套筒将连接杆与待测试样连接在一起，结构简单，同轴度高；

(2)在待测试样与连接杆之间隔着绝热材料，热电偶测温点距离接触表面近，测得的界面传热系数更准确；

(3)采用工频感应加热线圈为待测试样加热，加热速度快，不污染试样；

(4)采用瞬态法测量界面传热系数，更接近实际锻造情况。

附图说明

图1本发明中测试装置的结构示意图；

图2测试装置初始位置的结构示意图；

图3测试装置测试时的结构示意图；

图4夹紧套筒的剖面示意图，本专利中使用的上下夹紧套筒结构相同。

其中：I、加载装置的上夹具，II、加载装置的下夹具，1、上连接杆，2、上绝热层，3、上绝热片，4、上夹紧套筒，5、第一待测试样，6、工频感应加热线圈，7、工频感应加热线圈，8、第二待测试样，9、下夹紧套筒，10、下绝热层，11、下绝热片，12、下连接杆，13、热电偶，14、红外传感器，15、红外传感器，16、热电偶，17、紧固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置，包括加载装置、上工作台和下工作台。上工作台与加载装置的上夹具I相连，下工作台与加载装置的下夹具II相连。上工作台包括上连接杆1、上绝热层2、上绝热片3、上夹紧套筒4、第一待测试样5、上加热装置6、上温度测量采集装置16、上温控装置15；下工作台包括下连接杆12、下绝热层10、下绝热片11、下夹紧套筒9、第二待测试样8、下加热装置7、下温度测量采集装置13、下温控装置14。

上连接杆1与加载装置的上夹具I通过螺纹连接连接在一起，上连接杆1与第一待测试样5的直径尺寸相同，沿着中心轴线方向对接在一起，上夹紧套筒4在对接处，同时夹紧上连接杆1与第一待测试样5，这样加载装置的运动便可以传递到第一待测试样5上。其中，在第一待测试样5连接端和上连接杆1连接端之间放置有上绝热片3，在第一待测试样5和上连接杆1的侧面均缠绕有上绝热层2。上绝热片3是导热系数极低的硅酸铝耐火纤维纸材料的圆形薄片，圆形薄片直径与第一待测试样5以及上连接杆4的直径相同，多片叠加在一起，厚度为10mm；上绝热层2为硅酸铝耐火纤维纸，缠绕厚度为10mm。

上夹紧套筒4为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓17拧紧在一起。半圆环的内径略小于上连接杆1直径加上20mm。利用两个半圆环的夹紧力，将上连接杆1、第一待测试样5连接在一起。

上加热装置6为工频感应加热线圈，夹紧在第一待测试样5侧面缠绕的绝热层上；上温控装置14为红外传感器，检测第一待测试样中心的温度是否达到设定温度，若达到，则停止加热；上温度测量采集装置为热电偶14，热电偶14安放在第一待测试样5的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，热电偶的信号输出端与信号采集装置相连；为了提高热电偶14的响应速度，去掉了热电偶测温点的保护鞘。

下连接杆12与加载装置的下夹具II通过螺纹连接连接在一起，下连接杆12与第二待测试样8的直径尺寸相同，沿着中心轴线方向对接在一起，下夹紧套筒9在对接处，同时夹紧下连接杆12与第二待测试样8，这样加载装置的运动便可以传递到第二待测试样8上。其中，在第二待测试样8连接端和下连接杆12连接端之间放置有下绝热片11，在第二待测试样8和下连接杆12的侧面均缠绕有下绝热层10。下绝热片11是导热系数极低的硅酸铝耐火纤维纸材料的圆形薄片，圆形薄片直径与第二待测试样8以及下连接杆12的直径相同，多片叠加在一起，厚度为10mm；下绝热层10为硅酸铝耐火纤维纸，缠绕厚度为10mm。

下夹紧套筒9为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓17拧紧在一起。半圆环的内径略小于下连接杆12直径加上20mm。利用两个半圆环的夹紧力，将下连接杆12与第二待测试样8连接在一起。

下加热装置7为工频感应加热线圈，夹紧在第二待测试样8侧面缠绕的绝热层下；下温控装置14为红外传感器，检测第一待测试样中心的温度是否达到设定温度，若达到，则停止加热；下温度测量采集装置为热电偶11，热电偶11安放在第二待测试样8的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，热电偶的信号输出端与信号采集装置相连；为了提高热电偶11的响应速度，去掉了热电偶测温点的保护鞘。

一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置，其测量步骤如下：

步骤1：将上工作台和下工作台组装好，在上工作台和下工作台分别与加载装置连接之前，先分别对第一待测试样5和第二待测试样8进行加热测试，确定相应加热装置的最佳功率，并确定加热到预定温度所需的时间；

步骤2：将上工作台与加热装置的上夹具I相连，将下工作台与加载装置的下夹具II相连，根据需要，可在待测试样接触表面涂抹润滑剂；根据步骤1中确定的加热时间，先后启动加热装置，保证第一待测试样5与第二待测试样8同时加热到各自的预定温度；

步骤3：将待测试样加热预定温度后，温控装置自动停止加热装置，同时启动信号采集装置，分别记录第一待测试样5和第二待测试样8的温度；启动加载装置，上下工作台接触后，继续加载至预定载荷值，然后保载；

步骤4：测试结束后，利用采集的温度数据，计算界面传热系数。

Claims (4)

1.一种测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的装置，其特征在于：该装置包括加载装置、上工作台和下工作台；

所述上工作台与所述加载装置相连；所述上工作台包括上连接杆、上绝热层、上绝热片、上夹紧套筒、第一待测试样、上加热装置、上温度测量采集装置、上温控装置；

所述下工作台与所述加载装置相连；所述下工作台包括下连接杆、下绝热层、下绝热片、下夹紧套筒、第二待测试样、下加热装置、下温度测量采集装置、下温控装置；

所述上工作台与所述加载装置之间的连接，是通过所述上连接杆与所述加载装置的上夹具之间的连接实现的；所述第一待测试样与所述上连接杆通过所述上夹紧套筒连接在一起；其中，在所述第一待测试样连接端和所述上连接杆连接端之间放置有上绝热片，在所述第一待测试样和所述上连接杆的侧面均缠绕有上绝热层；

所述下工作台与所述加载装置之间的连接，是通过所述下连接杆与所述加载装置的下夹具之间的连接实现的；所述第二待测试样与所述下连接杆通过所述下夹紧套筒连接在一起；其中，在所述第二待测试样连接端和所述下连接杆连接端之间放置有下绝热片，在所述第二待测试样和所述下连接杆的侧面均缠绕有下绝热层；

所述上夹紧套筒为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓拧紧在一起，利用两个半圆环的夹紧力将所述上连接杆、所述第一待测试样连接在一起；

所述下夹紧套筒为对开式的两个半圆环，两个半圆环通过两个螺栓拧紧在一起，利用两个半圆环的夹紧力将所述下连接杆、所述第二待测试样连接在一起。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述上加热装置为工频感应加热线圈，夹紧在所述第一待测试样侧面缠绕的绝热层上；所述上温控装置为红外传感器；所述上温度测量采集装置包括第一热电偶和第一采集装置，所述第一热电偶安放在所述第一待测试样的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，第一热电偶的输出端与第一采集装置相连。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述下加热装置为工频感应加热线圈，夹紧在所述第二待测试样侧面缠绕的绝热层上；所述下温控装置为红外传感器；所述下温度测量采集装置包括第二热电偶和第二采集装置，所述第二热电偶安放在所述第二待测试样的加热端，距离表面1mm，安装孔直径为1.5mm，第二热电偶的输出端与第二采集装置相连。

4.一种利用权利要求1所述的装置，测量热变形过程中工件与模具之间界面传热系数的方法，其特征在于：测量步骤如下：

步骤1：将上工作台和下工作台组装好，在上工作台和下工作台与加载装置连接之前，先分别对第一待测试样和第二待测试样进行加热测试，确定相应加热装置的最佳功率，并记录加热到各自预定温度所需的时间；

步骤2：将上工作台与加热装置的上夹具相连，将下工作台与加载装置的下夹具相连，根据需要，可在待测试样接触表面上涂抹润滑物；根据步骤1中确定的加热时间，先后启动加热装置，保证第一待测试样与第二待测试样同时加热到各自的预定温度；

步骤3：将待测试样加热到预定温度后，温控装置自动停止加热装置，同时启动第一采集装置和第二采集装置，分别记录第一待测试样和第二待测试样的温度变化；然后启动加载装置，上下工作台接触后，继续加载至预定载荷值，然后保载；

步骤4：测试结束后，利用采集的温度数据，计算界面传热系数。

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