CN103995551A - 辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置及方法，电磁加热板紧靠试样的正面需加热局部位置，试样的背面上设温度传感器和紧密地贴合一个有开口的防护罩，防护罩的顶面上设有小型风机、背面上设有位于防护罩内部且伸向试样背面的出水喷头，出水喷头的进口连接位于防护罩外部的单向阀出口端，单向阀进口端连接冷却器，冷却器经流量调节阀连接泵出口端，泵入口端接水箱；单刀双掷开关一端与控制器相连、另一端相连手动操作指示灯或脉冲信号发生器：加热、冷却、控制装置均与试验主机相独立，对试样进行开放环境空间、非夹紧式加热，可对热成形后的试样进行不同冷却速率下的冷却，适用于多种试验种类。

Description

辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置及方法

技术领域

 本发明涉及一种专用于金属板材试验机的辅助装置，在试验机对金属板材进行拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验时，辅助实现金属板材的加热、温控和冷却，以便完成相应的材料热试验项目，开展对金属板材热成形性能方面的研究，属于金属板材物理力学性能研究领域。

背景技术

 随着高强度、超高强度钢板应用比例的不断扩大，其成形难度大、回弹大，制件形状精度差等问题日益突出，为此而提出的各种温、热成形及超塑性成形工艺是解决高强度、超高强度钢板所面临成形问题的重要手段之一。目前广泛用于研究钢板常温成形性能的各种材料试验机，主要用于完成材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验，但不具有加热、温控、冷却功能，因而无法满足温热成形试验的要求。

 中国专利公开号为102591381A，名称为“万能材料试验机加热保温装置及其温度控制方法”以及中国专利号为200610017268.1，名称为“氩气保护动态密封热磁力耦合材料试验机”的专利文献中公开的装置，在传统试验机的基础上配备了加热炉、温控仪、气体保护装置，用于完成各类材料热试验项目，但具有以下几方面不足之处：（1）采用电加热原理，使得加热过程慢、热惯性大；（2）加热及保温环境封闭，难以实现需要其它辅具才能完成的热弯曲、热剪切等试验，对所要完成的实验项目限制较多；（3）没有冷却装置，使得热试验效率低，实验周期长。 

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提出一种独立于试验机外且能与试验机配套使用以辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置和方法，采用电磁加热，加快加热过程；加热及保温过程处于非夹紧、开放环境中，可方便的拆卸移走，适用于多种试验种类；试验完成后可以对试样进行冷却，提高热成形试验的效率。 

本发明辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置采用的技术方案是：包括控制器和加热单元，加热单元包括可调支架和固定安装其上部的电磁加热板，电磁加热板紧靠试样的正面需加热局部位置，试样的背面上设温度传感器和紧密地贴合一个有开口的防护罩，试样封闭住防护罩的开口；防护罩的顶面上设有小型风机、背面上设有位于防护罩内部且伸向试样背面的出水喷头，出水喷头的进口连接位于防护罩外部的单向阀出口端，单向阀进口端连接冷却器，冷却器经流量调节阀连接泵出口端，泵入口端接水箱；单刀双掷开关一端与控制器相连、另一端相连手动操作指示灯或脉冲信号发生器；所述电磁加热板、温度传感器、冷却器、泵、单向阀、小型风机、手动操作指示灯分别通过各自的引线与控制器相连。

本发明辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、预设控制器的试验加热温度                                                、保温温度、保温时间、风冷和水冷的冷却模式、冷却温度；由控制器开启电磁加热板，对试样进行局部加热；

B、当温度传感器检测到试样局部加热部位的温度达到试验加热温度时，控制器控制关闭电磁加热板，当检测到局部加热部位的温度达到保温温度时，控制开启电磁加热板，如此反复实现对试样的局部保温；

C、当对试样的局部保温时间达到时，控制器控制开启手动操作指示灯，手动开启试验机完成相应热成形试验；

D、在热成形试验完成后，手动关闭试验机，并手动将单刀双掷开关切换至脉冲信号发生器一端，关闭手动操作指示灯的同时接通脉冲信号发生器与控制器构成的回路，在控制器接收到脉冲信号发生器的信号之后，关闭电磁加热板，停止加热，完成热成形试验； 

E、当冷却模式为风冷模式时，控制器控制开启小型风机实现风冷；当冷却模式为水冷模式时，控制器控制打开单向阀、启动泵、开启冷却器，水箱中的冷却水依次通过泵、流量调节阀、冷却器、单向阀、出水喷头对试样进行冷却，并手动调节流量调节阀以调节冷却速率；

F、当温度传感器检测到试样的温度达到冷却温度时，风冷模式时关闭小型风机，水冷模式时关闭冷却器、泵和单向阀。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

（1）通过独立的便携式、高度可调的电磁加热辅助装置和温控装置，即可在传统的单拉、双拉及板材成形试验机上完成相应的热成形试验项目，大大扩展了现有设备的功能和应用范围。

（2）所采用的电磁加热原理，可对试样进行开放环境空间、非夹紧式加热，便于加热过程结束后迅速移走，并进行快速冷却。

（3）通过配备风冷和水冷两套冷却设备，在试验完成后，根据设定的冷却模式，由控制器选择启动风冷、水冷设备，对热拉伸或成形后的试样进行不同冷却速率下的冷却，以提高实验效率。水冷设备中还可以通过流量调节阀，实现对水冷设备冷却速率的调节，为开发冷却速率对温成形制品性能影响的试验项目提供了可能。

（4）本发明所涉及到的加热、冷却、控制装置均与试验主机相独立，因而可重复利用；采用开放式、非夹紧式加热环境，无需复杂的防氧化、碳化设备，占地面积小、通用性强、可重复利用率高、设备投资小，试验成本低。

（5）本发明辅助实现金属板材热成形性能试验和变速率冷却装置可辅助现有万能材料试验机、板材性能实验机、双向拉伸试验机，完成相应热试验项目。

 附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1 为本发明辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置的结构示意图。

图中：1.控制器；2.试样；3.电磁加热板；4.可调支架；5.温度传感器；6.出水喷头；7.防护罩；8.水箱；9.冷却器；10.泵；11.流量调节阀；12.单向阀；13.小型风机；14.脉冲信号发生器；15. 销；16. 销孔；17.管路；18.手动操作指示灯；19.单刀双掷开关；20.试验机工作台。 

具体实施方式

参见图1所示，本发明辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置包括控制单元和加热单元。控制单元为与电源及各被控制元件相连接的控制器1，加热单元包括可调支架4和电磁加热板3，可调支架4的上部固定安装电磁加热板3，可调支架4放置于试验机工作台20上相应位置，以使固定在可调支架4上部的电磁加热板3紧靠试样2需加热部位的正面。试样2固定在试验机的相应夹头上。可调支架4的上下垂直高度可以调节，以而调节电磁加热板3相对于试样2的上下位置。将电磁加热板3通过引线连接控制器1，控制器1控制电磁加热板3的工作。

在试样2的背面上安装温度传感器5，温度传感器5通过引线与控制器1相连接，温度传感器5将检测到的试样2的实时温度输入到控制器1。

在试样2的背面上还紧密地贴合一个有开口的防护罩7，试样2封闭住防护罩7的开口。温度传感器5位于防护罩7内。在防护罩7的顶面上安装小型风机13，小型风机13通过引线与控制器1相连。在防护罩7的背面上安装出水喷头6，出水喷头6位于防护罩7内部且伸向试样2的背面，并且出水喷头6的高度与电磁加热板3的高度相当，也即出水喷头6正对着电磁加热板3以及试样2的被加热部位。出水喷头6的进口连接位于防护罩7外部的单向阀12出口端，单向阀12进口端连接冷却器9，冷却器9经流量调节阀11连接泵10出口端，泵10入口端接水箱8。冷却器9和泵10均通过各自的引线与控制器1相连，单向阀12通过引线与控制器1相连。

 在防护罩7的底部设有出水口，出水口的高度高于水箱8，出水口处通过管路17与水箱8相连，使防护罩7的储水及时排入水箱8中。

防护罩7由上罩、下罩两部分连接组成，上罩的底部连接下罩的顶部，将上罩的底部插入下罩顶部凹槽中，在上罩和下罩连接处设有多个上、下布置的多排销孔16，以销子15将上罩和下罩固定连接，通过多排销孔16和销子15实现出水喷头6上、下位置的调节和固定，以便与电磁加热板3的位置相适应，可对试样2进行局部冷却。出水喷头6安装在上罩的背面上、小型风机13安装在上罩的顶面上。

控制器1经单刀双掷开关19连接脉冲信号发生器14，单刀双掷开关19一头与控制器1相连、另一头与手动操作指示灯18或脉冲信号发生器14相连，手动操作指示灯18还通过引线与控制器1相连。脉冲信号发生器14和控制器1均接外部电源。

本发明辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置是一个与试验机完全独立的、能实现试样2的局部加热、变速率冷却的回路装置，通过控制器1和高度可调的电磁加热板3实现对试样2的局部、开放式、非夹紧加热，通过控制器1和温度传感器5实现温度可控，通过控制器1控制出水喷头6实现水冷和控制小型风机13实现风冷、以及控制流量调节阀11实现冷却速率可调。具体步骤是：

 A、按常规试验要求，在试验用的试样2的正面和背面分别均匀涂抹耐高温抗氧化、防碳化涂层并充分干燥，以省略掉气体保护系统，以防试样2在加热过程中发生氧化反应而影响其性能。将干燥后的试样2安装于试验机的相应夹头上，并根据试验要求设置好试验机及控制器1的相关试验参数。控制器1预设试验加热温度、保温温度、保温时间、冷却温度。并且设置控制器1的风冷和水冷的冷却模式，根据热成形试验项目的要求，如果热成形试验后需淬火以提高材料硬度或要求以较快的速率冷却，例如以的较快的速率冷却，且冷却过程中可能引起的材料组织转变不会对试验结果产生影响时， 将冷却模式设为“水冷”，否则，将冷却模式设为“风冷”。

B、根据试样2的待加热部位，调节可调支架4的上下高度，以调节电磁加热板3的位置，使电磁加热板3紧靠试样2正面的需加热部位放置，以便利用电磁加热板3产生的涡流对处于磁场中的试样2进行非夹紧式局部加热。

C、通过多排销孔16和销子15调节防护罩7以及出水喷头6的位置，使出水喷头6的高度位置与试样2需加热部位的高度位置相当。

D、通过控制器1开启电磁加热板3，对试样2进行局部加热。

E、当温度传感器5检测到试样2需局部加热部位的温度达到控制器1预设的试验加热温度时，控制器1控制关闭电磁加热板3，当温度传感器5检测到试样2要求加热部位的温度达到控制器1预设的保温温度时，控制器1控制开启电磁加热板3，如此反复，实现对试样2的局部的保温。

F、当对试样2的局部的保温时间达到控制器1预设的保温时间时，由控制器1控制开启手动操作指示灯18。

G、在手动操作指示灯18亮起时，手动开启试验机完成相应热成形性能试验。

H、在热成形性能试验完成后，手动关闭试验机，并手动将单刀双掷开关19切换至脉冲信号发生器14一端，以便关闭手动操作指示灯18，同时接通脉冲信号发生器14与控制器1构成的回路，在控制器1接收到脉冲信号发生器14的信号之后，再由控制器1控制关闭电磁加热板3，停止加热，完成热成形性能试验。

I、根据控制器1预先设定的冷却模式，由控制器开启水冷设备或风冷设备，以实现冷却速率可调。当冷却模式设为“风冷”时，控制器1控制开启小型风机13实现风冷；当冷却模式设为“水冷”时，控制器1控制打开单向阀12、启动泵10、开启冷却器9，此时，水箱8中的冷却水依次通过泵10、流量调节阀11、冷却器9、单向阀12、出水喷头6而对试样2进行冷却。从试样2上溅射的冷却水经过防护罩7底部的出水口及管路17流回到水箱8中，如此反复，对试样2进行持续冷却，另外，冷却过程中，可以手动调节流量调节阀11，以调节冷却速率。

J、当温度传感器5检测到试样2的温度达到控制器1预设的冷却温度时，对应风冷模式由控制器1控制关闭小型风机13，对应水冷模式则由控制器1控制关闭冷却器9、泵10、单向阀12，完成试验。

Claims (8)

1.一种辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的装置，包括控制器（1）和加热单元，其特征是：加热单元包括可调支架（4）和固定安装其上部的电磁加热板（3），电磁加热板（3）紧靠试样（2）的正面需加热局部位置，试样（2）的背面上设温度传感器（5）和紧密贴合一个有开口的防护罩（7），试样（2）封闭住防护罩（7）的开口；防护罩（7）的顶面上设有小型风机（13）、背面上设有位于防护罩（7）内部且伸向试样（2）背面的出水喷头（6），出水喷头（6）的进口连接位于防护罩（7）外部的单向阀（12）出口端，单向阀（12）进口端连接冷却器（9），冷却器（9）经流量调节阀（11）连接泵（10）出口端，泵（10）入口端接水箱（8）；单刀双掷开关（19）一端与控制器（1）相连、另一端相连手动操作指示灯（18）或脉冲信号发生器（14）；所述电磁加热板（3）、温度传感器（5）、冷却器（9）、泵（10）、单向阀（12）、小型风机（13）、手动操作指示灯（18）分别通过各自的引线与控制器（1）相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：防护罩（7）由上罩、下罩连接组成，在上罩和下罩连接处设有多个上、下布置的多排销孔（16），以销子（15）将上罩和下罩固定连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：防护罩（7）的底部设有出水口，出水口的高度高于水箱（8），出水口处通过管路（17）与水箱（8）相连。

4.一种如权利要求1所述装置的辅助实现金属板材热成形试验和变速率冷却的方法，其特征是包括以下步骤：

A、预设控制器（1）的试验加热温度                                               、保温温度、保温时间、风冷和水冷的冷却模式、冷却温度；由控制器（1）开启电磁加热板（3）对试样（2）进行局部加热；

B、当温度传感器（5）检测到试样（2）局部加热部位的温度达到试验加热温度时，控制器（1）控制关闭电磁加热板（3），当检测到局部加热部位的温度达到保温温度时，开启电磁加热板（3），如此反复实现对试样（2）的局部保温；

C、当对试样（2）的局部保温时间达到时，控制器（1）控制开启手动操作指示灯（18），手动开启试验机完成相应热成形试验；

D、在热成形试验完成后，手动关闭试验机，并手动将单刀双掷开关（19）切换至脉冲信号发生器（14）一端，关闭手动操作指示灯（18）的同时接通脉冲信号发生器（14）与控制器（1）构成的回路，在控制器（1）接收到脉冲信号发生器（14）的信号之后，关闭电磁加热板（3），停止加热，完成热成形试验； 

E、当冷却模式为风冷模式时，控制器（1）控制开启小型风机（13）实现风冷；当冷却模式为水冷模式时，控制器（1）控制打开单向阀（12）和启动泵（10），开启冷却器（9），水箱（8）中的冷却水依次通过泵（10）、流量调节阀（11）、冷却器（9）、单向阀（12）、出水喷头（6）对试样（2）进行冷却，并手动调节流量调节阀（11）以调节冷却速率；

F、当温度传感器（5）检测到试样（2）的温度达到冷却温度时，风冷模式时关闭小型风机（13），水冷模式时关闭冷却器（9）、泵（10）和单向阀（1）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤A中，控制器（1）的冷却模式根据热成形试验要求预设，若热成形试验后需淬火或要求以的速率冷却，冷却模式设为水冷模式，否则，冷却模式设为风冷模式。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤A中，在开启电磁加热板（3）之前，通过可调支架（4）调节电磁加热板（3）的上下位置，通过多排销孔（16）和销子（15）调节防护罩（7）和出水喷头（6）的上下位置，使出水喷头（6）的高度位置与试样（2）需加热局部的高度位置相当。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤 A中，对试样（2）进行局部加热前，在试样（2）的正面和背面分别均匀涂抹耐高温抗氧化、防碳化涂层并充分干燥。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤E中，从试样（2）上溅射的冷却水经过防护罩（7）底部的出水口及管路（17）流回到水箱（8）中。