CN104569043B - 测量金属热成形界面传热系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种塑性热加工领域的测量金属热成形界面传热系数的装置及方法，该装置包括：上、下模以及设置于其中的待测试样，其中：上模及下模外部均设有环形加热圈，上模的上部及下模的下部分别对称设有隔热垫板、水冷循环机构和压板；待测试样内部设有用于测试坯料温度场变化的第一热电偶组，下模和/或上模内设有用于测试下模温度场变化的第二热电偶组；第一热电偶组和第二热电偶组分别和温度采集模块相连并输出实时温度信息。本发明能实时测量坯料与模具接触界面温度，直接测量与坯料接触的模具表面的温度，可实时反映和计算坯料与模具间的接触传热。

Description

测量金属热成形界面传热系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种塑性热加工领域的技术，具体是一种用于实时测量金属热成形过程中模具与坯料间界面传热系数的测量装置及方法。

背景技术

界面热接触是航空航天、机械制造、冶金化工、电子信息、热能工程等工程领域和科学研究中的一个重要现象。对于金属热成形过程，界面传热状况对产品质量有着举足轻重的作用。模具与坯料间的热交换会引起模具温度与坯料温度场的变化，从而影响模具寿命和坯料的成形质量。随着传热技术的发展，在有限元数值模拟中，精确界面传热系数对提高其模拟精度影响重大。精确的模拟对于前期的模具设计具有重要的指导意义，可以避免重复试模，缩短产品开发周期，提高效率及节省成本。

金属接触界面间传热系数的相关研究，一直受到大量科研工作者和相关企业的重视。目前，对于金属热成形界面传热系数的测试主要借助稳态方法，但是该方法测得的数据与实际的接触状况存在较大偏差。此外，有相关学者利用瞬态反向传热方法对热成形界面传热系数进行了研究。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1877313A，公开了一种测量固体界面传热系数的方法和装置，该测量方法和装置适用于600℃以下的中低温度区间的稳态传热过程固体接触界面传热系数的测量。该装置适用于测量计算稳态下的界面传热系数，无法解决瞬态下界面传热系数的测量计算问题，因而用于测量计算实际热锻时的界面传热系数时存在一定的偏差。

中国专利文献号CN101661009A，公开了一种高温固体界面动态接触传热的测量方法和装置，该装置能实现温度范围在150℃～1300℃及接触压力在0～600MPa的动态接触测量，但是该装置未考虑预设模具初始温度的工况且无法提供大变形条件下的测量，与实际金属热成形的工况状态仍存在较大差异。此外，该装置是在真空条件下进行，未考虑坯料加热过程中氧化皮对界面传热系数的影响。实际热锻过程中坯料表面会存在大量的氧化皮，而氧化皮的传热系数和基体的传热系数存在较大差异，因此氧化皮的存在对于界面传热系数有较大影响。文献[RWendelstorf，KH Spitzer，J Wendelstorf.Effect of oxide layers on spray water cooling heattransfer at high surface temperatures.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51(19–20):4892–4901.]和文献[P Hu，L Ying，Y Li，Z Liao.Effect of oxide scale ontemperature-dependent interfacial heat transfer in hot stamping pr℃ess.Journal of MaterialsPr℃essing Technology，2013，213:1475–1483.]对上述情况均有所报道。

中国专利文献号CN103529072A，公开了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，但该装置不能实时测量坯料与模具接触时的温度场，且未利用瞬态传热实时计算界面传热系数，也不能测量大变形工况下的界面传热系数。

中国专利文献号CN101393150公开了一种基于瞬态法的固体界面传热系数的测量方法和装置。该方法和装置主要考虑不同温度试样的动态接触，并对接触后热流交换引起的温度变化进行实时采集，再利用计算程序实现对界面传热系数的计算。但是，该方法测试的试样未经历较大的塑性变形，而试样在发生较大的塑性变形后界面传热系数会因为表面接触面积的扩大有所增大，且该方法也未考虑氧化皮对界面传热系数的影响。

发明内容

本发明针对热成形过程中传热系数测量装置在测量范围及实时测量方面的不足，提出了一种测量金属热成形界面传热系数的装置及方法，能实时测量坯料与模具接触界面温度，直接测量与坯料接触的模具表面的温度，可实时反映和计算坯料与模具间的接触传热。此外，本发明能测试计算坯料在具有不同厚度的氧化皮时的接触传热系数，能真实的再现实际热锻过程中界面接触传热状况，克服了现有金属热成形界面传热系数测量时无法预设模具初始温度以及成形过程中不能实时直接测量与坯料接触的模具表面温度的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种测量金属热成形界面传热系数的装置，包括：上、下模以及设置于其中的待测试样，其中：上模及下模外部均设有环形加热圈，上模的上部及下模的下部分别对称设有隔热垫板、水冷循环机构和压板。

所述的上模压板与上模水冷循环机构之间设有压力检测机构，该压力检测机构向检测中心输出数字压力信号。

所述的压力检测机构包括设置于上模压板与上模水冷循环机构之间的压力传感器和与之相连的模数转换器。

所述的下模压板与下模水冷循环机构之间设有下模支撑块。

所述的环形加热圈内设有与温度控制仪相连的温控热电偶。

所述的待测试样为圆柱体结构，其内部设有用于测试坯料温度场变化的第一热电偶组；所述的下模内设有用于测试下模温度场变化的第二热电偶组，第一热电偶组和第二热电偶组分别和温度采集模块相连并输出实时温度信息。

所述的第一热电偶组由三个热电偶组成，该三个热电偶以辐射状方式径向设置于待测试样内部的不同高度。

所述的第二热电偶组由五个热电偶组成，该五个热电偶用以测量模具与待测试样接触表面及内部不同位置处的温度，可以根据测得的温度而计算出模具内部的热流，满足了瞬态测试界面传热系数的问题。

所述的下模的中心处设有用于放置第二热电偶组的通孔，该第二热电偶组中的中间热电偶从下模的底端穿入直至下模的顶端且与下模顶端表面平齐，这样在第二热电偶组中的这根热电偶可以直接测量出与坯料接触的模具表面的温度，解决了目前不能测量与坯料接触的模具表面温度的难题。

由于上、下模具与待测试样接触状况相同，本装置只针对下模与待测试样接触时的实时温度场进行测量，进而研究其接触界面间的传热系数，在其他情况下也可以直接采用镜像相反的结构进行上模与待测试样接触时的实时温度场的测量。

本发明涉及上述装置的检测方法，包括以下步骤：

1)将圆柱体结构的待测试样放入高温真空电加热炉中加热到1000℃并保温一定时间，待整个坯料完全均匀奥氏体化，确保待测试样内部温度均匀。

2)将温度为1000℃的待测试样与温度为200℃的模具接触，随后分别测试待测试样在10％，30％和50％的变形量下模具内部的温度场及待测试样内部的温度场。根据在待测试样中不同位置测得的温度场，利用外推法求取待测试样(不含氧化皮)表面的温度。

3)结合热电偶直接测量的与待测试样接触的模具表面的温度，利用瞬态反向传热计算方法得到待测试样的界面传热系数，具体步骤包括：

3.1)计算模具和待测试样中的瞬时热流

其中：q(t)、t、T、k、Δx的具体含义分别为：

q(t)是瞬时热流；t是传热系数测试中的某时刻；k是材料的导热系数；是位置m点t时刻的温度；是位置m-1点t时刻的温度；Δx是热电偶的距离的差；

3.2)模具与待测试样接触界面的平均瞬时热流

其中：的具体含义分别为：是t时刻与模具接触的圆柱体表面的热流；是t时刻与圆柱体接触的模具表面的热流；

3.3)瞬态界面传热系数

其中：T_S、T_D的具体含义分别为：T_S是与模具接触的圆柱体表面的温度；T_D是与圆柱体接触的模具表面的温度。

技术效果

与现有技术相比，本发明能够测量在塑性大变形状态下的界面传热系数，且考虑了坯料在加热过程中产生的氧化皮对界面传热系数的影响。由于氧化皮的传热系数与坯料基体的传热系数不一样，如果把氧化皮的传热系数与坯料基体的传热系数看成一样，势必会在计算界面传热系数时存在较大偏差。本发明解决了这方面存在的问题，极大的提高了热锻中界面传热系数测试计算的准确性。此外，本发明采用与实际热锻相似的成形工艺，考虑了高温坯料在从加热炉夹出来时与空气的自由传热问题，更加真实的再现了热锻中的实际接触传热系数的测试计算问题。

附图说明

图1为本发明的热成形界面传热系数测量系统示意图；

图2a为待测试样热电偶安装位置正面示意图，图2b为待测试样热电偶安装位置俯视示意图；

图3为上模加热圈及热电偶安装示意图；

图4为下模加热圈及热电偶安装示意图；

图5为下模热电偶焊接示意图；

图6热成形模具和坯料之间的接触传热示意图；

图7为高温55号钢及其表面氧化皮的横截面SEM图；

图8为不同压力下氧化层厚度对界面传热系数的影响；

图中：1高温真空电加热炉、2试样、3水泵、4水箱、5上模压板、6传感器套筒、7上模冷却水循环、8上模隔热垫板、9上模环形加热圈、10上模、11下模、12下模环形加热圈、13下模隔热垫板、14下模支撑块、15下模冷却水循环、16下模板、17压力传感器、18上模温度控制热电偶、22下模温度控制热电偶、19、20、21测试坯料温度场变化的热电偶、23、24、25、26、27测试下模温度场变化的热电偶、28数模转换器、29温度控制仪、30温度采集卡、31计算机。

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：包括：上、下模10、11以及设置于其中的待测试样，其中：上模10及下模11外部均设有环形加热圈9、12，上模10的上部及下模11的下部分别对称设有隔热垫板8、13、水冷循环机构7、15和压板5、16。

所述的上模压板5与上模水冷循环机构7之间设有压力检测机构，该压力检测机构向检测中心输出数字压力信号。

所述的压力检测机构包括设置于上模压板5与上模水冷循环机构7之间的压力传感器17和与之相连的模数转换器28。

所述的下模压板16与下模水冷循环机构15之间设有下模支撑块14。

所述的环形加热圈9、12内设有与温度控制仪相连的温控热电偶18、22。

所述的待测试样为圆柱体结构，其内部设有用于测试坯料温度场变化的第一热电偶组；所述的下模11内设有用于测试下模11温度场变化的第二热电偶组，第一热电偶组和第二热电偶组分别和温度采集模块相连并输出实时温度信息。

所述的第一热电偶组由三个热电偶19、20、21组成，该三个热电偶以辐射状方式径向设置于待测试样内部的不同高度。

所述的第二热电偶组由五个热电偶23、24、25、26、27组成，该五个热电偶用以测量模具与待测试样接触表面及内部不同位置处的温度，可以根据测得的温度而计算出模具内部的热流，满足了瞬态测试界面传热系数的问题。

所述的下模11的中心处设有用于放置第二热电偶组的通孔，该第二热电偶组中的中间热电偶25从下模11的底端穿入直至下模11的顶端且与下模11顶端表面平齐，这样在第二热电偶组中的这根热电偶可以直接测量出与坯料接触的模具表面的温度，解决了目前不能测量与坯料接触的模具表面温度的难题。

由于上、下模10、11具与待测试样接触状况相同，本装置只针对下模11与待测试样接触时的实时温度场进行测量，进而研究其接触界面间的传热系数。

本装置通过以下方式实现检测：

实验开始前，开启冷却水泵3，水泵3通过水管从水箱4中不断的抽冷却水，通过水管从冷却水循环7、15的入水口进入，冷却水经过冷却水循环7、15的出水口通过水管流回水箱4中，有效隔开了上、下模具10、11的预热温度及后续成形时的变化温度通过隔热板8、13传入压力传感器17和下模板16，可保证压力传感器17的测试精度及灵敏性，同时也有效阻止了热流通过上、下模板5、16传入压力机，阻止热量损失。

实验时，首先把加工好的待测试样2放入高温真空电加热炉1中加热到所需要的温度并保温一段时间，同时用环形加热圈9、12对上、下模具10、11加热，直至达到所需的预热温度。

选用未经退火的55号钢作为测试材料，制备如图2所示的待测试样。待测试样的高度为14±0.01mm，直径为42±0.01mm，放置热电偶小孔的直径为1.5mm。其中，放置热点偶19的小孔高度为7±0.01mm，放置热点偶21的小孔高度为5±0.01mm，放置热点偶22的小孔高度为3±0.01mm，小孔沿径向的深度为7.5mm，三个小孔在水平面上呈30度的夹角。

实验时首先将待测试样预热至200^℃，保温10分钟，然后取出待测试样，在待测试样上下两表面涂上水基-玻璃润滑剂，待润滑剂晾干后，重新放入加热炉中继续加热，待测试样在加热炉里加热至1000℃后保温约10分钟，20分钟或30分钟，待整个坯料完全均匀奥氏体化，会在坯料表面得到不同厚度的氧化皮，氧化皮的厚度会随着保温时间的增加而变厚。

在加热坯料的同时，启动交流电源用环形加热圈9、12对上、下模具10、11加热，直至达到所需的预热温度。

待上、下模具10、11的预热温度和待测试样2的温度达到所要求的温度后，打开高温真空加热炉1，从高温真空加热炉1中夹出待测试样2，同时在圆柱体2的侧面的三个小孔中插入19、20和21三根热电偶后放在下模11上。

启动压力机，主缸下移带动上模10向下运动压缩待测试样2，根据液压机主缸不同的压下量，可以得到不同的变形程度的待测试样。

在此过程中待测试样侧面放置的热电偶19、20、21和下模11底面放置的热电偶23、24、25、26、27与温度采集卡30相连接，实时采集各个时刻待测试样2和下模11的温度场的变化，温度采集卡30采集的温度数据通过数据传输线传送到电脑31中，电脑31中温度采集软件可以实时记录接触变形过程变化的温度场。

压力传感器17实时采集待测试样2变形时的成形力，压力传感器17通过与数模转换器28连接，数模转换器28测得的压力数据通过数据传输线连接到电脑31上，电脑31中的成形力测量软件实时记录成形时的变形力，从而可以控制待测试样2在不同载荷下接触传热状况。

根据热电偶19，21和22所测得的坯料中的瞬时温度场，利用公式(1)可以计算出坯料中的瞬时热流利用热电偶19，21和22所测得的坯料中的瞬时温度场，借助反向传热法计算出坯料表面的温度T_S。

同理根据热电偶23，24，25，26和27所测得的模具中的瞬时温度场，利用公式(1)可以计算出模具中的瞬时热流热电偶25可直接测得模具表面的瞬时温度，利用公式(2)可以计算出模具与待测试样接触界面的平均瞬时热流。

在上述计算结果的基础上，利用公式(3)可以计算瞬态界面传热系数h_c(t)。

Claims (7)

1.一种测量金属热成形界面传热系数的装置，其特征在于，包括：上、下模以及设置于其中的待测试样，其中：上模及下模外部均设有环形加热圈，上模的上部及下模的下部分别对称设有隔热垫板、水冷循环机构和压板；待测试样内部设有用于测试坯料温度场变化的第一热电偶组，下模内设有用于测试下模温度场变化的第二热电偶组；第一热电偶组和第二热电偶组分别和温度采集模块相连并输出实时温度信息；

所述的第二热电偶组由五个热电偶组成，该五个热电偶用以测量模具与待测试样接触表面及内部不同位置处的温度，其中：下模的中心处设有用于放置第二热电偶组的通孔，该第二热电偶组中的中间热电偶从下模的底端穿入直至下模的顶端且与下模顶端表面平齐，这样在第二热电偶组中的这根热电偶可以直接测量出与坯料接触的模具表面的温度；

所述的第一热电偶组由三个热电偶组成，该三个热电偶以辐射状方式径向设置于待测试样内部的不同高度。

2.根据权利要求1所述的测量金属热成形界面传热系数的装置，其特征是，上模压板与上模水冷循环机构之间设有压力检测机构，该压力检测机构向检测中心输出数字压力信号。

3.根据权利要求2所述的测量金属热成形界面传热系数的装置，其特征是，所述的压力检测机构包括设置于上模压板与上模水冷循环机构之间的压力传感器和与之相连的模数转换器。

4.根据权利要求1所述的测量金属热成形界面传热系数的装置，其特征是，下模压板与下模水冷循环机构之间设有下模支撑块。

5.根据权利要求1所述的测量金属热成形界面传热系数的装置，其特征是，所述的环形加热圈内设有与温度控制仪相连的温控热电偶。

6.一种根据上述任一权利要求所述装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将圆柱体结构的待测试样放入高温真空电加热炉中加热到整个坯料完全均匀奥氏体化；

2)将待测试样与温度为200℃的模具接触，随后分别测试待测试样在10％，30％和50％的变形量下模具内部的温度场及待测试样内部的温度场，根据在待测试样中不同位置测得的温度场，利用外推法求取待测试样表面的温度；

3)结合热电偶直接测量的与待测试样接触的模具表面的温度，利用瞬态反向传热计算方法得到待测试样的界面传热系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的步骤3)具体包括：

3.1)计算模具和待测试样中的瞬时热流其中：q(t)是瞬时热流；t是传热系数测试中的某时刻；k是材料的导热系数；是位置m点t时刻的温度；是位置m-1点t时刻的温度；Δx是热电偶的距离的差；

3.2)模具与待测试样接触界面的平均瞬时热流其中：是t时刻与模具接触的圆柱体表面的热流；是t时刻与圆柱体接触的模具表面的热流；

3.3)瞬态界面传热系数其中：T_S是与模具接触的圆柱体表面的温度；T_D是与圆柱体接触的模具表面的温度。