CN107907563B - 一种热冲压测量工装及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种热冲压测量工装及其使用方法，以普通的单拉机为基础改装而成，主要包括：一个水冷基座、由模具材料制成的镶块、装卡镶块的夹具、测试用的板条、板料运动的驱动装置、对板料进行加热的装置，监控温度的热电偶、数据采集器以及观测数据的电脑等装置。本发明实施例将加热装置、测试装置、驱动装置搭建在同一平台，可测量热冲压板料和模具的接触热传导系数、流道的对流换热系数以及模具的摩擦磨损等多种参数，自动化程度高、可操作性强，功能丰富，测试获得的参数能够为热冲压仿真分析提供精确的输入，对提升热冲压模具寿命和产品性能有着重要意义。

Description

一种热冲压测量工装及其使用方法

技术领域

本发明涉及到热冲压等热成形领域，具体是一种新型的可用于测量接触热传导系数、对流换热系数等参数的多功能工装以及其测量方法。

背景技术

随着汽车工业对安全性能和产品轻量化要求的不断提高，高强钢越来越广泛的应用到汽车的各个部件中。目前，热冲压能有效解决高强钢成形过程中容易开裂、尺寸控制困难的技术瓶颈，在确保强度和碰撞性能前提下能最大限度减薄车身，是汽车轻量化进程中的关键技术。

热冲压技术涉及温度场-应力场耦合、流固耦合，其模拟过程涉及的材料特性和边界条件非常复杂。温度场的模拟是热冲压模拟中一个非常重要的环节，接触热传导系数、对流换热系数又是温度场模拟的重要边界条件。在热成形过程中，接触热传导系数和对流换热系数决定了工件和模具内部的温度场分布和变化，进而影响构件的微观结构和服役性能，此外，温度场的变化会导致模具内产生热应力，影响模具寿命。

目前，常见的接触热传导系数的测量方法都只限于静态接触热传导系数的测量。但在实际冲压过程中，模具和板料间是存在相对运动的，而固体间的接触热传导系数与界面状态紧密相关，因此了解动态接触热传导系数是非常有必要的。

板材在高温炉中加热会被氧化，热冲压过程中，脱落的氧化皮会加剧模具的磨损，严重影响模具的表面形貌，缩短模具寿命。此设备可模拟热冲压凹模圆角处的工况，对热冲压模具的磨损分析具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种热冲压测量工装及其使用方法，旨在克服接触热传导系数、对流换热系数测量的难题，模拟热冲压凹模圆角的工况，研究模具材料的抗磨损性能。

为了达到上述目的，本发明提出一种热冲压测量工装，包括：

电感应加热装置、数据采集器、电脑、压头镶块、连接单拉机上拉伸杆的夹具、测试镶块、板料、测试磨损的磨损镶块、底座、石棉以及固定底座的夹具，

所述底座通过夹具固定在单拉机操作平台上，与压头镶块相对，所述测试镶块和磨损镶块镶嵌在底座内，底座和测试镶块之间放入一层石棉，所述测试用的板料置于测试镶块上，板料一端与驱动装置相连，另一端置于电感应加热装置中，板料和测试镶块上接有热电偶，所有热电偶与数据采集器相连，数据采集器与电脑相连，通过电脑的软件观测板料和测试镶块的温度变化。

进一步的，所述测试镶块靠近测试面处开有小孔，孔内靠近接触面中点位置焊有热电偶。

进一步的，所述测试镶块和底座内部设置有冷却水道，冷却水道与外部管道、水泵相连，组成一个冷却系统。

进一步的，所述冷却水道的测试镶块部分内的流道结构可根据实验需求改动，测试镶块可根据流道加工需要继续细分成几个小镶块。

进一步的，所述测试镶块与底座的冷却水道接口处，测试镶块设置一个凹槽，底座设置有与其相对应的凸台，两者之间有耐高温的O形密封圈。

进一步的，所述磨损镶块为测量模具磨损的镶块，所述测试镶块为测量对流换热系数和接触热传导系数的镶块，测量磨损前，需将板料和镶块接触面加工到指定粗糙度。

为了达到上述目的，本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

依次开启数据采集器、电感应加热装置，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到动态接触热传导系数。

为了达到上述目的，本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

依次开启冷却系统、数据采集器、电感应加热装置，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向镶块运动，与板料接触后关闭驱动装置；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到静态接触热传导系数。

为了达到上述目的，本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

获取模具和板料间的接触热传导系数；

依次开启冷却系统、数据采集器、电感应加热装置，测量冷却水道的流道入水口温度和出水口温度，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化、入水口温度、出水口温度、水速；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到对流换热系数。

为了达到上述目的，本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括：

将模具的测试面加工到指定粗糙度，记录其表面形貌，加热板料至指定温度，保温至加热区域温度均匀，调整拉伸机，使压头镶块和测试镶块间的接触力达到指定值，开启驱动装置，通过磨损镶块的圆角驱动高温下的板料向下运动，然后对测试前后磨损镶块的表面形貌进行对比，获取热冲压时模具的磨损。

本发明提出一种热冲压测量工装及其使用方法，其有益效果是：本发明中加热装置、驱动装置设置在同一测试平台，板料可在加热前就被固定装卡，避免了装卡高温下的板料的麻烦，也保证了实验时板料温度不会大幅下降，自动化程度高、可操作性强，而且基于此平台可以测量多种参数，功能丰富，为热冲压仿真分析提供准确的参数，对提升热冲压模具寿命和产品性能有着重要意义。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的热冲压测量工装结构示意图。

图2a所示为测试镶块、磨损镶块和底座的结构示意图。

图2b所示为热电偶和测试镶块的结构示意图。

图3a所示为板料加热区域小槽结构示意图。

图3b所示为板料安装热电偶的结构示意图。

图4所示为本发明测量动态接触热传导系数的流程图。

图5所示为本发明测摩擦磨损时的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的热冲压测量工装结构示意图。本发明提出一种热冲压测量工装，包括：

电感应加热装置101、数据采集器102、电脑103、压头镶块104、连接单拉机上拉伸杆的夹具105、测试镶块106、板料107、测试磨损的磨损镶块108、橡胶塞109、底座110、石棉111、耐高温的O形密封圈110以及固定底座的夹具113，

所述底座110通过夹具113固定在单拉机操作平台上，与压头镶块104相对，将模具材料制成指定形状的测试镶块106和磨损镶块108镶嵌在底座110内，底座110和测试镶块106之间放入一层石棉109，所述测试用板料107置于测试镶块106上，板料107一端与驱动装置相连，另一端置于电感应加热装置101中，单拉机上拉杆悬在板料107上方，板料107和测试镶块106上接有热电偶，所有热电偶与数据采集器102相连，数据采集器102与电脑103相连，通过电脑的软件观测板料107和测试镶块106的温度变化。

所述压头镶块通过夹具和单拉机上拉伸杆相连，测试时对板料施加压力，所述磨损镶块为测量模具磨损的镶块，所述测试镶块为测量对流换热系数和接触热传导系数的镶块，测量磨损前，需将板料和镶块接触面加工到指定粗糙度。所述的测试镶块镶嵌在夹具内，测试镶块和夹具间采用石棉或其他绝热物隔热。底座靠近驱动机构的一侧设置一个矩形凹槽，凹槽上安装用于测试摩擦磨损的磨损镶块。

测试镶块和板料的接触面为热接触导热系数的测试面，测试镶块侧面靠近测试面处开设一个盲孔，此处焊上热电偶，用以测量镶块测试面的温度。板条加热区域的非测试面也需要开设一列用以焊装热电偶的小槽，用来测量板料的温度。所有热电偶都与一个数据采集系统相连，数据采集系统可同时监测各热电偶焊点处温度。

再请参考图2a和图2b，图2a所示为测试镶块、磨损镶块和底座的结构示意图，图2b所示为热电偶和测试镶块的结构示意图。所述测试镶块202靠近测试面处开有小孔201，孔的深度约为镶块宽度的一半，孔内靠近接触面中点位置焊有热电偶209。

所述测试镶块202和底座205内部设置有冷却水道208，底座冷却水道接口处有一突起圆台，测试镶块202此处有相对应的凹槽，此处安装有耐高温的O形密封圈207。图中测试镶块202为加工冷却水道，水道右边有一开口，需要用橡胶塞203塞住。冷却水道与外部管道、水泵等相连，组成一个冷却系统。

进一步的，所述冷却水道的测试镶块部分内的流道结构可根据实验需求改动，测试镶块可根据流道加工需要继续细分成几个小镶块。

请参考图3a和图3b，图3a所示为板料加热区域小槽结构示意图，图3b所示为板料安装热电偶的结构示意图。板条加热区域的非测试面也需要开设一列小槽302，在板料宽度方向中点处开设一个较深的小孔301，用以安装热电偶测量板料测试面的温度，热电偶焊点尽量靠近板料测试面，小孔右侧开设一个小槽，通道板料边缘，用于安放热电偶导线。

请参考图4，为了测量高温下的板料和模具间动态接触热传导系数，本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

步骤401：依次开启数据采集器、电感应加热装置，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

步骤402：调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

步骤403：开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向磨损镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

步骤404：更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化；

步骤405：建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到动态接触热传导系数。

可在有限元软件(例如ABAQUS)中基于本实验建立模型，输入实验中上拉伸杆和镶块间的压力、测试面粗糙度、板料运动速度，根据计算测试镶块温度场变化和板料温度变化这些结果迭代反求出动态接触热传导系数。

本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

依次开启冷却系统、数据采集器、电感应加热装置，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向磨损镶块运动，与板料接触后关闭驱动装置；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到静态接触热传导系数。

本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括下列步骤：

获取模具和板料间的接触热传导系数；

依次开启冷却系统、数据采集器、电感应加热装置，测量冷却水道的流道入水口温度和出水口温度，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向磨损镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化、入水口温度、出水口温度、水速；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到对流换热系数。基于同样的方法还可以修改镶块内的流道结构，分析流道结构与对流换热系数的关系。

请参考图5，图5所示为本发明测摩擦磨损时的结构示意图。本发明还提出一种热冲压测量工装的使用方法，包括：

将模具的测试面加工到指定粗糙度，记录其表面形貌，电感应加热装置501加热板料502至指定温度，保温至加热区域温度均匀，调整拉伸机，使压头镶块503和测试镶块504间的接触力达到指定值，开启驱动装置，通过磨损镶块505的圆角驱动高温下的板料向下运动，然后对测试前后磨损镶块505的表面形貌进行对比，获取热冲压时模具的磨损。

综上所述，本发明提出一种热冲压测量工装及其使用方法，其有益效果是：本发明中加热装置、驱动装置设置在同一测试平台，板料可在加热前就被固定装卡，避免了装卡高温下的板料的麻烦，也保证了实验时板料温度不会大幅下降，自动化程度高、可操作性强，而且基于此平台可以测量多种参数，功能丰富，为热冲压仿真分析提供准确的参数，对提升热冲压模具寿命和产品性能有着重要意义。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种热冲压测量工装，其特征在于，包括：

电感应加热装置、数据采集器、电脑、压头镶块、连接单拉机上拉伸杆的夹具、测试镶块、板料、测试磨损的磨损镶块、底座、石棉以及固定底座的夹具，

所述底座通过夹具固定在单拉机操作平台上，与压头镶块相对，所述测试镶块和磨损镶块镶嵌在底座内，底座和测试镶块之间放入一层石棉，所述测试用的板料置于测试镶块上，板料一端与驱动装置相连，另一端置于电感应加热装置中，板料和测试镶块上接有热电偶，所有热电偶与数据采集器相连，数据采集器与电脑相连，通过电脑的软件观测板料和测试镶块的温度变化。

2.根据权利要求1所述的热冲压测量工装，其特征在于，所述测试镶块靠近测试面处开有小孔，孔内靠近接触面中点位置焊有热电偶。

3.根据权利要求1所述的热冲压测量工装，其特征在于，所述测试镶块和底座内部设置有冷却水道，冷却水道与外部管道、水泵相连，组成一个冷却系统。

4.根据权利要求3所述的热冲压测量工装，其特征在于，所述冷却水道的测试镶块部分内的流道结构可根据实验需求改动，测试镶块可根据流道加工需要继续细分成几个小镶块。

5.根据权利要求1所述的热冲压测量工装，其特征在于，所述测试镶块与底座的冷却水道接口处，测试镶块设置一个凹槽，底座设置有与其相对应的凸台，两者之间有耐高温的O形密封圈。

6.根据权利要求1所述的热冲压测量工装，其特征在于，所述磨损镶块为测量模具磨损的镶块，所述测试镶块为测量对流换热系数和接触热传导系数的镶块，测量磨损前，需将板料和镶块接触面加工到指定粗糙度。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的热冲压测量工装的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：

依次开启数据采集器、电感应加热装置，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向磨损镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到动态接触热传导系数。

8.一种根据权利要求1-6任一项所述的热冲压测量工装的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：

获取模具和板料间的接触热传导系数；

依次开启冷却系统、数据采集器、电感应加热装置，测量冷却水道的流道入水口温度和出水口温度，待板料加热到指定温度，保温至加热区域温度均匀；

调整单拉机上拉伸杆的夹具位置，使压头镶块压在板料上，让压头镶块和测试镶块间压力达到指定值；

开启驱动装置，控制板料的速度，使板料加热区先以较高的速度向镶块运动，然后减速使其在与测试镶块接触前能降低到指定转速；

更换参数，重复实验，记录每次实验时的板料和测试镶块测试面的粗糙度、板料运动速度、上拉伸杆和测试镶块间的压力、板料和测试镶块的温度变化、入水口温度、出水口温度、水速；

建立有限元模型，将相关参数作为边界条件，根据运算结果反复迭代得到对流换热系数。

9.一种根据权利要求1-6任一项所述的热冲压测量工装的使用方法，其特征在于，包括：

将模具的测试面加工到指定粗糙度，记录其表面形貌，加热板料至指定温度，保温至加热区域温度均匀，调整拉伸机，使压头镶块和测试镶块间的接触力达到指定值，开启驱动装置，通过磨损镶块的圆角驱动高温下的板料向下运动，然后对测试前后磨损镶块的表面形貌进行对比，获取热冲压时模具的磨损。