CN110779954A - 塑性变形状态下接触导热系数测量装置及测量方法 - Google Patents

塑性变形状态下接触导热系数测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种塑性变形状态下接触导热系数测量装置及测量方法，包括：万能材料试验机以及设置于其上下砧板内的散热装置、试样装置和加热装置，其中：试样装置中设有与万能材料试验机相连的压力传感器和位移传感器用于获取试样装置的载荷与位移信息，试样装置外部设有隔热层。本发明通过材料万能试验机控制位移并施加载荷使试样发生塑性变形，通过在试样固定位置点安装热电偶，并记录稳态传热下试样固定位置点的温度，并根据这些位置点的温度来计算当前状态下的接触导热系数。

Description

塑性变形状态下接触导热系数测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种接触导热系数测量领域的技术，具体涉及一种用于测量塑性成形工况下接触导热系数的装置和测量方法，用以构建塑性变形过程中接触导热系数与接触应力和温度之间的关系。
背景技术
对于金属零件塑性成形，温度场是影响成形质量的一个重要因素。模具温升带来的热变形，会影响成形零件的精度，且温升会加重模具的磨损，降低模具寿命。获取准确的模具温度场，对提高成形零件尺寸精度和延长模具寿命有着重要意义。目前，对于模具温度场的分析方法，主要采用红外测温、内置热电偶和数值模拟等手段，其中：红外测温适用于表面温度的测定；内置热电偶适用于模具内部的温度测定，但对于接触表面温度测量的适用性有限；数值模拟方法是一种行之有效的可预测模具整体温度场的测量方式，但在塑性成形过程中，接触导热系数会随着接触面的接触应力、粗糙度和温度等诸多因素变化，由此给接触导热系数测量带来很多问题。设计一套能够适用于零件塑性成形工况的接触导热系数测量装置对于准确预测塑性成形过程中的温度场有着重要的意义。
发明内容
本发明针对现有利用有限元进行塑性成形过程的温度场预测，需给定围绕传热学的相关参数而其难以确定的问题，提出一种塑性变形状态下接触导热系数测量装置及测量方法，通过材料万能试验机控制位移并施加载荷使试样发生塑性变形，通过在试样固定位置点安装热电偶，并记录稳态传热下试样固定位置点的温度，并根据这些位置点的温度来计算当前状态下的接触导热系数。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种塑性变形状态下接触导热系数测量装置，包括：万能材料试验机以及设置于其上下砧板内的散热装置、试样装置和加热装置，其中：试样装置中设有与万能材料试验机相连的压力传感器和位移传感器用于获取试样装置的载荷与位移信息，试样装置外部设有隔热层。
所述的散热装置包括：散热均热板和散热块，其中：散热块设置于试验机下砧板上，散热均热板置于散热块和试样装置之间并置于隔热层之间。
所述的加热装置包括：加热盘、加热均热板与智能温控器，其中：加热盘置于隔热层上加热均热板置于加热盘和试样装置之间并置于隔热层之间；智能温控器与加热盘中热电偶相连，监控加热盘温度。
所述的隔热层为聚氨酯橡胶与石棉双层结构。聚氨酯橡胶有较好的弹性，具有退让性，不影响变形体发生塑性变形。橡胶内设有阶梯孔，孔内径分别与塑性体和刚性体直径相同，保证试样接触的对中性。同时，橡胶与试样热电偶安装孔对应位置加工直径为2.1mm的孔，以保证热电偶安装。为加强绝热效果，聚氨酯橡胶外圈用石棉材料包裹。
所述的试样装置近似一维传热，其选用圆柱形试样并采取一端加热一端散热方式以保证其热量传递方向沿圆柱体轴向，试样装置与加热装置和散热装置之间均设有均热板，避免由加热或散热板上温度不均匀所引起的误差；用于对试样侧面进行保温处理的隔热层能够减小侧面热量损失，使得热量传热主要沿轴线方向。
为模拟塑性成形过程中凸模与变形体的接触，接触导热系数测量中所述的试样装置分别以刚性体A和塑性体B材料，来匹配塑性成形过程中的凸模和变形体材料，其中：刚性体A直径为15mm、塑性体B直径为30mm，试样高度均为50mm，每个试样在长度方向上均布四个热电偶安装孔，孔径为热电偶直径2mm，孔深为试样半径加5mm，热电偶传感器测量位置距探头顶端约5mm，由此保证热电偶测量位置为试样轴线位置温度。
本发明涉及一种基于上述测量装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：调节试验机砧板高度施加压力，使得试样装置接触良好；
步骤二：将加热盘设定恒定温度，待热电偶温度值显示稳定后，记录各热电偶的温度值以及压力值。改变加热板温度，获取特定压力下对应不同温度时的热电偶温度值。
步骤三：调节试验机上砧板高度，并保持对试样加压，重复上述步骤二、三，获取不同压力下不同温度时热电偶温度值。
步骤四：进行数据处理，计算接触导热系数。
技术效果
与现有技术相比，本发明整体所解决的技术效果是：考虑塑性变形工况中接触表面会存在材料流动，真实接触面不断发生变化，导致接触导热系数会有较大波动。本发明装置在万能试验机的作用下，使得变形体试样发生塑性变形，同时改变加热盘温度，形成稳态传热后，测量当前状态下接触面的接触导热系数；
本发明的技术效果包括：可实现在加热温度40-220℃范围内，对接触导热系数的测量；可实现在不同接触应力下接触导热系数的测量，在较大接触应力下，当塑性体材料发生塑性变形时同样适用，可以构建一个完整的塑性成形工况下接触导热系数关于接触压力和温度的映射关系。
本发明通过控制加热盘温度，改变接触面温度，同时借助试验机砧板高度对接触面施加不同载荷，改变接触压力，进而影响接触面的接触导热系数。本发明通过绝热处理实现一维传热效果，利用傅里叶定律将热流密度的确定转变为温度梯度确定，并利用传热方向上设置热电偶的方式，确定传热方向的温度梯度。本发明适用于小变形情况，针对塑性体试样高度50mm，允许发生的压入深度2-3mm。小压下量对塑性体形状改变较小，在侧面绝热条件下，不影响测试试样整体结构，可近似保证装置的一维传热状态。
附图说明
图1为本发明接触导热系数测量装置图；
其中：a为测量装置结构图，b接触面局部放大图，
图2为本发明接触导热系数测量原理图；
图中：试验机下砧板1、散热块2、散热均热板3、塑性体4、热电偶5、接触面6、刚性体7、隔热层8、加热均热板9、加热板10、试验机上砧板11、试验机控制系统12、温控系统13、温度采集系统14。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种塑性变形工况下接触导热系数的测量装置。所述的试样装置包括：装置整体安装在万能材料试验机下砧板1和上砧板11之间，需万能材料试验机提供成形力并控制压入深度。所述的试样装置，包括刚性体7和塑性体4，两种材料强度差异比较大，接触过程中可以认为刚性体不发生变形，而塑性体材料在压力作用下发生塑性变形。
本实施例涉及的一种基于上述测量装置的接触导热系数测量方法，需将待测试样接触面对正放置，构成刚性体-塑性体的试样整体，具体步骤为：
步骤一：测量前，构建完整的传热整体，分别是加热板-加热均热板-刚性体-塑性体-散热均热板-散热块，其中加热均热板、刚性体、塑性体和散热均热板都通过聚氨酯橡胶做绝热处理，并且橡胶内径与各样块外径相等，保证各样块对中性良好。在刚性体和塑性体试样中安装热电偶，然后将传热整体安装在万能试验机上下砧板间。调节试验机，使试验机上砧板缓缓下降，并注视试验机压力值，待压力机显示有压力，立即停止下行，试验机位置清零，压力清理；
步骤二：测量过程，先后将加热盘10设定恒定温度90℃、120℃、150℃、180℃和210℃，每次调节加热盘后待热电偶5温度值显示稳定后，记录各热电偶的温度值。
步骤三：根据塑性体材料屈服强度和试样尺寸，计算成形所需载荷，控制成形区域压入深度在2-3mm。以测量Cr12MoV和42CrMo4(屈服强度320MPa)的接触导热系数为例。调节试验机上砧板下行，调节压机载荷保持1t，接触表面应力约为50MPa，重复步骤二，记录不同温度下热电偶温度值。然后依次调节压机载荷为3t、5t、7t、9t，分别记录不同载荷下对应不同温度时热电偶温度值。
步骤四：进行数据处理，先根据刚性体4和塑性体7上温度值计算经过试样上的热流密度，根据差值方法估算接触面上的表面温度，最后根据两个试样的热流密度和接触表面温度计算接触导热系数。
所述的数据处理方法具体为：获取特定温度和特定载荷下的热电偶温度值，根据压机载荷求得接触表面的平均接触应力为P，使用最小二乘法分别对刚性体A和塑性体B上位置点坐标值Xi和温度值Ti进行线性拟合，建立温度-位置的关系曲线T＝kX+b，得到待测试样上温度梯度kA和kB。根据压机的位移数据确定接触面位置，再根据温度-位置关系曲线差值计算试样接触面温度TA、TB，定义接触表面温度为
Figure BDA0002280926480000041
根据傅里叶定律分别建立热流密度q关于导热系数λ和温度梯度k的关系式qA＝-λAkA、qB＝-λBkB，在无侧面散热条件下，经过接触面标准试样的热量等于经过塑性体A和弹性体B上的热量平均值，即已知试样面积SA、SB可求得经过接触面的平均热流密度，即
Figure BDA0002280926480000042
计算接触导热系数
Figure BDA0002280926480000044
其中：位置点2为i(1、2……8)，坐标值为Xi，温度值为Ti，刚性体A、塑性体B导热系数分别为λA、λB。即：接触表面温度T，平均接触应力为P时，对应接触导热系数为λcc，以此分别计算不同温度。不同压力下接触导热系数，建立导热系数关于温度和接触应力的映射关系。
本方法可以构建起完整的塑性变形过程中接触导热系数与温度和接触面接触应力的关系。该方法对于塑性变形工况具有较好的适用性，可以针对塑性变形过程中的不同温度及接触条件下的接触导热系数测量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种塑性变形状态下接触导热系数测量装置，其特征在于，包括：万能材料试验机以及设置于其上下砧板内的散热装置、试样装置和加热装置，其中：试样装置中设有与万能材料试验机相连的压力传感器和位移传感器用于获取试样装置的载荷与位移信息，试样装置外部设有隔热层；
所述的试样装置近似一维传热，其选用圆柱形试样并采取一端加热一端散热方式以保证其热量传递方向沿圆柱体轴向，试样装置与加热装置和散热装置之间均设有均热板，避免由加热或散热板上温度不均匀所引起的误差；用于对试样侧面进行保温处理的隔热层能够减小侧面热量损失，使得热量传热主要沿轴线方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的散热装置包括：散热均热板和散热块，其中：散热块设置于试验机下砧板上，散热均热板置于散热块和试样装置之间并置于隔热层之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的加热装置包括：加热盘、加热均热板与智能温控器，其中：加热盘置于隔热层上加热均热板置于加热盘和试样装置之间并置于隔热层之间；智能温控器与加热盘中热电偶相连，监控加热盘温度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的隔热层为聚氨酯橡胶与石棉双层结构，聚氨酯橡胶有较好的弹性，橡胶内设有阶梯孔，孔内径分别与塑性体和刚性体直径相同，橡胶与试样热电偶安装孔对应位置加工直径为2.1mm的孔，聚氨酯橡胶外圈用石棉材料包裹。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，为模拟塑性成形过程中凸模与变形体的接触，接触导热系数测量中所述的试样装置分别以刚性体和塑性体来匹配塑性成形过程中的凸模和变形体材料，其中：刚性体直径为15mm、塑性体直径为30mm，试样高度均为50mm，每个试样在长度方向上均布四个热电偶安装孔，孔径为热电偶直径2mm，孔深为试样半径加5mm，热电偶传感器测量位置距探头顶端约5mm，由此保证热电偶测量位置为试样轴线位置温度。
6.一种基于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：
步骤一：调节试验机砧板高度施加压力，使得试样装置接触良好；
步骤二：将加热盘设定恒定温度，待热电偶温度值显示稳定后，记录各热电偶的温度值以及压力值，改变加热板温度，获取特定压力下对应不同温度时的热电偶温度值；
步骤三：调节试验机上砧板高度，并保持对试样加压，重复上述步骤二、三，获取不同压力下不同温度时热电偶温度值；
步骤四：进行数据处理，计算接触导热系数。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的步骤一具体包括：测量前构建完整的传热整体，即加热板-加热均热板-刚性体-塑性体-散热均热板-散热块，其中加热均热板、刚性体、塑性体和散热均热板都通过聚氨酯橡胶做绝热处理，并且橡胶内径与各样块外径相等，保证各样块对中性良好，在刚性体和塑性体试样中安装热电偶，然后将传热整体安装在万能试验机上下砧板间；调节试验机使试验机上砧板缓缓下降，并注视试验机压力值，待压力机显示有压力，立即停止下行，试验机位置清零，压力清理。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的步骤二具体包括：先后将加热盘设定恒定温度90℃、120℃、150℃、180℃和210℃，每次调节加热盘后待热电偶温度值显示稳定后，记录各热电偶的温度值。
9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的步骤三具体包括：根据塑性体材料屈服强度和试样尺寸，计算成形所需载荷，控制成形区域压入深度在2-3mm，调节试验机上砧板下行，调节压机载荷保持1t，接触表面应力约为50MPa，重复步骤二，记录不同温度下热电偶温度值，然后依次调节压机载荷为3t、5t、7t、9t，分别记录不同载荷下对应不同温度时热电偶温度值。
10.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述的步骤四具体包括：进行数据处理，先根据刚性体4和塑性体7上温度值计算经过试样上的热流密度，根据差值方法估算接触面上的表面温度，最后根据两个试样的热流密度和接触表面温度计算接触导热系数；
所述的数据处理方法具体为：获取特定温度和特定载荷下的热电偶温度值，根据压机载荷求得接触表面的平均接触应力为P，使用最小二乘法分别对刚性体A和塑性体B上位置点坐标值Xi和温度值Ti进行线性拟合，建立温度-位置的关系曲线T＝kX+b，得到待测试样上温度梯度kA和kB，根据压机的位移数据确定接触面位置，再根据温度-位置关系曲线差值计算试样接触面温度TA、TB，定义接触表面温度为
Figure FDA0002280926470000021
根据傅里叶定律分别建立热流密度q关于导热系数λ和温度梯度k的关系式qA＝-λAkA、qB＝-λBkB，在无侧面散热条件下，经过接触面标准试样的热量等于经过塑性体A和弹性体B上的热量平均值，即已知试样面积SA、SB可求得经过接触面的平均热流密度，即
Figure FDA0002280926470000031
计算接触导热系数
Figure FDA0002280926470000032
Figure FDA0002280926470000033
其中：位置点为i，i＝1、2……8，坐标值为Xi，温度值为Ti，刚性体A、塑性体B导热系数分别为λA、λB，即：接触表面温度T，平均接触应力为P时，对应接触导热系数为λcc，以此分别计算不同温度，不同压力下接触导热系数，建立导热系数关于温度和接触应力的映射关系。
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