CN2816796Y - 半固态金属流变特性的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种半固态金属流变特性的测量装置，属流体力学粘度特性物理学测量装置技术领域。本装置由可控硅温度控制柜1、升降架2、直流电机3、测速仪4、扭矩传感器5、联轴器6、传动杆7、轴承支座8、石墨坩埚9、热电偶10、测头11、半固态金属12、电阻炉13、氮气瓶14、数据采集模块15、计算机16、直流电机调速器17组成。本装置为计算机自动化的半固态金属流变特性测量装置，其测量精度高、设备可靠性高、重复性好、操作简单。

Description

半固态金属流变特性的测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种半固态金属流变特性的测量装置，属流体力学粘度特性物理学测量装置技术领域。
背景技术
由于半固态金属成形技术具有组织致密、裹气少、性能优异，且属于近终型成形，因此自20世纪70年代初问世以来，经过30多年的研究和开发，该技术在许多工业，尤其是在汽车零件制造业中得到越来越广泛的应用。半固态金属成形有许多关键工艺，其中半固态金属熔体浆料的流变行为及其组织演变控制是关键工艺之一。半固态合金的流变性能与表观粘度有密切关联，为此通常用半固态表观粘度(ηa)为作其流变性的指标。如今已经发展有多种粘度测量方法，但在半固态熔体浆料流变特性研究中使用最普遍的仍为旋转法。
采用同轴圆筒旋转法测量熔体表观粘度，其理论依据及数学表达式如下所述：
测量仪器的内筒半径为Ri，外筒半径为Ra，内筒有效高度为h；在两筒之间放入被测熔体，并使内筒以某一角度速度 转动，外筒保持静止。测得的熔体表观粘度(ηa)，其计算公式为：
Figure Y20052004498200032
M为测得内筒受到的粘滞力矩。
内、外筒间熔体的平均剪切速率可简化为：
Figure Y20052004498200033
发明内容
本实用新型的目的是提供一种计算机自动化的测量半固态金属流变特性的装置。
本实用新型为一种半固态金属流变特性的测量装置，该装置由可控硅温度控制柜、升降架、直流电机、测速仪、扭矩传感器、联轴器、传动杆、轴承支座、石墨坩埚、热电偶、测头、半固态金属、电阻炉、氮气瓶、数据采集模块、计算机及直流电机调速器组成，其特征在于：测量装置的测头呈圆柱状，其顶部与一传动杆相连，传动杆穿过轴承支座由联轴器与扭矩传感器相连接，扭矩传感器的上面设有测速仪，最上面为一由直流电机调速器控制的直流电机；圆柱状测头设置于圆筒状石墨坩埚内，在测头与石墨坩埚之间的空间存放有待测的半固态金属；石墨坩埚侧壁上设置有热电偶，且放置于电阻炉中间；电阻炉上部设有输气管与氮气瓶相连接；整个电阻炉上部设置联接时所有部件构成为一整体安装于一升降架上；在升降架的一侧安装有可控硅温度控制柜；在主体整体装置的一侧的工作台上设置有数据采集模块、计算机、直流电机调速器。
本实用新型中所述的数据采集模块由频率采集模块、温度采集模块和转换模块组成，频率采集模块同时采集测头扭矩和转速信号，温度采集模块采集试样温度信号，采集模块通过转换模块直接与计算机COM串行口连接，以实现计算机数据实时采集。
本实用新型的测量装置的操作过程及原理如下：
将被测的半固态金属试样放在电阻炉内的石墨坩埚中加热，其熔体浆料处于圆柱体测头与石墨坩埚两者的间隙空间中，相当于传统使用的内筒与外筒的熔体在操作时受到剪切粘滞力的作用；试验进行时，电阻炉内通入预热的氮气进行惰性气体保护；开动电机，使通过与联轴器、传动杆相连的测头产生旋转运动，因石墨坩埚是静止不动的，故可测得测头受到熔体的粘滞力矩。通过调节直流电机调速器可以调节直流电机的转速，因而也可调节和改变测头的转速。数据采集模块系统由屏蔽导线与装置中的测速仪、扭矩传感器和热电偶相连。装置中的扭矩传感器所选用的扭矩信号耦合器，可将扭应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的电压为12V～15V的方波频率信号，实现无接触的能源及信号传递功能。数据采集模块系统是由一个转换模块和两个数据采集模块组成，其中的频率模块采集扭矩信号和转速信号；另一个温度模块采集热电偶温度信号；转换模块则将RS-232转换为RS-485信号与计算机串行口连接。数据采集模块系统同步记录测头转速、试样温度及扭矩传感器输出的扭矩值。用面向对象的编程语言Visual Basic编程对采集的数据进行处理、计算，记录各温度点的半固态金属的表观粘度值并给出表观粘度随剪切速率、剪切时间或试样温度的变化的曲线。
本实用新型测量装置的优点是，受外界干扰小，测量精度高，设备利用率高，重复性好，操作简单。
附图说明
图1为本实用新型的半固态金属流变特性的测量装置的简单示意图。
图2为本实用新型装置测得的合金浆料稳态表观粘度与剪切速率和保温温度的关系曲线。
图3为本实用新型装置测得的不同连续冷却速率下A356铝合金浆料表观粘度的变化曲线。
具体实施方式
现结合附图和实例将本实用新型装置进一步详细叙述于后。
实施例1
如图1所示，半固态金属流变特性的测量装置由可控硅温度控制柜1、升降架2、直流电机3、测速仪4、扭矩传感器5、联轴器6、传动杆7、轴承支座8、石墨坩埚9、热电偶10、测头11、半固态金属12、电阻炉13、氮气瓶14、数据采集模块15、计算机16及直流电机调速器17组成。测量装置的测头11呈圆柱状，其顶部与一传动杆7相连，传动杆7穿过轴承支座8由联轴器6与扭矩传感器5相连接，扭矩传感器的上面设有测速仪4，最上面为一由直流电机调速器17控制的直流电机3；联轴器6由绝热绝缘材料制成，轴承支座8固定在直流电机3的底座上，轴承支座8与其上面的直流电机3装在同一支座上并与升降架2相连接，也即整个电阻炉上部设置联接的所有部件构成为一整体安装于一升降架2上，这样就可与直流电机一起上下移动，以稳定住传动杆7，并且可使传动杆7、测头11与石墨坩埚9保持同轴中心位置；圆柱状测头11设置于圆筒状石墨坩埚9内，在测头11与石墨坩埚9之间的空间存放有待测的半固态金属12；石墨坩埚侧壁上设置有热电隅10，且放置于电阻炉13中间；电阻炉13上部设有输气管与氮气瓶14相连接，以使炉内保持惰性气体气氛；在升降架2的一侧安装有可控硅温度控制柜1；在主体整体装置的一侧的工作台上设置有数据采集模块15、计算机16及直流电机调速器17。
上述的数据采集模块15由频率采集模块、温度采集模块和转换模块组成，频率采集模块同时采集测头扭矩和转速信号，温度采集模块采集试样温度信号，采集模块通过转换模块直接与计算机16COM串行口连接，以实现计算机数据实时采集。
上述直流电机的调速范围为0～1000rpm，可按需要来调节改变测头的转速。
本实用新型装置对A356铝合金熔体所作的表观粘度与温度和剪切速率的关系曲线如图2所示。
从图2可看出，A356铝合金熔体的表观粘度随着保温温度的降低而增大。同时也显示出表观粘度与剪切速率的不成线性关系，即在相同的固相率下，半固态A356铝合金的表观粘度随剪切速率的增加而降低，这正是伪塑性流体的流变特性的显著特征。
本实用新型装置测得的在不同冷却速度(0.4℃/min、6℃/min、20℃/min)及恒定剪切速率(48.42S-1)条件下半固态A356铝合金熔体表观粘度的变化曲线如图3所示。
从图3可看出，随着温度的降低，其表观粘度逐渐增加，且在开始阶段增加较平稳，当固相率达到一定数量时，表观粘度迅速增加。对比不同冷却速度曲线，可以看出，随冷却速度的增加，表观粘度随合金温度的降低而升高的速度是增加的。也就是说，在相同的固相率条件下，高的冷却速度下半固态合金的表观粘度高于低速冷却时的表观粘度。

Claims (2)

1.一种半固态金属流变特性的测量装置，该装置由可控硅温度控制柜(1)、升降架(2)、直流电机(3)、测速仪(4)、扭矩传感器(5)、联轴器(6)、传动杆(7)、轴承支座(8)、石墨坩埚(9)、热电偶(10)、测头(11)、半固态金属(12)、电阻炉(13)、氮气瓶(14)、数据采集模块(15)、计算机(16)及直流电机调速器(17)组成，其特征在于：测量装置的测头(11)呈圆柱状，其顶部与一传动杆(7)相连，传动杆(7)穿过轴承支座(8)由联轴器(6)与扭矩传感器(5)相连接，扭矩传感器的上面设有测速仪(4)，最上面为一由直流电机调速器(17)控制的直流电机(3)；圆柱状测头(11)设置于圆筒状石墨坩埚(9)内，在测头(11)与石墨坩埚(9)之间的空间存放有待测的半固态金属(12)，石墨坩埚侧壁上设置有热电偶(10)，且放置于电阻炉(13)中间；电阻炉(3)上部设有输气管与氮气瓶(14)相连接；整个电阻炉上部设置联接时所有部件构成为一整体安装于一升降架(2)上；在升降架的一侧安装有可控硅温度控制柜(11)；在主体整体装置的一侧的工作台上设置有数据采集模块(15)、计算机(16)、直流电机调速器(17)。
2.如权利要求1所述的一种半固态金属流变特性的测量装置，其特征在于所述的数据采集模块(15)由频率采集模块、温度采集模块和转换模块组成，频率采集模块同时采集测头扭矩和转速信号，温度采集模块采集试样温度信号，采集模块通过转换模块直接与计算机(16)COM串行口连接，以实现计算机数据实时采集。
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