专利名称：一种用于测定热冲压过程中界面换热系数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及界面换热系数的测定装置及方法，尤其涉及热冲压过程中钢材与模具之间的界面换热系数的测试方法和装置，属于高强度钢板热冲压技术领域。
背景技术：
反向热传导问题(InverseHeat Conduction Problem, IHCP)是一种不适定问题，它与常规的热传导过程不同。常规热传导过程是根据已知的初始条件或边界条件，求解传热体内部的温度变化，是一种适定问题。IHCP则是根据传热体温度的变化情况计算传热体的边界条件或初始条件；即在传热体内部安装热传感器，利用热传感器记录传热体内部相应位置的温度变化，然后再利用适当的计算方法根据温度变化情况确定传热体的初始条件或边界条件。目前，国内外的学者已经提出了多种数值解析方法解决IHCP。由于反传热问题是一种不适定问题，它的求解要比常规热传导过程复杂许多，选择简便、可靠的方法研究反向热传导问题，在实际工程应用中具有重要价值。利用数值模拟方法研究硼钢热冲压工艺时，需要相应的热冲压关键参数，包括硼钢的各种热物性参数、力学性能参数，接触边界参数等。其中，边界换热系数是最关键的参数之一，其准确程度直接影响温度场、应力应变场、组织场的求解精度。专利201210102026. 8公开了 “一种热加工过程固态界面换热系数测定装置”，该测定装置包括上模座、导柱、下模座、定位圈、对开式加热炉、保温套筒、温控仪、液压装置、滑动支座、定位套筒、传热杆、传热杆、应变片、热电偶、测温仪、测力仪上试样和下试样。上试样和下试样在实验过程中都位于对开式加温炉内，使用液压装置作为施压机构，适合大多数材料和存在润滑条件的固态界面换热系数测量。专利201110296298.1公开了 “一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法”，该方法包括如下步骤(I)在工件表面位置点焊接热电偶，热电偶连到温度采集模块;
(2)工件冷却时，热电偶将测试的温度变化信息传送到温度采集模块；(3)通过温度采集模块读取表面点的温度变化数据；(4)根据表面测试点的温度变化数据，利用热处理软件的界面换热系数校验功能，得到冷却过程的界面换热系数；(5)将得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的温度场变化，计算表面测试点的温度变化并与实测结果进行对比，直到计算结果与实测结果吻合良好；(6)将由(5)得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的变形情况，直到计算结果与实测结果的变形趋势吻合良好，解决界面换热系数不准确的问题。专利201010195121. 8公开了“一种确定大型钢锭界面换热系数的方法”，该方法包括以下步骤(1)将钢锭与锭模间的接触界面简化为若干测试分段，在每一分段中确定若干个测试点，并在每一测试点上设置有一个传感器，将每一传感器通过各自的导线共同连接到一数据采集系统，数据采集系统的输出端连接一界面换热系数反算系统；(2)在钢水凝固成钢锭的过程中，传感器采集钢水凝固过程中的温度或热流信息，并将采集到的信号传送到数据采集系统中；(3)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统读取各测试点的数据，获得各测试点实测的随时间变化的温度或热流信息，并导入到钢锭与锭模间界面换热系数反算系统中；(4)通过界面换热系数反算系统反算求解出钢锭与锭模间的界面换热系数。专利200910050384. 7公开了 “一种快速凝固过程界面换热系数的测试方法”，该方法通过一热流测量探头浸入熔化炉，测得的数据输送至信号数据采集系统及计算机，得到界面换热系数；其中，测量探头包括两块同样大小对称设计的铜板(片)，两根等直径热电偶焊接在两块铜板内侧，用螺丝把两块铜板紧密固定，保证它们之间间隙小于O. 5mm ;上述两个热电偶测量出铜板内壁两点温度。铜片内壁的温度由热电偶测出，然后计算出界面的热流。通过界面热流进一步计算得到基底和钢水之间的界面换热系数。然而，现有的这些测试方法和测试装置，对于热冲压过程中界面换热系数的测试并不适用，原因有以下几个
(1)现有装置仅适用于厚度超过30mm的试样，且主要针对的是体积成形热加工过程；而热冲压过程中的高强度热冲压硼钢的厚度在1. 6 2. 5 mm之间；
(2)现有的测试装置均采用电阻丝加热方式，在试样达到要求温度后，电阻丝的余热及保温层的余热将传入试样，影响换热系数解析精度；
(3)试样的另一端直接与导热杆接触，在测试过程中也将进一步影响测试精度；
(4)由于热冲压工艺中模具的壁厚超过100_，远远大于试样厚度，导致试样与模具之间换热过程进行得非常快，硼钢板的温度在10秒左右就从950°C降至100°C之内，进一步提高了对测试装置的要求；
(5)热冲压过程中钢板成形时，试样处于双面受压、双面同时冷却的状态，而目前的测试装置均无法满足这一点。
发明内容
本发明针对界面换热系数测试的装置及方法的现状，公开了一种适用于热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的测试装置。本发明根据热冲压工艺中模具与硼钢板之间热交换的特点，设计了测试装置及方法。本发明的技术方案是一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，包括施压装置和测定装置
所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述测定装置包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装固定在上工作台上，所述下工装固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间；
所述上工装包括上模具和设于上模具外围的保温装置I，所述下工装包括下模具和设于下模具外围的保温装置III，所述下模具靠近试样固定装置的一端设有温度检测装置III;所述试样固定工装包括试样放置区、保温装置I1、加热装置和温度检测装置II，所述保温装置II和加热装置依次设置在试样放置区的外侧，所述温度检测装置II与温度采集模块相连；所述试样固定工装还包括检测试样中心部位温度的测温部件I和检测试样边缘部位的测温部件II。优选的是，所述上工装通过上工装固定板固定在上工作台上，所述下工装通过下工装固定板固定在下工作台上；所述上工装固定板和上模具之间从上到下依次设有弹性储能元件和上模具固定板。优选的是，所述上工装固定板的下侧设有上压板，所述上压板将上工装固定板固定在上工作台上；所述下工装固定板的上侧设有下压板，所述下压板将下工装固定板固定在下工作台上。优选的是，所述上工装还包括上工装浮动弹簧，所述上工装浮动弹簧安装在上模具固定板下表面上；所述下工装还包括下工装浮动弹簧，所述下工装浮动弹簧安装在下工装固定板的上表面上。优选的是，所述上工装固定板、弹性储能元件和上模具固定板通过复位螺钉连接为一体，所述复位螺钉在螺钉孔内能自由滑动；所述上模具固定板和上模具通过固定螺钉I刚性连接，所述下工装固定板和下模具通过固定螺钉III刚性连接；所述上工装浮动弹簧固定在上模具固定板下表面的环形槽内，所述下工装浮动弹簧固定在下工装固定板的上表面的环形槽内。优选的是，所述弹性储能元件为弹性元件，所述弹性元件为弹簧和橡胶；所述上模具和下模具的材料为4Cr5MoSiV ;所述上工装浮动弹簧和下工装浮动弹簧均圆柱弹簧，所述圆柱弹簧的钢丝直径为1-1. 5mm ;所述环形槽的外径比圆柱弹簧的直径小O. 5_lmm。优选的是，所述保温装置为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述加热装置为工频感应加热圈；所述温度检测装置II为热电偶；所述测温部件I和II均为红外测温传感器。优选的是，所述绝热保温材料为导热系数低的耐火纤维纸，所述耐火纤维纸的厚度为l_2mm，所述缠绕厚度为IOmm ;所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述工频感应加热圈的内径等于试样放置区的外径加20mm ;所述工频感应加热线圈的开口通过绝缘夹紧块固定，所述工频感应加热线圈内部是作为冷却水通道的中空金属管道；所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。优选的是，所述温度检测装置III固定在下模具侧面的孔内，所述孔径为2. 2mm,所述孔距离下模具上表面的距离为2mm ;所述温度检测装置II固定在试样侧面的孔内，所述孔径为2. 2mm，所述孔距离试样下表面表面的距离为2mm。一种测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的方法，包括如下几个步骤
①将待测试样放置在试样固定装置的保温装置II内，设定测试温度；
②启动加热装置、测温部件I和测温部件II，对试样进行加热，同时检测试样中心和试样边缘的温度，根据检测结果调整加热装置的功率；
③待试样中心的温度达到设定标准且试样中心与边缘温度不超过5°c时，先启动与热电偶相连的温度采集模块，记录试样温度；然后启动施压装置，使上工装向下靠拢，直至试样同时与上模具、下模具接触；
④待上模具和下模具均与待测试样接触后，施压装置压缩弹性储能元件直至上、下工装承受的压力达到设定标准时停止工作；
⑤施压装置停止工作，由弹性储能元件继续为上、下工装施加压力，直至测试完毕；
⑥测试完成后，施压装置带动上模具向上运动，打开测试装置并取出试样，得到测试温度下的试样冷却曲线；⑦采用有限元方法与改进的一维搜索法相结合的方法对温度采集模块得到的数据进行计算和分析，得到模具与试样之间的界面换热系数曲线；所述有限元方法与改进的一维搜索方法相结合的过程为先确定换热系数所在的区间范围，再对区间范围进行缩小，确定合适的换热系数；具体步骤为a.对于每一个时刻，假设一个换热系数，然后调用有限元求解程序对零件的温度场进行计算，然后比较计算值和热电偶得到的测量值的差别；b.根据差值情况，调整假定的换热系数，重新进行计算，然后再比较；c.如此反复进行，直到计算值与测量值的差值达到要求的精度；所述假定的换热系数的调整根据改进的一维搜索的方法判断调整的方向和幅度。优选的是，所述步骤⑦中差值的计算公式为
权利要求
1.一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于包括施压装置和测定装置 所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述测定装置包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装固定在上工作台上，所述下工装固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间； 所述上工装包括上模具和设于上模具外围的保温装置I，所述下工装包括下模具和设于下模具外围的保温装置III，所述下模具靠近试样固定装置的一端设有温度检测装置III;所述试样固定工装包括试样放置区、保温装置I1、加热装置和温度检测装置II，所述保温装置II和加热装置依次设置在试样放置区的外侧，所述温度检测装置II与温度采集模块相连；所述试样固定工装还包括检测试样中心部位温度的测温部件I和检测试样边缘部位的测温部件II。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述上工装通过上工装固定板固定在上工作台上，所述下工装通过下工装固定板固定在下工作台上；所述上工装固定板和上模具之间从上到下依次设有弹性储能元件和上模具固定板。
3.根据权利要求2所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述上工装还包括上工装浮动弹簧，所述上工装浮动弹簧安装在上模具固定板下表面上；所述下工装还包括下工装浮动弹簧，所述下工装浮动弹簧安装在下工装固定板的上表面上。
4.根据权利要求2所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述上工装固定板、弹性储能元件和上模具固定板通过复位螺钉连接为一体，所述复位螺钉在螺钉孔内能自由滑动；所述上模具固定板和上模具通过固定螺钉I刚性连接，所述下工装固定板和下模具通过固定螺钉III刚性连接；所述上工装浮动弹簧固定在上模具固定板下表面的环形槽内，所述下工装浮动弹簧固定在下工装固定板的上表面的环形槽内。
5.根据权利要求3-4任意一项所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述弹性储能元件为弹性元件，所述弹性元件为弹簧或橡胶；所述上模具和下模具的材料为4Cr5MoSiV ;所述上工装浮动弹簧和下工装浮动弹簧均圆柱弹簧，所述圆柱弹簧的钢丝直径为1-1. 5mm;所述环形槽的外径比圆柱弹簧的直径小 O. 5_lmm。
6.根据权利要求1所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述保温装置为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述加热装置为工频感应加热圈；所述温度检测装置I和II均为热电偶；所述测温部件I和II均为红外测温传感器。
7.根据权利要求6所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述绝热保温材料为导热系数低的耐火纤维纸，所述缠绕厚度为IOmm ;所述工频感应加热线圈与工频电源相连,所述工频感应加热圈的内径等于试样放置区的外径加20_ ;所述工频感应加热线圈的开口通过绝缘夹紧块固定，所述工频感应加热线圈内部是作为冷却水通道的中空金属管道；所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。
8.根据权利要求1所述的一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，其特征在于所述温度检测装置III固定在下模具侧面的孔内，所述孔径为2.2mm，所述孔距离下模具上表面的距离为2mm ;所述温度检测装置II固定在试样侧面的孔内，所述孔径为2. 2mm，所述孔距离试样下表面表面的距离为2mm。
9.一种测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的方法，其特征在于包括如下几个步骤①将待测试样放置在试样固定装置的保温装置II内，设定测试温度； ②启动加热装置、测温部件I和测温部件II，对试样进行加热，同时检测试样中心和试样边缘的温度，根据检测结果调整加热装置的功率； ③待试样中心的温度达到设定标准且试样中心与边缘温度不超过5°c时，先启动与热电偶相连的温度采集模块，记录试样温度；然后启动施压装置，使上工装向下靠拢，直至试样同时与上模具、下模具接触； ④待上模具和下模具均与待测试样接触后，施压装置压缩弹性储能元件直至上、下工装承受的压力达到设定标准时停止工作； ⑤施压装置停止工作，由弹性储能元件继续为上、下工装施加压力，直至测试完毕； ⑥测试完成后，施压装置带动上模具向上运动，打开测试装置并取出试样，得到测试温度下的试样冷却曲线； ⑦采用有限元方法与改进的一维搜索法相结合的方法对温度采集模块得到的数据进行计算、分析，得到模具与试样之间的界面换热系数曲线；所述有限元方法与改进的一维搜索方法相结合的过程为先确定换热系数所在的区间范围，再对区间范围进行缩小，确定合适的换热系数；具体步骤为a.对于每一个时刻，假设一个换热系数，然后调用有限元求解程序对零件的温度场进行计算，然后比较计算值和热电偶得到的测量值，计算二者的差值；b.根据差值调整假定的换热系数，重新进行计算，然后再比较；c.如此反复进行，直到计算值与测量值的差值达到要求的精度；根据一维搜索的方法判断所述假定的换热系数调整的方向和幅度。
10.根据权利要求9所述的一种测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的方法，其特征在于所述保温装置II为绝热保温材料缠绕多层构成的保温套；所述加热装置为工频感应加热圈；所述测温部件I和II为红外测温传感器；所述缠绕厚度为IOmm ；所述工频感应加热线圈与工频电源相连，所述工频感应加热圈的内径等于与试样放置区的外径加20_ ;所述工频感应加热线圈的开口通过绝缘夹紧块固定，所述工频感应加热线圈内部是作为冷却水通道的中空金属管道；所述红外传感器采用机床磁力座固定检测位置。
全文摘要
一种用于测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的装置，包括施压装置和测定装置,所述施压装置包括加压装置、上工作台和下工作台，所述加压装置分别与上工作台、下工作台相连；所述测定装置包括上工装、下工装和试样固定工装，所述上工装固定在上工作台上，所述下工装固定在下工作台上；所述试样固定工装设于上工装和下工装之间。本发明还公开了一种测定热冲压过程中高温钢板与模具之间界面换热系数的方法。本发明不但克服了现有技术仅针对厚度超过30mm的样品的限制，实现了热冲压过程中钢板与模具之间界面换热系数的测试；而且通过采用弹性储能元件，确保测试过程中硼钢试样与上模具和下模具之间的界面压力的稳定。
文档编号G01N25/20GK103033530SQ201210521068
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者李辉平, 贺连芳, 赵国群 申请人:山东科技大学