專(zhuān)利名稱：半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置，屬流體力學(xué)粘度特性物理學(xué)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于半固態(tài)金屬成形技術(shù)具有組織致密、裹氣少、性能優(yōu)異，且屬于近終型成形，因此自20世紀(jì)70年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)30多年的研究和開(kāi)發(fā)，該技術(shù)在許多工業(yè)，尤其是在汽車(chē)零件制造業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。半固態(tài)金屬成形有許多關(guān)鍵工藝，其中半固態(tài)金屬熔體漿料的流變行為及其組織演變控制是關(guān)鍵工藝之一。半固態(tài)合金的流變性能與表觀粘度有密切關(guān)聯(lián)，為此通常用半固態(tài)表觀粘度(ηa)為作其流變性的指標(biāo)。如今已經(jīng)發(fā)展有多種粘度測(cè)量方法，但在半固態(tài)熔體漿料流變特性研究中使用最普遍的仍為旋轉(zhuǎn)法。
采用同軸圓筒旋轉(zhuǎn)法測(cè)量熔體表觀粘度，其理論依據(jù)及數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所述測(cè)量?jī)x器的內(nèi)筒半徑為Ri，外筒半徑為Ra，內(nèi)筒有效高度為h；在兩筒之間放入被測(cè)熔體，并使內(nèi)筒以某一角度速度 轉(zhuǎn)動(dòng)，外筒保持靜止。測(cè)得的熔體表觀粘度(ηa)，其計(jì)算公式為 M為測(cè)得內(nèi)筒受到的粘滯力矩。
內(nèi)、外筒間熔體的平均剪切速率可簡(jiǎn)化為 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的測(cè)量半固態(tài)金屬流變特性的裝置。
本實(shí)用新型為一種半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置，該裝置由可控硅溫度控制柜、升降架、直流電機(jī)、測(cè)速儀、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、傳動(dòng)桿、軸承支座、石墨坩堝、熱電偶、測(cè)頭、半固態(tài)金屬、電阻爐、氮?dú)馄俊?shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)及直流電機(jī)調(diào)速器組成，其特征在于測(cè)量裝置的測(cè)頭呈圓柱狀，其頂部與一傳動(dòng)桿相連，傳動(dòng)桿穿過(guò)軸承支座由聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連接，扭矩傳感器的上面設(shè)有測(cè)速儀，最上面為一由直流電機(jī)調(diào)速器控制的直流電機(jī)；圓柱狀測(cè)頭設(shè)置于圓筒狀石墨坩堝內(nèi)，在測(cè)頭與石墨坩堝之間的空間存放有待測(cè)的半固態(tài)金屬；石墨坩堝側(cè)壁上設(shè)置有熱電偶，且放置于電阻爐中間；電阻爐上部設(shè)有輸氣管與氮?dú)馄肯噙B接；整個(gè)電阻爐上部設(shè)置聯(lián)接時(shí)所有部件構(gòu)成為一整體安裝于一升降架上；在升降架的一側(cè)安裝有可控硅溫度控制柜；在主體整體裝置的一側(cè)的工作臺(tái)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速器。
本實(shí)用新型中所述的數(shù)據(jù)采集模塊由頻率采集模塊、溫度采集模塊和轉(zhuǎn)換模塊組成，頻率采集模塊同時(shí)采集測(cè)頭扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，溫度采集模塊采集試樣溫度信號(hào)，采集模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊直接與計(jì)算機(jī)COM串行口連接，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
本實(shí)用新型的測(cè)量裝置的操作過(guò)程及原理如下將被測(cè)的半固態(tài)金屬試樣放在電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中加熱，其熔體漿料處于圓柱體測(cè)頭與石墨坩堝兩者的間隙空間中，相當(dāng)于傳統(tǒng)使用的內(nèi)筒與外筒的熔體在操作時(shí)受到剪切粘滯力的作用；試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，電阻爐內(nèi)通入預(yù)熱的氮?dú)膺M(jìn)行惰性氣體保護(hù)；開(kāi)動(dòng)電機(jī)，使通過(guò)與聯(lián)軸器、傳動(dòng)桿相連的測(cè)頭產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因石墨坩堝是靜止不動(dòng)的，故可測(cè)得測(cè)頭受到熔體的粘滯力矩。通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)調(diào)速器可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而也可調(diào)節(jié)和改變測(cè)頭的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)由屏蔽導(dǎo)線與裝置中的測(cè)速儀、扭矩傳感器和熱電偶相連。裝置中的扭矩傳感器所選用的扭矩信號(hào)耦合器，可將扭應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的電壓為12V～15V的方波頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的能源及信號(hào)傳遞功能。數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)是由一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊和兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊組成，其中的頻率模塊采集扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)；另一個(gè)溫度模塊采集熱電偶溫度信號(hào)；轉(zhuǎn)換模塊則將RS-232轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)與計(jì)算機(jī)串行口連接。數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)同步記錄測(cè)頭轉(zhuǎn)速、試樣溫度及扭矩傳感器輸出的扭矩值。用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Visual Basic編程對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，記錄各溫度點(diǎn)的半固態(tài)金屬的表觀粘度值并給出表觀粘度隨剪切速率、剪切時(shí)間或試樣溫度的變化的曲線。
本實(shí)用新型測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)是，受外界干擾小，測(cè)量精度高，設(shè)備利用率高，重復(fù)性好，操作簡(jiǎn)單。


圖1為本實(shí)用新型的半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置的簡(jiǎn)單示意圖。
圖2為本實(shí)用新型裝置測(cè)得的合金漿料穩(wěn)態(tài)表觀粘度與剪切速率和保溫溫度的關(guān)系曲線。
圖3為本實(shí)用新型裝置測(cè)得的不同連續(xù)冷卻速率下A356鋁合金漿料表觀粘度的變化曲線。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)例將本實(shí)用新型裝置進(jìn)一步詳細(xì)敘述于后。
實(shí)施例1如圖1所示，半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置由可控硅溫度控制柜1、升降架2、直流電機(jī)3、測(cè)速儀4、扭矩傳感器5、聯(lián)軸器6、傳動(dòng)桿7、軸承支座8、石墨坩堝9、熱電偶10、測(cè)頭11、半固態(tài)金屬12、電阻爐13、氮?dú)馄?4、數(shù)據(jù)采集模塊15、計(jì)算機(jī)16及直流電機(jī)調(diào)速器17組成。測(cè)量裝置的測(cè)頭11呈圓柱狀，其頂部與一傳動(dòng)桿7相連，傳動(dòng)桿7穿過(guò)軸承支座8由聯(lián)軸器6與扭矩傳感器5相連接，扭矩傳感器的上面設(shè)有測(cè)速儀4，最上面為一由直流電機(jī)調(diào)速器17控制的直流電機(jī)3；聯(lián)軸器6由絕熱絕緣材料制成，軸承支座8固定在直流電機(jī)3的底座上，軸承支座8與其上面的直流電機(jī)3裝在同一支座上并與升降架2相連接，也即整個(gè)電阻爐上部設(shè)置聯(lián)接的所有部件構(gòu)成為一整體安裝于一升降架2上，這樣就可與直流電機(jī)一起上下移動(dòng)，以穩(wěn)定住傳動(dòng)桿7，并且可使傳動(dòng)桿7、測(cè)頭11與石墨坩堝9保持同軸中心位置；圓柱狀測(cè)頭11設(shè)置于圓筒狀石墨坩堝9內(nèi)，在測(cè)頭11與石墨坩堝9之間的空間存放有待測(cè)的半固態(tài)金屬12；石墨坩堝側(cè)壁上設(shè)置有熱電隅10，且放置于電阻爐13中間；電阻爐13上部設(shè)有輸氣管與氮?dú)馄?4相連接，以使?fàn)t內(nèi)保持惰性氣體氣氛；在升降架2的一側(cè)安裝有可控硅溫度控制柜1；在主體整體裝置的一側(cè)的工作臺(tái)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集模塊15、計(jì)算機(jī)16及直流電機(jī)調(diào)速器17。
上述的數(shù)據(jù)采集模塊15由頻率采集模塊、溫度采集模塊和轉(zhuǎn)換模塊組成，頻率采集模塊同時(shí)采集測(cè)頭扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，溫度采集模塊采集試樣溫度信號(hào)，采集模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊直接與計(jì)算機(jī)16COM串行口連接，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
上述直流電機(jī)的調(diào)速范圍為0～1000rpm，可按需要來(lái)調(diào)節(jié)改變測(cè)頭的轉(zhuǎn)速。
本實(shí)用新型裝置對(duì)A356鋁合金熔體所作的表觀粘度與溫度和剪切速率的關(guān)系曲線如圖2所示。
從圖2可看出，A356鋁合金熔體的表觀粘度隨著保溫溫度的降低而增大。同時(shí)也顯示出表觀粘度與剪切速率的不成線性關(guān)系，即在相同的固相率下，半固態(tài)A356鋁合金的表觀粘度隨剪切速率的增加而降低，這正是偽塑性流體的流變特性的顯著特征。
本實(shí)用新型裝置測(cè)得的在不同冷卻速度(0.4℃/min、6℃/min、20℃/min)及恒定剪切速率(48.42S-1)條件下半固態(tài)A356鋁合金熔體表觀粘度的變化曲線如圖3所示。
從圖3可看出，隨著溫度的降低，其表觀粘度逐漸增加，且在開(kāi)始階段增加較平穩(wěn)，當(dāng)固相率達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，表觀粘度迅速增加。對(duì)比不同冷卻速度曲線，可以看出，隨冷卻速度的增加，表觀粘度隨合金溫度的降低而升高的速度是增加的。也就是說(shuō)，在相同的固相率條件下，高的冷卻速度下半固態(tài)合金的表觀粘度高于低速冷卻時(shí)的表觀粘度。
權(quán)利要求1.一種半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置，該裝置由可控硅溫度控制柜(1)、升降架(2)、直流電機(jī)(3)、測(cè)速儀(4)、扭矩傳感器(5)、聯(lián)軸器(6)、傳動(dòng)桿(7)、軸承支座(8)、石墨坩堝(9)、熱電偶(10)、測(cè)頭(11)、半固態(tài)金屬(12)、電阻爐(13)、氮?dú)馄?14)、數(shù)據(jù)采集模塊(15)、計(jì)算機(jī)(16)及直流電機(jī)調(diào)速器(17)組成，其特征在于測(cè)量裝置的測(cè)頭(11)呈圓柱狀，其頂部與一傳動(dòng)桿(7)相連，傳動(dòng)桿(7)穿過(guò)軸承支座(8)由聯(lián)軸器(6)與扭矩傳感器(5)相連接，扭矩傳感器的上面設(shè)有測(cè)速儀(4)，最上面為一由直流電機(jī)調(diào)速器(17)控制的直流電機(jī)(3)；圓柱狀測(cè)頭(11)設(shè)置于圓筒狀石墨坩堝(9)內(nèi)，在測(cè)頭(11)與石墨坩堝(9)之間的空間存放有待測(cè)的半固態(tài)金屬(12)，石墨坩堝側(cè)壁上設(shè)置有熱電偶(10)，且放置于電阻爐(13)中間；電阻爐(3)上部設(shè)有輸氣管與氮?dú)馄?14)相連接；整個(gè)電阻爐上部設(shè)置聯(lián)接時(shí)所有部件構(gòu)成為一整體安裝于一升降架(2)上；在升降架的一側(cè)安裝有可控硅溫度控制柜(11)；在主體整體裝置的一側(cè)的工作臺(tái)上設(shè)置有數(shù)據(jù)采集模塊(15)、計(jì)算機(jī)(16)、直流電機(jī)調(diào)速器(17)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集模塊(15)由頻率采集模塊、溫度采集模塊和轉(zhuǎn)換模塊組成，頻率采集模塊同時(shí)采集測(cè)頭扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，溫度采集模塊采集試樣溫度信號(hào)，采集模塊通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊直接與計(jì)算機(jī)(16)COM串行口連接，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種半固態(tài)金屬流變特性的測(cè)量裝置，屬流體力學(xué)粘度特性物理學(xué)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域。本裝置由可控硅溫度控制柜1、升降架2、直流電機(jī)3、測(cè)速儀4、扭矩傳感器5、聯(lián)軸器6、傳動(dòng)桿7、軸承支座8、石墨坩堝9、熱電偶10、測(cè)頭11、半固態(tài)金屬12、電阻爐13、氮?dú)馄?4、數(shù)據(jù)采集模塊15、計(jì)算機(jī)16、直流電機(jī)調(diào)速器17組成。本裝置為計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的半固態(tài)金屬流變特性測(cè)量裝置，其測(cè)量精度高、設(shè)備可靠性高、重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N11/14GK2816796SQ20052004498
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者張恒華, 張先念, 邵光杰, 許珞萍 申請(qǐng)人:上海大學(xué)