專利名稱：一種用于測定氣體淬火過程中界面換熱系數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體與固體之間界面換熱系數(shù)的測試裝置及方法，尤其涉及氣體淬火過程中高溫零件與高壓氣體之間的界面換熱系數(shù)的測試方法和裝置。
背景技術(shù)：
氣體淬火技術(shù)是采用惰性氣體為介質(zhì)，把壓縮氣體通過特殊設(shè)計的噴嘴噴射到工件表面實現(xiàn)工件的淬火冷卻的一種淬火技術(shù)。氣體淬火技術(shù)的主要原理是在真空下通入一定量的惰性氣體，如氮氣、氬氣或氮氣-氦氣的混合物，對工件進(jìn)行加熱、保溫后，通過加壓設(shè)備和壓力控制設(shè)備，將惰性氣體加壓得到高壓氣體，再通過高壓氣體對淬火零件進(jìn)行強(qiáng)制的循環(huán)冷卻。近年來，隨著氣體淬火設(shè)備及高效淬火氣體的飛速發(fā)展，許多合金鋼通過氣體淬火可以實現(xiàn)淬火油所達(dá)到的淬火效果。這主要是因為，高壓氣體的壓力和流速對換熱系數(shù)具有重要的影響，而且隨著壓力和流速的增大，換熱系數(shù)也逐漸變大。因此，當(dāng)高壓氣體的壓力和流達(dá)到一定數(shù)值時，氣體淬火中淬火零件與氣體之間的換熱系數(shù)可以達(dá)到油淬的效果。作為一種新興的材料加工技術(shù)，氣體淬火技術(shù)具有以下幾個優(yōu)點(1)冷卻速率更均勻，熱應(yīng)力和熱變形較??；(2)淬火工件與淬火介質(zhì)之間的界面換熱系數(shù)更容易控制及調(diào)整；(3)氣體淬火過程對環(huán)境不會造成污染。因此，氣體淬火技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，但其淬火機(jī)理的研究則相對滯后，這也在一定程度上延緩了氣體淬火技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。由于試件在氣體淬火中的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變是難以測量的，因此，研究人員通常采用數(shù)值模擬技術(shù)針對試件在氣體淬火中的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變微觀結(jié)構(gòu)。在利用數(shù)值模擬方法研究氣體淬火工藝時，需要相應(yīng)的熱沖壓關(guān)鍵參數(shù)，包括淬火零件的各種熱物性參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)、淬火零件的溫度、高壓氣體的溫度/壓力、淬火零件與高壓氣體之間的界面換熱系數(shù)等。其中，淬火零件與高壓氣體之間的界面換熱系數(shù)是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，其準(zhǔn)確程度直接影響溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場和組織場的求解精度，從而影響淬火工藝參數(shù)的設(shè)置和淬火零件的淬火質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確地測試淬火零件與高壓氣體之間的界面換熱系數(shù)，對于保證高壓氣體數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性、控制氣體淬火過程中零件的淬火質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價值。反向熱傳導(dǎo)是獲得界面換熱系數(shù)的一種方法，其原理是即通過在傳熱體內(nèi)部安裝熱傳感器，記錄傳熱體內(nèi)部相應(yīng)位置的溫度變化，再利用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǜ鶕?jù)溫度變化情況確定傳熱體的初始條件或邊界條件。目前，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)提出了多種數(shù)值解析方法解決反向熱傳導(dǎo)問題。由于反傳熱問題的求解要比常規(guī)熱傳導(dǎo)過程復(fù)雜許多，選擇簡便、可靠的方法研究反向熱傳導(dǎo)問題，在實際工程應(yīng)用中具有重要價值。專利201110395888. X公開了一種“結(jié)合有限元法和反傳熱法計算淬火介質(zhì)換熱系數(shù)的方法”，該專利包括以下步驟(1)使用探頭本體，測試本體內(nèi)部點的冷卻曲線；(2)建立探頭本體的有限元模型，進(jìn)行溫度場仿真，驗證該問題的一維性；(3)建立坐標(biāo)系下的一維導(dǎo)熱微分方程和敏感系數(shù)方程，利用反傳熱法求解本體表面的熱流密度值；(4)根據(jù)牛頓換熱定律計算介質(zhì)的換熱系數(shù)，將探頭內(nèi)部點的實測溫度與計算值進(jìn)行對比驗證。
專利201110296298.1公開了 “一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法”，該方法包括如下步驟(I)在工件表面位置點焊接熱電偶，熱電偶連到溫度采集模塊；
(2)工件冷卻時，熱電偶將測試的溫度變化信息傳送到溫度采集模塊；(3)通過溫度采集模塊讀取表面點的溫度變化數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)表面測試點的溫度變化數(shù)據(jù)，利用熱處理軟件的界面換熱系數(shù)校驗功能，得到冷卻過程的界面換熱系數(shù)；(5)將得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計算表面測試點的溫度變化并與實測結(jié)果進(jìn)行對比，直到計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好；(6)將由(5)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的變形情況，直到計算結(jié)果與實測結(jié)果的變形趨勢吻合良好，解決界面換熱系數(shù)不準(zhǔn)確的問題。目前，對于界面換熱系數(shù)的研究均是通過在淬火零件內(nèi)部安裝熱電偶或在淬火零件表面焊接熱電偶的形式進(jìn)行。上述方法往往存在如下問題(I)在淬火零件內(nèi)部安裝熱電偶，往往在建模求解時將熱電偶安裝孔忽略，即忽略熱電偶在淬火零件中的存在；然而，由于熱電偶護(hù)套、熱電偶材料與淬火零件的材料不同，因此具備不同的熱物性參數(shù)，從而導(dǎo)致建模求解時因忽略熱電偶的存在而產(chǎn)生計算誤差；(2)在淬火零件表面焊接熱電偶絲，則需要將熱電偶絲放入爐中一起加熱，由于熱電偶絲比較細(xì)，加熱過程中容易導(dǎo)致熱電偶絲的氧化，從而影響溫度的測試精度；另外，加熱完成后，還需要保證兩根熱電偶絲之間的絕緣，這也給熱電偶絲與溫度采集模塊之間的連接帶來了不小的麻煩。此外，現(xiàn)有技術(shù)中尚不存在針對氣體淬火技術(shù)中淬火零件與氣態(tài)介質(zhì)之間換熱系數(shù)的測定裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對測定氣體淬火過程中淬火零件與氣態(tài)介質(zhì)之間界面換熱系數(shù)的研究現(xiàn)狀，根據(jù)氣體淬火過程中淬火零件與氣態(tài)淬火介質(zhì)之間熱交換的特點，提出了一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，包括試樣固定裝置、溫度數(shù)據(jù)采集裝置和高壓氣體供給裝置
所述試樣固定裝置包括試樣固定架和試樣保溫裝置，所述試樣保溫裝置固定在試樣固定架上，所述試樣保溫裝置內(nèi)放置淬火零件；所述試樣固定裝置還包括高壓氣體噴管，所述高壓氣體噴管的開口設(shè)置在淬火零件的正下方；
所述溫度數(shù)據(jù)采集裝置包括溫度檢測裝置、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述溫度檢測裝置通過數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連；所述溫度檢測裝置用于檢測淬火零件的溫度;
所述高壓氣體供給裝置包括高壓氣體泵和貯氣罐，所述高壓氣體泵與貯氣罐連通；所述貯氣罐通過氣體管路與高壓氣體噴管連接；所述氣體管路上設(shè)有氣體壓力調(diào)節(jié)裝置和氣體流速調(diào)節(jié)裝置，所述氣體壓力調(diào)節(jié)裝置和氣體流速調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在貯氣罐和高壓氣體噴管之間。優(yōu)選的是，所述試樣保溫裝置包括試樣保溫套，所述試樣保溫套的開口端設(shè)有試樣端部保溫塞，所述試樣端部保溫塞位于試樣保溫裝置靠近高壓氣體噴管的一端。優(yōu)選的是，所述試樣固定架上設(shè)置安置孔，所述試樣保溫裝置位于安置孔內(nèi)；所述安置孔包括用于放置試樣保溫套的安置孔I和用于放置試樣端部保溫塞的安置孔II，所述安置孔I的直徑比試樣保溫套的外徑大2-3mm，所述安置孔II的直徑與試樣端部保溫塞的
直徑相等。優(yōu)選的是，所述試樣保溫套和試樣端部保溫塞之間設(shè)有擋板，所述擋板的尺寸與試樣保溫套開口端的尺寸一致，所述擋板的厚度為1. 5-2mm。優(yōu)選的是，所述試樣固定裝置還包括壓板，所述壓板通過鉸鏈與試樣固定架相連，所述壓板位于試樣保溫裝置遠(yuǎn)離高壓氣體噴管一端的上方。優(yōu)選的是，所述溫度檢測裝置包括高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器，并通過機(jī)床磁力座固定位置。優(yōu)選的是，所述高壓氣體供給裝置還包括空氣凈化器、油水收集器和高壓氣體供給裝置的開關(guān)；所述空氣凈化器設(shè)置在貯氣罐遠(yuǎn)離高壓氣體泵的一端，所述油水收集器分別與空氣凈化器、貯氣罐連通，所述高壓氣體供給裝置的開關(guān)設(shè)置在高壓氣體噴管與氣體管路的連接處。一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的方法，包括如下幾個步驟
①將淬火零件安裝在試樣固定裝置的試樣保溫套中，取走試樣端部保溫塞，并采用壓板將裝有淬火零件的試樣保溫套壓住；
②將高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器的位置固定，并將高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器的測試點均設(shè)定在淬火零件端部的中心區(qū)域；
③將高壓氣體噴管與高壓氣體供給系統(tǒng)連接，打開高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)，通過氣體壓力調(diào)節(jié)裝置和氣體流速調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)氣體的壓力和流速；調(diào)節(jié)完成后，關(guān)閉高壓氣體系統(tǒng)的開關(guān)；
④將試樣端部保溫塞安裝在試樣保溫套的開口端，形成密閉的試樣保溫裝置；將內(nèi)置淬火零件的試樣保溫裝置放入加熱裝置中，加熱，直至達(dá)到設(shè)定溫度；
⑤將步驟④加熱后得到的試樣保溫裝置安裝在在試樣固定裝置的試樣保溫套中，并采用壓板將裝有淬火零件的試樣保溫套壓??；
⑥打開高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)，啟動基于USB技術(shù)的溫度采集模塊，記錄高溫紅外傳感器、中低溫紅外傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)并傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
⑦取走試樣端部保溫塞，待淬火零件端部的溫度降至室溫時，結(jié)束測試，關(guān)閉溫度采集模塊和高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)；
⑧根據(jù)溫度采集模塊采集的淬火零件表面溫度曲線，采用有限元方法與改進(jìn)的一維搜索方法相結(jié)合，對淬火零件的溫度進(jìn)行計算分析，得到氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間的界面換熱系數(shù)；
所述有限元方法與改進(jìn)的一維搜索方法相結(jié)合的具體過程為先確定換熱系數(shù)所在的區(qū)間范圍，再對區(qū)間范圍進(jìn)行縮小，確定合適的換熱系數(shù)；具體步驟為a.對每個時刻，假設(shè)一個換熱系數(shù)，然后調(diào)用有限元求解程序?qū)α慵臏囟葓鲞M(jìn)行計算，得到計算值，b.比較計算值和熱電偶測得的測量值，計算差值，根據(jù)差值調(diào)整假定的換熱系數(shù)，重新進(jìn)行計算，然后再比較如此反復(fù)進(jìn)行，直到計算值與測量值的差值達(dá)到要求的精度；在計算過程中，假定的換熱系數(shù)是用改進(jìn)的一維搜索方法判斷其調(diào)整的方向和幅度。優(yōu)選的是，所述步驟⑧中差值的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于包括試樣固定裝置、溫度數(shù)據(jù)采集裝置和高壓氣體供給裝置 所述試樣固定裝置包括試樣固定架(6)和試樣保溫裝置，所述試樣保溫裝置固定在試樣固定架(6)上，所述試樣保溫裝置內(nèi)放置淬火零件(2);所述試樣固定裝置還包括高壓氣體噴管(8)，所述高壓氣體噴管(8)的開口設(shè)置在淬火零件(2)的正下方； 所述溫度數(shù)據(jù)采集裝置包括溫度檢測裝置、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述溫度檢測裝置通過數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連；所述溫度檢測裝置用于檢測淬火零件(2)的溫度； 所述高壓氣體供給裝置包括高壓氣體泵(15)和貯氣罐(16)，所述高壓氣體泵(15)與貯氣罐(16)連通；所述貯氣罐(16)通過氣體管路與高壓氣體噴管(8)連接；所述氣體管路上設(shè)有氣體壓力調(diào)節(jié)裝置(18)和氣體流速調(diào)節(jié)裝置(20)，所述氣體壓力調(diào)節(jié)裝置(18)和氣體流速調(diào)節(jié)裝置(20 )設(shè)置在貯氣罐(16 )和高壓氣體噴管(8 )之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述試樣保溫裝置包括試樣保溫套(I )，所述試樣保溫套(I)的開口端設(shè)有試樣端部保溫塞(4)，所述試樣端部保溫塞(4)位于試樣保溫裝置靠近高壓氣體噴管(8)的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述試樣固定架(6)上設(shè)置安置孔，所述試樣保溫裝置位于安置孔內(nèi)；所述安置孔包括用于放置試樣保溫套(I)的安置孔I和用于放置試樣端部保溫塞(4)的安置孔II，所述安置孔I的直徑比試樣保溫套(I)的外徑大2-3_，所述安置孔II的直徑與試樣端部保溫塞(4)的直徑相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述試樣保溫套(I)和試樣保溫套(4)之間設(shè)有擋板(5)，所述擋板(5)的尺寸與試樣保溫套(I)開口端的尺寸一致，所述擋板(5)的厚度為1. 5-2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述試樣固定裝置還包括壓板(3)，所述壓板(3)位于試樣保溫裝置遠(yuǎn)離高壓氣體噴管(8) —端的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述溫度檢測裝置包括高溫紅外傳感器(7)和中低溫紅外傳感器(9 )，并通過機(jī)床磁力座固定位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，其特征在于所述高壓氣體供給裝置還包括空氣凈化器(17)、油水收集器(14)和高壓氣體供給裝置的開關(guān)(13);所述空氣凈化器(17)設(shè)置在貯氣罐(16)遠(yuǎn)離高壓氣體泵(15)的一端，所述油水收集器(14)分別與空氣凈化器(17)、貯氣罐(16)連通，所述高壓氣體供給裝置的開關(guān)(13)設(shè)置在高壓氣體噴管(8)與氣體管路的連接處。
8.一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于包括如下幾個步驟①將淬火零件安裝在試樣固定裝置的試樣保溫套中，取走試樣端部保溫塞，并采用壓板將裝有淬火零件的試樣保溫套壓??；②將高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器的位置固定，并將高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器的測試點均設(shè)定在淬火零件端部的中心區(qū)域； ③將高壓氣體噴管與高壓氣體供給系統(tǒng)連接，打開高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)，通過氣體壓力調(diào)節(jié)裝置和氣體流速調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)氣體的壓力和流速；調(diào)節(jié)完成后，關(guān)閉高壓氣體系統(tǒng)的開關(guān)； ④將試樣端部保溫塞安裝在試樣保溫套的開口端，形成密閉的試樣保溫裝置；將內(nèi)置淬火零件的試樣保溫裝置放入加熱裝置中，加熱，直至達(dá)到設(shè)定溫度； ⑤將步驟④加熱后得到的試樣保溫裝置安裝在在試樣固定裝置的試樣保溫套中，并采用壓板將裝有淬火零件的試樣保溫套壓?。? ⑥打開高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)，啟動基于USB技術(shù)的溫度采集模塊，記錄高溫紅外傳感器、中低溫紅外傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)并傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； ⑦取走試樣端部保溫塞，待淬火零件端部的溫度降至室溫時，結(jié)束測試，關(guān)閉溫度采集模塊和高壓氣體供給系統(tǒng)的開關(guān)； ⑧根據(jù)溫度采集模塊采集的淬火零件表面溫度曲線，采用有限元方法與改進(jìn)的一維搜索方法相結(jié)合，對淬火零件的溫度進(jìn)行計算分析，得到氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間的界面換熱系數(shù)，所述有限元方法與改進(jìn)的一維搜索方法相結(jié)合的具體過程是先確定換熱系數(shù)所在的區(qū)間范圍，再對區(qū)間范圍進(jìn)行縮小，確定合適的換熱系數(shù)；具體步驟為a.對每個時刻，假設(shè)一個換熱系數(shù)，然后調(diào)用有限元求解程序?qū)α慵臏囟葓鲞M(jìn)行計算，得到計算值，b.比較計算值和熱電偶測得的測量值，計算差值，根據(jù)差值調(diào)整假定的換熱系數(shù)，重新進(jìn)行計算，然后再比較如此反復(fù)進(jìn)行，直到計算值與測量值之間的差值達(dá)到要求的精度；在計算過程中，假定的換熱系數(shù)是用改進(jìn)的一維搜索方法判斷其調(diào)整的方向和幅度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于所述步驟⑧中差值的計算公式為
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于所述高溫紅外傳感器和中低溫紅外傳感器的位置采用機(jī)床磁力座固定；所述高溫紅外傳感器的溫度適用范圍為650 1800°C，所述中低溫紅外傳感器的溫度適用范圍為-30 800°C ;所述試樣保溫套和試樣端部保溫塞之間設(shè)有擋板，所述擋板的尺寸與試樣保溫套開口端的尺寸一致，所述擋板的厚度為1. 5-2mm。
全文摘要
一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置，包括試樣固定裝置、溫度數(shù)據(jù)采集裝置和高壓氣體供給裝置。所述試樣固定裝置包括試樣固定架和試樣保溫裝置，所述試樣保溫裝置固定在試樣固定架上，所述試樣保溫裝置內(nèi)放置淬火零件；所述試樣固定裝置還包括高壓氣體噴管，所述高壓氣體噴管的開口設(shè)置在淬火零件的正下方。本發(fā)明還公開了一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的方法。本發(fā)明提出了一種用于測定氣體淬火過程中淬火零件與氣體之間界面換熱系數(shù)的裝置及方法，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中這方面的技術(shù)空白，對于促進(jìn)氣體淬火機(jī)理的研究重要的意義，將推動氣體淬火技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。
文檔編號G01N25/20GK103033531SQ201210521288
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者李輝平, 賀連芳, 崔洪芝, 孫金全 申請人:山東科技大學(xué)