专利名称：基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于固态热加工研究领域。主要用于测量金属固体瞬间接触过程中界面的 接触换热系数。
背景技术：
在金属材料热加工过程中，模具与工件间的热量交换直接影响了温度场的分布，进而 影响模具寿命和工件成形精度，因此，人们很早就开始了对金属固体界面间的接触换热系 数进行研究，随着现代工业的发展，这项研究越来越受到科研人员和精密成形企业的关注， 同时，固态热加工过程数值模拟技术对接触换热系数方面的数据需求较大。目前，闺内外 学者从理论模型、实验测量等方面对固体界面接触换热系数开展了一系列研究，获得了--定数据，普遍的实验方法是，待通过两直接接触试样的热流基本稳定时，再对试样轴线上 不同位置点的温度进行采集，即稳态法，由于实际加工过程是先将模具和工件加热，然后 接触加压，热量交换在短时间内完成，现有的实验方法与实际情况偏离较大，从相关文献 了解到，基于瞬态法的测量技术难度大，实验成本高，大多数测量的温度较低，数据釆集 处理的方法不够完善。
参考文献
M. Rosochowska， K.Chodnikiewicz ， R. Balendra, A new method of measuring thermal contact conductance, Journal of Materials Processing Technology 145(2004)207-214., C,Fieberg, R-Kneer, Determination of thermal contact resistance from transient temperature measurements, International Journal of Heat and Mass Transfer 51(2008)1017-1023. 现有的实验装置多用稳态法测量，针对固态热加工过程的研究较少，实验数据不能充 分满足实际生产和科学研究的需求,试样接触面处温度低，温度采集和数据处理方法不够 完善。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种测量固体界面间接触换热系数的装置，该装置不仅测量 温度范围宽，而且能够实现两不同温度试样的动态接触，并对接触后热流交换引起的温度 变化进行实时采集、直观显示，最终利用计算程序实现对接触换热系数的计算。
本实用新型的技术解决方案是基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，由上
支撑板l、杠杆加载装置2、直线轴承3、压力变向节4、定滑轮机构5、低温试样连接朴6、低温加热炉7、髙温加热炉8、滑轮带定位销9、传动轴套筒IO、定心圆球ll、卡环12、 控温热电偶13、测温热电偶16、高温试样支撑杆17、下支撑板18、螺纹轴套19、螺纹传 动轴20、低温程控表21、高温程控表22、甜置多路选通放大器23、 DB-37电缆线24、 A/D 转换板25、工控机26、滑杆27、加热炉托28和定位块29组成，压力变向节4的支点和枉 杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1: 5，低温试样14和高温试样15直径为 "0;ww -25加加，高度为40祝/w 100w加，低温试样14和髙温试样15为可选择的金属固 体材料，将八根测温热电偶16分别置于低温试样14的四个孔和高温试样15的四个孔中， 孔深度为试样直径的一半，测温热电偶16的直径为-1.0土0.003加加，每个试样上的孔间距
为9.5wm 10.5wm ，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9ot加 3.1ww ,孔直径为
-l.0wmi~l.2ww,高温试样15置于高温支撑杆17端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑
杆17置于螺纹传动轴20端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒10内侧的凹槽对齐，枉杆 加载装置2与压力变向节4、定心圆球ll、低温试样连接杆6、低温试样14依次连接，低 温试样14置于低温试样连接杆6端面的凹槽内，定心圆球11位于其另一端面与压力变向 节4端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承3约束，低温加热炉7和高温加热炉8上电阻丝 的接线柱分别与低温程控表21和高温程控表22负载输出端相连，试样加热时置f炉膛中 心处，低温加热炉7可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶16补偿导线的正负 极分别与l'lf置多路选通放大器23的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线24把前置多路 选通放大器23与工控机26内插的A/D转换板25各自的37针脚接口相连，控温热电偶13 插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的 输出端并联后通过RS232转换器接到工控机26的串口上，测温热电偶16、带温度补偿电路 的前置多路选通放大器23与A/D转换板25依次连接；嫘纹传动轴20、高温试样支撑杆17、 高温加热炉8、髙温试样15、低温加热炉7、低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球 11和压力变向节4的轴线位于同一条中心线上。
采用立式结构，其中，试样接触前低温试样14保持自由垂直悬挂状态，并且，低温试 样14由低温试样连接杆6下端面凹槽外侧径向均匀分布的三个嫘杆固定，低温试样连接杆 6上端部直径较大部分由卡环12卡住。
采用卧式结构，低温试样14与低温试样连接杆6、高温试样15与高温试样支撑杆17 之间通过螺纹连接固定。螺纹传动轴&实现髙温试样15无旋转向上运动，高温试样支撑 杆17的外侧面凸块与传动轴套筒10内侧的轴向凹槽互相配合。立式结构中采用定滑轮机构5实现低温加热炉7的直线运动，其中，滑轮轴部分位于 上支撑板1的下表面，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚相同的 长方孔，端头部分的卡头尺寸大于长方孔尺寸。卧式结构中采用滑杆27与加热炉托28相 配合的方式实现低温加热炉7水平方向的运动，两根滑杆27保持一定距离平行放置，并穿 过加热炉托28上的两个等直径的通孔，加热炉托28上端面开与加热炉直径相同的柱面凹 槽，放置加热炉。试样初始温度不同，低温试样14与高温试样15的接触过程是动态的， 试样接触后，螺纹传动轴20继续旋转，高温试样15将低温试样14一侧顶起，预加载1K力 山杠杆加载装置2的定位块转移到试样接触表面。该装置的核心部分是使螺纹传动轴20、 高温试样支撑杆17、高温加热炉8、高温试样15、低温加热炉7、低温试样14、低温试样 连接杆6、定心圆球ll、压力变向节4各部分的轴线位于同一条中心线上，以保持试样接 触的准确性和稳定性。
安装试样时，将低温加热炉7向上拉起或沿滑杆27向一侧滑动，露出低温试样连接杆 6，用螺纹传动轴20将高温试样支撑杆17推出高温加热炉8，使操作方便。实验材料可以 为各类金属固体，低温试样14和髙温试样15接触面的表面状态要求相同，主要指具有相 同的表面粗糙度，根据具体测量要求，可在接触面填充中间介质等。低温试样14和高温试 样15的直径为-10附m -25附w，高度为40/ww 100w加，高温试样支撑杆17的凹槽深
4.8加加~5.2加/ ，低温试样连接杆6的凹槽深9.8加加~10.2加祝，测温热电偶16在试样上的
固定方式为在每个试样的外侧圆柱面上沿轴线方向用电火花打四个孔，深度为试样直径 的-—半，孔间距为9.5加附~10.5附加，孔的直径为-1.0加附~-1.2 1加，低温试样14和高温试
样15靠接触面的孔与接触面的距离为2.9加加~3.1加加，将八根测温热电偶16分别置于低温
试样14和高温试样15的四个孔后，将试样侧面用耐热石棉布缠住或涂刷隔热涂料，减少
侧面热辐射，测温热电偶16的直径为-1.0土0.003加w 。
低温加热炉7和高温加热炉8的两支控温热电偶13分别插入各自炉膛中间对加热炉内 部温度进行测量和控制，两支控温热电偶13的补偿导线分别与低温程控表21和高温程控 表22输入端的正负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22负载输出端分别与低温 加热炉7和高温加热炉8的电阻丝两端连接，信号输出端的正负极并联后连接在RS232转 换器的正负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口相连。对A/D转换板25的开 关和跳线按要求设置后插入工控机26机箱内主板的ISA插槽内，再对前置多路选通放大器 23的开关和跳线按要求设置，然后将八支测温热电偶16的补偿导线正负极分别接入前置多
6路选通放大器23相应输入通道的高低位螺丝接线端子上，最后用DB-37电缆线24将前省: 多路选通放大器23和A/D转换板25两板卡的37针脚接口连接起来。利用工控机26屮的 温度采集处理软件对低温试样14和高温试样15接触后特定点温度进行高速采集、直观显 示，经过数字滤波后，通过计算模块获得界面接触换热系数的值。
本实用新型所达到的有益效果是，实验装置的测量方法接近固态热加工过程的基木原 理，实现了试样的动态接触，实验数据切合实际；低温加热炉7和高温加热炉8的温度范 围为20 120(TC,提卨了试样本身的加热温度；由于采用常用测温热电偶i6进行测温，灵 敏度达到0.01S，满足基本需要，同时降低了设备的整体成本；采用杠杆加载装覽2以及试 样接触面状况可变，因此能够进行不同温度、不同压力、不同接触面状况等条件F的接触 换热系数，应用范围宽；前置多路选通放大器23具有自动温度补偿功能，方便了测温热电 偶16的应用，A/D转换板25的采用速率达到100KHz,能够适应短时间内温度的快速变化， 前置多路选通放大器23、 A/D转换板25及温度采集软件的联用，实现了数据从模拟鼂到数 字量的迅速转换。 附圉说明
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的立式结构示意图。 图2是本实用新型的卧式结构示意图。
图3是本实用新型自动调整压力方向部分的剖面结构示意图。 图4是本实用新型的加热炉膛内部试样接触甜后位置示意图。 图5是本实用新型传动机构的剖面结构示意图。
图中，l.上支撑板，2.杠杆加载装置，3.直线轴承，4.压力变向节，5.定,机构， 6.低温试样连接杆，7.低温加热炉，8.高温加热炉，9.滑轮带定位销，IO.传动轴套筒，11. 定心圆球，12.卡环，13.控温热电偶，14.低温试样，15.高温试样，16.测温热电偶，17. 高温试样支撑杆，18.下支撑板，19.螺纹轴套，20.蠊纹传动轴，2L低温程控表，22.高温 程控表，23.前置多路选通放大器，24.DB-37电缆线，'25.A/D转换板，26.工控机，27.滑 杆，28.加热炉托，29.定位块具体实施方式
低温试样H材料为K403铸造高温合金，高温试样15材料为TC11钛合金，试样预接 触面用400#砂纸打磨，使其表面粗糙度基本相同，当装置为立式结构时，由于压力变向节 4与杠杆加载装置2连接，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比 为l: 5，因此，杠杆加载装置2的砝码盘上加5个10Kg砝码后，可使试样接触面的最大压力达到2450N,杠fi^加载装置2的定位块部分预先承受压力，使杠杆保持平衡，此时压力变 向节4产生的向下压力为零，低温加热炉7和高温加热炉8的温度分别控制在400"C和800 t,通过设置保温时间使低温试样14和高温试样15的温度分别达到400X:和800匸。定滑 轮机构5固定于上支撑板1的下表面，包括滑轮轴、滑轮带和加热炉托盘三部分，滑轮带 一端固定在加热炉托盘上，另一端穿过加热炉托盘上的长方形孔，通过端部的卡头锁定加 热炉托盘位置，低温加热炉7置于加热炉托盘中心，依靠穿过加热炉托盘两恻圆迎孔的侧 "柱约束低温加热炉7仅做直线运动，低温试样14的上端面置于低温试样连接杆6卜'端面 的M槽内，用凹槽侧面径向均匀分布的三个螺杆固定，利用卡环12将低温试样连接杆6上 端部直径较大部位卡住，定心圆球11位于低温试样连接杆6和压力变向节4上下端面之间 的球面形凹槽内，压力为零时，压力变向节4、定心圆球ll、低温试样连接杆6和低温试 样14保持垂直悬挂状态，高温试样15与高温试样支撑杆17、螺纹传动轴20通过端面M槽 依次向下连接，利用传动轴套筒10约束螺纹传动轴20与高温试样支撑杆17的迮接部位， 卨温试样支撑杆17侧面的凸块卡在传动轴套筒10内壁面上的轴向凹槽内，防止商温支撑 杆17在运动过程中发生转动，下支撑板18底面上的蟪纹轴套19对螺纹传动轴20的运动 起到约束作用，装置装配过程中，需要预先进行垂线校准，需要使压力变向节4、定心圆球 11、低温试样连接杆6、低温试样14、低温加热炉7、高温加热炉8、高温试样15、高'温试 样支撑杆17和螺纹传动轴20各自的轴线共线并与水平面垂直。实验前，用定滑轮机构5 将低温加热炉7向上拉起，露出低温试样连接杆6的下端部，用螺纹传动轴20将岛温试样 支撑杆17的上端部推出高温加热炉8的炉膛口，然后进行试样安装，低温试样14和高温 试样15的直径为，高度为50nwi ，低温试样连接杆6下端面的凹槽深10附m ，高温
试样支撑杆17上端面的凹槽深5加w，八根测温热电偶16在试样上的固定方式为在每个
试样外侧圆柱面上用电火花打四个孔，孔深度为10加附，孔间距为10m加，孔外径为-1.2加两，
低温试_样14和高温试样15中靠近接触面的孔与接触面的距离为3ww ，测温热电偶16的直
径为-1.0加/w，反应灵敏度为O.OIS,将八根测温热电偶16按顺序分别置于低温试样14和
高温试样15的孔内进行测温，其补偿导线的正负极分别接入前置多路选通放大器23相应 输入通道的高低位螺丝接线端子上，再用DB-37电缆线24将前置多路选通放大器23和工 控机26内的A/D转换板25两块板卡的37针脚接口连接起來，两支控温热电偶13分别插 入低温加热炉7和高温加热炉8的炉膛中间进行温度控制，其补偿导线分别与低温程控表 21和高温程控表22输入端的IH负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22输出端的正负极并联后连接在RS232转换器的IH负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口 相连，最后利用定滑轮机构5将低温加热炉7落回原位，使低温.试样14置于炉膛中心，利 用螺纹传动轴20将高温试样15退回到高温加热炉8的炉膛中心，根据需要，可以在低温 加热炉7与高温加热炉8之间的空隙放置隔热材料，减少热辐射对接触过程的影响。^炉 内温度及试样温度达到设定值时，再次将低温加热炉7拉起，露出低温试样14,同时，通 过螺纹传动轴20将高温试样15推出高温加热炉8炉膛，与低温试样14接触后进一歩传动， 使杠杆加载装置2被顶起，压力迅速由杠杆加载装置2的定位块上转移到试样接触表面， 工控机26中的温度采集软件对该过程的温度数据进行实时快速采集、直观显示，经过滤波 处理后，通过计算模块获得界面接触换热系数的值。
权利要求1、基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，由上支撑板(1)、杠杆加载装置(2)、直线轴承(3)、压力变向节(4)、定滑轮机构(5)、低温试样连接杆(6)、低温加热炉(7)、高温加热炉(8)、滑轮带定位销(9)、传动轴套筒(10)、定心圆球(11)、卡环(12)、控温热电偶(13)、测温热电偶(16)、高温试样支撑杆(17)、下支撑板(18)、螺纹轴套(19)、螺纹传动轴(20)、低温程控表(21)、高温程控表(22)、前置多路选通放大器(23)、DB-37电缆线(24)、A/D转换板(25)、工控机(26)、滑杆(27)、加热炉托(28)和定位块(29)组成，压力变向节(4)的支点和杠杆加载装置(2)中砝码重力方向的力臂比为1∶5，低温试样(14)和高温试样(15)直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样(14)和高温试样(15)为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶(16)分别置于低温试样(14)的四个孔和高温试样(15)的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶(16)的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样(15)置于高温支撑杆(17)端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆(17)置于螺纹传动轴(20)端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置(2)与压力变向节(4)、定心圆球(11)、低温试样连接杆(6)、低温试样(14)依次连接，低温试样(14)置于低温试样连接杆(6)端面的凹槽内，定心圆球(11)位于其另一端面与压力变向节(4)端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承(3)约束，低温加热炉(7)和高温加热炉(8)上电阻丝的接线柱分别与低温程控表(21)和高温程控表(22)负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉(7)可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶(16)补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器(23)的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线(24)把前置多路选通放大器(23)与工控机(26)内插的A/D转换板(25)各自的37针脚接口相连，控温热电偶(13)插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机(26)的串口上，测温热电偶(16)、带温度补偿电路的前置多路选通放大器(23)与A/D转换板(25)依次连接；螺纹传动轴(20)、高温试样支撑杆(17)、高温加热炉(8)、高温试样(15)、低温加热炉(7)、低温试样(14)、低温试样连接杆(6)、定心圆球(11)和压力变向节(4)的轴线位于同一条中心线上。
2、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于， 采用立式结构，其中，试样接触甜低温试样(14)保持自由垂直悬挂状态，并且，低温试样(14)由低温试样连接杆(6)下端面凹槽外侧径向均匀分布的三个螺杆固定，低温试样 连接杆(6)上端部直径较大部分由卡环(12)卡住。
3、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在f， 采用卧式结构，低温试样(14)与低温试样连接杆(6)、高温试样(15) 4'岛'温试样支^ 杆(17)之间通过螺纹连接固定。
4、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在f ， 釆用螺纹传动轴(20)实现高温试样(15)无旋转向上运动，高温试样支撑杆(17)的外 侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的轴向凹槽互相配合。
5、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装S，其特征在于， 立式结构中采用定滑轮机构(5)实现低温加热炉(7)的直线运动，其中，滑轮轴部分位 于上支撑板(1)的下表面，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚相 同的长方孔，端头部分的卡头尺寸大于长方孔尺寸。
6、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在 于，卧式结构中采用滑杆(27)与加热炉托(28)相配合的方式实现低温加热炉(7)水f 方向的运动，两根滑杆(27)保持一定距离平行放置，并穿过加热炉托(28)上的两个等 直径的通孔，加热炉托(28)上端面开与加热炉直径相同的柱面凹槽，放置加热炉。
7、 根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于， 试样初始温度不同，低温试样(14)与高温试样(15)的接触过程是动态的，试样接触后， 螺纹传动轴(20)继续旋转，髙温试样(15)将低温试样(14)—侧顶起，预加载压力由 杠杆加载装置(2)的定位块转移到试样接触表面。
专利摘要一种基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置。本实用新型将杠杆加载装置2与压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6，低温试样14自上而下依次连接，由杠杆加载装置2的定位块预先承受加载力，螺纹传动轴20经高温试样支撑杆17将高温试样15推出加热炉，动态接触并顶起低温试样14，使压力转移到接触面。加热炉的控温热电偶13分别与程控表相连，程控表的输出端并联后经RS232转换器与工控机26相连，两试样的测温热电偶16与前置多路选通放大器23、A/D转换板25依次连接，由程序控制炉温，对温度信号进行实时采集处理。本实用新型的效果是测量温度高，采集速度快，测量原理切合实际，适用于固态热加工研究领域。
文档编号G01N25/18GK201298025SQ20082021854
公开日2009年8月26日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者张兴致, 张立文, 裴继斌, 磊 邢 申请人:大连理工大学