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
技術領域：
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：
氣體淬火技術是采用惰性氣體為介質，把壓縮氣體通過特殊設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。氣體淬火技術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，對工件進行加熱、保溫后，通過加壓設備和壓力控制設備，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行強制的循環(huán)冷卻。近年來，隨著氣體淬火設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，當高壓氣體的壓力和流達到一定數(shù)值時，氣體淬火中淬火零件與氣體之間的換熱系數(shù)可以達到油淬的效果。作為一種新興的材料加工技術，氣體淬火技術具有以下幾個優(yōu)點(1)冷卻速率更均勻，熱應力和熱變形較??；(2)淬火工件與淬火介質之間的界面換熱系數(shù)更容易控制及調整；(3)氣體淬火過程對環(huán)境不會造成污染。因此，氣體淬火技術引起了人們的廣泛關注，但其淬火機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的進一步發(fā)展。由于試件在氣體淬火中的熱應力和熱應變是難以測量的，因此，研究人員通常采用數(shù)值模擬技術針對試件在氣體淬火中的熱應力、熱應變微觀結構。在利用數(shù)值模擬方法研究氣體淬火工藝時，需要相應的熱沖壓關鍵參數(shù)，包括淬火零件的各種熱物性參數(shù)及力學性能參數(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)是最關鍵的參數(shù)之一，其準確程度直接影響溫度場、應力應變場和組織場的求解精度，從而影響淬火工藝參數(shù)的設置和淬火零件的淬火質量。因此，準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)值模擬的準確性、控制氣體淬火過程中零件的淬火質量具有重要的應用價值。反向熱傳導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)部相應位置的溫度變化，再利用適當?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)外的學者已經(jīng)提出了多種數(shù)值解析方法解決反向熱傳導問題。由于反傳熱問題的求解要比常規(guī)熱傳導過程復雜許多，選擇簡便、可靠的方法研究反向熱傳導問題，在實際工程應用中具有重要價值。專利201110395888. X公開了一種“結合有限元法和反傳熱法計算淬火介質換熱系數(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，進行溫度場仿真，驗證該問題的一維性；(3)建立坐標系下的一維導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的換熱系數(shù)，將探頭內(nèi)部點的實測溫度與計算值進行對比驗證。
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果進行對比，直到計算結果與實測結果吻合良好；(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，直到計算結果與實測結果的變形趨勢吻合良好，解決界面換熱系數(shù)不準確的問題。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，加熱過程中容易導致熱電偶絲的氧化，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)有技術中尚不存在針對氣體淬火技術中淬火零件與氣態(tài)介質之間換熱系數(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；所述氣體管路上設有氣體壓力調節(jié)裝置和氣體流速調節(jié)裝置，所述氣體壓力調節(jié)裝置和氣體流速調節(jié)裝置設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；所述空氣凈化器設置在貯氣罐遠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設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??；
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，通過氣體壓力調節(jié)裝置和氣體流速調節(jié)裝置調節(jié)氣體的壓力和流速；調節(jié)完成后，關閉高壓氣體系統(tǒng)的開關；
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，直至達到設定溫度；
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，啟動基于USB技術的溫度采集模塊，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，結束測試，關閉溫度采集模塊和高壓氣體供給系統(tǒng)的開關；
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的一維搜索方法相結合，對淬火零件的溫度進行計算分析，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的一維搜索方法相結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，假設一個換熱系數(shù)，然后調用有限元求解程序對零件的溫度場進行計算，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)差值調整假定的換熱系數(shù)，重新進行計算，然后再比較如此反復進行，直到計算值與測量值的差值達到要求的精度；在計算過程中，假定的換熱系數(shù)是用改進的一維搜索方法判斷其調整的方向和幅度。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；所述氣體管路上設有氣體壓力調節(jié)裝置(18)和氣體流速調節(jié)裝置(20)，所述氣體壓力調節(jié)裝置(18)和氣體流速調節(jié)裝置(20 )設置在貯氣罐(16 )和高壓氣體噴管(8 )之間。
2.根據(jù)權利要求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離高壓氣體噴管(8) —端的上方。
6.根據(jù)權利要求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 )，并通過機床磁力座固定位置。
7.根據(jù)權利要求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(13);所述空氣凈化器(17)設置在貯氣罐(16)遠離高壓氣體泵(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(13)設置在高壓氣體噴管(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，通過氣體壓力調節(jié)裝置和氣體流速調節(jié)裝置調節(jié)氣體的壓力和流速；調節(jié)完成后，關閉高壓氣體系統(tǒng)的開關； 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，直至達到設定溫度； 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住； ⑥打開高壓氣體供給系統(tǒng)的開關，啟動基于USB技術的溫度采集模塊，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，結束測試，關閉溫度采集模塊和高壓氣體供給系統(tǒng)的開關； 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的一維搜索方法相結合，對淬火零件的溫度進行計算分析，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的一維搜索方法相結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，假設一個換熱系數(shù)，然后調用有限元求解程序對零件的溫度場進行計算，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)差值調整假定的換熱系數(shù)，重新進行計算，然后再比較如此反復進行，直到計算值與測量值之間的差值達到要求的精度；在計算過程中，假定的換熱系數(shù)是用改進的一維搜索方法判斷其調整的方向和幅度。
9.根據(jù)權利要求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，填補了現(xiàn)有技術中這方面的技術空白，對于促進氣體淬火機理的研究重要的意義，將推動氣體淬火技術的進步和發(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