一种适用于成形过程的温度及气氛控制系统的制作方法

本实用新型属于微成形设备技术领域，更具体地，涉及一种适用于成形过程的温度及气氛控制系统。

背景技术：

在进行微尺度热塑性时，快速并精确地控制工件的成形温度是影响成形效果的重要因素。同时，由于微小零件整体尺寸小、比表面积大、精度要求高，需要严格控制在热塑性过程中的氧化，所以有必要对成形时工件周围的气氛进行控制。而在进行材料热塑性成形性能测试时，如果能够通过快速冷却，以尽量保留工件的高温微观组织，对于明确工件材料的高温变形机理有很大的帮助。因此，需要开发出一种能够快速并精确调整成形温度和气氛的控制系统。

专利CN103838274B提供了一种多路水冷温度控制系统及控制方法，用于精确控制多个被控对象的温度。该方案根据多个对象的流量需求，将循环液分为多个支路，通过调节对应支路的循环液温度，实现对加热功率的精确输出。然而该方案只能实现较低温度范围内的温度控制，不能满足微成形过程对高温的需求。

专利CN105605933A提供了一种固化炉温度控制系统，用于有效控制固化炉内的温度，提高产品质量。该方案采用温度传感器检测炉内温度，据此调整进风管道内的风量以控制固化炉内的温度。该方案难以实现对温度的快速调整以及精确控制。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种温度及 气氛控制系统，其中结合成形尤其是微成形的成形工艺特点，相应设计了适用于成形过程的温度及气氛控制系统，并对其关键组件如定位固定单元、电阻接触加热单元、气体冷却保护单元和温度及图像监测单元的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决现有微成形过程中温度和气氛难以快速精确控制的问题，具有结构简单、操作方便、控制精确等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种适用于成形过程的温度及气氛控制系统，该系统包括定位固定单元、电阻接触加热单元、气体冷却保护单元和温度及图像监测单元，其中：

所述定位固定单元包括上模组件和下模组件，所述上模组件包括依次设置的上水冷隔热板、上电极固定板和上模芯组，所述下模组件包括依次设置的下模芯组、下电极固定板和下水冷隔热板；

所述电阻接触加热单元包括上电极、下电极和电源，其中，所述上电极安装在所述上电极固定板内，并与上模芯组直接接触，其通过上导线与所述电源的正极相连；所述下电极安装在所述下电极固定板内，并与下模芯组直接接触，其通过下导线与所述电源的负极相连；

所述气体冷却保护单元包括依次相连的储气瓶、进气通道、螺旋气流道和出气通道，所述进气通道、螺旋气流道和出气通道均设置在下模芯组中；

所述温度及图像监测单元包括红外温度传感器和CCD图像传感器，所述红外温度传感器安装在下模芯组中，并通过电缆与控制箱相连，所述CCD图像传感器同样安装在下模芯组中，其通过电缆与计算机相连，所述控制箱分别与所述计算机和电源相连。

作为进一步优选的，所述上模芯组包括上模芯固定板、上模芯陶瓷绝缘套筒和上模芯，所述上模芯嵌装在上模芯陶瓷绝缘套筒中，其上表面与上电极的下表面直接接触，所述上模芯陶瓷绝缘套筒嵌装在上模芯固定板 中；所述上水冷隔热板中开设有上冷却水流道，所述上模芯固定板、上电极固定板以及上水冷隔热板通过螺栓固定在压力机上滑块上。

作为进一步优选的，所述下模芯组包括下模芯固定板、下模芯陶瓷绝缘套筒和下模芯，所述下模芯嵌装在下模芯陶瓷绝缘套筒中，其下表面与下电极的上表面直接接触，所述下模芯陶瓷绝缘套筒嵌装在下模芯固定板中；所述下水冷隔热板中开设有下冷却水流道，所述下模芯固定板、下电极固定板以及下水冷隔热板通过螺栓固定在压力机下底座上。

作为进一步优选的，所述螺旋气流道设置在下模芯陶瓷绝缘套筒的内壁上，所述下模芯固定板上开设有用于安装红外温度传感器以及CCD图像传感器的安装孔。

作为进一步优选的，所述储气瓶通过导管与进气通道相连，该导管的中部接有电磁阀，该电磁阀通过电缆与所述控制箱相连。

作为进一步优选的，所述下模芯陶瓷绝缘套筒采用透明陶瓷制成，所述电源为低压大电流直流电源，所述储气瓶中充满高压氮气。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型通过对定位固定单元、电阻接触加热单元、气体冷却保护单元和温度及图像监测单元的研究和设计，获得可实现微成形过程中温度及气氛快速调节与控制的系统，通过采用电阻接触加热方式以及相应的闭合反馈控制，实现在微成形过程中工件的快速精确加热。

2.本实用新型通过采用气体冷却保护方案，一方面在成形过程中通入低速氮气，在工件周围形成保护气氛，有效抑制工件的氧化；另一方面在成形结束后通入高速氮气，快速降低工件的温度，有助于根据需要保存工件的高温微观组织，或开展更为精细的热处理以获得相应的微观组织。

附图说明

图1是本实用新型控制系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型控制系统中的电阻接触加热单元的结构示意图；

图3(a)-(c)是本实用新型控制系统中的气体冷却保护单元的结构示意图；

图4是本实用新型控制系统中的气体冷却保护单元的工作原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种适用于成形过程的温度及气氛控制系统，其用于快速精确调整微成形过程中的成形温度和气氛，该控制系统包括定位固定单元、电阻接触加热单元、气体冷却保护单元和温度及图像监测单元，其中，定位固定单元用于将其它单元固定连接到压力机上，电阻接触加热单元用于快速加热模具和工件，气体冷却保护单元用于快速冷却模具和工件，并提供保护性气氛，温度及图像监测单元用于实时检测工件的温度、观察工件的变形状态，及实时显示各个状态的信号，提供人机交互界面，并发出控制指令。通过上述各个单元的相互配合，可实现微成形过程中温度和气氛的快速精确控制，具有结构简单、操作方便、控制精确等优点。

下面将对各个单元逐一进行更为具体的说明。

如图1所示，定位固定单元包括上模组件和下模组件，其中，上模组件包括从上至下依次设置的上水冷隔热板6、上电极固定板7和上模芯组；下模组件包括从上至下依次设置的下模芯组、下电极固定板11和下水冷隔热板12；

电阻接触加热单元包括上电极3-2、下电极3-4和电源3，其中，上电 极3-2安装在上电极固定板7内，并与上模芯组直接接触，其通过上导线3-1与电源3的正极相连；下电极3-4安装在下电极固定板11内，并与下模芯组直接接触，其通过下导线3-3与电源3的负极相连；

气体冷却保护单元包括依次相连的储气瓶4、进气通道4-3、螺旋气流道4-4和出气通道4-5，即储气瓶4与进气通道4-3相连，进气通道4-3与螺旋气流道4-4相通，螺旋气流道4-4与出气通道4-5相通，进气通道4-3、螺旋气流道4-4和出气通道4-5均设置在下模芯组中；

温度及图像监测单元包括红外温度传感器2-3和CCD图像传感器1-3，红外温度传感器2-3安装在下模芯组中，并通过电缆2-2与控制箱2相连，CCD图像传感器1-3同样安装在下模芯组中，其通过电缆1-1与计算机1相连，控制箱2通过电缆1-2与计算机1相连，通过电缆2-4与电源3相连。

具体的，上模芯组包括上模芯固定板8、上模芯陶瓷绝缘套筒8-1和上模芯8-2，上模芯8-2嵌装在上模芯陶瓷绝缘套筒8-1中，其上表面与上电极3-2的下表面直接接触，上模芯陶瓷绝缘套筒8-1嵌装在上模芯固定板8中；上水冷隔热板6中开设有上冷却水流道6-1，上模芯固定板8、上电极固定板7以及上水冷隔热板6通过螺栓固定在压力机上滑块5上。

下模芯组包括下模芯固定板9、下模芯陶瓷绝缘套筒9-1和下模芯9-2，下模芯9-2嵌装在下模芯陶瓷绝缘套筒9-1中，其下表面与下电极3-4的上表面直接接触，下模芯陶瓷绝缘套筒9-1嵌装在下模芯固定板9中；下水冷隔热板12中开设有下冷却水流道12-1，下模芯固定板9、下电极固定板11以及下水冷隔热板12通过螺栓固定在压力机下底座13上。

进一步的，螺旋气流道4-4设置在下模芯陶瓷绝缘套筒9-1的内壁上，进气通道4-3和出气通道4-5由下模芯固定板9通入下模芯陶瓷绝缘套筒9-1中，以使其与下模芯陶瓷绝缘套筒9-1内壁上的螺旋气流道4-4相连通；下模芯固定板9上开设有用于安装红外温度传感器2-3以及CCD图像传感器1-3的安装孔，下模芯陶瓷绝缘套筒9-1上开设有与该安装孔对应的孔， 以使红外温度传感器2-3能实时监测待成形工件10的温度，使CCD图像传感器1-3实时监测工件10的状态。

更为具体的，储气瓶40通过导管4-1与进气通道4-3相连，该导管4-1的中部接有电磁阀4-2，该电磁阀4-2通过电缆2-1与控制箱2相连。下模芯陶瓷绝缘套筒9-1采用透明陶瓷制成，电源3为低压大电流直流电源，储气瓶4中充满高压氮气。

实际操作时，将工件10放置在下模芯9-2上部，上模芯8-2下行直至与工件10接触。此时，电源3、上导线3-1、上电极3-2、下导线3-3、下电极3-4、上模芯8-2、下模芯9-2、以及工件10组成闭合回路，如图2所示。计算机1根据设置的加热温度通过控制箱2向电源3发出控制信号，调节电源3的输出电流，电流通过前述闭合回路时，由于电阻的存在，转化成热量，从而使得温度升高。

其中，工件10的发热功率占整个闭合回路发热总功率的比例P为：

其中，W_i为相应部件的发热功率，ρ_i为相应部件材料的电阻率，l_i为相应部件的长度，r_i为相应部件的半径。通过调整各个部件的材料和尺寸，可以使得P值尽量大，即发热尽量集中在工件10。

红外温度传感器2-3实时监控工件10的温度，并将温度信号通过控制箱2传递给计算机1；计算机1将实时温度信号与设定值相比较后，发出相应控制指令，并将控制指令通过控制箱2传递给电源3；电源3根据控制指令，调整输出电流，从而实现对工件10温度的实时调整和精确控制。

在成形过程中，CCD图像传感器1-3实时监测工件10的状态，并将图像信号传输至计算机1进行显示和存储。

储气瓶4中的高压氮气通过导管4-1和进气通道4-3，到达螺旋气流道4-4，然后通过出气通道4-5排出，其中，氮气气体的流速由电磁阀4-2控 制。在成形过程中，通过电磁阀4-2将气体流速控制在最佳速度，氮气充填在工件10周围，形成保护性气氛，能有效抑制工件10在加热过程中的氧化。

在需要快速降低工件10温度时，调节电磁阀4-2，加大气体流速，快速流动的气体，能带走大量的热量，从而快速降低工件10的温度，冷却功率为：

其中，如图4所示，Q是换热功率，A是换热面积，W是换热系数，ΔT是温差，a是螺旋气流道的宽度，b是螺旋气流道的高度，N是螺旋气流道4-4完整的螺旋个数，c是螺旋气流道4-4的螺距，d是螺旋气流道4-4的内径，u是氮气气流的流速，T₁是模具内部温度(即流道内壁温度)，T₂是进气通道4-3处的氮气气流温度。

根据实际成形工艺对冷却功率的需求，通过调整螺旋气流道4-4的尺寸(包括气流道宽度、气流道高度、螺旋个数、螺距、内径)、氮气气体流速和氮气气流温度，即可获得所需要的冷却效果，从而实现快速精确的冷却。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。