专利名称：一种用于测定气体淬火过程中界面换热系数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种气体与固体之间界面换热系数的测试装置及方法，尤其涉及气体淬火过程中高温零件与高压气体之间的界面换热系数的测试方法和装置。
背景技术：
气体淬火技术是采用惰性气体为介质，把压缩气体通过特殊设计的喷嘴喷射到工件表面实现工件的淬火冷却的一种淬火技术。气体淬火技术的主要原理是在真空下通入一定量的惰性气体，如氮气、氩气或氮气-氦气的混合物，对工件进行加热、保温后，通过加压设备和压力控制设备，将惰性气体加压得到高压气体，再通过高压气体对淬火零件进行强制的循环冷却。近年来，随着气体淬火设备及高效淬火气体的飞速发展，许多合金钢通过气体淬火可以实现淬火油所达到的淬火效果。这主要是因为，高压气体的压力和流速对换热系数具有重要的影响，而且随着压力和流速的增大，换热系数也逐渐变大。因此，当高压气体的压力和流达到一定数值时，气体淬火中淬火零件与气体之间的换热系数可以达到油淬的效果。作为一种新兴的材料加工技术，气体淬火技术具有以下几个优点(1)冷却速率更均匀，热应力和热变形较小；(2)淬火工件与淬火介质之间的界面换热系数更容易控制及调整；(3)气体淬火过程对环境不会造成污染。因此，气体淬火技术引起了人们的广泛关注，但其淬火机理的研究则相对滞后，这也在一定程度上延缓了气体淬火技术的进一步发展。由于试件在气体淬火中的热应力和热应变是难以测量的，因此，研究人员通常采用数值模拟技术针对试件在气体淬火中的热应力、热应变微观结构。在利用数值模拟方法研究气体淬火工艺时，需要相应的热冲压关键参数，包括淬火零件的各种热物性参数及力学性能参数、淬火零件的温度、高压气体的温度/压力、淬火零件与高压气体之间的界面换热系数等。其中，淬火零件与高压气体之间的界面换热系数是最关键的参数之一，其准确程度直接影响温度场、应力应变场和组织场的求解精度，从而影响淬火工艺参数的设置和淬火零件的淬火质量。因此，准确地测试淬火零件与高压气体之间的界面换热系数，对于保证高压气体数值模拟的准确性、控制气体淬火过程中零件的淬火质量具有重要的应用价值。反向热传导是获得界面换热系数的一种方法，其原理是即通过在传热体内部安装热传感器，记录传热体内部相应位置的温度变化，再利用适当的计算方法根据温度变化情况确定传热体的初始条件或边界条件。目前，国内外的学者已经提出了多种数值解析方法解决反向热传导问题。由于反传热问题的求解要比常规热传导过程复杂许多，选择简便、可靠的方法研究反向热传导问题，在实际工程应用中具有重要价值。专利201110395888. X公开了一种“结合有限元法和反传热法计算淬火介质换热系数的方法”，该专利包括以下步骤(1)使用探头本体，测试本体内部点的冷却曲线；(2)建立探头本体的有限元模型，进行温度场仿真，验证该问题的一维性；(3)建立坐标系下的一维导热微分方程和敏感系数方程，利用反传热法求解本体表面的热流密度值；(4)根据牛顿换热定律计算介质的换热系数，将探头内部点的实测温度与计算值进行对比验证。
专利201110296298.1公开了 “一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法”，该方法包括如下步骤(I)在工件表面位置点焊接热电偶，热电偶连到温度采集模块；
(2)工件冷却时，热电偶将测试的温度变化信息传送到温度采集模块；(3)通过温度采集模块读取表面点的温度变化数据；(4)根据表面测试点的温度变化数据，利用热处理软件的界面换热系数校验功能，得到冷却过程的界面换热系数；(5)将得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的温度场变化，计算表面测试点的温度变化并与实测结果进行对比，直到计算结果与实测结果吻合良好；(6)将由(5)得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的变形情况，直到计算结果与实测结果的变形趋势吻合良好，解决界面换热系数不准确的问题。目前，对于界面换热系数的研究均是通过在淬火零件内部安装热电偶或在淬火零件表面焊接热电偶的形式进行。上述方法往往存在如下问题(I)在淬火零件内部安装热电偶，往往在建模求解时将热电偶安装孔忽略，即忽略热电偶在淬火零件中的存在；然而，由于热电偶护套、热电偶材料与淬火零件的材料不同，因此具备不同的热物性参数，从而导致建模求解时因忽略热电偶的存在而产生计算误差；(2)在淬火零件表面焊接热电偶丝，则需要将热电偶丝放入炉中一起加热，由于热电偶丝比较细，加热过程中容易导致热电偶丝的氧化，从而影响温度的测试精度；另外，加热完成后，还需要保证两根热电偶丝之间的绝缘，这也给热电偶丝与温度采集模块之间的连接带来了不小的麻烦。此外，现有技术中尚不存在针对气体淬火技术中淬火零件与气态介质之间换热系数的测定装置及方法。
发明内容
本发明针对测定气体淬火过程中淬火零件与气态介质之间界面换热系数的研究现状，根据气体淬火过程中淬火零件与气态淬火介质之间热交换的特点，提出了一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置及方法。本发明的技术方案一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，包括试样固定装置、温度数据采集装置和高压气体供给装置
所述试样固定装置包括试样固定架和试样保温装置，所述试样保温装置固定在试样固定架上，所述试样保温装置内放置淬火零件；所述试样固定装置还包括高压气体喷管，所述高压气体喷管的开口设置在淬火零件的正下方；
所述温度数据采集装置包括温度检测装置、数据采集模块和数据处理系统，所述温度检测装置通过数据采集模块与数据处理系统相连；所述温度检测装置用于检测淬火零件的温度;
所述高压气体供给装置包括高压气体泵和贮气罐，所述高压气体泵与贮气罐连通；所述贮气罐通过气体管路与高压气体喷管连接；所述气体管路上设有气体压力调节装置和气体流速调节装置，所述气体压力调节装置和气体流速调节装置设置在贮气罐和高压气体喷管之间。优选的是，所述试样保温装置包括试样保温套，所述试样保温套的开口端设有试样端部保温塞，所述试样端部保温塞位于试样保温装置靠近高压气体喷管的一端。优选的是，所述试样固定架上设置安置孔，所述试样保温装置位于安置孔内；所述安置孔包括用于放置试样保温套的安置孔I和用于放置试样端部保温塞的安置孔II，所述安置孔I的直径比试样保温套的外径大2-3mm，所述安置孔II的直径与试样端部保温塞的
直径相等。优选的是，所述试样保温套和试样端部保温塞之间设有挡板，所述挡板的尺寸与试样保温套开口端的尺寸一致，所述挡板的厚度为1. 5-2mm。优选的是，所述试样固定装置还包括压板，所述压板通过铰链与试样固定架相连，所述压板位于试样保温装置远离高压气体喷管一端的上方。优选的是，所述温度检测装置包括高温红外传感器和中低温红外传感器，并通过机床磁力座固定位置。优选的是，所述高压气体供给装置还包括空气净化器、油水收集器和高压气体供给装置的开关；所述空气净化器设置在贮气罐远离高压气体泵的一端，所述油水收集器分别与空气净化器、贮气罐连通，所述高压气体供给装置的开关设置在高压气体喷管与气体管路的连接处。一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的方法，包括如下几个步骤
①将淬火零件安装在试样固定装置的试样保温套中，取走试样端部保温塞，并采用压板将装有淬火零件的试样保温套压住；
②将高温红外传感器和中低温红外传感器的位置固定，并将高温红外传感器和中低温红外传感器的测试点均设定在淬火零件端部的中心区域；
③将高压气体喷管与高压气体供给系统连接，打开高压气体供给系统的开关，通过气体压力调节装置和气体流速调节装置调节气体的压力和流速；调节完成后，关闭高压气体系统的开关；
④将试样端部保温塞安装在试样保温套的开口端，形成密闭的试样保温装置；将内置淬火零件的试样保温装置放入加热装置中，加热，直至达到设定温度；
⑤将步骤④加热后得到的试样保温装置安装在在试样固定装置的试样保温套中，并采用压板将装有淬火零件的试样保温套压住；
⑥打开高压气体供给系统的开关，启动基于USB技术的温度采集模块，记录高温红外传感器、中低温红外传感器采集的温度数据并传输给数据处理系统；
⑦取走试样端部保温塞，待淬火零件端部的温度降至室温时，结束测试，关闭温度采集模块和高压气体供给系统的开关；
⑧根据温度采集模块采集的淬火零件表面温度曲线，采用有限元方法与改进的一维搜索方法相结合，对淬火零件的温度进行计算分析，得到气体淬火过程中淬火零件与气体之间的界面换热系数；
所述有限元方法与改进的一维搜索方法相结合的具体过程为先确定换热系数所在的区间范围，再对区间范围进行缩小，确定合适的换热系数；具体步骤为a.对每个时刻，假设一个换热系数，然后调用有限元求解程序对零件的温度场进行计算，得到计算值，b.比较计算值和热电偶测得的测量值，计算差值，根据差值调整假定的换热系数，重新进行计算，然后再比较如此反复进行，直到计算值与测量值的差值达到要求的精度；在计算过程中，假定的换热系数是用改进的一维搜索方法判断其调整的方向和幅度。优选的是，所述步骤⑧中差值的计算公式为
权利要求
1.一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于包括试样固定装置、温度数据采集装置和高压气体供给装置 所述试样固定装置包括试样固定架(6)和试样保温装置，所述试样保温装置固定在试样固定架(6)上，所述试样保温装置内放置淬火零件(2);所述试样固定装置还包括高压气体喷管(8)，所述高压气体喷管(8)的开口设置在淬火零件(2)的正下方； 所述温度数据采集装置包括温度检测装置、数据采集模块和数据处理系统，所述温度检测装置通过数据采集模块与数据处理系统相连；所述温度检测装置用于检测淬火零件(2)的温度； 所述高压气体供给装置包括高压气体泵(15)和贮气罐(16)，所述高压气体泵(15)与贮气罐(16)连通；所述贮气罐(16)通过气体管路与高压气体喷管(8)连接；所述气体管路上设有气体压力调节装置(18)和气体流速调节装置(20)，所述气体压力调节装置(18)和气体流速调节装置(20 )设置在贮气罐(16 )和高压气体喷管(8 )之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述试样保温装置包括试样保温套(I )，所述试样保温套(I)的开口端设有试样端部保温塞(4)，所述试样端部保温塞(4)位于试样保温装置靠近高压气体喷管(8)的一端。
3.根据权利要求1所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述试样固定架(6)上设置安置孔，所述试样保温装置位于安置孔内；所述安置孔包括用于放置试样保温套(I)的安置孔I和用于放置试样端部保温塞(4)的安置孔II，所述安置孔I的直径比试样保温套(I)的外径大2-3_，所述安置孔II的直径与试样端部保温塞(4)的直径相等。
4.根据权利要求2所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述试样保温套(I)和试样保温套(4)之间设有挡板(5)，所述挡板(5)的尺寸与试样保温套(I)开口端的尺寸一致，所述挡板(5)的厚度为1. 5-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述试样固定装置还包括压板(3)，所述压板(3)位于试样保温装置远离高压气体喷管(8) —端的上方。
6.根据权利要求1所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述温度检测装置包括高温红外传感器(7)和中低温红外传感器(9 )，并通过机床磁力座固定位置。
7.根据权利要求1所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，其特征在于所述高压气体供给装置还包括空气净化器(17)、油水收集器(14)和高压气体供给装置的开关(13);所述空气净化器(17)设置在贮气罐(16)远离高压气体泵(15)的一端，所述油水收集器(14)分别与空气净化器(17)、贮气罐(16)连通，所述高压气体供给装置的开关(13)设置在高压气体喷管(8)与气体管路的连接处。
8.一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的方法，其特征在于包括如下几个步骤①将淬火零件安装在试样固定装置的试样保温套中，取走试样端部保温塞，并采用压板将装有淬火零件的试样保温套压住；②将高温红外传感器和中低温红外传感器的位置固定，并将高温红外传感器和中低温红外传感器的测试点均设定在淬火零件端部的中心区域； ③将高压气体喷管与高压气体供给系统连接，打开高压气体供给系统的开关，通过气体压力调节装置和气体流速调节装置调节气体的压力和流速；调节完成后，关闭高压气体系统的开关； ④将试样端部保温塞安装在试样保温套的开口端，形成密闭的试样保温装置；将内置淬火零件的试样保温装置放入加热装置中，加热，直至达到设定温度； ⑤将步骤④加热后得到的试样保温装置安装在在试样固定装置的试样保温套中，并采用压板将装有淬火零件的试样保温套压住； ⑥打开高压气体供给系统的开关，启动基于USB技术的温度采集模块，记录高温红外传感器、中低温红外传感器采集的温度数据并传输给数据处理系统； ⑦取走试样端部保温塞，待淬火零件端部的温度降至室温时，结束测试，关闭温度采集模块和高压气体供给系统的开关； ⑧根据温度采集模块采集的淬火零件表面温度曲线，采用有限元方法与改进的一维搜索方法相结合，对淬火零件的温度进行计算分析，得到气体淬火过程中淬火零件与气体之间的界面换热系数，所述有限元方法与改进的一维搜索方法相结合的具体过程是先确定换热系数所在的区间范围，再对区间范围进行缩小，确定合适的换热系数；具体步骤为a.对每个时刻，假设一个换热系数，然后调用有限元求解程序对零件的温度场进行计算，得到计算值，b.比较计算值和热电偶测得的测量值，计算差值，根据差值调整假定的换热系数，重新进行计算，然后再比较如此反复进行，直到计算值与测量值之间的差值达到要求的精度；在计算过程中，假定的换热系数是用改进的一维搜索方法判断其调整的方向和幅度。
9.根据权利要求8所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的方法，其特征在于所述步骤⑧中差值的计算公式为
10.根据权利要求8所述的一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的方法，其特征在于所述高温红外传感器和中低温红外传感器的位置采用机床磁力座固定；所述高温红外传感器的温度适用范围为650 1800°C，所述中低温红外传感器的温度适用范围为-30 800°C ;所述试样保温套和试样端部保温塞之间设有挡板，所述挡板的尺寸与试样保温套开口端的尺寸一致，所述挡板的厚度为1. 5-2mm。
全文摘要
一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置，包括试样固定装置、温度数据采集装置和高压气体供给装置。所述试样固定装置包括试样固定架和试样保温装置，所述试样保温装置固定在试样固定架上，所述试样保温装置内放置淬火零件；所述试样固定装置还包括高压气体喷管，所述高压气体喷管的开口设置在淬火零件的正下方。本发明还公开了一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的方法。本发明提出了一种用于测定气体淬火过程中淬火零件与气体之间界面换热系数的装置及方法，填补了现有技术中这方面的技术空白，对于促进气体淬火机理的研究重要的意义，将推动气体淬火技术的进步和发展。
文档编号G01N25/20GK103033531SQ201210521288
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者李辉平, 贺连芳, 崔洪芝, 孙金全 申请人:山东科技大学