本發(fā)明屬于微成形設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于成形過程的溫度及氣氛控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在進(jìn)行微尺度熱塑性時(shí)，快速并精確地控制工件的成形溫度是影響成形效果的重要因素。同時(shí)，由于微小零件整體尺寸小、比表面積大、精度要求高，需要嚴(yán)格控制在熱塑性過程中的氧化，所以有必要對成形時(shí)工件周圍的氣氛進(jìn)行控制。而在進(jìn)行材料熱塑性成形性能測試時(shí)，如果能夠通過快速冷卻，以盡量保留工件的高溫微觀組織，對于明確工件材料的高溫變形機(jī)理有很大的幫助。因此，需要開發(fā)出一種能夠快速并精確調(diào)整成形溫度和氣氛的控制系統(tǒng)。

專利CN103838274B提供了一種多路水冷溫度控制系統(tǒng)及控制方法，用于精確控制多個(gè)被控對象的溫度。該方案根據(jù)多個(gè)對象的流量需求，將循環(huán)液分為多個(gè)支路，通過調(diào)節(jié)對應(yīng)支路的循環(huán)液溫度，實(shí)現(xiàn)對加熱功率的精確輸出。然而該方案只能實(shí)現(xiàn)較低溫度范圍內(nèi)的溫度控制，不能滿足微成形過程對高溫的需求。

專利CN105605933A提供了一種固化爐溫度控制系統(tǒng)，用于有效控制固化爐內(nèi)的溫度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。該方案采用溫度傳感器檢測爐內(nèi)溫度，據(jù)此調(diào)整進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)的風(fēng)量以控制固化爐內(nèi)的溫度。該方案難以實(shí)現(xiàn)對溫度的快速調(diào)整以及精確控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種溫度及氣氛控制系統(tǒng)，其中結(jié)合成形尤其是微成形的成形工藝特點(diǎn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)了適用于成形過程的溫度及氣氛控制系統(tǒng)，并對其關(guān)鍵組件如定位固定單元、電阻接觸加熱單元、氣體冷卻保護(hù)單元和溫度及圖像監(jiān)測單元的結(jié)構(gòu)及其具體設(shè)置方式進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，相應(yīng)的可有效解決現(xiàn)有微成形過程中溫度和氣氛難以快速精確控制的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種適用于成形過程的溫度及氣氛控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括定位固定單元、電阻接觸加熱單元、氣體冷卻保護(hù)單元和溫度及圖像監(jiān)測單元，其中：

所述定位固定單元包括上模組件和下模組件，所述上模組件包括依次設(shè)置的上水冷隔熱板、上電極固定板和上模芯組，所述下模組件包括依次設(shè)置的下模芯組、下電極固定板和下水冷隔熱板；

所述電阻接觸加熱單元包括上電極、下電極和電源，其中，所述上電極安裝在所述上電極固定板內(nèi)，并與上模芯組直接接觸，其通過上導(dǎo)線與所述電源的正極相連；所述下電極安裝在所述下電極固定板內(nèi)，并與下模芯組直接接觸，其通過下導(dǎo)線與所述電源的負(fù)極相連；

所述氣體冷卻保護(hù)單元包括依次相連的儲氣瓶、進(jìn)氣通道、螺旋氣流道和出氣通道，所述進(jìn)氣通道、螺旋氣流道和出氣通道均設(shè)置在下模芯組中；

所述溫度及圖像監(jiān)測單元包括紅外溫度傳感器和CCD圖像傳感器，所述紅外溫度傳感器安裝在下模芯組中，并通過電纜與控制箱相連，所述CCD圖像傳感器同樣安裝在下模芯組中，其通過電纜與計(jì)算機(jī)相連，所述控制箱分別與所述計(jì)算機(jī)和電源相連。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上模芯組包括上模芯固定板、上模芯陶瓷絕緣套筒和上模芯，所述上模芯嵌裝在上模芯陶瓷絕緣套筒中，其上表面與上電極的下表面直接接觸，所述上模芯陶瓷絕緣套筒嵌裝在上模芯固定板中；所述上水冷隔熱板中開設(shè)有上冷卻水流道，所述上模芯固定板、上電極固定板以及上水冷隔熱板通過螺栓固定在壓力機(jī)上滑塊上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述下模芯組包括下模芯固定板、下模芯陶瓷絕緣套筒和下模芯，所述下模芯嵌裝在下模芯陶瓷絕緣套筒中，其下表面與下電極的上表面直接接觸，所述下模芯陶瓷絕緣套筒嵌裝在下模芯固定板中；所述下水冷隔熱板中開設(shè)有下冷卻水流道，所述下模芯固定板、下電極固定板以及下水冷隔熱板通過螺栓固定在壓力機(jī)下底座上。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述螺旋氣流道設(shè)置在下模芯陶瓷絕緣套筒的內(nèi)壁上，所述下模芯固定板上開設(shè)有用于安裝紅外溫度傳感器以及CCD圖像傳感器的安裝孔。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述儲氣瓶通過導(dǎo)管與進(jìn)氣通道相連，該導(dǎo)管的中部接有電磁閥，該電磁閥通過電纜與所述控制箱相連。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述下模芯陶瓷絕緣套筒采用透明陶瓷制成，所述電源為低壓大電流直流電源，所述儲氣瓶中充滿高壓氮?dú)狻?/p>

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明通過對定位固定單元、電阻接觸加熱單元、氣體冷卻保護(hù)單元和溫度及圖像監(jiān)測單元的研究和設(shè)計(jì)，獲得可實(shí)現(xiàn)微成形過程中溫度及氣氛快速調(diào)節(jié)與控制的系統(tǒng)，通過采用電阻接觸加熱方式以及相應(yīng)的閉合反饋控制，實(shí)現(xiàn)在微成形過程中工件的快速精確加熱。

2.本發(fā)明通過采用氣體冷卻保護(hù)方案，一方面在成形過程中通入低速氮?dú)?，在工件周圍形成保護(hù)氣氛，有效抑制工件的氧化；另一方面在成形結(jié)束后通入高速氮?dú)猓焖俳档凸ぜ臏囟?，有助于根?jù)需要保存工件的高溫微觀組織，或開展更為精細(xì)的熱處理以獲得相應(yīng)的微觀組織。

附圖說明

圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明控制系統(tǒng)中的電阻接觸加熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)-(c)是本發(fā)明控制系統(tǒng)中的氣體冷卻保護(hù)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明控制系統(tǒng)中的氣體冷卻保護(hù)單元的工作原理圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種適用于成形過程的溫度及氣氛控制系統(tǒng)，其用于快速精確調(diào)整微成形過程中的成形溫度和氣氛，該控制系統(tǒng)包括定位固定單元、電阻接觸加熱單元、氣體冷卻保護(hù)單元和溫度及圖像監(jiān)測單元，其中，定位固定單元用于將其它單元固定連接到壓力機(jī)上，電阻接觸加熱單元用于快速加熱模具和工件，氣體冷卻保護(hù)單元用于快速冷卻模具和工件，并提供保護(hù)性氣氛，溫度及圖像監(jiān)測單元用于實(shí)時(shí)檢測工件的溫度、觀察工件的變形狀態(tài)，及實(shí)時(shí)顯示各個(gè)狀態(tài)的信號，提供人機(jī)交互界面，并發(fā)出控制指令。通過上述各個(gè)單元的相互配合，可實(shí)現(xiàn)微成形過程中溫度和氣氛的快速精確控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

下面將對各個(gè)單元逐一進(jìn)行更為具體的說明。

如圖1所示，定位固定單元包括上模組件和下模組件，其中，上模組件包括從上至下依次設(shè)置的上水冷隔熱板6、上電極固定板7和上模芯組；下模組件包括從上至下依次設(shè)置的下模芯組、下電極固定板11和下水冷隔熱板12；

電阻接觸加熱單元包括上電極3-2、下電極3-4和電源3，其中，上電極3-2安裝在上電極固定板7內(nèi)，并與上模芯組直接接觸，其通過上導(dǎo)線3-1與電源3的正極相連；下電極3-4安裝在下電極固定板11內(nèi)，并與下模芯組直接接觸，其通過下導(dǎo)線3-3與電源3的負(fù)極相連；

氣體冷卻保護(hù)單元包括依次相連的儲氣瓶4、進(jìn)氣通道4-3、螺旋氣流道4-4和出氣通道4-5，即儲氣瓶4與進(jìn)氣通道4-3相連，進(jìn)氣通道4-3與螺旋氣流道4-4相通，螺旋氣流道4-4與出氣通道4-5相通，進(jìn)氣通道4-3、螺旋氣流道4-4和出氣通道4-5均設(shè)置在下模芯組中；

溫度及圖像監(jiān)測單元包括紅外溫度傳感器2-3和CCD圖像傳感器1-3，紅外溫度傳感器2-3安裝在下模芯組中，并通過電纜2-2與控制箱2相連，CCD圖像傳感器1-3同樣安裝在下模芯組中，其通過電纜1-1與計(jì)算機(jī)1相連，控制箱2通過電纜1-2與計(jì)算機(jī)1相連，通過電纜2-4與電源3相連。

具體的，上模芯組包括上模芯固定板8、上模芯陶瓷絕緣套筒8-1和上模芯8-2，上模芯8-2嵌裝在上模芯陶瓷絕緣套筒8-1中，其上表面與上電極3-2的下表面直接接觸，上模芯陶瓷絕緣套筒8-1嵌裝在上模芯固定板8中；上水冷隔熱板6中開設(shè)有上冷卻水流道6-1，上模芯固定板8、上電極固定板7以及上水冷隔熱板6通過螺栓固定在壓力機(jī)上滑塊5上。

下模芯組包括下模芯固定板9、下模芯陶瓷絕緣套筒9-1和下模芯9-2，下模芯9-2嵌裝在下模芯陶瓷絕緣套筒9-1中，其下表面與下電極3-4的上表面直接接觸，下模芯陶瓷絕緣套筒9-1嵌裝在下模芯固定板9中；下水冷隔熱板12中開設(shè)有下冷卻水流道12-1，下模芯固定板9、下電極固定板11以及下水冷隔熱板12通過螺栓固定在壓力機(jī)下底座13上。

進(jìn)一步的，螺旋氣流道4-4設(shè)置在下模芯陶瓷絕緣套筒9-1的內(nèi)壁上，進(jìn)氣通道4-3和出氣通道4-5由下模芯固定板9通入下模芯陶瓷絕緣套筒9-1中，以使其與下模芯陶瓷絕緣套筒9-1內(nèi)壁上的螺旋氣流道4-4相連通；下模芯固定板9上開設(shè)有用于安裝紅外溫度傳感器2-3以及CCD圖像傳感器1-3的安裝孔，下模芯陶瓷絕緣套筒9-1上開設(shè)有與該安裝孔對應(yīng)的孔，以使紅外溫度傳感器2-3能實(shí)時(shí)監(jiān)測待成形工件10的溫度，使CCD圖像傳感器1-3實(shí)時(shí)監(jiān)測工件10的狀態(tài)。

更為具體的，儲氣瓶40通過導(dǎo)管4-1與進(jìn)氣通道4-3相連，該導(dǎo)管4-1的中部接有電磁閥4-2，該電磁閥4-2通過電纜2-1與控制箱2相連。下模芯陶瓷絕緣套筒9-1采用透明陶瓷制成，電源3為低壓大電流直流電源，儲氣瓶4中充滿高壓氮?dú)狻?/p>

實(shí)際操作時(shí)，將工件10放置在下模芯9-2上部，上模芯8-2下行直至與工件10接觸。此時(shí)，電源3、上導(dǎo)線3-1、上電極3-2、下導(dǎo)線3-3、下電極3-4、上模芯8-2、下模芯9-2、以及工件10組成閉合回路，如圖2所示。計(jì)算機(jī)1根據(jù)設(shè)置的加熱溫度通過控制箱2向電源3發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)電源3的輸出電流，電流通過前述閉合回路時(shí)，由于電阻的存在，轉(zhuǎn)化成熱量，從而使得溫度升高。

其中，工件10的發(fā)熱功率占整個(gè)閉合回路發(fā)熱總功率的比例P為：

其中，W_i為相應(yīng)部件的發(fā)熱功率，ρ_i為相應(yīng)部件材料的電阻率，l_i為相應(yīng)部件的長度，r_i為相應(yīng)部件的半徑。通過調(diào)整各個(gè)部件的材料和尺寸，可以使得P值盡量大，即發(fā)熱盡量集中在工件10。

紅外溫度傳感器2-3實(shí)時(shí)監(jiān)控工件10的溫度，并將溫度信號通過控制箱2傳遞給計(jì)算機(jī)1；計(jì)算機(jī)1將實(shí)時(shí)溫度信號與設(shè)定值相比較后，發(fā)出相應(yīng)控制指令，并將控制指令通過控制箱2傳遞給電源3；電源3根據(jù)控制指令，調(diào)整輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對工件10溫度的實(shí)時(shí)調(diào)整和精確控制。

在成形過程中，CCD圖像傳感器1-3實(shí)時(shí)監(jiān)測工件10的狀態(tài)，并將圖像信號傳輸至計(jì)算機(jī)1進(jìn)行顯示和存儲。

儲氣瓶4中的高壓氮?dú)馔ㄟ^導(dǎo)管4-1和進(jìn)氣通道4-3，到達(dá)螺旋氣流道4-4，然后通過出氣通道4-5排出，其中，氮?dú)鈿怏w的流速由電磁閥4-2控制。在成形過程中，通過電磁閥4-2將氣體流速控制在最佳速度，氮?dú)獬涮钤诠ぜ?0周圍，形成保護(hù)性氣氛，能有效抑制工件10在加熱過程中的氧化。

在需要快速降低工件10溫度時(shí)，調(diào)節(jié)電磁閥4-2，加大氣體流速，快速流動(dòng)的氣體，能帶走大量的熱量，從而快速降低工件10的溫度，冷卻功率為：

其中，如圖4所示，Q是換熱功率，A是換熱面積，W是換熱系數(shù)，ΔT是溫差，a是螺旋氣流道的寬度，b是螺旋氣流道的高度，N是螺旋氣流道4-4完整的螺旋個(gè)數(shù)，c是螺旋氣流道4-4的螺距，d是螺旋氣流道4-4的內(nèi)徑，u是氮?dú)鈿饬鞯牧魉?，T₁是模具內(nèi)部溫度(即流道內(nèi)壁溫度)，T₂是進(jìn)氣通道4-3處的氮?dú)鈿饬鳒囟取?/p>

根據(jù)實(shí)際成形工藝對冷卻功率的需求，通過調(diào)整螺旋氣流道4-4的尺寸(包括氣流道寬度、氣流道高度、螺旋個(gè)數(shù)、螺距、內(nèi)徑)、氮?dú)鈿怏w流速和氮?dú)鈿饬鳒囟?，即可獲得所需要的冷卻效果，從而實(shí)現(xiàn)快速精確的冷卻。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。