曾阳阳
广东华昌铝厂有限公司
摘要：利用能量守恒定律、热量计算公式和牛顿冷却定律，提出一种远程测温方法。利用材料放出的热量、周围环境介质与材料表面之间对流传热的热量Q2，通过测量材料在某处的温度变化，计算出材料的表面传热系数，从而反推得出材料在另一处的温度，解决了材料加工过程中材料在某些位置无法测温的问题，达到远程测温的目的。并在铝合金挤压过程中进行验证，测温精度可达±5℃，满足铝合金挤压模具出口温度测量的要求。
关键词：铝合金；模具出口温度；远程测温；能量守恒定律
引言
在材料加工领域，温度测量是一项极其重要的工作，但是受工作环境等条件限制，有些地方无法直接进行温度测量。比如挤压过程中型材挤出模具瞬间，由于受挤压机前梁的影响无法直接测量，特别是大型挤压机的前梁厚度大，模具出口处到前梁出口处距离更远，模具出口处的温度测量更困难。但是型材挤出模具瞬间的温度又极其重要，它直接影响产品的微观组织、表面质量、形位尺寸、力学性能等。温度过高会导致表面开裂、粗晶组织甚至过烧等，温度过低则会导致力学性能不合格、挤压力不足或模具损坏等，温度波动过大则会导致头尾微观组织、力学性能、形位尺寸等性能不均匀。目前，主流的方法是在前梁出口处通过红外测温等方法实时监控出口温度，并反馈到挤压机和铸锭加热，从而实现等温挤压。但由于不同挤压型材截面千变万化，挤压温度及挤压速度差别也很大，该方法只能测量型材离开模具一短时间后的温度，型材在模具出口处的温度仍无法准确测量。本文通过现场测温经验，利用能量守恒定律、热量计算公式和牛顿冷却定律，总结出通过前梁出口温度推算模具出口温度的远程测温方法，供同行参考。
1测量原理和方法
所用的测量装置包括测温探头、补尝导线和多功能数显仪表。该测温探头通过补尝导线与多功能数显仪表进行连接。测量原理和步骤如下：（1）测量材料在A处的温度，在时间t内的温度变化为ΔT。（2）根据热量计算公式设定材料放出的热量Q1=CmΔT，其中C为材料的比热容，m为材料的质量。（3）根据牛顿冷却定律设定单位时间内材料经过对流传热散出的热量Q=hS（TA-T介），其中h为材料的表面传热系数，S为材料的表面积，TA为材料在A处的原始温度，T介为周围环境介质的温度。时间t内经过对流传热散出的热量Q2=qt=hS（TA-T介）t。（4）根据能量守恒定律设定材料放出的热量Q1等于周围环境介质与材料表面之间对流传热的热量Q2，即Q1=Q2，即CmΔT=hS（TA-T介）t，计算得到材料的表面传热系数h=CmΔT/[S（TA-T介）t]。（5）计算材料在B处的温度TB：材料从B处移动到A处所用时间t1内，材料经过对流传热散出的热量Q传=qt1=hS（T材-T介）t1，材料在t1时间内温度变化为ΔT1=TB-TA（在实际操作过程中，若TB小于TA，则ΔT1=TA-TB），放出的热量为Q放=CmΔT1，根据能量守恒定律Q传=Q放，得到TB=[hS（T材-T介）t1+CmTA]/Cm。其中，t1=L/V，L为B处到A处的距离，V为材料从B处运动到A处的运动速度。为了减少测量误差，T材取TB和TA的平均值，即T材=（TB+TA）/2，则TB=2[hST介t1-TA（hSt1/2+Cm）]/（hSt1-2Cm）。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在进行材料的温度测量前，先在测温程序中预设h=CmΔT/[S（TA-T介）t]及TB=2[hST介t1-TA（hSt1/2+Cm）]/（hSt1-2Cm）的计算公式，然后将材料的比热容C、材料的质量m、材料的表面积S、周围环境介质温度T介、材料从B处移动到A处所用时间t1录入测温程序中，再使用测温探头测量材料在A处的温度TA、材料在A处温度下降ΔT所用时间t，即可在测温程序中显示和输出材料在B处的温度TB。
2结果和讨论
通过接触式热电偶实测模具出口温度进行多次测量对比，该方法与实测值偏差在±5℃以内，可以满足生产测温需求。其中，影响测量结果准确性的因素主要有两点：一是产品从模具出口到前梁出口的温降过程中，表面传热系数会有细小变化，而本方法假设表面传热系数为定值；二是本方法只考虑了表面传热过程，不考虑热幅射的影响。但是由于表面传热系数的变化很小，以及热幅射在整个过程的温降中所占比例极小，对本方法的影响有限，可以忽略，因此测量结果与实际相符。
2.1模具初始温度对凸模磨损的影响
在进行挤压成形时，毛坯通常被加热到很高的温度，如果常温模具与加热后毛坯立即接触，模具表面温度会快速升高造成模具内外温度不一，不仅可能导致模具表面被拉裂，还可能使毛坯降温而引起塑性下降，增大成形难度，故在成形前需要对模具预热。但是，对模具预热本身就会对模具磨损产生一定影响。一方面加热模具会加速模具自身表层氧化，而且容易出现裂纹等；另一方面如果加热温度不合适，会导致模具回火而软化，使得模具强度、硬度下降。上述两种情况都是进行工艺制定时要尽量避免的。
2.2模具挤压速度对凸模磨损的影响
在挤压成形过程中，挤压速度对模具磨损的影响可分为两个方面：一方面，挤压速度增大，导致坯料快速流动，造成坯料与模具间的相对流速增大，且材料由于加工硬化作用成形困难，凸模所受应力增大，加剧凸模的磨损；另一方面，挤压速度的增加使整个成形过程可以在很短时间内完成，短了两摩擦副之间接触的总时间，使二者之间热传递减少，减弱由于温度过高造成的回火软化，保持了模具本身耐磨性。
2.3擦系数对凸模磨损的影响
在该复杂盒形件成形过程中，模具的润滑状态同时关系到坯料的应力、成形载荷以及温度的分布，以及模具的磨损和服役时间。
3模具寿命预测
以前，科研人员大多通过凸模一次挤压的磨损量来进行模具使用寿命的预测，但是挤压模具的表面特征、几何形貌等特征在每次挤压过后都会发生一定变化，影响了模具磨损的情况。所以，本文通过利用同一套模具进行连续多次挤压成形模拟，并统计每次成形后模具的磨损值，利用多次挤压的磨损数据来对模具使用寿命进行估算。
结语
通过测量材料在某处或某时间段的温度变化，并计算出表面传热系数，可以推算出材料在另一处或另一时刻的温度，且结果与实际相符较好，可以满足挤压模具出口温度远程测温要求。
参考文献
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论文作者:曾阳阳
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
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