半固态镁合金数字黏度仪的研究与设计

　　0　引言

　　半固态金属属于非牛顿流体,在半固态流变成形过程中,半固态浆料的黏度影响金属的流动和充型能力,浆料的流变行为是影响铸件成形过程和铸件品质的关键,而黏度是表征半固　　态金属流变行为的一个极其重要的参数[1-5]。

　　黏度是流体的重要物理性质,目前测量流体黏度的方法主要有毛细管法、落球法、旋转法及振动法等。其中旋转法是一种比较常见的方法,可以在不同的切变率下对同种材料的黏度　　进行测量,因而被广泛地应用于测量非牛顿液体的表观黏度及流变特性中[6]。文中开发了一种新型旋转式数字黏度仪,它能够在高温下较准确地测量黏度,为实际生产工艺的确定和半固　　态流变行为的模拟提供了参数和依据。

　　1　黏度仪设计原理

　　镁合金半固态属于触变性流体,它的黏度即使在恒定的剪切速率或剪切力的作用下,由于结构的不断破坏,也会随着时间的增加而降低[7-8]。图1是旋转式黏度仪原理图[9]。

　　图1中的外圆筒为盛放被测液体的圆筒(称定筒),半径为R2,内圆筒为可旋转的空心圆筒(称转筒),它与外圆筒同轴,外半径为R1,长度为l,旋转的角速度为Ω。当转筒转动时,液体间各液层速度不同,液层间产生的内摩擦力f除了正比于两液层间接触面积ΔS以外,还正比于该处的速度梯度dv/dr,即

　　由于外圆筒是静止的,且外圆筒内壁液体与筒壁无滑动,角速度Ω=0,内筒的角速度为Ω,将上式分离变数并积分,整理得到

2　黏度仪硬件设计

　　2·1　机械结构

　　2·1·1　工作原理

　　黏度仪的机械结构如图2所示,主要由无级变速电动机、加热炉、转筒和定筒、转速传感器、温度传感器、扭矩传感器、A/D转换板、绝缘和绝热材料组成。

　　电动机带动转筒在半固态的浆料中转动,由于转筒和浆料的相互作用,转筒在旋转的反方向上产生扭矩。这个扭矩传递给上面的扭矩传感器,同时扭矩传感器将产生微弱的模拟电压　　信号,经A/D转换板放大并转换成数字信号输入到微机中进行处理,从而计算出半固态浆料的黏度系数。

　　2·1·2　装置的选择

　　镁合金半固态的黏度对温度非常敏感,温度的微小变化都会使半固态的固液分数发生较大变化,从而黏度也会发生巨大改变。为了实现这种实时监控功能,以保证所测的黏度是在预　　定的温度下得到的。测试装置在内筒和外筒之间的浆料中设计了灵敏度较高的温度传感器,测试时,可以同时把黏度和温度读入计算机中,从而实现准确测量某一温度的黏度。