热挤压设备的加热控制系统及方法

本发明涉及热电材料塑性加工，特别是一种热挤压设备的加热控制系统及方法。

背景技术：

1、碲化铋（bi2te3及其固溶体）是室温附近性能优异且商业化程度较高的热电材料之一，广泛应用于热电制冷器件与低温发电模块。高性能碲化铋材料通常需要同时具备较高的致密度、稳定的晶粒织构取向以及均匀的微观组织结构，以获得良好的热电综合性能。

2、连续热挤压工艺具有尺寸可扩展、加工过程连续且适于规模化生产等优点，是实现晶粒取向调控的重要手段之一。然而，碲化铋材料熔点较低、塑性变形温度窗口较窄，且其层状晶体结构易发生解理，使其在热挤压过程中容易出现开裂、分层、局部塑性失稳以及组织取向波动等问题。

3、现有热挤压设备通常通过对挤压模具进行整体或分区加热，并结合温度反馈控制来改善挤压稳定性，或者通过模具几何结构诱导晶粒取向。然而，上述技术方案大多以模具局部温度的恒定控制或预设温度分布作为控制目标，未能充分考虑挤压过程中挤压行程推进、挤压压力变化以及挤压速度波动等因素对材料热行为的动态影响。

4、在实际挤压过程中，材料变形所引起的摩擦生热、出口区域散热条件变化以及材料塑性状态演化，均会导致被挤压材料在挤压方向上的温度分布持续变化。若加热控制策略无法随挤压状态变化进行动态调节，容易造成局部过热或塑性不足与应变速率波动相互叠加，从而引发裂纹、分层及性能一致性下降等问题。

5、此外，现有设备中水冷通道、恒速挤压机构等通常作为独立单元设置，缺乏与加热控制之间的协同机制；在连续生产的换料间隙阶段，加热功率调节与温度恢复过程缺乏系统化控制，易加剧模具热疲劳并影响后续挤压过程的温度一致性。

6、因此，亟需一种能够将加热控制与挤压状态相结合的热挤压设备加热控制系统，使其在挤压全过程中能够根据挤压状态变化动态调节加热功率分布，从而实现被挤压材料在挤压方向上的温度分布控制，提高热挤压过程的稳定性及材料性能一致性。

7、在背景技术部分中公开的所述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对所述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种热挤压设备的加热控制系统及方法，能够在热挤压过程中根据挤压状态参数的变化动态调节加热功率分布，从而实现被挤压材料在挤压方向上的温度分布控制，以解决现有技术中加热控制难以匹配材料塑性变形过程、易引发局部过热或塑性不足的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

3、一种热挤压设备的加热控制系统包括，

4、挤压筒，其容纳待热挤压的材料并承受挤压载荷，

5、挤压模具，其设置于所述挤压筒的出料端以限定材料的塑性流动路径，挤压模具的成形通道包括入口段、变形段和出口段，其中变形段为渐缩结构，

6、挤压驱动机构，其驱动连接所述挤压筒以将待热挤压的材料从所述出料端挤入成形通道，挤压驱动机构具有在热挤压过程中的挤压状态参数，

7、加热组件，其设置于所述挤压模具外周，以向挤压模具不同轴向位置提供可控的热输入，

8、温度传感器，其设置于所述挤压模具不同轴向位置，以采集不同轴向位置的反映材料热状态的温度信息，

9、控制组件，其与加热组件及挤压驱动机构连接，控制组件在热挤压过程中获取挤压驱动机构在热挤压过程中的挤压状态参数，并基于所述挤压状态参数对加热组件的加热功率分布进行调节，使被挤压的材料在挤压方向上形成并维持预设的非均匀温度分布。

10、所述的热挤压设备的加热控制系统中，挤压状态参数包括挤压行程、挤压压力或挤压速度，加热组件沿挤压方向划分为三段：入口预热区z1、塑性变形区z2与出口稳定区z3。

11、所述的热挤压设备的加热控制系统中，控制组件采用前馈补偿模块与反馈调节模块调节加热组件的加热功率分布，其中，前馈补偿模块根据挤压速度和挤压压力的变化提前调整加热功率，以抵消摩擦生热变化；反馈调节模块连接温度传感器以基于温度信息消除稳态温度偏差并抑制外界扰动，控制组件在每个控制周期计算g = max(|tin-tdef|, |tdef-tout|, |tin-tout|) -δtmax，当g>0时，调整出口区z3的加热功率及冷却流量以消除过热风险；当g<0且各区温度低于设定温度时，提升塑性变形区z2功率以确保塑性。其中，g为轴向温差约束裕度；tin为入口预热区z1对应位置的温度采样值；tdef为塑性变形区z2对应位置的温度采样值；tout为出口稳定区z3对应位置的温度采样值；δtmax为允许的轴向最大温差阈值。

12、所述的热挤压设备的加热控制系统中，待热挤压的材料为碲化铋材料，入口预热区z1目标温度为400 ℃、塑性变形区z2目标温度为420 ℃、出口稳定区目标温度为z3为400℃，轴向温差阈值δtmax=5 ℃，前馈补偿模块的前馈系数标定：在不装料条件下以不同挤压速度驱动压杆空行程，线性模型uff= kv·v + kf·f，其中kv、kf通过最小二乘法拟合得到。其中，δtmax为轴向最大温差阈值，单位为℃。其中，uff为前馈补偿功率(或等效前馈补偿加热功率)，单位为w；kv为速度前馈系数，单位为w·s/mm；v为挤压速度，单位为mm/s；kf为压力前馈系数，单位为w/kn；f为挤压力，单位为kn。

13、所述的热挤压设备的加热控制系统中，还包括设置于挤压模具出口区域的冷却装置，其在挤压完成后对材料实施受控冷却，以降低热应力并保持已形成的组织取向结构。

14、所述的热挤压设备的加热控制系统中，所述预设的非均匀温度分布为沿挤压方向呈梯度变化或非线性变化的温度分布。

15、所述的热挤压设备的加热控制系统中，所述加热组件包括电阻加热装置、感应加热装置或二者的组合；所述控制组件包括可编程逻辑控制器或工业计算机。

16、所述的热挤压设备的加热控制系统中，还包括围绕所述加热组件的隔热结构以及用于容纳热挤压成型对象的舱门结构。

17、热挤压设备的加热控制系统的方法包括，

18、将被挤压的材料装入挤压筒，并对系统抽真空；

19、启动加热组件，在热挤压过程中由控制组件根据实时获取的挤压状态参数，对各加热作用区的加热功率进行差异化动态调节，使被挤压材料在挤压方向上形成并维持预设的非均匀温度分布；

20、在所述预设的非均匀温度分布状态下实施热挤压，使材料发生稳定塑性变形并形成定向组织取向结构。

21、所述的方法中，被挤压材料为碲化铋基热电材料，包括n型或p型碲化铋基材料，热挤压完成后，沿挤压方向对挤出材料实施渐进式受控冷却，以抑制热应力并保留组织取向。

22、与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：通过将加热功率调节与挤压状态参数相结合，实现加热控制对挤压过程动态变化的响应，避免了仅依赖恒温控制导致的材料温度分布失衡问题；通过在挤压方向上形成预设的温度分布状态，提高材料在整个挤压过程中的塑性变形稳定性，抑制裂纹、分层等缺陷的产生；该系统控制方式不依赖特定的加热结构形式，具有良好的工艺适应性，适用于碲化铋基等对温度敏感或具有各向异性结构特征的热电材料加工过程；在连续生产条件下，有利于降低热扰动累积效应，提高制备过程的一致性与稳定性。

23、所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。