用于监测热冲压部件的质量的方法与流程

本公开涉及一种热冲压系统和一种用于监测在热冲压系统中成形的部件的质量以及优化热冲压系统循环时间的方法。

背景技术：

在汽车制造中对于高安全性、低重量和良好的燃料经济性的要求已变得越来越重要。为了满足所有的这些要求，在车身制造中高强度钢已变得越来越受欢迎，以改善碰撞性能并同时降低车辆的重量。可在室温下通过冷冲压或在使材料奥氏体化的高温下生产高强度钢。后一种工艺称为热冲压，热冲压是用于金属板的非等温的成形工艺，在该成形工艺中，成形和淬火发生在同一成形步骤中。与通过冷冲压工艺制造的部件相比，热冲压能够提供具有最小化的弹性后效(springback)、减小的板材厚度和优异的机械特性(诸如高强度)的部件。然而，热冲压是具有许多过程变量的相当复杂的工艺。因此，确保热冲压生产线高效地生产恒定质量的部件仍然是个挑战。由于传统的测量技术不能实时提供准确的信息，所以确定成形的部件是否获得期望的金相转变(metallurgicaltransformation)仍然是困难的。然而，在没有这样的确定的情况下，制造者不能有效地确保成形的部件拥有要求的机械特性。

技术实现要素：

在至少一个实施例中，公开了一种热冲压系统。所述热冲压系统包括控制器，所述控制器被配置为改变模具装置的循环时间，所述模具装置被配置为将金属热冲压成部件并具有主动冷却系统。改变模具装置的循环时间是基于从所述部件传递到所述主动冷却系统的热的量的，使得所述部件的晶粒结构从奥氏体状态转变为马氏体状态。改变所述循环时间可包括响应于所述热的量超过阈值量而减小所述循环时间。改变所述循环时间可包括响应于所述热的量小于阈值量而增大所述循环时间。可选地，改变所述循环时间可包括暂停所述模具装置的操作。所述热的量可以是基于与所述主动冷却系统关联的温度、入口流量和出口流量的。所述热的量可以是基于所述模具装置的温度或温度变化的。所述热的量可以是基于所述部件的温度或温度变化的。

在另一实施例中，公开了另一种热冲压系统。所述热冲压系统可包括模具装置，所述模具装置包括主动冷却系统。所述热冲压系统还包括控制器，所述控制器被配置为：使所述模具装置闭合以将金属热冲压成部件。所述控制器可被进一步配置为：响应于从所述部件传递到所述主动冷却系统的热的量超过阈值量指示所述部件从奥氏体到马氏体的相变，打开所述模具装置。所述控制器还可被配置为：响应于所述热的量小于阈值量而保持所述模具装置闭合。所述热的量可以是基于与所述主动冷却系统关联的温度、入口流量和出口流量的。所述热的量可以是基于所述模具装置的温度或温度变化的。所述热的量可以是基于所述部件的温度或温度变化的。

在又一实施例中，公开了一种用于热冲压部件的监测方法。所述方法可包括通过控制器改变模具装置的循环时间，其中，所述模具装置被配置为将金属热冲压成热冲压部件并具有主动冷却系统。改变模具装置的循环时间的操作是响应于从所述热冲压部件传递到所述主动冷却系统的热的量指示奥氏体到马氏体的微观结构转变的。改变模具装置的循环时间的操作可包括减小所述循环时间。改变模具装置的循环时间的操作可包括增大所述循环时间。改变模具装置的循环时间的操作可包括暂停所述模具装置的操作。所述热的量可以是基于与所述主动冷却系统关联的温度、入口流量和出口流量的。所述热的量可以是基于所述模具装置的温度或温度变化的。所述热的量可以是基于所述热冲压部件的温度或温度变化的。所述热的量还可以是基于与所述主动冷却系统关联的温度、入口流量和出口流量的和/或是基于所述模具装置的温度或温度变化的。

附图说明

图1描绘了根据一个实施例的热冲压过程的示例性示意图；

图2描绘了包含在图1中描绘的热冲压系统中的示例性热冲压压力机(hotstampingpress)的示意性侧视透视图；

图3描绘了根据一个或更多个实施例的热冲压系统的示意性侧视图，包括图2中描绘的热冲压压力机的截面图；

图4和图5示意性地示出了根据一个或更多个实施例的用于热冲压部件的质量监测和热冲压系统的循环时间优化的两组步骤。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应理解，公开的实施例仅为示例，其它实施例可采取各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。

除非明确地指明以外，否则在描述本发明的最宽范围时，在本描述中指示尺寸或材料特性的所有数量值都应被理解为由词语“大约”来修饰。

首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同一缩写在此的所有后续使用，并且规定于最初定义的缩写的常规语法变化准用之。除非明确地规定为相反的以外，否则对属性的测量由与前面或后面对于同一属性提及的技术相同的技术来确定。

热冲压(也被称为热成形或模压淬火)是在闭合模具中在金属非常热(通常超过900℃)的同时使金属成形并且随后对成形后的金属进行淬火的工艺。热冲压可以是直接的或间接的。热冲压工艺将低拉伸强度的金属转换成非常高强度(大约150至230千磅每平方英寸(ksi))的金属。在图1中示意性地绘制的典型的热冲压工艺中，在冲压生产线或热冲压系统22的第一阶段中，将诸如硼钢坯料10的可模压淬火的材料加热到大约900℃至950℃至奥氏体状态。第一阶段在连续进给熔炉12内部持续大约4至10分钟。自动传递系统14随后将奥氏体化后的坯料10传递至具有模具装置18的压力机16。这种传递通常耗费不到3s的时间。在材料非常热的同时坯料10在模具装置18中形成部件20。对坯料10进行冲压，并在达到拉延深度之后根据板材厚度在某一压力之下冷却坯料10持续特定时间量。在这个时期，通过将成形后的零件20(还被称作部件20)保持在闭合模腔(具有水冷系统)中而对其进行快速冷却或淬火。在行程的底部(就是在材料的晶粒结构从奥氏体状态转换为马氏体状态时)，以50℃/s至100℃/s的冷却速度淬火几秒钟。最终，部件20以大约150℃离开热冲压生产线。部件20具有相对高的机械特性：拉伸强度为大约1400mpa至1600mpa(200ksi至230ksi)且屈服强度为大约1000mpa至1200mpa(145ksi至175ksi)。

热冲压工艺相对于其他高强度钢以及先进的高强度钢成形方法(诸如冷冲压)提供许多优点。其中一个优点是提供去应力能力，这解决诸如通常与其他高强度钢成形方法相关联的弹性后效和翘曲的问题。此外，热冲压允许在单级模具中且仅在一个行程中成形复杂部件。因此，多部件总成可被重新设计并成形为一个部件，消除了后续的连接工艺(诸如焊接)并消除了对另外的部件的需求。这样可继而减小成形部件的总质量。

已发现热冲压部件20广泛应用于汽车工业。典型地，热冲压最适于成形同时要求轻量且坚固两者的部件。通过热冲压成形的示例性的汽车部件包括车身立柱、门槛(rocker)、车顶纵梁、保险杠、车门防撞梁、载重底架(carrierunderstructure)、安装板、前通道、前后保险杠、加强构件、纵梁以及要求其在翻车和受到冲击期间足够坚固以承受较大载荷而对乘客车厢产生最小侵入的其他汽车部件。因此，该方法能够生产在满足结构性能要求的同时使车辆尽可能少地增加重量的这种部件。

热冲压工艺是十分复杂的并因此存在许多过程变量，从而对鲁棒的质量控制系统产生需求。传统地，通过在热冲压循环开始和结束时测量部件温度来进行热冲压工艺的实时质量监测。通常使用高温计或红外摄像机来进行温度测量。然而，这种方法具有几个缺点。例如，红外摄像机温度测量值是相对不准确的。另一方面，高温计仅能够提供部件上一个特定位置的测量值。部件上的该位置的温度可能与其他位置的温度明显不同。此外，部件表面温度可能与部件内部温度不同，尤其是在较厚的部件中。用于部件质量控制的可选方法是破坏性测试。但是这种方法是耗时且昂贵的，因此这种方法仅在几个部件上进行。

因此，在冲压工艺期间获得部件温度测量值存在困难。然而，这个信息对确定部件是否获得期望温度继而是否获得要求的机械特性来说是关键的。这对在部件保持在模具中的同时确定部件是否获得阈值温度将会是有用的，这是因为一旦模具打开并且部件暴露于周围环境，部件就不能获得完成金相转变所必需的要求的冷却速率。因此，将期望知道部件是否达到阈值温度和何时达到阈值温度以及其他参数(诸如部件冷却得有多快、部件已冷却多少等)。具有这种信息将有助于确保生产具有一致的机械特性的部件。还将期望的是具有在部件放置在模具中的同时控制和调节模具装置的循环时间的能力。

根据一个或更多个实施例，热冲压系统22(诸如在图2和图3中绘制的一个)设置用于监测在上面描述的热冲压工艺期间从每个部件20获取的热的量。热冲压系统22对于直接的热冲压和间接的热冲压都是有用的。然后，数据用于确定在部件20中是否已出现要求的金相转变，并且响应于该数据，如果需要调节的话，则改变模具装置18的循环时间。

热冲压系统22包括热冲压压力机16。热冲压压力机16可以是包括图2中示出的传统部件(诸如模具装置18、坯料保持件28、冲头30等)的传统的深拉伸压力机、液压或伺服压力机。压力机16能够在部件20被淬火的同时保持其吨位处于行程的底部。如能从图3中观察到的，热冲压系统22还包括提供淬火的冷却系统24。冷却系统24可包括至少一个入口25和至少一个出口27。入口25和/或出口27可包括可被监测的多个冷却通道。为了提供高效的冷却系统24，压力机16的一些部分可被主动冷却。这些部分可包括冲头30、坯料保持件28和/或模具18。

在一个或更多个实施例中，冷却系统24可包括多个冷却通道，所述多个冷却通道被包含在上述系统22的一个或更多个部分中，冷却流体在所述多个冷却通道中循环。任何经济可行的冷却剂(诸如水)都可用作冷却系统24中的冷却流体。可利用泵40从流体储存罐38通过一个或更多个阀42供应流体。阀42可由一个或更多个控制器34控制。为了达到部件20的高达1600mpa的期望的拉伸强度，需要部件20的奥氏体到马氏体微观结构的完全的金相转变。因此，在部件中必须实现快于27℃/s的冷却速率以避免贝氏体或甚至铁素体-珠光体的转变。因此，冷却通道向部件提供>27℃/s或大约50℃/s至100℃/s的冷却速率进行急冷，这导致在大约420℃至280℃的温度间隔下部件从奥氏体到马氏体的相变。

如能从图3中进一步观察到的，热冲压系统22可包括监测多个变量(诸如周围温度、在关键测量位置的模具温度、冷却系统入口25的温度和/流量和/或出口27的温度和/或流量、传入的部件20的温度和/或温度分布和/或传出的部件20的温度和/或温度分布等或前述变量的组合)的传感器32。传感器32可以是电子传感器。传感器32可包括诸如高温计或监测温度谱的传感器(诸如红外摄像机)的单点传感器。可替代地，传感器32可以是热电偶或其它接触式传感器。传感器32可安装在热冲压系统22的多个部分上的测量位置。例如，高温计可安装为监测装载到熔炉12中的坯料10的温度。在一个或更多个实施例中，一个或更多个热电偶可安装在模具装置18中，靠近冷却系统24，使得热电偶可监测入口25温度和/或出口27温度。传感器32可继续向一个或更多个控制器34发送输入信号。

一个或更多个控制器34被配置为基于从部件20传递到冷却系统24的热的量的指示来改变模具装置18的循环时间。一个或更多个控制器34具有一个或更多个处理组件，诸如使控制器34处理输入数据的一个或更多个微处理单元(未描绘)。可由连接到控制器34的传感器32和/或计算机系统36提供输入数据。由计算机系统36提供的输入数据可包括包含部件20材料规格、重量、几何形状和/或厚度的部件20细节。输入数据还可包括诸如冷却液体热容量、用于相变的潜热和/或相变图表的材料特性。另外的输入数据可包括用于部件20的热处理曲线。该数据可在热冲压工艺之前和/或在该工艺期间被提供至控制器34。

由传感器32提供的输入数据可包括实时的冷却系统24的入口和出口的流量和温度、在预定测量位置处的实时的模具装置18温度、传入的部件的温度和温度分布、传出的部件的温度和温度分布或前述输入数据的组合。一个或更多个控制器34以设定的间隔将信号与预定设定点进行比较。如果输入信号偏离于设定点，则控制器34向系统22的一个或更多部分提供修正的输出信号。所述一个或更多部分负责打开模具装置18、闭合模具装置18、暂停热冲压系统22等或前述操作的组合。在至少一个实施例中，在热冲压系统22中使用一个以上的控制器34。例如，单独的控制器34可针对热冲压压力机16而设置，并且单独的控制器34可针对冷却系统24而设置。在另一实施例中，入口25和出口27的流量数据可由独立于模具装置控制器34的控制器34收集。一个或更多个控制器34可互相通信和/或与热冲压系统22的其他部分通信。

基于部件和材料特性输入数据，控制器34确定需要从部件20获取的热的阈值量(也被称为热获取目标qt)。基于实时监测的输入数据，控制器34实时计算从每个部件20获取的热(也被称为获取的热qe)。一旦达到模具装置18的稳态，控制器34就可高效地确定部件20中是否已经出现需要的金相变，从而确定是否已获得部件20的要求的机械特性。虽然一旦达到稳态，模具装置18中的温度就不会改变，但是会出现周围温度的变化。因此，一旦模具装置18达到稳态就可针对周围温度的变化通过监测周围温度并调节计算进行适应。在每个循环中、每隔一个循环、每三个循环、在随机的循环等中，一个或更多个控制器34可处理输入数据并计算热的阈值量。

一个或更多个控制器34可基于从部件20传递到冷却系统24的热的量的指示而动态地改变模具装置18的循环时间。一个或更多个控制器34还可被配置为通过暂停模具装置18的操作来改变循环时间。如果模具装置18打开且将要从部件20获取的热的阈值量没有得到满足，则控制器34可使热冲压系统22暂停。随后，一个或更多个控制器34可响应于所述热的量小于计算的阈值量而增大循环时间。可替代地，控制器34可通过响应于所述热的量超过阈值量而减小循环时间(因此缩短模具装置18中的后续的部件20的保持时间)来改变循环时间。因此，循环时间被优化为生产具有要求的特性的部件20同时保持热冲压生产线或系统22高效。如果模具装置18打开且热的阈值量得到满足，则一个或更多个控制器34可被配置为读取后续传入的部件20的实时温度、计算将要从后续部件20获取的热能、读取入口和出口的流量和温度、计算已从后续部件20获取的热的量或前述数据的组合。

在一个或更多个实施例中，控制器34可被配置为闭合模具装置18并响应于从部件20传递到冷却系统24的热的量超过阈值量的指示，打开模具装置18。控制器34可被配置为保持模具装置18闭合直到已从模具装置18中的部件20获取了阈值量的热。因此，部件20保持在模具装置18中直到qe＝qt或qe>qt。为了获得优化效率的热冲压系统22，期望控制器34一确定已从部件20获取了阈值量的热就从模具装置18移除部件20。这允许在监测部件质量的同时优化热冲压的循环时间。

热冲压系统22还可包括诸如熔炉12的部分，在压力机的上游，熔炉能够将坯料10加热至大约900℃以上。因为加热后的坯料10非常热，所以设置至少一个自动化的部件搬运系统(诸如往返运输机(shuttle)或自动传递系统14)用于将加热后的坯料10从熔炉12传递到热冲压压力机16和/或从压力机16传递到排出仓。热冲压系统22还可包括另外的站台，诸如清洁单元、切边单元、用于部件20的切割的单元等或者上述单元的组合。

在一个或更多个实施例中，提供一种用于热冲压部件的质量监测的方法。该方法适用于直接的热冲压和间接的热冲压两者。该方法可包括通过确定将要从部件20获取的热的阈值量是否已得到满足来确定是否已获得部件20的期望机械特性。该方法还可包括通过控制器34响应于从热冲压部件20传递到冷却系统24的热的量的指示而改变模具装置18的循环时间，模具装置18被配置为将坯料10冲压成热冲压部件20并具有主动冷却系统24。

上面描述了在热冲压系统22中将坯料10成形为热冲压部件20的步骤。可将加热后的坯料10插入到具有冷却系统24的冲压模具装置18中一段时间。可通过将成形后的部件20保持在闭合模具装置18中一段时间而进行淬火。

该方法可包括将与冷却系统24的冷却流体、热冲压系统22、坯料10、部件20或它们的组合相关的输入数据输入和/或更新至计算机系统36中。输入数据可被提供至一个或更多个控制器34。随后可处理输入数据，可计算将要从部件20获取的热的阈值量，并且基于计算的阈值量，可对循环时间进行优化。

可包括将用于监测过程变量并向一个或更多个控制器34提供输入数据的一个或更多个电子传感器32安装在热冲压系统22内的预定位置的步骤。可基于提供到控制器34的要求的数据选择一个或更多个传感器32的测量位置。可持续地或间断地监测诸如入口通道或出口通道、模具装置18或热冲压系统22的其他部分的测量位置。可监测入口流道的温度和/或流量和/或出口流道的温度和/或流量。此外，可监测传入的部件20的温度和/或温度分布和/或传出的部件20的温度和/或温度分布。可在一个或更多个测量位置监测冲压模具装置18的温度。可将来自传感器32的数据持续地提供到控制器34。可通过控制器34接收来自传感器32的输入信号。控制器34可向热冲压系统22的一部分或更多部分发送输出信号。

该方法可包括检查模具装置18的温度是否稳定。当达到稳态时，可改变模具装置18的循环时间。所述改变可包括响应于从热冲压部件20传递到冷却系统24的热的量超过阈值量而减小循环时间。可响应于所述热的量小于阈值量而增大循环时间。改变循环时间可包括暂停模具装置18、热冲压系统22或这两者的操作持续一段时间。当暂停操作时，可改变循环时间以满足将要从部件20获取的热的阈值量。模具装置18、热冲压系统22或这两者的操作可在优化循环时间之后重新开始。

在一个或更多个实施例中，该方法还可包括闭合模具装置18且响应于从部件20传递到冷却系统24的热的量超过阈值量的指示而打开模具装置18。可响应于从部件20传递到冷却系统24的热的量小于阈值量的指示而保持模具装置18闭合。模具装置18可保持闭合直到阈值量得到满足。控制器34可接收输入数据直到阈值量得到满足。

图4示出用于热冲压部件的质量监测的方法400。该方法可始于框402处，在框402处控制器34控制将坯料/部件插入到模具装置18中。在一个示例中，控制器34向热冲压系统22的一个或更多个子系统传输命令以将部件插入到模具装置18中。在框404处，控制器34诸如通过接收来自传感器32的信号来检查模具装置温度是否稳定。随后，在框406处，控制器34计算将要从部件获取的热的阈值量qt。此外，在框408处，控制器34读取来自传感器32的实时输入信号，并在框410处计算从部件获取的热的量qe。该方法可继续到框412处，在框412处控制器34评估是否qe≥qt。如果在框412处的答案为否，则控制器34在框414处使系统停止并在框416处增大循环时间。如果在框412处评估是否qe≥qt的答案为是，则控制器计算将要从部件获取的热的阈值量以用于下一个部件。

图5示出用于热冲压部件的质量监测的方法500的另一实施例。该方法可始于框502处，在框502处控制器34命令将坯料/部件插入到模具装置18中。控制器34在框504处进一步闭合模具装置18，在框506处检查模具装置18的温度是否稳定，并在框508处确定将要从部件获取的热的阈值量。在框510处，控制器34还读取来自传感器32的实时输入信号，并在框512处计算从部件获取的热的量，在框514处，当获取了阈值量的热时控制器34打开模具装置18。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机或由处理装置、控制器或计算机来实现，处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可按照许多形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述形式包括但不限于：永久存储在不可写存储介质(诸如rom装置)上的信息和可变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、cd、ram装置和其它磁介质和光介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可以以软件可执行对象的方式实现。可选地，所述处理、方法或算法可利用适合的硬件组件(诸如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或硬件、软件和固件组件的组合被整体或部分地实现。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如之前所描述的，可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步实施例。虽然多个实施例可能已被描述为提供优点或在一个或更多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定应用。