一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统、方法和装置与流程

1.本发明属于热冲压成形加工制造领域，具体涉及一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统、方法和装置。


背景技术：

2.汽车轻量化成为适应节能减排、提高汽车行业安全性能的新主流趋势。研究表明当车重减轻100公斤时，百公里油耗可减少0.3～0.6升，二氧化碳排放量减少5～6％。热冲压工艺作为一种可以减轻白车身重量、提高碰撞安全性的新型制造工艺，已在全球汽车制造业中得到广泛应用。采用传统的热冲压技术，高强度钢板首先加热至完全奥氏体化，然后模淬成均匀抗拉强度为1500兆帕的冲压件。但是，有些车身的冲压件并不要求整体均质的高强度，而是需要适度的强度差，这既有利于车辆的轻量化还可以兼顾安全性。以b柱为例，其上部由于靠近驾乘人员躯干，应具有较高的抗拉强度但延展性较低，以增强抗变形能力、提高抗侵入性和良好的驾乘空间完整性保护能力，而下部应具有较高的伸长率但较低的强度，以增强能量吸收能力。
3.为了生产具有此类定制特性的车身零件，人们已经开发了一些基于传统热冲压工艺的方法，例如电阻加热、差异冷却和使用定制板料拼焊等。然而，由于初始板料的厚度分布不均匀以及某些零件拥有复杂的几何形状，导致这些成形工艺方法更加复杂，额外的工艺步骤增加了加工时间和总工艺成本；并且工装系统设计也变得相对复杂，以根据定制特性的部件区域采用特定的冷却策略和退火策略。尽管这些方法能够形成具有定制特性的零件，但它们要么技术过于复杂，要么耗费时间和成本，都不利于工业应用。现有技术方案对具有定制特性的热冲压成形板材缺乏设计灵活性，不利于优化设计汽车轻量化零件的整体性能。
4.基于感应加热的方法可以在工艺灵活性和能源效率之间取得良好的平衡。感应加热方式可以加热多种板材，既能适应不同形状和尺寸的板材，同时加热速度快，效率高。而且这种方法还是节能的，因为热量是从板材工件的内部产生。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术不足之处，提供一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统、方法和装置，其优点是采用积木式模块组合，结构简洁，能耗低，节拍快，便于系统安装、维护和使用，更有利于用户调整、优化具有定制特性的热冲压成形板材生产工艺过程。
6.下面概括与原始要求保护的发明范围相称的某些实施例。这些实施例不旨在限制要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以包括与以下阐述的实施例相似或不同的多种形式。
7.在第一实施例中，所述的一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统包括：
(一)工艺参数与人机界面系统，用于提供用户与所述加热装置的接口，使用户可以通过按钮、图形、文字、颜色、指示灯等多种部件组合，来监控、管理、记录所述加热装置的工作状态、性能和工艺参数。(二)变频电源系统，通过感应加热工具发送高频交变电流，快速交变的磁场穿透板材工件，并在工件内部产生称为涡流的电流。(三)运动与加热控制系统，其功能包括：控制所述的分布式定制温区加热装置中隔热罩的打开与关闭，以使板材工件进入与离开分布式定制温区；通过检测工件温度传感器、变频电源系统、冷却液循环系统构成闭环测控温系统，实现对应感应加热工具区域的板材工件定制特性的工艺过程控制。(四)冷却液循环系统，提供穿过感应加热工具、隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器的冷却液，以使感应加热工具、隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器工作在各自适合的温度区间内。
8.在第二实施例中，所述的一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热方法包括如下步骤：
9.步骤1，所述的一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置根据所述的工艺参数与人机界面系统中用户所设置的工艺参数，通过所述的运动与加热控制系统检查自身系统，以及所述的变频电源系统和冷却液循环系统的各项参数是否处于正常的工作状态；如果各系统的各项参数都正常，则进入步骤2；否则，所述的加热装置在所述的工艺参数与人机界面系统中发出提示或者报警，等待用户进行相应的处理；
10.步骤2，所述的加热装置打开隔热罩，板材工件进入所述的加热室内所包含的第一感应加热工具和第二感应加热工具之间的分布式温度控制区，所述的加热装置关闭隔热罩，然后进入步骤3；
11.步骤3，所述的变频电源系统开始输出通过第一感应加热工具、第二感应加热工具的高交变频率强电流ac1和ac2，使位于第一感应加热工具和第二感应加热工具之间的板材工件开始受热升温，形成分布式的定制温区tz1和tz2，然后进入步骤4；
12.步骤4，所述的检测板材工件温度传感器反馈检测到的定制温区tz1、tz2的实际温度值tzv1、tzv2，如果没有达到板材工件定制特性所需的目标温度值tztv1、tztv2，则所述的变频电源系统继续输出交变频率强电流ac1和ac2，然后进入步骤5；
13.步骤5，所述的检测板材工件温度传感器反馈检测到的定制温区实际温度值tzv1、tzv2，如果已经到达板材工件定制特性所需的目标温度值tztv1、tztv2，则所述的变频电源系统继续输出交变频率强电流ac1和ac2，并保持时间tzta1和tzta2直至到达定制板材工件特性所需的设定时间值tzts1和tzts2，然后进入步骤6；
14.步骤6，所述的变频电源系统停止输出高交变频率强电流ac1和ac2，所述的加热装置打开隔热罩，板材工件离开所述的加热装置，然后进入步骤1。
15.所述的加热装置在步骤1到步骤6的运行过程中，所述的运动与加热控制系统持续监测所述的加热系统中所包括的各个系统的各项工作参数是否正常；如果出现异常，则所述的加热装置中断运行当时的步骤，在所述的工艺参数与人机界面系统中发出提示或者报警，等待用户进行相应的处理；用户处理完毕后，所述的加热装置根据用户指示从步骤1开始运行。
16.在第三实施例中，所述的一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置采用积木式模块结构，每个单元模块包括：(一)感应加热工具，包括：第一感应加热工具，配置成位
于板材工件的定制低温区的上方和下方；第二感应加热工具，配置成位于板材工件的定制高温区的上方和下方。(二)冷却液循环装置，配置成使冷却液穿过第一感应加热工具、第二感应加热工具，以及隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器的冷却区，以使第一感应加热工具、第二感应加热工具、隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器工作在各自适合的温度区间内。(三)变频电源系统，配置成使高交变频率的强电流ac1、ac2分别通过第一感应加热工具、第二感应加热工具，以使位于第一感应加热工具和第二感应加热工具之间的热冲压成形板材中形成分布式的定制温区tz1和tz2。(四)运动与加热控制装置，包括：隔热罩，配置成位于隔热门的外部，用于形成封闭式的板材工件加热空间；检测工件温度传感器，配置成位于板材工件分布式定制温区空间的上部，用于实时检测板材工件的温度状态，并和变频电源系统、冷却液循环系统构成闭环测控温系统，实现对板材工件定制特性的工艺过程控制。
17.所述的加热装置的单元模块包括上述的四个组成部分，还可以根据不同用户的设备成本、场地空间和生产节拍需求，将多个所述的加热装置单元模块采用横向、纵向方式进行组合，构成积木式的多模块加热设备。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
19.图1示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统总体结构图；
20.图2示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块俯视图；
21.图3示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块前视图；
22.图4示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块右视图；
23.图5示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块前视图中的左侧局部视图；
24.图6示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块俯视图中的感应加热工具、磁通器和温度传感器的布置图；
25.图7示意性地示出了根据本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热方法图。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所描述的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示
意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
28.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
29.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
30.如以下详细讨论的，所公开的实施例提供了一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统、方法和装置，以通过分布式定制温区来改变热冲压成形板材中不同区域的材料特性。所述的热冲压成形板材包括高强度钢板、铝合金板、复合材料板等适用于热冲压成形加工的可导电板材。由于法拉第电磁感应定律，当可导电板材工件被放置在一个强交变磁场中时，工件中会产生与交变磁场频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，形如水中的漩涡，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，磁场变化越快，感应电动势就越大，涡流就越强，能够将工件迅速加热。由于是非接触式加热方式，很大程度上避免了工件的污染并获得有利的压缩残余应力。
31.图1是一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热系统10总体结构的示意图，包括：(一)工艺参数与人机界面系统20，用于提供用户与所述加热装置的接口，使用户可以通过按钮、图形、文字、颜色、指示灯等多种部件组合，来监控、管理、记录所述加热装置的工作状态、性能和工艺参数。(二)变频电源系统30，通过感应加热工具发送高频交变电流，快速交变的磁场穿透板材工件，并在工件内部产生称为涡流的电流。(三)运动与加热控制系统40，其功能包括：控制所述的分布式定制温区加热装置中隔热罩的打开与关闭，以使板材工件进入与离开分布式定制温区；通过检测工件温度传感器、变频电源系统、冷却液循环系统构成闭环测控温系统，实现对应感应加热工具区域的板材工件定制特性的工艺过程控制。(四)冷却液循环系统50，提供穿过感应加热工具、隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器的冷却液，以使感应加热工具、隔热门、变频电源系统、检测工件温度传感器工作在各自适合的温度区间内。
32.所述的加热系统10的用户可以通过工艺参数与人机界面系统20控制各项工艺参数，并查看各子系统反馈的运行状态信息，包括：(一)工艺参数与人机界面系统20根据用户输入的配置参数和控制信号生成变频电源系统30运行时需要的工艺参数目标控制信号203，比如目标交变电流频率cf0、目标功率密度pd0和目标相互作用时间ht0；变频电源系统30接收到工艺参数目标控制信号203后，一方面向工艺参数与人机界面系统系统20反馈接收确认以及变频电源系统30的实时运行状态信号302，比如实际交变电流频率cf1、实际功
率密度pd0和实际相互作用时间ht0；同时变频电源系统30根据工艺参数目标控制信号203生成特定工作循环时长，特定电流和电压值的交变电流ac0目标控制信号304发送到运动与加热控制系统40；运动与加热控制系统40接收到交变电流ac0目标控制信号304后，向变频电源系统30反馈接收确认信号403。(二)工艺参数与人机界面系统20根据用户输入的配置参数和控制信号生成运动与加热控制系统40运行时需要的目标控制信号204，比如工件上分布式定制温区的目标温度值tt0、打开隔热罩om0、关闭隔热罩cm0；运动与加热控制系统40接收到目标控制信号204后，向工艺参数与人机界面系统系统20反馈接收确认以及运动与加热控制系统40的实时运行状态信号402，比如工件上分布式定制温区的实际温度值tt1、隔热罩打开到位om1和隔热罩关闭到位cm1。(三)工艺参数与人机界面系统20根据用户输入的配置参数和控制信号生成冷却液循环系统50运行时需要的目标控制信号205，比如冷却液的目标流量cff0、目标压力cfp0、目标温度cft0；冷却液循环系统50接收到目标控制信号205后，一方面向工艺参数与人机界面系统系统20反馈接收确认以及冷却液循环系统50的实时运行状态信号502，比如冷却液的实际流量cff1、实际压力cfp1和实际温度cft1；同时冷却液循环系统50根据目标控制信号205产生特定流量、压力和温度的冷却液cfs0，经输出管路503和504进入变频电源系统30和运动与加热控制系统40中，再由输入管路305和405返回冷却热循环系统中。
33.在所述的实施例中，变频电源系统30生成的特定工作循环时长ct0，特定电流cv0和电压值vv0的交变电流ac0信号304是根据所加热的板材工件材料、尺寸以及热冲压成形后需要达到的抗拉强度、延伸率等规格指标经仿真及试验确定的。这些控制参数值cf0、pd0和ht0等作为加热配方数据，通过加热系统10的用户输入并保存到工艺参数与人机界面控制系统20中。
34.图1中变频电源系统30在输出交变电流ac0目标控制信号304到运动与加热控制系统40之前，冷却液循环系统50要使冷却液cfs0经输出管路503进入变频电源系统30，再由输入管路305返回冷却热循环系统中，同时要经过图2、图3、图4所示的冷却热管路200穿过感应加热工具300、检测工件温度传感器600、隔热门805，并从输出回路405返回冷却液循环系统50，以使运动与加热控制系统40中的感应加热工具300、检测工件温度传感器600、隔热门805以及变频电源系统30工作在各自适合的温度区间内。
35.图2、图3、图4、图5、图6分别是一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置模块俯视图100、前视图103、右视图105、前视图中的左侧局部视图111以及俯视图中的第一感应加热工具303、磁通器400和温度传感器600的布置图109，其中包括：(一)冷却液管路200，提供冷却液cfs0在分布式定制温区加热装置模块中流动的循环回路；在本技术的一个实施例中采用蒸馏水作为冷却液cfs0，要求水压达到0.12～0.2mpa，水的硬度不大于0.017g/l，水的电阻不小于4kω/cm3。(二)感应加热工具300，通过所述变频电源系统30所输出的交变电流ac0，以产生感应交变磁场；在本技术的一个实施例中，感应加热工具300位于保温室外壳700的上、下两侧，如图3、5、6中所示，带有磁通器400的感应加热工具300称为第一感应加热工具303，不带有磁通器400的感应加热工具300称为第二感应加热工具305；在本技术的一个实施例中，如图6所示，感应加热工具300由具有空心矩形横截面的液冷铜管组成，因为矩形横截面的感应加热工具300更容易安放在被加热的板材工件500附近，并产生更均匀的涡流和加热效果；感应加热工具300的内部流过冷却液cfs0，用以冷却感应加
热工具300，延长其工作寿命。(三)磁通器400，如图6中所示，在本技术的一个实施例中是多个环状的导磁体，布置在第一感应加热工具303上，并且和分布式定制温区的位置相对应；其磁导率远大于被加热板材工件500，优先通过感应加热工具300产生的感应交变磁场，使得被加热板材工件500中对应磁通器400区域的感应涡流减小，温升小，从而形成分布式定制的低温区，而没有布置磁通器400的第二感应加热工具305对应的板材工件500中的感应涡流没有变化，成为分布式定制的高温区；通过合理布置多个磁通器400形成磁通器组，可以定制不同的温度区域，从而形成分布式的可定制温度场，而且还可以有效降低较高温度区域的最大值。(四)板材工件500，即需要分布式定制温区的高强度钢板、铝合金板、复合材料板等适用于热冲压成形加工的可导电板材工件，位于所述加热装置模块的中部。(五)温度传感器600，如图6中所示，在本技术的一个实施例中布置在感应加热工具300的中心位置，用于检测板材工件500的表面温度，以形成所述运动与加热控制系统40中测控温的闭环系统；在本技术的一个实施例中用耐高温(650～1200℃)的特制测量头(直径小于1.5mm)红外光导纤维比色温度仪作为温度传感器600，其最小分辨率为1℃，响应时间＜0.1s，精度为满量程的
±
0.5％，采取靠近板材工件500的测量方法，可以大大减少各种干扰的影响。(六)保温室外壳700，如图6中所示，在本技术的一个实施例中布置在感应加热工具300的中间位置，用来充当储热器，类似于熔炉加热系统；在本技术的一个实施例中采用厚度5毫米的纳米微孔绝热板构成保温室外壳700，使板材工件500的温度均匀性得到增强。(七)加热装置外壳800，是所述加热装置模块的外部壳体，提供加热装置模块附属部件安装、固定的整体框架；在本技术的一个实施例中加热装置外壳800采用厚度10毫米的纳米微孔绝热板，最高温度不高于环境温度+40℃。(八)隔热门805，固定于加热装置外壳800的前部；在本技术的一个实施例中采用厚度5毫米的纳米微孔绝热板防止所述加热装置模块内部热量发散。(九)隔热罩900，位于加热装置外壳800的前部，受所述运动与加热控制系统40的控制执行打开与关闭动作。(十)旋转轴901，位于加热装置外壳800的下部，受所述运动与加热控制系统40的控制执行旋转动作。(十一)隔热罩底座902，作为支撑件固定在加热装置外壳800的左、右两侧。(十二)螺纹杆903，位于加热装置外壳800的左、右两侧，用于支撑隔热罩900，在旋转轴901的带动下旋转，从而使隔热罩900打开与关闭。(十三)电机904，位于加热装置外壳800的右侧，受所述运动与加热控制系统40的控制带动旋转轴901执行旋转动作。(十四)螺纹杆套筒905，位于加热装置外壳800的左、右两侧下部，支撑螺纹杆903的上升与下降。(十五)工件底座a00，位于所述加热装置模块的中部，用来放置多个板材工件500。
36.图7是本技术一个实施例的热冲压成形板材的分布式定制温区加热方法图107，包括如下过程：
37.步骤1：系统自检s01，所述的一种热冲压成形板材的分布式定制温区加热装置根据所述的工艺参数与人机界面系统20中用户所设置的工艺参数，通过所述的运动与加热控制系统40检查自身系统，以及所述的变频电源系统30和冷却液循环系统50中各项参数是否处于正常的工作状态；如果各系统的各项参数都正常，则进入步骤2；否则，所述的加热装置在所述的工艺参数与人机界面系统20中发出提示或者报警，等待用户进行相应的处理；
38.步骤2：工件上料s02，所述的加热装置打开隔热罩900，板材板材工件500进入保温室外壳700内所包含的第一感应加热工具303和第二感应加热工具305之间的分布式温度控制区，所述的加热装置关闭隔热罩900，然后进入步骤3；
39.步骤3：工件升温s03，所述的变频电源系统开始输出通过第一感应加热工具303、第二感应加热工具305的高交变频率强电流ac1和ac2，使位于第一感应加热工具303和第二感应加热工具305之间的板材板材工件500开始受热升温，形成分布式的定制温区tz1和tz2，然后进入步骤4；
40.步骤4：测量温度s04，所述的检测板材工件温度传感器600反馈检测到的定制温区tz1、tz2的实际温度值tzv1、tzv2，如果没有达到板材板材工件500定制特性所需的目标温度值tztv1、tztv2，则所述的变频电源系统30继续输出交变频率强电流ac1和ac2，然后进入步骤5；
41.步骤5：测量时间s05，所述的检测板材工件温度传感器600反馈检测到的定制温区实际温度值tzv1、tzv2，如果已经到达板材板材工件500定制特性所需的目标温度值tztv1、tztv2，则所述的变频电源系统30继续输出交变频率强电流ac1和ac2，并保持时间tzta1和tzta2直至到达定制板材板材工件500特性所需的设定时间值tzts1和tzts2，然后进入步骤6；
42.步骤6：工件下料s06，所述的变频电源系统30停止输出高交变频率强电流ac1和ac2，所述的加热装置打开隔热罩900，板材板材工件500离开所述的加热装置，然后进入步骤1。
43.所述的加热装置在步骤1到步骤6的运行过程中，所述的运动与加热控制系统40持续监测所述的加热系统中所包括的各个系统的各项工作参数是否正常；如果出现异常，则所述的加热装置中断运行当时的步骤，在所述的工艺参数与人机界面系统20中发出提示或者报警，等待用户进行相应的处理；用户处理完毕后，所述的加热装置根据用户指示从步骤1开始运行。