專利名稱：一種熱成形零件的定制設備及其方法
技術領域：
本發明涉及熱成形工藝技術領域中的零件定制，特別涉及輕量化、高性能的汽車用熱成形零件的定制設備及其方法。
背景技術：
獲得輕質高強的耐碰撞安全零件經歷了由激光拼焊板、定制鋼材、熱成形、激光拼焊板熱成形、連續變截面板熱成形到先進的定制回火、定制熱成形技術的發展歷程。隨著產品質量提高和成本降低的要求日益強化，鋼材或零件用戶要求鋼鐵企業能夠提供近終形鋼材或坯料的趨勢加強。從汽車用高強度鋼板的發展歷程可以清楚地看出定制鋼材或零件發展的必由之路。
隨著產品質量提高和成本降低的要求日益強化，鋼材用戶企業要求鋼鐵企業能夠提供近終形鋼材或坯料的趨勢加強。為此，急需開發一種高性能的汽車用熱成形零件的定制設備及其方法。發明內容
本發明提供一種熱成形零件的定制設備及其方法，可以大幅度提高零件性能、減輕零件重量、減少鋼材消耗，達到材料減量化和性能高級化的目的。
根據本發明的一方面，提供一種熱成形零件的定制設備，包括設計系統和制造系統，所述制造系統包括加熱裝置，包括多個不同的加熱區，并且設置有多個控溫儀，所述多個不同的加熱區用于對坯料的不同部位加熱，所述多個控溫儀用于控制所述多個不同的加熱區的加熱溫度；快速壓力機及模具，對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形；模具熱循環管理器，用于控制安裝在快速壓力機上的模具各部位的溫度；三維激光切割機，用于對快速熱沖壓成形的工序件進行切割，以制造定制零件。
此外，所述設計系統包括分析平臺，用于設計零件的數學模型；零件試驗裝置， 用于對零件的使用性能進行測試及評估；數據處理平臺，用于基于數據模型生成生產數據， 將生產數據提供給制造系統，以制造定制零件。
此外，所述零件試驗裝置包括靜態試驗單元和動態試驗單元，用于對零件進行各種靜態和動態試驗。
此外，分析平臺設計零件樣品的數學模型，并根據零件試驗裝置的反饋信息修正零件樣品的數學模型，從而生成零件的定制方案。此外，數據處理平臺基于零件樣品的數學模型生成用于加工零件樣品的生產數據，并根據零件的定制方案生成用于加工定制零件的生產數據。
此外，所述多個控溫儀的數量與所述多個不同的加熱區的數量對應。
此外，所述加熱裝置是設置有不同加熱區的輥底式加熱爐或感應式加熱爐
此外，所述模具熱循環管理器包括低溫模塊，用于布置冷卻循環水道，獲得零件的馬氏體組織；高溫模塊，用于布置保溫裝置，獲得零件的鐵素體或珠光體組織。
此外，所述低溫模塊控制零件的冷卻速度不低于27°C /s ；所述高溫模塊控制零件的溫度范圍在300 500°C。
根據本發明的另一方面，提供一種熱成形零件的定制方法，包括以下步驟對坯料不同部位進行加熱，其中，不同部位的加熱溫度被分別控制；對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形；控制進行快速熱沖壓成形的模具各部位的溫度；對快速熱沖壓成形的工序件進行切割，以制造定制零件。
此外，所述熱成形零件的定制方法還包括以下步驟設計零件樣品的數學模型； 基于零件樣品的數學模型生成用于加工零件樣品的生產數據；進行零件樣品的性能測試； 基于通過各種試驗獲得的測試及評估數據生成零件的定制方案；基于零件的定制方案生成用于加工定制零件的生產數據。
本發明通過生產前的性能分析和優化設計、生產中精確控制加熱溫度和對模具熱循環進行合理管理，實現零件各部位組織和性能的定制化處理。通過對關鍵技術路線、生產工序和設備系統的改進和創新，可以充分發揮材料和工藝的潛力、大幅度提高零件性能、減輕零件重量、減少鋼材消耗，不但促進了鋼材生產和應用的高效化和減量化，同時還可以形成相關的新興高附加值加工制造產業，其產業關聯度大。
圖1為根據本發明的熱成形零件定制設備的結構示意圖。
圖2為根據本發明的熱成形零件定制方法中的設計過程的流程示意圖。
圖3為根據本發明的熱成形零件定制方法中的制造過程的流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的實施例作詳細說明。
本發明提供一種熱成形零件的定制設備及定制方法，以零件成形、淬火一體化的熱成形工藝方法為技術基礎，通過對定制熱成形零件開發過程中的關鍵環節定制產品設計、坯料精確控溫、模具熱循環管理進行優化設計和總體控制，實現零件各部位組織和性能的定制化處理，從而開發出符合性能要求的定制零件或鋼材。
如圖1所示，根據本發明的熱成形零件定制設備包括設計系統110和制造系統 120，其中，設計系統110可包括分析平臺111、零件試驗裝置112和數據處理平臺113。
分析平臺111用于設計零件的數學模型。具體地講，分析平臺111設計零件樣品的數學模型，并根據零件試驗裝置112的反饋信息修正零件樣品的數學模型，從而生成零件的定制方案。進一步講，分析平臺111首先根據操作者的輸入命令設計零件樣品的數學模型，在制造出零件樣品后開展基于數值模擬的零件材料性能梯度優化設計，并根據優化設計確定零件組織性能梯度分布，完成零件的定制化設計并確定原料鋼材以及零件的力學性能分布，經零件在應用結構中的受力分析后確定零件的形狀尺寸模型和材料梯度分布模型，作為零件的定制方案。分析平臺111可借助的有限元分析軟件包括LS-DYNA、 Pam-Mamp、Aut0f0rm、AnSyS等，可開展包括汽車碰撞仿真模擬、熱成形性分析、冷卻水流動及熱循環分析、熱脹冷縮及回彈分析等。
零件試驗裝置112包括零件靜態試驗單元和零件動態試驗單元，用于對零件(即，零件樣品)的使用性能進行測試及評估。具體地講，零件試驗裝置112進行的零件性能測試包括三點彎曲試驗、落錘沖擊試驗、零件和車體(或車體子結構)的靜壓或移動壁障碰撞試驗、整車試驗等。通過對零件的使用性能進行測試及評估，零件試驗裝置112可對分析平臺111預測不到的開裂、起皺等問題進行分析并解決，正確評估零件樣品的服役性能。零件試驗裝置112將通過各種試驗獲得的測試及評估數據作為反饋信息發送到分析平臺111， 以便分析平臺111生成零件的定制方案。
數據處理平臺113從分析平臺111接收數據模型，基于數據模型生成生產數據，將生產數據提供給制造系統120，以制造零件。具體地講，數據處理平臺113接收分析平臺111 設計的零件樣品的數學模型，生成用于加工零件樣品的生產數據。生成的生產數據被提供給制造系統120，以制造零件樣品。另一方面，數據處理平臺113還接收分析平臺111生成的零件的定制方案，并生成用于加工定制零件的生產數據。實際上，只有完全通過上述分析和真實試驗驗證后零件的定制方案方可最終確定，并由數據處理平臺113進行綜合整理出加工流程必須的生產數據，才可完成零件設計，所生成的生產數據供制造系統120生產定制零件使用。
根據本發明，分析平臺111及數據處理平臺113可由一臺計算機或多臺計算機組成。
制造系統120設置有依次連接的板坯落料機121、控溫儀12 和122b、加熱裝置 123，板坯移送裝置124、模具熱循環管理器125、快速壓力機及模具126(其中，模具安裝在快速壓力機上)、零件移送裝置127及三維激光切割機128。
根據本發明的實施例，加熱裝置123可包括多個不同的加熱區。具體地講，加熱裝置123可采用設置有不同加熱區的輥底式加熱爐或感應式加熱爐。
輥底式加熱爐全球已有的熱成形生產線大部分采用的均為輥底式連續加熱爐， 部分采用帶旋轉功能的加熱爐。然而，根據本發明的實施例的輥底式加熱爐基于定制零件處理所需的不同的加熱溫度在爐膛內設置有不同的加熱區，并且在不同的加熱區之間設置有可移動的隔熱板。根據本發明的實施例，通過移動隔熱板，可以對各個加熱區的大小進行控制。
感應式加熱爐目前熱成形加熱爐部分的最新進展是感應式加熱的應用。感應式加熱裝置能耗低、占地面積小，加熱方式靈活，可有效的控制坯料不同部位的加熱溫度，是較輥底式加熱更為理想的精確加熱方式。根據本發明的實施例的感應式加熱爐中設置有可移動的感應線圈，從而可通過移動感應線圈來實現多個不同的加熱區。這樣，可使用不同的加熱溫度來加熱坯料的不同部位。因此，根據本發明的實施例的感應式加熱爐易于操作，成本低廉，并且功耗很低。
另外，在加熱裝置123的首尾設置兩個控溫儀12 和122b，從而能精確控制坯料各部位加熱溫度分布。根據本發明的實施例，控溫儀可設置在加熱裝置123的內部，并且控溫儀的數量不限于兩個，而是可根據加熱區的數量來設置。
根據本發明的實施例，為了保證能在熱成形零件中形成較完整的馬氏體組織，要在熱成形模具上加工出冷卻循環水道，以使零件在壓力成形淬火時保證冷卻速度不低于 270C /s。按照模塊化設計的原則，在本實施例的模具熱循環管理器125中設置有低溫模塊 125b，通過布置冷卻循環水道，保證冷卻速度不低于27°C /s以獲得較完整的馬氏體組織，達到定制零件高強部位的性能要求。另一方面，為獲得零件的鐵素體和珠光體組織，在模具熱循環管理器125中另外設有高溫模塊125a。高溫模塊12 采取可靠的保溫措施，如應用電阻管式加熱、感應式加熱、水或油式模具恒溫機，以保證該部位溫度保持在300 500°C， 使零件的冷卻速度遠小于27 V /s，從而獲得鐵素體和珠光體組織而達到定制零件低強部位的性能要求。
下面，同時將結合圖2對根據本發明的實施例的熱成形零件的定制方法做進一步敘述。
在步驟201，采用設計系統110中的分析平臺111設計零件樣品的數學模型；在步驟202，數據處理單元113基于零件樣品的數學模型生成用于加工零件樣品的生產數據，并將所述生產數據提供給制造系統120，以制造零件樣品；在步驟203，制造的零件樣品被送回設計系統110，從而零件試驗裝置112進行零件樣品的性能測試，并將通過各種試驗獲得的測試及評估數據作為反饋信息發送到分析平臺111，以便分析平臺111生成零件的定制方案；在步驟204，數據處理平臺113接收分析平臺111生成的零件的定制方案，生成用于加工定制零件的生產數據，并將所述生產數據發送給制造系統120，以制造定制零件；在步驟205，制造系統120基于接收的用于加工定制零件的生產數據，執行制造過程以生產定制零件。
以下，對制造系統120的制造過程進行詳細描述。
圖3為根據本發明的熱成形零件定制方法中的制造過程的流程示意圖。參照圖3， 在步驟301，在板坯落料機121中進行坯料拆垛并上料至加熱裝置123 ；在步驟302，采用設有控溫儀12 及122b的加熱裝置123控制坯料的加熱溫度并進行加熱。具體地講，加熱裝置123可以對坯料不同部位進行加熱，并通過控溫儀12 及122b精確控制坯料不同部位的加熱溫度。加熱裝置123將加熱后的坯料通過板坯移送裝置IM移送至快速壓力機及模具126 ；在步驟303，快速壓力機及模具1 對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形；在步驟304，在快速熱沖壓成形的同時，通過模具熱循環管理器125的低溫模塊12 和高溫模塊 125b控制控制安裝在快速壓力機上的模具各部位的溫度，實現在工序件上定制各種性能的組織；在步驟305，將成形工序件快速取下并通過零件移送裝置127移送至鏈式傳送帶(圖 2中未示出)，將所述工序件進行堆垛；在步驟306，采用三維激光切割機1 將所述工序件切割成零件樣品或定制零件。
與現有技術對比，本發明具有的優點如下
在本發明熱成形零件定制設備及定制方法，從零部件模擬設計開始，結合鋼材生產、模具設計與制造、零件加工等技術的集成系統，能滿足企業要求能夠提供近終形鋼材或坯料的需要，可以充分發揮材料和工藝的潛力，大幅度提高零件和整體組合性能達到材料減量化和性能高級化的目的，同時降低成本的要求。此外，通過精確地控溫加熱和高效的模具熱循環管理，可大幅提高定制零件的性能。
本發明應用領域廣泛，可服務應用于機械、石油、化工、國防軍工等國民經濟關鍵行業所需的零部件生產，其高效節能的優勢可為上述行業產生巨大的社會經濟效益。
雖然已經顯示和描述了一些實施例，但是本領域技術人員應該理解，在不脫離本發明的原理和精神的情況下，可以對這些實施例進行修改，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種熱成形零件的定制設備，包括設計系統和制造系統，其特征在于，所述制造系統包括加熱裝置，包括多個不同的加熱區，并且設置有多個控溫儀，所述多個不同的加熱區用于對坯料的不同部位加熱，所述多個控溫儀用于控制所述多個不同的加熱區的加熱溫度； 快速壓力機及模具，對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形； 模具熱循環管理器，用于控制安裝在快速壓力機上的模具各部位的溫度； 三維激光切割機，用于對快速熱沖壓成形的工序件進行切割，以制造定制零件。
2.根據權利要求1所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述設計系統包括 分析平臺，用于設計零件的數學模型；零件試驗裝置，用于對零件的使用性能進行測試及評估；數據處理平臺，用于基于數據模型生成生產數據，將生產數據提供給制造系統，以制造定制零件。
3.根據權利要求2所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述零件試驗裝置包括靜態試驗單元和動態試驗單元，用于對零件進行各種靜態和動態試< 驗。
4.根據權利要求2所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，分析平臺設計零件樣品的數學模型，并根據零件試驗裝置的反饋信息修正零件樣品的數學模型，從而生成零件的定制方案，數據處理平臺基于零件樣品的數學模型生成用于加工零件樣品的生產數據，并根據零件的定制方案生成用于加工定制零件的生產數據。
5.根據權利要求1所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述多個控溫儀的數量與所述多個不同的加熱區的數量對應。
6.根據權利要求1所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述加熱裝置是設置有不同加熱區的輥底式加熱爐或感應式加熱爐。
7.根據權利要求1所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述模具熱循環管理器包括低溫模塊，用于布置冷卻循環水道，獲得零件的馬氏體組織； 高溫模塊，用于布置保溫裝置，獲得零件的鐵素體或珠光體組織。
8.根據權利要求7所述的熱成形零件的定制設備，其特征在于，所述低溫模塊控制零件的冷卻速度不低于27°C /s ；所述高溫模塊控制零件的溫度范圍在300 500°C。
9.一種熱成形零件的定制方法，其特征在于，包括以下步驟對坯料不同部位進行加熱，其中，不同部位的加熱溫度被分別控制； 對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形； 控制進行快速熱沖壓成形的模具各部位的溫度； 對快速熱沖壓成形的工序件進行切割，以制造定制零件。
10.根據權利要求9所述的熱成形零件的定制方法，其特征在于，還包括以下步驟 設計零件樣品的數學模型；基于零件樣品的數學模型生成用于加工零件樣品的生產數據； 進行零件樣品的性能測試；基于通過各種試驗獲得的測試及評估數據生成零件的定制方案；基于零件的定制方案生成用于加工定制零件的生產數據。
全文摘要
本發明提供一種熱成形零件的定制設備及其方法。所述熱成形零件的定制設備包括設計系統和制造系統，所述制造系統包括加熱裝置，包括多個不同的加熱區，并且設置有多個控溫儀，所述多個不同的加熱區用于對坯料的不同部位加熱，所述多個控溫儀用于控制所述多個不同的加熱區的加熱溫度；快速壓力機及模具，對加熱后的坯料進行快速熱沖壓成形；模具熱循環管理器，用于控制安裝在快速壓力機上的模具各部位的溫度；三維激光切割機，用于對快速熱沖壓成形的工序件進行切割，以制造定制零件。本發明可以充分發揮材料和工藝的潛力，大幅度提高零件和整體組合性能達到材料減量化和性能高級化的目的，應用領域廣泛，具有良好的經濟效益。
文檔編號B23P15/00GK102513798SQ20111046051
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者張濤, 張英建, 惠衛軍, 時捷, 董瀚, 陳鷹 申請人:鋼鐵研究總院