专利名称：一种热成形零件的定制设备及其方法
技术领域：
本发明涉及热成形工艺技术领域中的零件定制，特别涉及轻量化、高性能的汽车用热成形零件的定制设备及其方法。
背景技术：
获得轻质高强的耐碰撞安全零件经历了由激光拼焊板、定制钢材、热成形、激光拼焊板热成形、连续变截面板热成形到先进的定制回火、定制热成形技术的发展历程。随着产品质量提高和成本降低的要求日益强化，钢材或零件用户要求钢铁企业能够提供近终形钢材或坯料的趋势加强。从汽车用高强度钢板的发展历程可以清楚地看出定制钢材或零件发展的必由之路。
随着产品质量提高和成本降低的要求日益强化，钢材用户企业要求钢铁企业能够提供近终形钢材或坯料的趋势加强。为此，急需开发一种高性能的汽车用热成形零件的定制设备及其方法。发明内容
本发明提供一种热成形零件的定制设备及其方法，可以大幅度提高零件性能、减轻零件重量、减少钢材消耗，达到材料减量化和性能高级化的目的。
根据本发明的一方面，提供一种热成形零件的定制设备，包括设计系统和制造系统，所述制造系统包括加热装置，包括多个不同的加热区，并且设置有多个控温仪，所述多个不同的加热区用于对坯料的不同部位加热，所述多个控温仪用于控制所述多个不同的加热区的加热温度；快速压力机及模具，对加热后的坯料进行快速热冲压成形；模具热循环管理器，用于控制安装在快速压力机上的模具各部位的温度；三维激光切割机，用于对快速热冲压成形的工序件进行切割，以制造定制零件。
此外，所述设计系统包括分析平台，用于设计零件的数学模型；零件试验装置， 用于对零件的使用性能进行测试及评估；数据处理平台，用于基于数据模型生成生产数据， 将生产数据提供给制造系统，以制造定制零件。
此外，所述零件试验装置包括静态试验单元和动态试验单元，用于对零件进行各种静态和动态试验。
此外，分析平台设计零件样品的数学模型，并根据零件试验装置的反馈信息修正零件样品的数学模型，从而生成零件的定制方案。此外，数据处理平台基于零件样品的数学模型生成用于加工零件样品的生产数据，并根据零件的定制方案生成用于加工定制零件的生产数据。
此外，所述多个控温仪的数量与所述多个不同的加热区的数量对应。
此外，所述加热装置是设置有不同加热区的辊底式加热炉或感应式加热炉
此外，所述模具热循环管理器包括低温模块，用于布置冷却循环水道，获得零件的马氏体组织；高温模块，用于布置保温装置，获得零件的铁素体或珠光体组织。
此外，所述低温模块控制零件的冷却速度不低于27°C /s ；所述高温模块控制零件的温度范围在300 500°C。
根据本发明的另一方面，提供一种热成形零件的定制方法，包括以下步骤对坯料不同部位进行加热，其中，不同部位的加热温度被分别控制；对加热后的坯料进行快速热冲压成形；控制进行快速热冲压成形的模具各部位的温度；对快速热冲压成形的工序件进行切割，以制造定制零件。
此外，所述热成形零件的定制方法还包括以下步骤设计零件样品的数学模型； 基于零件样品的数学模型生成用于加工零件样品的生产数据；进行零件样品的性能测试； 基于通过各种试验获得的测试及评估数据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产数据。
本发明通过生产前的性能分析和优化设计、生产中精确控制加热温度和对模具热循环进行合理管理，实现零件各部位组织和性能的定制化处理。通过对关键技术路线、生产工序和设备系统的改进和创新，可以充分发挥材料和工艺的潜力、大幅度提高零件性能、减轻零件重量、减少钢材消耗，不但促进了钢材生产和应用的高效化和减量化，同时还可以形成相关的新兴高附加值加工制造产业，其产业关联度大。
图1为根据本发明的热成形零件定制设备的结构示意图。
图2为根据本发明的热成形零件定制方法中的设计过程的流程示意图。
图3为根据本发明的热成形零件定制方法中的制造过程的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例作详细说明。
本发明提供一种热成形零件的定制设备及定制方法，以零件成形、淬火一体化的热成形工艺方法为技术基础，通过对定制热成形零件开发过程中的关键环节定制产品设计、坯料精确控温、模具热循环管理进行优化设计和总体控制，实现零件各部位组织和性能的定制化处理，从而开发出符合性能要求的定制零件或钢材。
如图1所示，根据本发明的热成形零件定制设备包括设计系统110和制造系统 120，其中，设计系统110可包括分析平台111、零件试验装置112和数据处理平台113。
分析平台111用于设计零件的数学模型。具体地讲，分析平台111设计零件样品的数学模型，并根据零件试验装置112的反馈信息修正零件样品的数学模型，从而生成零件的定制方案。进一步讲，分析平台111首先根据操作者的输入命令设计零件样品的数学模型，在制造出零件样品后开展基于数值模拟的零件材料性能梯度优化设计，并根据优化设计确定零件组织性能梯度分布，完成零件的定制化设计并确定原料钢材以及零件的力学性能分布，经零件在应用结构中的受力分析后确定零件的形状尺寸模型和材料梯度分布模型，作为零件的定制方案。分析平台111可借助的有限元分析软件包括LS-DYNA、 Pam-Mamp、Aut0f0rm、AnSyS等，可开展包括汽车碰撞仿真模拟、热成形性分析、冷却水流动及热循环分析、热胀冷缩及回弹分析等。
零件试验装置112包括零件静态试验单元和零件动态试验单元，用于对零件(即，零件样品)的使用性能进行测试及评估。具体地讲，零件试验装置112进行的零件性能测试包括三点弯曲试验、落锤冲击试验、零件和车体(或车体子结构)的静压或移动壁障碰撞试验、整车试验等。通过对零件的使用性能进行测试及评估，零件试验装置112可对分析平台111预测不到的开裂、起皱等问题进行分析并解决，正确评估零件样品的服役性能。零件试验装置112将通过各种试验获得的测试及评估数据作为反馈信息发送到分析平台111， 以便分析平台111生成零件的定制方案。
数据处理平台113从分析平台111接收数据模型，基于数据模型生成生产数据，将生产数据提供给制造系统120，以制造零件。具体地讲，数据处理平台113接收分析平台111 设计的零件样品的数学模型，生成用于加工零件样品的生产数据。生成的生产数据被提供给制造系统120，以制造零件样品。另一方面，数据处理平台113还接收分析平台111生成的零件的定制方案，并生成用于加工定制零件的生产数据。实际上，只有完全通过上述分析和真实试验验证后零件的定制方案方可最终确定，并由数据处理平台113进行综合整理出加工流程必须的生产数据，才可完成零件设计，所生成的生产数据供制造系统120生产定制零件使用。
根据本发明，分析平台111及数据处理平台113可由一台计算机或多台计算机组成。
制造系统120设置有依次连接的板坯落料机121、控温仪12 和122b、加热装置 123，板坯移送装置124、模具热循环管理器125、快速压力机及模具126(其中，模具安装在快速压力机上)、零件移送装置127及三维激光切割机128。
根据本发明的实施例，加热装置123可包括多个不同的加热区。具体地讲，加热装置123可采用设置有不同加热区的辊底式加热炉或感应式加热炉。
辊底式加热炉全球已有的热成形生产线大部分采用的均为辊底式连续加热炉， 部分采用带旋转功能的加热炉。然而，根据本发明的实施例的辊底式加热炉基于定制零件处理所需的不同的加热温度在炉膛内设置有不同的加热区，并且在不同的加热区之间设置有可移动的隔热板。根据本发明的实施例，通过移动隔热板，可以对各个加热区的大小进行控制。
感应式加热炉目前热成形加热炉部分的最新进展是感应式加热的应用。感应式加热装置能耗低、占地面积小，加热方式灵活，可有效的控制坯料不同部位的加热温度，是较辊底式加热更为理想的精确加热方式。根据本发明的实施例的感应式加热炉中设置有可移动的感应线圈，从而可通过移动感应线圈来实现多个不同的加热区。这样，可使用不同的加热温度来加热坯料的不同部位。因此，根据本发明的实施例的感应式加热炉易于操作，成本低廉，并且功耗很低。
另外，在加热装置123的首尾设置两个控温仪12 和122b，从而能精确控制坯料各部位加热温度分布。根据本发明的实施例，控温仪可设置在加热装置123的内部，并且控温仪的数量不限于两个，而是可根据加热区的数量来设置。
根据本发明的实施例，为了保证能在热成形零件中形成较完整的马氏体组织，要在热成形模具上加工出冷却循环水道，以使零件在压力成形淬火时保证冷却速度不低于 270C /s。按照模块化设计的原则，在本实施例的模具热循环管理器125中设置有低温模块 125b，通过布置冷却循环水道，保证冷却速度不低于27°C /s以获得较完整的马氏体组织，达到定制零件高强部位的性能要求。另一方面，为获得零件的铁素体和珠光体组织，在模具热循环管理器125中另外设有高温模块125a。高温模块12 采取可靠的保温措施，如应用电阻管式加热、感应式加热、水或油式模具恒温机，以保证该部位温度保持在300 500°C， 使零件的冷却速度远小于27 V /s，从而获得铁素体和珠光体组织而达到定制零件低强部位的性能要求。
下面，同时将结合图2对根据本发明的实施例的热成形零件的定制方法做进一步叙述。
在步骤201，采用设计系统110中的分析平台111设计零件样品的数学模型；在步骤202，数据处理单元113基于零件样品的数学模型生成用于加工零件样品的生产数据，并将所述生产数据提供给制造系统120，以制造零件样品；在步骤203，制造的零件样品被送回设计系统110，从而零件试验装置112进行零件样品的性能测试，并将通过各种试验获得的测试及评估数据作为反馈信息发送到分析平台111，以便分析平台111生成零件的定制方案；在步骤204，数据处理平台113接收分析平台111生成的零件的定制方案，生成用于加工定制零件的生产数据，并将所述生产数据发送给制造系统120，以制造定制零件；在步骤205，制造系统120基于接收的用于加工定制零件的生产数据，执行制造过程以生产定制零件。
以下，对制造系统120的制造过程进行详细描述。
图3为根据本发明的热成形零件定制方法中的制造过程的流程示意图。参照图3， 在步骤301，在板坯落料机121中进行坯料拆垛并上料至加热装置123 ；在步骤302，采用设有控温仪12 及122b的加热装置123控制坯料的加热温度并进行加热。具体地讲，加热装置123可以对坯料不同部位进行加热，并通过控温仪12 及122b精确控制坯料不同部位的加热温度。加热装置123将加热后的坯料通过板坯移送装置IM移送至快速压力机及模具126 ；在步骤303，快速压力机及模具1 对加热后的坯料进行快速热冲压成形；在步骤304，在快速热冲压成形的同时，通过模具热循环管理器125的低温模块12 和高温模块 125b控制控制安装在快速压力机上的模具各部位的温度，实现在工序件上定制各种性能的组织；在步骤305，将成形工序件快速取下并通过零件移送装置127移送至链式传送带(图 2中未示出)，将所述工序件进行堆垛；在步骤306，采用三维激光切割机1 将所述工序件切割成零件样品或定制零件。
与现有技术对比，本发明具有的优点如下
在本发明热成形零件定制设备及定制方法，从零部件模拟设计开始，结合钢材生产、模具设计与制造、零件加工等技术的集成系统，能满足企业要求能够提供近终形钢材或坯料的需要，可以充分发挥材料和工艺的潜力，大幅度提高零件和整体组合性能达到材料减量化和性能高级化的目的，同时降低成本的要求。此外，通过精确地控温加热和高效的模具热循环管理，可大幅提高定制零件的性能。
本发明应用领域广泛，可服务应用于机械、石油、化工、国防军工等国民经济关键行业所需的零部件生产，其高效节能的优势可为上述行业产生巨大的社会经济效益。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种热成形零件的定制设备，包括设计系统和制造系统，其特征在于，所述制造系统包括加热装置，包括多个不同的加热区，并且设置有多个控温仪，所述多个不同的加热区用于对坯料的不同部位加热，所述多个控温仪用于控制所述多个不同的加热区的加热温度； 快速压力机及模具，对加热后的坯料进行快速热冲压成形； 模具热循环管理器，用于控制安装在快速压力机上的模具各部位的温度； 三维激光切割机，用于对快速热冲压成形的工序件进行切割，以制造定制零件。
2.根据权利要求1所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述设计系统包括 分析平台，用于设计零件的数学模型；零件试验装置，用于对零件的使用性能进行测试及评估；数据处理平台，用于基于数据模型生成生产数据，将生产数据提供给制造系统，以制造定制零件。
3.根据权利要求2所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述零件试验装置包括静态试验单元和动态试验单元，用于对零件进行各种静态和动态试< 验。
4.根据权利要求2所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，分析平台设计零件样品的数学模型，并根据零件试验装置的反馈信息修正零件样品的数学模型，从而生成零件的定制方案，数据处理平台基于零件样品的数学模型生成用于加工零件样品的生产数据，并根据零件的定制方案生成用于加工定制零件的生产数据。
5.根据权利要求1所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述多个控温仪的数量与所述多个不同的加热区的数量对应。
6.根据权利要求1所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述加热装置是设置有不同加热区的辊底式加热炉或感应式加热炉。
7.根据权利要求1所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述模具热循环管理器包括低温模块，用于布置冷却循环水道，获得零件的马氏体组织； 高温模块，用于布置保温装置，获得零件的铁素体或珠光体组织。
8.根据权利要求7所述的热成形零件的定制设备，其特征在于，所述低温模块控制零件的冷却速度不低于27°C /s ；所述高温模块控制零件的温度范围在300 500°C。
9.一种热成形零件的定制方法，其特征在于，包括以下步骤对坯料不同部位进行加热，其中，不同部位的加热温度被分别控制； 对加热后的坯料进行快速热冲压成形； 控制进行快速热冲压成形的模具各部位的温度； 对快速热冲压成形的工序件进行切割，以制造定制零件。
10.根据权利要求9所述的热成形零件的定制方法，其特征在于，还包括以下步骤 设计零件样品的数学模型；基于零件样品的数学模型生成用于加工零件样品的生产数据； 进行零件样品的性能测试；基于通过各种试验获得的测试及评估数据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产数据。
全文摘要
本发明提供一种热成形零件的定制设备及其方法。所述热成形零件的定制设备包括设计系统和制造系统，所述制造系统包括加热装置，包括多个不同的加热区，并且设置有多个控温仪，所述多个不同的加热区用于对坯料的不同部位加热，所述多个控温仪用于控制所述多个不同的加热区的加热温度；快速压力机及模具，对加热后的坯料进行快速热冲压成形；模具热循环管理器，用于控制安装在快速压力机上的模具各部位的温度；三维激光切割机，用于对快速热冲压成形的工序件进行切割，以制造定制零件。本发明可以充分发挥材料和工艺的潜力，大幅度提高零件和整体组合性能达到材料减量化和性能高级化的目的，应用领域广泛，具有良好的经济效益。
文档编号B23P15/00GK102513798SQ20111046051
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者张涛, 张英建, 惠卫军, 时捷, 董瀚, 陈鹰 申请人:钢铁研究总院