CN103240867B - 一种热成形模具温度检测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热成形模具温度检测与控制系统，属于温度检测与控制技术领域。所述系统由温度检测系统和温度控制系统组成。它可以实现对热成形模具温度的实时检测，并将采集到的温度信息转化成冷却速率值，然后与预先设定冷却速率值进行比较和计算，进而控制电磁阀对冷却水流量进行调节，实现对模具各区域温度的控制，从而使板料冷却速率的能够保持在某一恒定值，保证每次热冲压的产品质量在同一水平。

Description

一种热成形模具温度检测与控制系统

技术领域

本发明提供一种热成形模具温度检测与控制系统，属于温度检测与控制技术领域。

背景技术

随着人们环保意识的增强和对汽车安全性能要求的提高，世界各大汽车公司通过采用汽车轻量化技术降低燃油消耗，减少废气排放；采用高强度钢板冲压件是实现汽车轻量化的有效途径；但由于高强度钢板具有高的屈服强度、抗拉强度以及较低的延伸率，所以常规的冷冲压成形比较困难；热成形技术是一项专门用于成形高强度冲压件的先进制造技术，可以解决高强度钢板成形性能的局限性。

热成形技术原理是先把下料后的高强度钢板加热到880～950⁰C，使之完全奥氏体化，再将其送入内部有冷却管道的模具内冲压成形，同时在模具内冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，从而得到形状复杂且具有超高强度的冲压件。

中国专利文献CN101893906A公开了一种《温度控制系统及方法》，该温度控制系统由感温模块、信号采集模块、PLC、控制模块、控制信号输出模块及变压器组成，温度信号通过信号采集模块转换成温度数据后送入PLC，PLC通过网络与控制模块通讯以传输温度数据，结合温度控制目标轨迹数据和实际温度值，结合设定的控制模式和控制参数生成控制指令，控制指令经数据流自上而下被发送至PLC后，由PLC转换成控制信号输出模块可接收的信号，控制信号输出模块驱动变压器输出相应的加热功率；其优点是采用模块化设计，整体结构设计清晰明了，可扩展性好；其缺点是只能对加热实现温度控制，而冷却时却不无法控制温度的变化；只能显示温度信息，没有相关的信息存储模块把信息存储起来。

经文献检索发现，目前该领域的热成形模具虽然普遍能实现温度检测，但是均不能对模具温度进行实时精确控制；由于冷却水的流量不能自动调节，从而导致模具各区域温度无法有效控制；而在热冲压过程中各区域产生的热量在是不同的，如果无法精确调节模具各区域温度，即不能保证各区域冷却速度保持一致，将对热冲压件成形件的质量产生重大影响。

因此，设计一种既能检测热成形模具温度又能精确控制热成形模具冷却速率的系统就显得非常必要。

发明内容

本发明的目的是要克服上述现有技术中存在的不足，提供一种热成形模具温度检测与控制系统，它可以实现对热成形模具温度的实时检测，并将采集到的温度信息转化成冷却速率值，然后与预先设定冷却速率值进行比较和计算，进而控制电磁阀对冷却水流量进行调节，实现对模具各区域温度的控制，从而使板料冷却速率的能够保持在某一恒定值，保证每次热冲压的产品质量在同一水平。

本发明所述的热成形模具温度控制系统，由温度检测系统和温度控制系统组成。

所述温度检测系统包括热电偶、信号放大器、A/D转换器、单片机、导线和温度显示和数据存储模块；热电偶分布于模具的凸模、凹模、压边圈和活动垫板中，用于感测测温点的温度。

所述热电偶输出端与导线相连，导线另一端与信号放大器输入端相连，信号放大器输出端与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端与单片机输入端相连，单片机输出端与温度显示和数据存储模块相连，将处理后的温度信号通过导线发送给温度显示和数据存储模块。

所述温度控制系统包括冷却水水管、流量计、电磁阀、冷却水水箱、废水箱、制冷循环机、单片机、继电器和冷却水水道。

所述冷却水水道与冷却水水管相连，冷却水水管的数量与冷却水水道对应，每个冷却水水管上都接有流量计和电磁阀，电磁阀的控制端和继电器输出端相连，继电器输入端与单片机相连，冷却水水管的另一端与冷却水水箱相连，冷却水水箱与制冷循环机相连，制冷循环机与废水箱相连，废水箱与冷却水水道相连，构成一个闭合的循环水系统。

所述冷却水道分别分布于模具凸模、凹模、压边圈和活动垫板上，其中，压边圈和活动垫板均是在四个侧面上开设四个冷却水道，只留进水口A和出水口B，其余几个口用密封塞堵住，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；凹模是在侧面分四层共开设十六个冷却水道，每层四个冷却水道，每层只留进水口A和出水口B，其余几个口用密封塞堵住，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；凸模是在下表面开设两个相同的矩形槽，两槽中间分别插入导水板，形成进水水道和出水水道，导水板用过盈配合安装在下模板上，凸模与下模板用螺钉连接，在下模板与凸模进水水道和出水水道对应的位置上开设四个水口，分别是进水口A、进水口C、出水口B和出水口D，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；冷却水水道用于使冷却水与模具产生热交换，控制模具的冷却速率，从而间接控制板料的冷却速率。

所述流量计用于检测冷却水的流量大小，便于观察不同流量下模具的冷却速率。

所述电磁阀通过改变阀门的开度来调节冷却水的流量大小，通过控制流量大小，使水和模具之间的热交换速率得到控制，间接控制了板料的冷却速率；一般常用的热成形钢板，实现奥氏体向马氏体转变的冷却速率范围在30℃/s～80℃/s，低于这个范围或是超出这个范围值均不能产生马氏体，故冷却水流量的大小至少要保证板料的冷却速率能达到30℃/s以上。

所述单片机输入端接受来自热电偶的温度信息，将采集到的模具温度数据进行处理，转换成冷却速率值，并与预先设定的冷却速率值进行比较，若冷却速率值低于预先设定的冷却速率值，那么单片机将通过继电器增大电磁阀的开度，调节冷却水的流速，提高模具的冷却速率，若冷却速率值等于或高于预先设定的冷却速率值，则单片机将通过继电器减小电磁阀开度，从而减小冷却水的流速，降低模具的冷却速率，最终使模具保持恒定的冷却速率。

本发明专利与现有热成形温度控制系统相比，有如下优点：1）可实现对热成形模具的温度进行实时检测并对温度数据进行存储，有利于分析并优化热成形过程；2）可实现对冷却水的循环利用并保证冷却水的初始温度，不仅节约水资源，而且保证冷却速率能够达到产生马氏体的最小冷却速率；3）可实现对模具表面各部分温度的精确控制，最终该系统可提高热成形产品质量的稳定性。

附图说明

图1: 温控系统具体结构图；

图中：热成形模具（1）、冷却水水管（2）、流量计（3）、电磁阀（4）、冷却水水箱（5）、制冷循环机（6）、温度显示和数据存储模块（7）、导线（8）、单片机（9）、A/D转换器（10）、信号放大器（11）、热电偶（12）、冷却水水道（13）、废水箱（14）、继电器（15）

图2：温度检测电路图；

图3：温度控制电路图；

图4：压边圈热电偶布置位置；

图5：压边圈水道布置方式；

图6：凹模热电偶布置位置；

图7：凹模水道布置方式；

图8：垫板热电偶布置位置；

图9：垫板水道布置方式；

图10：凸模热电偶布置位置。

图11：凸模水道布置方式。

具体实施方案

下面通过实例并对照附图，进一步说明本发明的具体结构及其实施方式。

如图1所示，本发明专利所述的热成形模具温度控制系统包括温度检测系统和温度控制系统；其中温度检测系统包括热电偶12、信号放大器11、A/D转换器10、单片机9、导线8和温度显示和数据存储模块7；温度控制系统包括冷却水水管2、流量计3、电磁阀4、冷却水水箱5、废水箱14、制冷循环机6、单片机9、继电器15和冷却水水道13。

整个系统工作过程如下：热电偶12对模具1温度进行实时检测，并将温度信息转换成模拟电信号传送至信号放大器11，信号放大器11接收模拟电信号后将增强的模拟电信传递给A/D转换器10，A/D转换器10再将增强的模拟电信号换行成数字信号传递给单片机9，单片机9将数字信号传递给温度显示和数据存储模块7，同时对采集到的模具温度数据进行处理，转换成冷却速率值，并与预先设定的冷却速率值进行比较，若冷却速率值低于预先设定的冷却速率值，那么单片机9将通过继电器15增大电磁阀4的开度，从而增加冷却水的流速，提高模具1的冷却速率，若冷却速率值等于或高于预先设定的冷却速率值，则单片机9将通过继电器15减小电磁阀4开度，从而减小冷却水的流速，降低模具的冷却速率；最终该系统可使模具1保持恒定的冷却速率，保证模具与板料进行稳定的热交换，进而保证板料冷却速率的稳定，从而达到对板料进行优化淬火的目的，提高产品的质量稳定性。

温度检测电路图如图2所示，工作过程如下。

温度检测过程：当热成形模具开始工作时，热电偶9把温度信息转换成模拟电信号，经过电容电阻简单的积分滤波后，送给AD595（信号放大器11）进行处理，AD595（信号放大器11）把热电偶9的电信号进行线性化、冷端补偿和信号放大170倍送至AD7710（A/D转换器12）；AD7710（A/D转换器12）把接收到的模拟电信号转换成数字信号后反馈给SPACE061A(单片机9)；至此，模具的温度信号采集过程完成。

温度控制电路图如图3所示，工作过程如下。

温度控制过程：SPACE061A(单片机9)接收来自AD7710（A/D转换器12）的数字信号，根据偏差（设定值和采集到的温度值之差），来调整输出量（功率输出的大小），通过I/O接口将信号传递给ULN2003（驱动固态继电器15），使其闭合或断开，进而控制联接电磁阀4的交流继电器的通断时间比，实现对冷却水流量的控制，而从实现对模具温度的控制。

压边圈热电偶布置位置如图4所示，共布置2个热电偶，首先在压边圈下表面垂直向里钻两孔,深度为压边圈厚度的2/5，位置在如图4所示的热电偶安装孔1和热电偶安装孔2，且两孔在压边圈下表面短边的中心线上，并关于长边的中心线对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内；压边圈上热电偶的这种布置方式使得所测的温度值与板料各区域的温度值更接近，便于灵活调节不同区域的冷却水流量，减少次品的产生。

压边圈水道布置方式如图5所示，在压边圈四个侧面上开设四个冷却水道，留一个进水口A和一个出水口B，其余几个口用密封塞堵住，热成形时通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却。

凹模热电偶布置位置如图6所示，共布置4个热电偶，首先在凹模侧面垂直向里钻四孔，深度为90mm，位置在如图5所示的热电偶安装孔1、热电偶安装孔2、热电偶安装孔3和热电偶安装孔4，且四孔均在距凹模下表面7.5mm处；其中孔1和孔3在凹模下表面长边的中心线上，并关于短边的中心线对称，孔2和孔4关于凹模下表面的对称中心对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内；凹模热电偶的这种布置方式是对模具的两个典型区域（直壁区和圆角区）的温度进行检测，以达到间接精确检测板料不同区域温度的目的。

凹模水道布置方式如图6和图7所示，在凹模四个侧面上分四层共开设十六个冷却水道，层与层之间相距30mm；每层开设四个冷却水道，留一个进水口A和一个出水口B，其余几个口用密封塞堵住，热成形时通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却。

垫板热电偶布置位置如图8所示，共布置1个热电偶，首先在垫板上表面垂直向里钻一孔，深度为垫板厚度的3/4，位置在如图6所示的热电偶安装孔，此孔在垫板上表面的对称中心上，钻孔完成后将热电偶插入孔内；由于垫板尺寸较小，故一个检测点足够检测整体温度。

垫板水道布置方式如图9所示，在垫板四个侧面上开设四个冷却水道，留一个进水口A和一个出水口B，其余几个口用密封塞堵住，热成形时通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却。

凸模热电偶布置位置如图10所示，共布置4个热电偶，首先在凸模下表面垂直向里钻四孔，深度为160mm，位置在如图7所示的热电偶安装孔1、热电偶安装孔2、热电偶安装孔3和热电偶安装孔4，其中孔1和孔3在凸模下表面长边的中心线上，并关于短边的中心线对称，孔2和孔4在凸模下表面两对角的对角线上，并关于凸模下表面的对称中心对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内；凸模热电偶这种布置方式是对模具的两个典型区域（直壁区和圆角区）的温度进行检测，以达到间接精确检测板料不同区域温度的目的。

凸模水道布置方式如图10和图11所示，在凸模下表面长边中心线的两侧分别垂直向里开矩形槽，深度130mm，矩形槽中间插有导水板，用于形成进水水道和出水水道，导水板通过过盈配合连接在下模板上，凸模与下模板用螺钉连接，下模板与凸模进水水道和出水水道对应的位置上开有四个水孔，分别是进水口A和C，出水口B和D，热成形时通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却。

Claims (8)

1.一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述系统由温度检测系统和温度控制系统组成；

所述温度检测系统包括热电偶、信号放大器、A/D转换器、单片机、导线和温度显示和数据存储模块；热电偶分布于模具的凸模、凹模、压边圈和活动垫板中，用于感测测温点的温度；

所述热电偶输出端与导线相连，导线另一端与信号放大器输入端相连，信号放大器输出端与A/D转换器输入端相连，A/D转换器输出端与单片机输入端相连，单片机输出端与温度显示和数据存储模块相连，将处理后的温度信号通过导线发送给温度显示和数据存储模块；

所述温度控制系统包括冷却水水管、流量计、电磁阀、冷却水水箱、废水箱、制冷循环机、单片机、继电器和冷却水水道；

所述冷却水水道分别分布于模具凸模、凹模、压边圈和活动垫板上，冷却水水道与冷却水水管相连，冷却水水管的数量与冷却水水道对应，每个冷却水水管上都接有流量计和电磁阀，电磁阀的控制端和继电器输出端相连，继电器输入端与单片机相连，冷却水水管的另一端与冷却水水箱相连，冷却水水箱与制冷循环机相连，制冷循环机与废水箱相连，废水箱与冷却水水道相连，构成一个闭合的循环水系统。

2.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述压边圈和活动垫板均是在四个侧面上开设四个冷却水水道，只留进水口A和出水口B，其余几个口用密封塞堵住，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；凹模是在侧面分四层共开设十六个冷却水水道，每层四个冷却水水道，层与层之间相距30mm，每层只留进水口A和出水口B，其余几个口用密封塞堵住，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；凸模是在下表面开设两个相同的矩形槽，两槽中间分别插入导水板，形成进水水道和出水水道，导水板用过盈配合安装在下模板上，凸模与下模板用螺钉连接，在下模板与凸模进水水道和出水水道对应的位置上开设四个水口，分别是进水口A、进水口C、出水口B和出水口D，通入循环冷却水可对热冲压件进行冷却；冷却水水道用于使冷却水与模具产生热交换，控制模具的冷却速率，从而间接控制板料的冷却速率。

3.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述压边圈共布置2个热电偶，首先在压边圈下表面垂直向里钻两孔，深度为压边圈厚度的2/5，且两孔在压边圈下表面短边的中心线上，并关于长边的中心线对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内。

4.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述凹模共布置4个热电偶，首先在凹模侧面垂直向里钻四孔，深度为90mm，且四孔均在距凹模下表面7.5mm处；其中孔1和孔3在凹模下表面长边的中心线上，并关于短边的中心线对称，孔2和孔4关于凹模下表面的对称中心对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内。

5.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：垫板共布置1个热电偶，首先在垫板上表面垂直向里钻一孔，深度为垫板厚度的3/4，此孔在垫板上表面的对称中心上，钻孔完成后将热电偶插入孔内。

6.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：凸模共布置4个热电偶，首先在凸模下表面垂直向里钻四孔，深度为160mm，其中孔1和孔3在凸模下表面长边的中心线上，并关于短边的中心线对称，孔2和孔4在凸模下表面两对角的对角线上，并关于凸模下表面的对称中心对称，钻孔完成后将热电偶插入孔内。

7.如权利要求1所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述单片机输入端接受来自热电偶的温度信息，将采集到的模具温度数据进行处理，转换成冷却速率值，并与预先设定的冷却速率值进行比较，若冷却速率值低于预先设定的冷却速率值，那么单片机将通过继电器增大电磁阀的开度，调节冷却水的流速，提高模具的冷却速率，若冷却速率值等于或高于预先设定的冷却速率值，则单片机将通过继电器减小电磁阀开度，从而减小冷却水的流速，降低模具的冷却速率，最终使模具保持恒定的冷却速率。

8.如权利要求7所述的一种热成形模具温度检测与控制系统，其特征在于：所述电磁阀通过改变阀门的开度来调节冷却水的流量大小，冷却水流量的大小要保证板料的冷却速率在30℃/s～80℃/s范围之间。