CN108246896B - 一种高强度钢热成形梯度加热装置及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度钢热成形梯度加热装置，包括：上模座；下模座，其上设置底座，在所述底座上部设置冷却块；加热板料；多个移动电极，其通过气压装置固定在所述上模座下部；多个固定电极，其固定在所述冷却块两侧；加热装置，其设置在所述上模座下部，并且设置在相邻移动电极之间；冷却水道，其设置在所述冷却块内部；其中，通过对所述移动电极和所述固定电极通电后传递的能量对所述加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在所述冷却水道内通入冷却水能够对所述加热板料进行降温。本发明公开了一种高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法。

Description

一种高强度钢热成形梯度加热装置及其加热方法

技术领域

本发明涉及高强度钢加热领域，具体涉及一种高强度钢热成形梯度加热装置及其加热方法。

背景技术

汽车工业是我国国民经济的支柱，安全、低碳、环保，是当今世界汽车产业发展关注的重要话题，轻量化已经提升为众多汽车企业的目标之一，而如何在实现轻量化的同时保证汽车的安全性，是一个重难点。研究表明钢的强度达到780MPa级别，则可与同质量高价位的铝镁合金等具有相同特性，此时钢在经济上有着明显的优势。因此，开发780MPa以上级别、各项性能优异的高强度钢板将成为实现轻量化这一目标的重要途径。现有的高强钢热成形技术已经可以获得很高强度的制件,但塑性较低,这就导致了高强钢的伸长率较低、塑性较差的缺点，而车身部件的性能要求之一就是要有足够的吸能能力，以保证在发生碰撞时最大限度保障乘员舱内人员安全。所以合理的结构强度分布才能够改善零件的变形趋势和吸能特性，满足车身部件的性能要求。综上所述，研发具有梯度结构性能的制件尤为重要，如：设计车身B柱加强板应使上半部材料强度高、塑性低，在受到侧面碰撞时变形应较小，保护成员重要部位安全不受冲击；下半部材料强度低、塑性高，在受到碰撞时先发生变形，将碰撞力快速传递到相连的门槛梁，进而大量吸收碰撞能量。

为了制造出具备这样性能的部件，传统的方法有拼焊板技术，将不同结构性能的钢板焊接在一起，但这种技术的成形性受到焊缝的限制，尤其不同厚度的钢板焊接时，难度极大，也很大程度的限制了制件的复杂性，而且为了焊接需要去掉钢材表面的涂层，使得钢材加热时会发生易氧化的问题；还有一种轧制板技术，在钢材轧制过程中通过控制轧辊尺寸达到控制板件厚度的目的，但是模具设计难度极大，且由于排样约束，利用率较低；另外一种是后处理回火工艺，即是将已经马氏体化的制件进行局部后处理回火，但这样无疑增加了工时，且操作难度的相应增加。新兴的方法有局部冷却法，即在制件奥氏体化时进行不同冷速的冷却，得到不同相组成的零件，如图1所示，在冷却过程中需要精确控制不同部位要求的冷却速率，同时在塑性要求较高的部位冷速较低，使得生产周期过长，这与现代工业强调的高效原则不相符合。

如图2所示，表示高强钢加热时奥氏体化的过程,如果控制制件不同部位分别以不同的加热条件加热到不同温度，要求质软塑性高的部位加热到铁素体和珠光体混合的温度，要求强度高塑性低的部位加热到奥氏体的温度,然后再同时进行冷却，则可在不同的部位获得不同的机械性能。因此，实现上述内容需要设计一套可以精确控制加热温度的高强钢梯度加热装置。

发明内容

本发明设计开发了一种高强度钢热成形梯度加热装置，本发明的发明目的是使加热板料区域可任意分段加热，能够通过通电加热、电阻加热和冷却水冷却对加热板料进行加工成型。

本发明设计开发了一种高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法，本发明的发明目的之一是能够对加热板料的任意区域进行加热冷却成形。

本发明的发明目的之二是通过BP神经网络对加热板料的任意区域的加热电压和冷却水流速进行调节，使加热板料更好的加热成形。

本发明提供的技术方案为：

一种高强度钢热成形梯度加热装置，其特征在于，包括：

上模座；

下模座，其上设置底座，在所述底座上部设置冷却块；

加热板料；

多个移动电极，其通过气压装置固定在所述上模座下部；

多个固定电极，其固定在所述冷却块两侧；

加热装置，其设置在所述上模座下部，并且设置在相邻移动电极之间；

冷却水道，其设置在所述冷却块内部；

其中，通过对所述移动电极和所述固定电极通电后传递的能量对所述加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在所述冷却水道内通入冷却水能够对所述加热板料进行降温。

优选的是，还包括：导套，其设置在所述上模座下部；以及

导柱，其设置在所述下模座上部，与所述导套同轴设置；

其中，所述导柱在所述导套内能够相对于所述导套上下移动。

优选的是，所述加热装置还包括：

加热底座，其设置在所述上模座的下端面；

绝热板罩，其固定在所述加热底座上，并且所述绝热板罩为内部中空的敞口结构；

感应线圈，其设置在所述敞口结构内部；

上导热板，其设置在所述绝热板罩的内部，所述感应线圈的下部，能够接收并传递所述感应线圈通电后传递的热量，对所述加热板料进行加热；

下导热板，其设置在所述冷却块上部。

优选的是，所述移动电极设置为4个，包括：第一移动电极、第二移动电极、第三移动电极和第四移动电极，并且所述加热装置设置在所述第二移动电极和所述第三移动电极之间；以及

所述加热板料的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；

其中，通过对所述第一移动电极和所述第二移动电极通电能够对所述第一区域加热；

通过对所述第三移动电极和所述第四移动电极通电能够对所述第三区域加热；和/或

通过所述加热装置能够对所述第二区域加热。

优选的是，所述固定电极设置为2个，包括：第一固定电极和第二固定电极；

其中，通过对所述第一固定电极和所述第二固定电极通电能够对所述加热板料的整个区域加热。

优选的是，还包括：多个测温热电偶，其固定安装在所述下导热板上；以及

温度传感器，其设置在所述冷却水道的冷却水出水口处。

一种高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法，使用所述的加热装置，包括如下步骤：

准备好加热板料后，将上模座向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止，将所述加热板料放置到底座的表面上，并利用定位销对加热板料进行定位；

控制上模座向下移动到绝热板罩与下导热板相接触，此时四个移动电极也分别将加热板料压紧并使加热板料与下导热板可靠接触；

通过控制系统给感应线圈和电阻加热模块的电极分别通电，通过控制通电电压和冷却水的流速精准控制加热板料不同区域在同一时刻达到不同的加热温度；

控制系统控制上模座以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到最大位置，将已经加热分块好的板料取出。

优选的是，所述第一移动电极和所述第二移动电极连通，施加第一电压；所述第三移动电极和所述第四移动电极连通，施加第二电压；对所述感应线圈施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压和所述第三电压进行控制，包括如下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过测温热电偶测量加热板料的第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c，通过温度传感器测量冷却水温度T_d；

步骤二、依次将所述步骤一中的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量z＝{z₁,z₂,z₃,z₄}；其中，z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速调节系数；

步骤五、控制第一电压、第二电压、第三电压、冷却水流速，使

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，U_amax、U_bmax、U_cmax、Q_max分别为设定的第一电压的最大电压值、第二电压的最大电压值、第三电压的最大电压值和冷却水的最大流速，U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)、Q_i+1分别为第i+1个采样周期时的第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速。

优选的是，所述步骤二中，第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c、冷却水温度T_d进行规格公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T_a、T_b、T_c、T_d，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

优选的是，在所述步骤四中，

初始运行状态下，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速满足经验值：

U_a0＝0.73U_amax，

U_b0＝0.78U_bmax，

U_c0＝0.75U_cmax，

Q₀＝0.83Q_max

其中，U_a0为第一电压初始调节电压，U_b0为第二电压初始调节电压，U_c0为第三电压初始调节电压，Q₀为冷却水初始调节流速；U_amax为设定的第一电压最大调节电压，U_bmax为设定的第二电压最大调节电压，U_cmax为设定的第三电压最大调节电压，Q_max为冷却水最大调节流速。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置实现了同一板件在不同机械性能各部位间的良好衔接；本发明将不同加热方式结合，加热温度任意可调，使不同位置产生不同热量，高温区和低温区之间连接相的转换较为平滑，不会出现传统焊接技术中因焊缝或者板厚等原因引起的不连续问题；

2、本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置生产率高；本发明打破已有技术的限制，在钢材加热阶段进行处理，使不同性能要求的部位分别加热到不同温度，操作简单，不需要额外的装置，相比传统的技术降低了人力财力上投入的成本，缩短了生产周期，提高了生产效率；

3、本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置温度控制精确，能耗较低；如图4所示，本发明使用电阻加热和热传导加热相组合的加热方式，每一加热部分温度都精确可控，可实现三种不同板料的相成分分布情况，而且相比传统的技术能耗也有所降低，避免了能源的浪费，更加低碳环保；

4、本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置可灵活实现板料加热温度的多种分布方式，适用范围广；本发明打破传统电阻分块加热(如图3所示)只考虑单独电源的局限性，克服中间部分不能加热且两端加热温度必须一致的弊端，使用双电源完成对电流的导流，进而实现分别对不同部分加热，如图4所示，再通过与热传导加热方式的结合，分别控制电阻加热以及热传导加热的电压可实现多种温度分布组合，灵活多变，可满足各种性能要求的试件，应用范围广泛；

5、本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置可实现大批量生产，且产品质量较高；本发明设计了三个独立的加热模块，都具备很高的加热效率，能够控制加热热量的精确利用，所以产品质量较高，且本装置应用工序简单，可应用在很多方面，能够胜任大批量生产；

6、本发明所述的高强度热成形钢梯度加热装置体积小，占地面积小；本发明设计的装置不需要很大的安装尺寸，装置面积适应板料面积即可，比起传统的辊底炉等加热装置占地面积小得多，且体积小，适用范围广；

7、本发明所述的高强度热成形钢梯度加热装置考虑了高强度钢热成形的最佳成形温度；本发明所述的加热装置在进行加热过程中，当需要高强度性能的部分板料加热到奥氏体化温度后，不断控制电压，通过热电偶测温使其保持恒温加热，当此部分板料完全奥氏体化后，切断电流，在底部冷却水道通入冷却水流进行快速冷却，使其冷却至650℃左右，此时材料的硬化指数值最高，且此温度范围内板料的成形性最好；对于不需要高强度性能的部分板料，使其加热到720℃以下温度，通过热电偶测温并控制电压使其保持恒温加热，保持铁素体和珠光体的混合相即可，此时板料既适宜成形又符合强度要求，之后将板料放置到热成形模具上，完成成形工序即可获得所需的热成形制件；

8、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置可以通过基于BP神经网络调节的工作模式，对加热板料的不同区域的加热温度和冷却温度精确调节，以达到更加优化热成形。

附图说明

图1为材料连续冷却相变曲线图。

图2为材料连续加热相变曲线图。

图3为传统单电源电阻加热原理图。

图4为本发明装置的加热原理图。

图5为本发明装置热传导加热部分的剖面图。

图6为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置中的上部结构图。

图7为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置中的下部结构图。

图8为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置中的热电偶在导热板上分布位置的示意图。

图9为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置上下分离可放置和取出板料时的结构图。

图10为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置上下合模时的结构图。

图11为本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置的板料图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述的高强度钢热成形梯度加热装置包括外部控制装置、上部模块、下部模块、电阻加热装置、热传导加热装置、动力系统。

如图5、图6所示，上部机构包括有上模座100，上模座支撑导套110，第一移动电极310，第二移动电极320，第三移动电极330，第四移动电极340，活塞杆120，气缸筒121，热传导加热底座130，热传导绝热板罩131，加热线圈132，上导热板133。

通过第一移动电极310，第二移动电极320，第三移动电极330，第四移动电极340将加热板料500的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；其中，通过对第一移动电极310和第二移动电极320通电能够对第一区域加热，通过对第三移动电极330和第四移动电极340通电能够对第三区域加热，通过热传导加热装置能够对第二区域加热。

如图7、图8所示，下部机构包括有200下模座、下模座支撑导柱210、电极支撑板220、绝缘板221、第二固定电极420、定位销240、加热板料500、冷却下导热板233、冷却块231、冷却水道232、下部底座230、第一固定电极410，固定螺栓250，测温热电偶234。

通过第一固定电极410和第二固定电极420能够对板料500整个区域进行整体加热。

如图6，上模座100为长方形的中空的箱式结构件，内部装有控制移动电极的液压动力系统，四角与导套110之间采用焊接方式连接，并与外部控制系统相连，控制整个系统上下分离运动。上模座100底面设置有与缸筒形状相吻合的孔，4个缸筒上端装入孔中固定连接，4个活塞杆装入缸筒中为滑动连接控制电极上下运动；热传导加热底座130与上模座100和绝热板罩131分别固定连接。

如图7所示，下模座200四角与导柱210之间采用焊接方式连接，电极支撑板220、底座230与下模座200之间固定连接，绝缘板221采用螺栓250连接固定在两侧电极支撑板220上，第二固定电极420和第一固定电极410分别镶嵌在两侧绝缘板221上，下导热板233、冷却块231与底座230固定连接，冷却水道232位于231冷却块中，冷却水流经过冷却水道232可以循环流通，定位销240为小圆柱体式结构件，插入冷却下导热板233的定位销孔内，上表面高出加热板料500表面3-5mm，用于对高强度钢板料500的定位。

如图5所示，绝热板罩131采用隔热材料，结构为厚5mm的盒形件；上导热板133采用易于直接传导加热的紫铜材料，结构为10mm厚的板类结构件，与绝热板罩131前后内壁采用过盈配合，宽度比板料大3-5mm，使得上导热板133能覆盖加热板料；绝热板罩131与上导热板133间安装感应加热线圈132，感应加热线圈132作为上导热板133的热源，最终将热量直接传导到板料500上；其中绝热板罩131与加热底座130固定连接。

如图8所示，在下导热板233上设置多个测温热电偶234，能够对加热板料500的第一区域、第二区域和第三区域进行测试温度，并且在所述冷却水道232的出水口上设置温度传感器。

如图9、图10所示，通过外部控制系统控制上部模块与下部模块分离如图9，板料放置好后上下模块回位到合模状态如图10，此时四个气缸筒通过活塞杆将电极310、320、330、340压在板料500上，进而使板料与电极可靠接触，保证电流传导，热传导加热装置的上导热板133和下导热板233也与板料紧密接触。

实施例1

本发明所述的高强度钢热成形局部加热装置的加热方法：

参阅图11，采用尺寸规格为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料作为操作对象，在长度方向均分块成三个区域。

步骤如下：

1.利用切割机切割好一块规格尺寸为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料500；

2.控制系统通过导套导柱控制上部模块一起向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止；

3.利用机械装置将切割好的高强度钢板料放置到下导热板233的表面上，并利用定位销240对高强度钢板料500进行定位；

4.控制系统控制上部模块向下移动到绝热板罩131与加热板料500相接触，随后四个气缸筒通过活塞杆使四个电极向下移动至将板料压紧，使板料500与四个电极可靠接触；

5.通过控制系统给热传导加热模块中的感应线圈132以及电阻加热模块的电极分别通电，通过控制通电电压以及冷却水流流速的方法就可以精准控制三段板料在同一时刻达到不同的加热温度并处于最佳成形状态；如图11所示，在本实施例中，加热板料500的第一区域A、第二区域B、第三区域C性能要求不同，要求高强度低塑性区域可加热至奥氏体化温度(900℃)后，通过热电偶234对板料的实时温度监测以及电压调节保持恒温，使其完全奥氏体化，然后控制冷却块231，打开对应此区域板料下部的冷却水道232，对加热到900℃的区域进行快速冷却，通过调节对应冷却水道232中的冷却水流速，使其温度降低到650℃；在打开冷却水道232的同时，对要求低强度高塑性区域通电加热至奥氏体化温度以下的温度并使其维持原始铁素体和珠光体混合相，在此过程中，可通过测温热电偶对温度的实时监测并调节电压使其与高强度低塑性区域同时达到温度650℃，于此，整个板料的温度都达到650±10℃；

6.控制系统控制上部模块以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到最大位置；

7.利用机械装置将已经加热分块好的板料取出，转移到下一步工序，然后用传统热成形模具成形冷却，即可获得所需的三段强度不同的热成形件；

8.将装置所有机构归原始位置，切断电源。

实施例2

本发明所述的高强度钢热成形局部加热装置的加热方法：

如图11所示，采用尺寸规格为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料500作为操作对象，在长度方向均分块成三个区域。

步骤如下：

1.利用切割机切割好一块规格尺寸为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料500；

2.控制系统通过导套导柱控制上部模块一起向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止；

3.利用机械装置将切割好的高强度钢板料放置到下导热板233的表面上，并利用定位销240对高强度钢板料500进行定位；

4.控制系统控制上部模块向下移动到绝热板罩131与加热板料500相接触，随后四个气缸筒通过活塞杆使四个电极310、320、330、340向下移动至将板料压紧，使板料500与四个电极可靠接触；

5.通过控制系统控制四个电极310、320、330、340之间的电压以及热传导加热装置中感应线圈132的电压，对高强度钢板料500进行加热，通过热电偶234对板料500的加热区域的第一区域A、第二区域B和第三区域C分别实时温度监测，通过温度传感器对冷却水道232的出水口进行温度监测，与此同时，控制冷却块231，打开对应高强度钢板料500下部的冷却水道232，对高强度钢板料500温度过高需要冷却的部分通过调节对应冷却水道232中的冷却水流速，进行快速冷却，保证高强度钢板料500达到所需要的温度；

6.切断施加在电极上的电压，同时关闭冷却水道中的液体流动，控制系统控制上部模块以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到初始位置，同时切断测温热电偶234传递的信号，测温热电偶234测温结束；

7.利用机械装置将已经加热分块好的板料500取出，转移到下一步工序，然后用传统热成形模具成形冷却，即可获得所需的三段强度不同的热成形件。

8.将装置所有机构归原始位置，切断电源。

在本实施例中，所述第一移动电极和所述第二移动电极连通，施加第一电压；所述第三移动电极和所述第四移动电极连通，施加第二电压；对所述感应线圈施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和冷却水流速进行控制，包括如下步骤：

步骤一、建立BP神经网络模型：

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x₁,x₂,…,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,…,y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁,z₂,…,z_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝4；隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，输入的4个参数为，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于第一区域温度T_a，进行规格化后，得到第一区域温度系数x₁：

其中，T_{a_min}和T_{b_max}分别为第一区域的最低温度和最高温度。

同样的，对于第二区域温度T_b，进行规格化后，得到第二区域温度系数x₂：

其中，T_{b_min}和T_{b_max}分别为第二区域的最低温度和最高温度。

对于第三区域温度T_c，进行规格化后，得到第三区域温度系数x₃：

其中，T_{c_min}和T_{c_max}分别为第三区域的最低温度和最高温度。

同样的，对于冷却水管的出水口温度T_d，进行规格化后，得到冷却水管的出水口温度系数x₄：

其中，T_{d_min}和T_{d_max}分别为冷却水管出水口的最低温度和最高温度。

输出信号的4个参数分别表示为：z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速的调节系数；

第一电压的调节系数z₁表示为下一个采样周期中的第一电压与当前采样周期中设定的最大第一电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第一电压为U_ai，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第一电压调节系数z₁ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_a(i+1)，使其满足U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax；

第二电压的调节系数z₂表示为下一个采样周期中的第二电压与当前采样周期中设定的最大第二电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第二电压为U_bi，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第二电压调节系数z₂ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_b(i+1)，使其满足U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax；

第三电压的调节系数z₃表示为下一个采样周期中的第三电压与当前采样周期中设定的最大第三电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第三电压为U_ci，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第三电压调节系数z₃ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_c(i+1)，使其满足U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax；

冷却水流速调节系数z₄表示为下一个采样周期中的冷却水流速与当前采样周期中设定的最大流速之比，即在第i个采样周期中，采集到的冷却水流速为Q_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的调节角度调节系数z₄ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节角度为Q_i+1，使其满足Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max；

步骤二：进行BP神经网络的训练：

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤三、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数；

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速均以最大值开始运行，即第一电压U_a0＝0.73U_amax，第二电压U_b0＝0.78U_bmax，第三电压U_c0＝0.75U_cmax，冷却水流速Q₀＝0.83Q_max，；

同时，使用测温热电偶测量第一区域初始温度T_a0、第二区域初始温度T_b0和第三区域初始温度T_c0，使用温度传感器测量冷却水管的出水口初始温度T_d0，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量

通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

步骤四：控制第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速；得到初始输出向量

后，即可进行调节角度的调控，调节第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速，使下一个采样周期第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速分别为：

U_a1＝z₁ ⁰U_amax，

U_b1＝z₂ ⁰U_bmax，

U_c1＝z₃ ⁰U_cmax，

Q₁＝z₄ ⁰Q_max，

通过传感器获取第i个采样周期中的第一区域温度T_ai，第二区域温度T_bi、第三区域温度T_ci和冷却管出水口温度T_di，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x₁ ⁱ,x₂ ⁱ,x₃ ⁱ,x₄ ⁱ)，通过BP神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量zⁱ＝(z₁ ⁱ,z₂ ⁱ,z₃ ⁱ,z₄ ⁱ)，然后控制调节第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速，使第i+1个采样周期时第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速分别为：

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max。

通过上述设置，通过测温热电偶实时监测第一区域温度、第二区域温度和第三区域温度，通过温度传感器实时监冷却水道出水口温度，通过采用BP神经网络算法，对第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速进行调控，使其达到最佳的运行状态，从而提高运行效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法，使用一种高强度钢热成形梯度加热装置，包括：

上模座；

下模座，其上设置底座，在所述底座上部设置冷却块；

加热板料；

多个移动电极，其通过气压装置固定在所述上模座下部；

多个固定电极，其固定在所述冷却块两侧；

加热装置，其设置在所述上模座下部，并且设置在相邻移动电极之间；

冷却水道，其设置在所述冷却块内部；

其中，通过对所述移动电极和所述固定电极通电后传递的能量对所述加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在所述冷却水道内通入冷却水能够对所述加热板料进行降温；

导套，其设置在所述上模座下部；以及

导柱，其设置在所述下模座上部，与所述导套同轴设置；

其中，所述导柱在所述导套内能够相对于所述导套上下移动；

所述加热装置还包括：

加热底座，其设置在所述上模座的下端面；

绝热板罩，其固定在所述加热底座上，并且所述绝热板罩为内部中空的敞口结构；

感应线圈，其设置在所述敞口结构内部；

上导热板，其设置在所述绝热板罩的内部，所述感应线圈的下部，能够接收并传递所述感应线圈通电后传递的热量，对所述加热板料进行加热；

下导热板，其设置在所述冷却块上部；

所述移动电极设置为4个，包括：第一移动电极、第二移动电极、第三移动电极和第四移动电极，并且所述加热装置设置在所述第二移动电极和所述第三移动电极之间；以及

所述加热板料的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；

其中，通过对所述第一移动电极和所述第二移动电极通电能够对所述第一区域加热；

通过对所述第三移动电极和所述第四移动电极通电能够对所述第三区域加热；和/或

通过所述加热装置能够对所述第二区域加热；

所述固定电极设置为2个，包括：第一固定电极和第二固定电极；

其中，通过对所述第一固定电极和所述第二固定电极通电能够对所述加热板料的整个区域加热；

还包括：多个测温热电偶，其固定安装在所述下导热板上；以及

温度传感器，其设置在所述冷却水道的冷却水出水口处；

其特征在于，包括如下步骤：

准备好加热板料后，将上模座向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止，将所述加热板料放置到底座的表面上，并利用定位销对加热板料进行定位；

控制上模座向下移动到绝热板罩与下导热板相接触，此时四个移动电极也分别将加热板料压紧并使加热板料与下导热板可靠接触；

通过控制系统给感应线圈和电阻加热模块的电极分别通电，通过控制通电电压和冷却水的流速精准控制加热板料不同区域在同一时刻达到不同的加热温度；

控制系统控制上模座以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到最大位置，将已经加热分块好的板料取出；

所述第一移动电极和所述第二移动电极连通，施加第一电压；所述第三移动电极和所述第四移动电极连通，施加第二电压；对所述感应线圈施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压和所述第三电压进行控制，包括如下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过测温热电偶测量加热板料的第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c，通过温度传感器测量冷却水温度T_d；

步骤二、依次将所述步骤一中的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量z＝{z₁,z₂,z₃,z₄}；其中，z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速调节系数；

步骤五、控制第一电压、第二电压、第三电压、冷却水流速，使

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，U_amax、U_bmax、U_cmax、Q_max分别为设定的第一电压的最大电压值、第二电压的最大电压值、第三电压的最大电压值和冷却水的最大流速，U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)、Q_i+1分别为第i+1个采样周期时的第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速。

2.如权利要求1所述的高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法，其特征在于，所述步骤二中，第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c、冷却水温度T_d进行规格公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T_a、T_b、T_c、T_d，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

3.如权利要求2所述的高强度钢热成形梯度加热装置的加热方法，其特征在于，在所述步骤四中，

初始运行状态下，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速满足经验值：

U_a0＝0.73U_amax，

U_b0＝0.78U_bmax，

U_c0＝0.75U_cmax，

Q₀＝0.83Q_max

其中，U_a0为第一电压初始调节电压，U_b0为第二电压初始调节电压，U_c0为第三电压初始调节电压，Q₀为冷却水初始调节流速；U_amax为设定的第一电压最大调节电压，U_bmax为设定的第二电压最大调节电压，U_cmax为设定的第三电压最大调节电压，Q_max为冷却水最大调节流速。

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