摘要：近年来，国家不断推出关于节能减排及提升车身碰撞安全的强制性法规，超高强度钢的热冲压成形技术作为实现汽车轻量化，同时提高车身碰撞安全性的重要途径之一，在汽车行业中得到了广泛应用。文章在简要分析热冲压成形技术原理和工艺流程的基础上，利用PLC及模糊PID设计了热冲压成形的智能化控制系统，对其主要工艺参数及各工序之间的动作进行智能化控制。结果表明，控制系统智能化水平较高，能够精确地控制热冲压成形中的关键参数温度；能够实现对整个系统主要工艺参数进行实时监测与控制，实时协调各工序动作；且能对生产中各种异常条件进行提示及异常事件的记录，有效地防止异常情况发生。
关键词：PLC系统；热冲压成形；设计
热冲压成形就是金属板材及其它材料在加热后冲压成形为目标件的加工成形过程。热冲压模具对热冲压成形工艺影响较大，因此为了获得性能优良的热冲压件，需要对热冲压模具及其成形工艺参数进行较为深入的研究。虽然众多学者对于冲压成形方式、设备及其智能化控制系统进行了相关研究和分析，但是对于热冲压成形及其智能化控制系统的研究相对较少。基于此，本文以某钢板热冲压成形为研究对象，对其成形工艺进行分析，运用PLC设计其热冲压智能控制系统，对其温度、压力等进行智能化控制，为热冲压成形生产效率及钢板材料利用率的提高、成本降低、产品质量提升提供理论依据。
一、热冲压成形原理及工艺流程
热冲压成形技术是一种零件加工方式先将坯料加热至一定温度然后快速转移到模具中高速冲压并保压淬火以得到所需外形同时获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件。根据板料在送入加热炉之前是否进行了一次冷冲压预成形可将热冲压技术分为直接热冲压和间接热冲压。热冲压工艺流程根据板料表面是否有镀层热成形工艺可分为镀层板热冲压和裸板热冲压。
AI-Si镀层板热冲压工艺为开卷落料→板料加热→热压、淬火→激光切割裸板热冲压工艺为开卷落料→板料加热→热压、淬火→喷丸→激光切割。
本文以高强度22MnB5钢板为研究对象，上下模具材料为H13钢，热冲压成形为高强度U形板。原板料在有三个加热温区的连续加热炉中加热保温，然后在YC41-400T冲压成形液压机上冲压成形后，淬火冷却为目标件，图1为高强度U形板热冲压成形示意图。
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图1 高强度U形板热冲压成形示意图
图1中的高强度U形板热冲压成形，冲压速度为25mm/s，冲压频率为6～15次/min，最大冲压力为4MN；模具保压时间为30s，冷却时间为120min。
二、热冲压成形智能控制系统设计
（一）控制原理及控制过程
根据热冲压成形工艺流程，该系统采用温度控制器控制加热温度。各温区温度传感器实时检测温度，根据各工艺要求，与设定温度进行比对，利用PLC中的PID控制算法有效控制温度的变化。当检测温度低于设定值时，温度控制模块输出控制固态继电器接通加热丝使温度上升。当检测温度高于设定值时，温度模块则按一定频率接通脉冲式固态继电器，脉冲式加热以维持温度在设定值。通过PLC/PID控制、高精度温度传感器的反馈以及脉冲式恒温具有自动温度补偿能力，使得各加热炉内的温度可以根据设定值精确执行。此种方式消除了机械手刚送入的板材对温度的影响，保证最终加热奥氏体温度的恒定和精确度。同时在热冲压设备中也配备加热系统，控制方式与上述一致。当钢板加热条件和热冲压设备模具加热条件均满足时，则机械手将钢板由流水线转移至热冲压设备内部，PLC控制液压缸上下冲压成形，此时钢板在成形时仍然处在较高温度下，具备良好可塑性，对钢板进行冲压成形并延时保压。控制系统根据加速度传感器检测实时加速度，通过积分转换为速度，PLC控制中心根据运算自动调节液压系统液压力，从而实现目标冲压速度的调整与设定；通过控制液压系统速度，从而实现对冲压设备冲压频率的设定与调整。当保压时间结束时，需要对热冲压好的成形零件冷却淬火，在冷却淬火过程中，需对零件迅速冷却方可达到均匀马氏体组织。目前常用的热冲压钢材，实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速率为27～30℃/s，本文设定为27℃/s，因此要保证模具对板料的冷却速度大于本文设定的临界值27℃/s。设计的系统中，鉴于温度实时反馈和控制的延时性，对于快速冷却不可用温度传感器实时监控反馈控制。该系统采用物理传热速率方程式写入PLC，PLC通过MODBUS通讯协议控制温度控制模块，温度控制模块控制固态继电器关闭加热装置，关闭加热装置后，由PLC再开启冷却水泵装置，对零件迅速冷却。此方式提前预算好冷却水温、水量，以实现定流速度降温。
（二）电气元件选型
根据设计的热冲压成形控制工艺方案，对相关电气元件进行选型，选型参数如下：PLC：DVP-E系列最高阶主机，对于复杂的应用环境，程序及数据缓存器容量大。HMI人机界面：维纶TK6070IP人机界面，高抗干扰能力，高彩度显示效果，满足系统需求。温度控制器：本系列为多路模块式温度控制器，最多可支持八组热电偶对测温电阻输入，采用DINrail导轨安装方式节省配线，各通道控制器可同时独立运作；内置RS-485通讯接口，可支持ModbusASCII模式及ModbusRTU模式，传输速度最高可达115200bit/s。温度传感器：高铝刚玉管K型高温陶瓷热电偶，耐高温能达1500℃，适用于高温及大振动测试的温度传感器。加速度传感器：RC6050T加速度传感器，灵敏度50mV/g，频率响应0.3～15000Hz。
三、热冲压成形智能控制系统PLC程序
在U形板热冲压成形智能控制流程的PLC程序中，为使整个流程顺利进行，程序中设置了各种条件启动和报警装置，在生产管理过程通过自动检测、信息处理、分析判断等，自动地实现预期操作。结果可知，启动设备，程序设定设备自动检测炉内钢板原料条件；当炉内无料时，则启动下料机冲切钢板材料，机械手将材料送入炉内；当炉内钢板材料条件满足后，则同时对加热炉各个温区、热冲压机对模具温度进行检测，通过实际温度反馈值控制加热炉各温区加热到目标设定温度并恒温，同时冲压机也对模具加热到目标设定温度并恒温。当加热炉到达温度设定值时，则延时0.5h，将钢板材料充分均匀加热，以上加热过程中预设了加热超时报警，以防止发热丝老化或断路等故障，导致无法加热到目标温度；若加热时间超过设定时间而未达温度设定值，则判定该发热丝老化或断路故障，系统根据不良条件会自动发现故障并报警、停机，以严格遵循产品制作工艺条件和更好地保护设备。当以上条件均满足，则触发信号到机械手，将加热好的钢板材料放入热冲压成形设备的上下模具，对产品进行冲压、保压、冷却淬火、取出，从而完成整个产品的成形。
总之，钢板加工成形及热冲压成形过程中，对加热温度控制精度及反应速度要求较高，且实际生产中的自动化生产线是多设备共同协调工作。为了实现对其关键参数的智能化控制及对整个生产线的全自动控制，本研究设计了热冲压成形智能控制系统，对其主要关键参数及各工序之间的运动进行控制，已验证其智能化的可能性，为后续整条生产线的自动化智能化设计及制造提供了重要的参考。
参考文献：
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论文作者:姜伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：温度论文; 钢板论文; 控制系统论文; 模具论文; 板料论文; 加热炉论文; 设定值论文; 《电力设备》2019年第19期论文;