超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置的制作方法

專利名稱：超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置。
背景技術：
隨著能源和環境問題的日益突出，以及人們對轎車的安全性、可靠性、舒適性等要求的提高，各大汽車制造商努力從改善汽車的結構設計和尋找新的替代材料兩個方面減輕汽車的重量；不斷改進和采用新的零件制造工藝，提高產品的質量。超高強鋼的研究和使用，提高了汽車的碰撞性能，實現了輕量化的要求。但是，超高強鋼在室溫下變形能力很差。 一方面，超高強鋼板強度高，在室溫下塑性變形范圍很窄，所需沖壓力大，容易開裂；另一方面，沖壓成形后零件回彈增加，導致零件尺寸和形狀穩定性變差。因此傳統的冷沖壓方法難以解決超高強鋼在汽車車身制造中遇到的問題。近幾年，國外學者開發出一種新的超高強鋼板加熱成形工藝-熱沖壓成形技術。在熱沖壓工藝中，超高強鋼板板料在加熱爐中被加熱到奧氏體化溫度(900 950°C )，并在奧氏體區保持5分鐘，然后將板料轉移到壓力機， 在沖壓模具中同時進行沖壓成形和淬火，使成形零件獲得100%馬氏體組織。與其他成形工藝相比，板料的熱沖壓成形具有以下優點變形抗力小、塑性好、成形極限高、易于成形；能夠生產具有復雜幾何形狀的工件，成形零件具有良好的尺寸精度；配以合適的熱處理方式， 可使板料發揮其最佳的性能，為汽車提供高質量的零部件。另外，最新提出來的激光拼焊板熱沖壓技術將不同力學屬性或不同厚度的高強鋼拼焊到一起，然后進行熱沖壓成形，一方面可獲得拼焊板帶來的降低車體重量、提高裝配精度、簡化裝配步驟等優點；另一方面兼顧熱沖壓成形的優勢，進一步提高超高強鋼板的成形性和最終產品的尺寸精度，從而提高汽車抗碰撞性，更好地滿足安全及節能減排的迫切需求。中國專利CN101288889公開了《一種超高強度鋼熱沖壓成型工藝及成型模具》，該模具包括上模座和固定在上模座上的凸模、下模座和固定在下模座上的凹模，凹模中設有冷卻水通道，冷卻水通道與一個冷卻水循環系統相連接。中國專利CN20123U86Y公開了一種《汽車車身零件用熱沖壓成型模具》，該模具包括上底板、下底板、凹模、凸模、壓料圈。冷卻液在凸模、凹模型面內循環流動。凸模、凹模采用鑲塊結構，鑲塊材料選用高強度的熱作模具鋼。該類專利所提工藝及模具結構生產的零件只具有高強度，無法滿足防撞類零件吸能性的要求。中國專利CN101486062A公開了一種《高強度鋼零件的熱成形和切邊一體化工藝及模具》，該模具包括上模、下模、上切邊工具和下切邊工具，在上下模中設有冷卻水道上模的上端安裝有上模油缸，上模油缸的活塞桿與上切邊工具連接，下模的底部安裝有下模油缸，下模油缸的活塞桿與一頂桿的下端連接，頂桿的上端與下切邊工具連接。該結構利用模具內部的切邊工具對熱成形零件進行切邊。該工藝增加了熱成形模具的復雜程度，并且切變力和切變位置受到熱成形模具結構的限制。中國專利CN101717850A公開了《一種超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝及裝置》，該工藝根據所要成形的零件的性能要求，對超高強度鋼板不同要求區域利用不同的冷卻方式進行熱處理。該裝置包括不同的冷卻模塊和保溫退火模塊，各模塊緊密排列在一起。該實用新型可以使同一個成形板料的不同區域具有不同的機械性能，得到各處性能存在差異的拼合板料。該實用新型獲得的是性能各異的拼合鋼板，為了獲得性能各異的成形零件，需要結合后續的冷沖壓工藝。工序繁瑣之外，由于實用新型裝置的限制，無法獲得復雜類、性能任意拼接零件。中國專利CN101961744A《拼焊板的成形方法及其裝置》，該工藝及裝置能夠實現零件中不同厚度、強度材料的結合，從而降低車重的同時提高零件的吸能性。但拼焊技術也有其缺陷焊縫的移動會造成板料成形性能的下降、焊縫的移動會造成模具表面的磨損、激光拼焊設備價格昂貴。

實用新型內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，在成形及模內冷卻過程中零件不同的區域進行程度不一的熱傳遞，使得成形零件的強度和硬度能夠按需分布，實現了材料的高強度和吸能性的完美結合，而且能夠降低設備的投資，減少生產工序，提高生產效率，產品質量易于控制。為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案一種超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定， 凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分別與上模架、下模架相連接，上下模架由導柱導套導向；所述凸模和凹模均至少由一塊鑲塊組成，凸模與凸模固定板之間、凹模與凹模固定板之間分別設有一層耐高溫隔熱保溫涂層；所述凸模和凹模上分別設置測溫元件，測溫元件與溫度控制系統相連。所述凸模和凹模均為由加熱區和冷卻區組成的整體式鋼制結構。所述凸模和凹模均為鑲塊式鋼制結構，其包括加熱鑲塊和冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間有隔熱間隙。所述凸模和凹模均為鑲塊式鋼制結構，其包括加熱鑲塊和冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間有特殊的隔熱陶瓷。所述凸模和凹模均為鑲塊式結構，其由特殊陶瓷鑲塊和鋼制冷卻鑲塊組合而成。所述凸模和凹模均為鑲塊式結構，其由特殊陶瓷加熱鑲塊和鋼制冷卻鑲塊組合而成。所述凸模和凸模固定板之間、凹模和凹模固定板之間均通過燕尾槽結構相配合， 凸模和凸模固定板之間、凹模和凹模固定板之間均通過側面的螺釘緊固。所述凹模面安裝有頂部為半球形、可自由伸縮的定位螺釘。所述凸模和凹模中設有冷卻水通道，冷卻通道上安裝有冷卻水進出口接頭，卻水進出口接頭連接供水管及水泵。所述凸模和凹模中設置加熱管，所述加熱管與溫度控制系統的溫控器相連。該裝置為一套高溫拼接淬火成形模具，實用新型主要針對凸模、凹模及凸模固定板、凹模固定板及溫度控制系統。凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定。凸模固定板和凹模固定板通過螺絲分別與上模架、下模架相連接，上下模架之間通過導柱導套進行導向。[0020]凸模按照需要由一塊及以上的鑲塊拼接而成，不同的鑲塊采用不同的冷卻方式、 加熱方式甚至材質。為了確保溫度在鋼板厚度方向分布均勻，而不發生翹曲，凹模的加熱、 冷卻方式及材質與凸模相對應。凸模采用如下幾種組合方式(一)整體式鋼制凸模，其中分為加熱區和冷卻區； (二)鑲塊式鋼制凸模，其中分為加熱鑲塊、冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間采用一層特殊陶瓷隔熱；(三)鑲塊式鋼制凸模，其中分為加熱鑲塊、冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間采用一定距離的間隙隔熱；(四)鑲塊式凸模，其中分為陶瓷鑲塊、鋼制的冷卻鑲塊； (五)鑲塊式凸模，其中分為陶瓷加熱鑲塊、鋼制的冷卻鑲塊。凹模的組合方式與之對應。 在相同條件下，組合(一)加熱區的冷卻速度最快，冷卻區的冷卻速度最慢；組合(五)加熱區的冷卻速度最慢，冷卻區的冷卻速度最快。五種組合方式中，保溫鑲塊的保溫性能從組合方式(一)到(五)逐漸提高。組合方式根據實際生產零件需要進行選擇。為方便更換凸模，凸模和凸模固定板之間通過燕尾槽結構相配合，凸模和凸模固定板之間通過側面的螺釘進行緊固。對應的凹模按照相同情況處理。凹模面安裝有可自由伸縮的定位螺釘，螺釘頂部為半球形，減少了與鋼板之間的接觸面積，降低了熱量的散失。需要設置冷卻水道的凸模，冷卻水通道上安裝有冷卻水進出口接頭，接頭連接供水管及水泵，冷卻水道通過高速流動的水流將熱量帶走，從而達到局部熱處理的目的。對應的凹模按照相同情況處理。對于制作樣件，陶瓷鑲塊選用高級玻璃陶瓷Macor，該材料擁有良好的機械加工性能，并且具有熱導率低、比熱高、膨脹系數小等優點，大大降低了與接觸鋼板之間的熱傳遞， 是一種性能優良的保溫退火鑲塊。對于批量生產，陶瓷鑲塊選用高韌性、高抗彎強度和高耐磨性、優異的隔熱性能、熱膨脹系數接近于鋼的氧化鋯&02陶瓷。加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間采用一層特殊陶瓷隔熱，該陶瓷選用高級玻璃陶瓷 Macor0凸模和凸模固定板之間涂有耐高溫隔熱保溫涂料，有效減少凸模熱量損失。需要設置加熱裝置的凸模，安裝有加熱管。該加熱管以金屬管為外殼，合金電熱絲作為發熱體，在一端具有引出線在金屬管內填裝密實的氧化鎂粉絕緣介質，以固定發熱體。所選用加熱管為圓柱形，其孔徑比模具上需要加熱的孔徑小0. 1mm。因模具各處加熱溫度不同，故加熱時需要采用測溫設備。本實用新型采用外置K 型鎳鉻-鎳硅熱電偶，測溫范圍0 1300°C。經凸、凹模上下面的凹槽將熱電偶安裝在距離凸凹模閉合面2mm處，用來測量凸、凹模的溫度。該K型熱電偶通過熱電偶補償導線與溫控器相連，將測量的溫度值直觀顯示出來。該溫控器有多個擴展端子，可與多個熱電偶相連接。該溫控器與金屬加熱管相連，可根據測量值與設定值(目標值)之差經過比較 (運算)后輸出控制指令改變控制器繼電器的通斷；控制器的調節方式采用PID控制，穩定性好，可自動消除靜差。控制系統的工作原理熱電偶將溫度轉換為電信號輸入儀表，儀表將信號進行處理(放大、非線性補償) 后，一路送至顯示電路進行顯示，另一路與設定值進行比較后獲取溫度誤差，然后根據該誤差按預定的調節方式進行比較(運算)后輸出控制指令改變儀表內部繼電器的通斷，以達到改變外部加熱器工作狀態從而控制模具溫度的目的。本實用新型凸凹模鑲塊采用不同熱物理性能的材料、不同的加熱及冷卻方式，依靠PID溫度控制系統，使加熱奧氏體化后的超高強鋼板在成形及保壓冷卻過程中不同區域處于不同的冷卻速度，從而獲得不同的微觀組織，最終得到各處性能各異的拼接零件，實現了高強度與高吸能性的任意拼接，并確保鋼板的高強度區域和低強度區域的力學性能在拼接區均勻過渡。該實用新型能夠降低設備的投資，減少生產工序，提高生產效率，產品質量易于控制。

圖1是本實用新型超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置結構示意圖；圖2是凸模固定板的結構示意圖；圖3是凸模冷卻鑲塊的結構示意圖；圖4是凸模加熱鑲塊的結構示意圖；圖5是凹模冷卻鑲塊的結構示意圖；圖6是凹模加熱鑲塊的結構示意圖；圖7溫度控制原理簡圖；圖8某U型梁示意圖；圖9鋼板在三種模具組合方式中的溫度分布圖；圖10鋼板在不同模具加熱溫度下的冷卻曲線圖；圖11鋼板進入貝氏體轉變區域后的組織形貌圖；圖12鋼板進入馬氏體轉變區域后的組織形貌圖；其中1-凸模固定板；2-凸模冷卻鑲塊；3-冷卻水道；4-凹模冷卻鑲塊；5-凹模固定板；6-耐高溫隔熱涂層；7-緊固螺釘孔；8-陶瓷隔熱層；9-凹模加熱鑲塊；10-定位銷； 11-凸模加熱鑲塊；12-熱電偶傳感器；13-加熱管。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型進一步說明。本實用新型的凸模固定板1與上模架配合的上表面加工有凹槽，凹槽底面鉆有若干直徑2. 5mm的通孔，以備安放熱電偶12。凸模固定板1燕尾槽內涂有耐高溫隔熱保溫涂料6。凸模固定板一側有若干帶有螺紋的螺絲孔，以方便通過螺釘固定凸模2、11。凹模固定板5的結構與凸模固定板1的結構相對應。凸模冷卻鑲塊2內設有冷卻水道3，冷卻水道3通過連接水管連接。為了保證模具表面溫度盡可能均勻，在凸模冷卻鑲塊內部設置有多個進水孔和多個出水孔，冷卻水道 3 一側為進水孔，一側為出水孔，進水孔通過水管與水泵相連，出水孔與冷卻水回收設備相連。凸模冷卻鑲塊設有若干個與凸模固定板1相對應的直徑2. 5mm的直孔，直孔下端距離凸模面距離為2mm，熱電偶感應端探測此處凸模2的溫度，并將溫度信息發送至溫度控制系統。安放多個熱電偶，可以監控多個區域的凸模2溫度情況。凹模冷卻鑲塊4的結構與凸模冷卻鑲塊2的結構相對應。[0052]凹模上設置有4個定位銷10，定位銷10頂部為球形，定位銷10可以向凹模5內部自由伸縮，防止加熱鋼板與凹模5過早接觸而導致的溫度下降。凸模加熱鑲塊11設有若干個電加熱管，所選用加熱管為圓柱形，其孔徑比模具上需要加熱的孔徑小0. 1mm，所采用的加熱管為單頭電加熱管，根據模具所需加熱溫度來確定加熱管的功率。凹模加熱鑲塊9的結構與11相對應。熱電偶與溫度控制系統相連，溫控器可根據測量值與設定值(目標值)之差經過比較(運算)后輸出控制指令改變控制器繼電器的通斷；控制器的調節方式采用PID控制。以圖8所示的某U型梁為例，該梁前端部分承擔沖擊載荷，要求必須有足夠的吸能性；后端部分與駕駛室相連，要求必須有足夠的剛性。根據本實用新型的原理，前端部分必須在一定的保溫條件下成形，確保冷卻速度足夠慢；后端部分必須滿足一定的傳熱條件，確保冷卻速度足夠快。由于本實用新型提出了五種凸、凹模組合方式，即(一)整體式鋼制凸模，其中分為加熱區和冷卻區；(二)鑲塊式鋼制凸模，其中分為加熱鑲塊、冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間采用一層特殊陶瓷隔熱；(三)鑲塊式鋼制凸模，其中分為加熱鑲塊、 冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間采用一定距離的間隙隔熱；(四)鑲塊式凸模，其中分為陶瓷鑲塊、鋼制的冷卻鑲塊；(五)鑲塊式凸模，其中分為陶瓷加熱鑲塊、鋼制的冷卻鑲塊。凹模的組合方式與之對應。在相同條件下，組合(一)加熱區的冷卻速度最快，冷卻區的冷卻速度最慢；組合(五)加熱區的冷卻速度最慢，冷卻區的冷卻速度最快。五種組合方式中，保溫鑲塊的保溫性能從組合方式(一)到(五)逐漸提高。組合方式根據實際生產零件需要進行選擇。其中后兩種相對前三種來說，具有更好的保溫性能。因此本實例采用五種凸、凹模組合方式中的前三種來進行對照驗證，從而闡明該工藝的實施方式，并證明實用新型的有效性。將電加熱棒通電，依靠溫度控制系統采集熱電偶的溫度信息，進而控制繼電器的通斷，從而獲得需要的模具溫度400°C。在此溫度下保溫5分鐘，確保模具各處的溫度均勻分布。同時開啟供水系統，確保冷卻水道水流平穩。熱電偶定時采集溫度信息，確保模具各處溫度達標。將可淬火超高強鋼板加熱到930 950°C并保溫5分鐘充分奧氏體化，之后將加熱超高強鋼板從加熱爐中取出并放置于定位銷之上，凸模下行至下死點，保溫10s，在此過程鋼板與選用的凸、凹模組合進行熱處理。保溫完畢，凸、凹模分離，取出成形零件后自然冷卻至室溫。三種凸、凹模組合方式下鋼板在過渡區附近沿縱向溫度分布曲線如圖9所示。可見三種組合方式中組合方式(三)采用間隙隔熱保溫效果最好，冷卻速度最慢。根據有關研究文獻，鋼板在不同模具加熱溫度下的冷卻曲線如圖10所示。可見， 模溫在360°C及以上，對應鋼板冷卻速度25°C /s，可以確保進入貝氏體轉變區域，屈服強度可達500 550MPa，抗拉強度可達600 700MPa，可滿足U型梁碰撞吸能的實際需要。帶有冷卻水道的凸模冷卻鑲塊溫度保持在50°C以下，對應鋼板冷卻速度大于50°C /s，奧氏體完全轉化為馬氏體組織，屈服強度可達1000 1250MPa，抗拉強度達1500 1750MPa，完全滿足U型梁防碰撞變形的需要。圖11為鋼板進入貝氏體轉變區后生成的組織形貌，圖12 為鋼板進入馬氏體轉變區后生成的組織形貌，微觀組織形貌驗證了所表現出的宏觀力學性能。
權利要求1.一種超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分別與上模架、下模架相連接，上下模架由導柱導套導向；所述凸模和凹模均至少由一塊鑲塊組成，凸模與凸模固定板之間、凹模與凹模固定板之間分別設有一層耐高溫隔熱保溫涂層；所述凸模和凹模上分別設有測溫元件， 測溫元件與溫度控制系統相連。
2.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模均為由加熱區和冷卻區組成的整體式鋼制結構。
3.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模均為鑲塊式鋼制結構，其包括加熱鑲塊和冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間有隔熱間隙。
4.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模均為鑲塊式鋼制結構，其包括加熱鑲塊和冷卻鑲塊，加熱鑲塊和冷卻鑲塊之間有隔熱的陶ο
5.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模均為鑲塊式結構，其由陶瓷鑲塊和鋼制冷卻鑲塊組合而成。
6.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模均為鑲塊式結構，其由陶瓷加熱鑲塊和鋼制冷卻鑲塊組合而成。
7.如權利要求1-6中任一項所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凸模固定板之間、凹模和凹模固定板之間均通過燕尾槽結構相配合，凸模和凸模固定板之間、凹模和凹模固定板之間均通過側面的螺釘緊固。
8.如權利要求7所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凹模面安裝有頂部為半球形的定位螺釘。
9.如權利要求1所述的超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，其特征是，所述凸模和凹模中設有冷卻水通道，冷卻通道上安裝有冷卻水進出口接頭，冷卻水進出口接頭連接供水管及水泵；所述凸模和凹模中設有加熱管，所述加熱管與溫度控制系統的溫控器相連。
專利摘要本實用新型公開了一種超高強鋼高溫拼接淬火成形裝置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分別與上模架、下模架相連接，上下模架由導柱導套導向；所述凸模和凹模均至少由一塊鑲塊組成，凸模與凸模固定板之間、凹模與凹模固定板之間分別設有一層耐高溫隔熱保溫涂層；所述凸模和凹模上分別設有測溫元件，測溫元件與溫度控制系統相連。本實用新型可以確保零件一次熱成形完畢后不同區域具有不同的力學性能，可應用于汽車防撞類零件(防撞梁、A柱、B柱、車身地板通道等)的生產。
文檔編號C21D8/02GK202297712SQ20112035167
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者唐炳濤, 李輝平, 王兆清, 王紅娟, 鹿曉陽 申請人:唐炳濤