CN101053281A - 电阻加热的金属成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于成形金属件的装置，其包括用于接收和支撑工件的基站。该基站具有电流源和流体源。所述基站还包括第一和第二电极夹。每个夹与电流源电连通并与流体源流体连通。夹与工件接合并将电流和流体分配到其上。该系统包括与至少一个夹机械相连的致动器。该致动器与夹结合操作，从而向工件施加机械力。该系统可操作，以在成形或处理步骤期间选择性地控制工件的温度曲线图和/或环境条件。披露了一种包括模块化系统的特定系统。也披露了使用该系统的方法。

Description

电阻加热的金属成形装置及工艺

相关申请

本申请要求2004年9月17日申请的、序列号60/610720、名称为“电阻加热的金属成形工艺”的美国临时专利申请的优先权。

发明领域

本发明一般涉及用于成形金属件的装置和工艺。更具体地说，本发明涉及一种用于成形金属件的装置和工艺，其中，采用电阻加热将金属件加热。最特别地，本发明涉及一种用于成形金属件的装置和工艺，其中，金属件可在单个处理站中成形、热处理和/或淬火。

背景技术

许多金属成形工艺包括的步骤有加热工件并对其施加成形力，以改变或维持所需的形状轮廓。温度控制在这些工艺中通常十分重要，以达到或者维持所需的冶金状态和/或执行如渗氮、渗碳等之类的热处理步骤。使电流流过工件从而生热的电阻加热优选用在许多金属成形工艺中，这是由于电阻加热非常快且非常可控，因此，可获得精确的温度和/或可对工件选定区域加热。

现有技术已经实现了许多金属成形工艺，其中，电阻加热与各种成形步骤如弯曲、模锻、拉伸等结合。一些这种系统例如在美国专利US5737954、US6463779、US6384388、US5515705、US3933020、US6868709、以及US5744773中示出。

在各种金属加工工艺中，在成形和处理工艺期间，需要使工件与液体或者气态流体接触。这种流体可包括用于控制工件温度的淬火流体，或者其可包括处理流体，如与工件的金属化学反应的种类(species)；这种处理流体可包括渗氮流体、渗碳流体等。

本发明涉及一种把加热、成形以及流体输送功能集成到单个工件支撑站的系统。本发明的系统可制成模块化形式，并易于快速地重新组合，以便容许制造不同轮廓和/或不同冶金性能的各种工件。就此而言，本发明的系统易于适合于大批量制造工艺。本发明的这些和其他优点将参考下文的附图、论述和描述进行说明。

发明概述

披露了一种用于成形金属件的装置。该装置包括接收并支撑工件的站、电流源、流体源、以及第一和第二电极夹。每个电极夹与电流源电连通，并与流体源流体连通。电极夹构造用来接合工件，并向其输送电流和流体。在一些实施例中，该系统还包括与至少一个夹机械相连的致动器。该致动器可与至少一个夹协同操作，从而对工件施加机械力。

该装置还可包括控制器，其控制电流源和流体源中的至少一个。该装置还可包括用来检测工件温度的温度传感器。在一些具体实施例中，该温度传感器与控制器通信，并与该控制器协同操作，从而控制工件温度。这种控制可与预选的外形相符，从而优化用来改变至少一部分工件的冶金状态或者以其他方式对至少一部分工件进行热处理。

在本发明的一些具体实施例中也披露了包括模块化装置，该模块化装置包括基站和与其接合的一个或多个成形模块。基站包括电流源、用于控制电流的控制器、流体源、用于控制流体源的控制器、以及用于向致动器装置供给动力的动力源。成形模块包括第一和第二电极夹，电极夹构造用来接合工件并向该工件输送电流和流体。成形模块还包括致动器，该致动器与至少一个夹机械相连，并与之协同操作，从而对工件施加机械力。成形模块还包括连接器，以将该模块连接到基站。该连接器可操作用来把来自电流源的电流和来自流体源的流体输送给夹，并且还可操作用来输送动力给致动器。

还披露了使用本发明的装置成形金属件的方法。

附图说明

图1A-1F示出由本发明执行的基本金属加工工艺；

图2A示意性地示出本发明的一个具体装置；

图2B示意性地示出本发明的另一个具体装置；

图3是本发明中所用的温度控制电路图；

图4A和4B示出特殊的时间/温度分布图，其可通过使用本发明的系统获得；

图5是本发明的另一个实施例的示意图；

图6是本发明的又一个实施例的示意图；

图7是本发明的再一个实施例的示意图；以及

图8是依照本发明构造的模块化系统的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种金属成形系统，其采用电流的流动来加热工件。具体地说，该系统可用来在这样一个工艺过程生产成形的金属部件，在该工艺过程中也容许对该部件热处理和/或淬火，从而可选择地控制物理特性如硬度、韧度等。本发明在工件的整个加工过程中控制工件的温度曲线，以便提供具有优选的冶金特性的成品；且在这点而言，本发明可根据预定的曲线图来检测并调节工件温度。

本发明的工艺将可控的电阻加热与金属成形技术结合，该金属成形技术包括辊轧成形、模锻、弯曲、拉伸、扭转和淬火。在本申请的上下文中，电阻加热可理解为其中直流电流或者交流电流直接施加于工件上以使该工件加热的过程。就此而言，电阻加热区别于感应加热之处在于，后者通过在工件外部的振荡电磁场在工件中诱发电子的相应振动运动，以便产生加热。

在基本工艺中，将电流施加到工件上，以便加热该工件。该加热的工件可受到成形力，该成形力改变或者在一些情况下维持工件的构型。在其他情况下，加热改变工件的冶金状态。通过控制电流的流动，可以很精确地控制加热程度。此后，终止电流，并使工件冷却。通过使用淬火剂可控制冷却曲线。参考图1A-1E能够最好的理解该基本工艺过程。

现参考图1A，示出由金属本体，特别是钢本体构成的工件10。在一些情况下，工件10可以已经预先受到金属加工操作如辊轧成形、冲压、切割、穿孔等。工件可以是实心原料；尽管，在很多情况下，工件可包括具有复杂轮廓的部件，如空心梁、C形轮廓或者其他复杂形状。

在工艺的第一个步骤中，如图1B所示，一对电极夹12a、12b固定到工件10上。这通常在夹具中完成，该夹具可包括下文参考各个附图所述的其他部件和功能。电极夹12a、12b形成与工件10的导电连接，并且在一个优选实施例中，其直接地夹持到该工件上；尽管如此，可以理解也可以采用以其他方式构造的电极。电极夹12a、12b与电力源电连通，该电力源在这个示例中为发电机14。可以理解，电池或者其他电力源(包括交流和直流电源)可用于本发明的实践中。图1B的系统还包括开关16或者其他控制器如变压器或者变阻器，以便控制电流从发电机14流过工件10。

在图1C所示的本发明的随后步骤中，开关16闭合，从而使电流开始流过工件10。电流致使工件10被加热，且通过控制流过工件10的电流的大小和/或电压来控制加热量大小。将可以理解，以这一方式可以精确控制工件的加热。

如图1D所示，加热的工件10受到机械力，该机械力使工件以所需方式变形。在图1D的实施例中，通过施加到工件上的机械力并通过与夹12a、12b相连的致动器使工件弯曲成曲线轮廓。这种弯曲力用箭头A表示。如用箭头B所示的，通过夹12a、12b也可将扭转施加到工件10上。同样的，可通过夹施加拉伸力。如下文更详细叙述的，工件还可附加地通过不同于夹的其他装置如模、致动器等施加到其上的机械力而成形。在一些情况下，成形可通过加压(即，吹塑)、磁力成形或者其他技术完成。

一旦工件已经适当地成形，通过打开开关16将电流的流动终止，如图1E所示。可以理解，在一些情况下，可在成形步骤之前或者成形过程中终止电流和加热。在完成成形操作之后，优选将工件10淬火或者以其他方式使其受到可控冷却步骤，以便产生所需的冶金转变。例如，在一个具体实施例中，工件被加热至奥氏体化温度，并随后在其相对软的同时进行加工，且在加工步骤之后，将其淬火，从而将钢转变成更高硬度形式，如马氏体或贝氏体结构。在最后步骤中，将完成的工件10从夹12a、12b取下，从而基本工艺完成。尽管前面已经叙述了其中工件整个形状被改变的工艺过程，但在一些情况下，本发明的金属加工工艺针对的是在被加热和淬火的同时维持部件形状。

将可以理解，在本发明的上下文内可对这个基本工艺过程执行许多改进和改变。如上所简述的，可通过现有技术中已知和构想的任何机械装置来实现金属工件的成形。现参考图2A，其示出本发明的另一个实施例。与图1中的实施例相同，图2A所示的实施例用来加热和成形工件10，就此而言如同前述的，该实施例包括电极夹12a、12b，它们与电力源14和电源控制开关16协同操作。在图2A所示的实施例中，通过一系列机械致动器18A-18L来成形加热的工件10。图2A所示的系统的一个优点就在于，致动器可制得相对小，并可包括下部动力部件。这些致动器18可包括液压致动器、气动致动器或者电驱动致动器。致动器18设置得能够在启动时接触并成形工件10。如前所述，可通过电极夹12a、12b对工件施加附加的成形力。如进一步说明的，控制器20设置成可选择性地启动致动器18。将可以理解，图2A所示的实施例可用作通用成形设备，该成形设备能够根据哪一个致动器18a-18k被控制器20启动来将工件10构造成各种形状。这种型式的系统可用来生产各种构形的制品，而不需重要的重新装备工具。

还可以理解，图2A所示的实施例可以其他方式改进。例如，各种致动器可改进，以执行诸如穿孔、切割、焊接等之类的操作。而且，各种致动器可被构造用来夹住、拉伸、扭转工件或者以其他方式使工件变形。加入多个致动器的一个实施例的一个优点在于，任一给定的致动器不必是全能的，这是由于其将与许多其他致动器协同作用，以便实现工件形状的净改变。

现参考图2B，其示出依照本发明的成形系统的另一个实施例。与在前实施例相同，图2B所示的实施例包括协同发电机14和开关16操作的电极夹12a、12b，从而将工件10加热。在这个实施例中，一对模22a、22b可用来成形工件10。与前述实施例相同，拉伸、扭转或者弯曲力可通过包括了电极夹12的其他结构施加给工件。在这个实施例中，电极夹12a、12b可向工件施加成形力。

本发明的系统在金属加工过程的所有阶段都给工件提供了非常好的温度控制。在具体实施例中，图3所示型式的温度控制电路可包括在该系统中。图3的电路包括温度控制器24，该温度控制器24可以是基于微处理器的控制器、模拟控制器或者机电控制器。温度控制器24用来调节对工件进行电阻加热的电源28。在控制电路的具体实施例中，温度控制器也从温度传感器26接收温度信息。温度传感器可包括与工件连通的光学高温计、热电偶或者其他温度测量装置。由于工件的电阻率将随其温度变化而变化，因此在一些情况下，温度传感器26可测量工件的电阻率并因此确定其温度。温度控制器24可用来将工件维持在确定温度，或者其可根据预定的曲线图来控制温度。

如上所述，本发明的系统优选在工件加工期间将加热的工件淬火。在这一方面，图3所示的温度控制电路也可与淬火系统30电连通，该淬火系统30可将淬火液或气体分配给工件。在这种情况下，控制器24检测工件的温度，并响应于工件温度来控制淬火系统30的操作，从而获得所需的淬火曲线。使用这种型式的系统可容许金属加工过程的各个部分在非常精确的温度控制下执行。例如，可将金属工件加热到足够高的温度，以便于塑性变形，但是，该温度又足够低，以使氧化物形成最小。然后，可将其快速加热到冶金转变温度，保持适当的时间并以产生所需冶金状态的速率冷却。例如，使用这个系统可以可靠地生产具有马氏体或贝氏体结构的成品。这种控制容许由低成本的传统合金制造出高质量的零件。

图4A和4B示出可通过使用本发明的系统获得的时间/温度曲线图的各种示例。将可以理解，也可使用本发明的系统实现各种其他曲线图。

现参考图5，示出本发明的另一个特征，其中，该系统的电极夹12a、12b还用来将淬火流体分配给加热的工件。如图5所示，工件10被经由如前述实施例中的开关16而与发电机14电连通的电极夹12a、12b夹持并电阻式加热。在这个实施例中，电极夹12a、12b也经由流体管路34与淬火流体源32连通。淬火流体可包括现有技术中的任何已知类型淬火剂，作为示例，其包括诸如水、油、水油乳状液、有机流体等之类的液体。淬火剂流体也可包括气体，并且，在某些情况中，淬火剂流体可包括液化气如液氮。在图5所示的实施例中，夹12a、12b可构造用来引导淬火流体流过工件10的外表面。在工件是空心工件的那些情况中，该系统可进一步用来使淬火剂流体穿过工件。在图5中也示出与各个夹12a、12b相连的一对致动器34a、34b。如上文所述，该致动器可包括液压、气动、电或者机电致动器，并可用来拉伸、扭转或者弯曲工件。在其他情况中，图5所示的系统可修改为在工件加工过程中，向工件分配诸如渗碳流体、渗氮流体或者惰性流体之类的另一种流体。这种其他流体可与淬火剂流体一起使用，或者可代替淬火剂流体。

在上述的所有实施例中，示出的电极夹置于工件端部。在一些实例中，可根据需要以其他方式设置夹。例如，如果仅对工件的特定部分进行热处理循环，夹可设置成便于只向工件的那些部分分配电流。因而，所有这种实施例都在本发明的范围内。而且，在一些情况中，工件的特定部分可受到与应用于工件的其余部分的热处理步骤不同的特定热处理步骤。例如，整个工件可被热处理，以便在其内诱发第一冶金转变，且该工件的选定部分然后被再处理，从而将那些选定的部分转变到第二冶金状态。例如，可这样处理工件，从而制造出高硬度部件，该高硬度部件内具有选择的低硬度区域。

这种结构可提供用于能量消散结构，如保险杠、防撞梁等，它们具有预定的一组优化变形特征，从而将机械冲击削弱。在其它情况中，可对部件的特定区域热处理，从而提供优化用于诸如焊接、攻丝、切削之类的随后处理步骤的硬度特征。例如，使用本发明的方法可制造高硬度梁部件，该高硬度梁部件具有从其延伸的低硬度翼片或者凸缘。

图6示出专门构造用于对工件一部分单独热处理的本发明的另一个实施例。如图6所示，工件10由电极夹12a、12b支撑，该电极夹12a、12b由例如发电机14的电源经由开关16通电，这些都与前述相同。图6所示的实施例还包括第二组电极36a、36b，其与发电机14电连通，并可选择地经由第二开关38启动。该第二组电极36a、36b可选择地接触到工件10，并且，在电流通过时，电极36a、36b相互配合以对置于其间的工件10的部分电阻式加热。尽管没有示出，将可以理解，与前述一致，图6所示的实施例可包括在工件上执行成形操作的装置。

在使用图6所示的实施例时，工件10可首先经由电极夹12a、12b被加热至所需的冶金转变温度，随后成形，并选择性地淬火。在其它步骤中，可启动辅助电极36a、36b来再加热工件10的一些部分，以便对那些部分逆回火，或者以其他方式进行冶金转变。这种再加热可选择地伴随有其他加工步骤，如成形步骤、淬火步骤等。

依照本发明的另一方面，金属成形系统还可在工件加工的选定阶段期间为工件提供可控气氛。现参考图7，其示出一个这样的实施例。如这儿所特别示出的，工件10由可包括如前所述的机械致动器的电极夹12a、12b支撑。在这个具体实施例中，电极夹12a、12b还构造成用来从工艺气体源70将工艺气体分配给工件10。该工艺气体可包括惰性气体如氮气、氩气等。在其他情况中，工艺气体可包括还原气体如氢气、渗氮气体如氨等、或者渗碳气体如烃。该系统可构造用来将工艺气体分配到工件的外表面上；且在工件为空心工件的那些情况中，其可用来将工艺气体分配到工件内部。

在工艺气体是惰性气体的那些情况中，可以将在加热的工件上形成的不想要的氧化物和/或其他鳞消除或者最少化。由于鳞的消除将导致制造更高质量的产品和/或便于对完成的工件进行进一步加工，因此这对本发明来说是非常重要的特征。惰性气氛的使用也将使对加热的工件执行操作的时间期间延长，这是由于消除了因氧化物和鳞形成造成的时间约束。在许多情况中，用于成形加热的工件的现有系统要求必须使用特别高成本的钢合金，以便避免形成不适当的鳞和氧化物。本发明的使用消除了这一高成本因素。

可以实现用于执行本发明方法的各种系统。在本发明的一个方面，构想的是可以制造一种模块化金属加工系统。在这种系统中，可以构造专门的模块，以便在特殊工件上执行特殊的多组操作。这种模块可包括特殊构造的电极、成形部件、流体分配系统等。每个操作模块的特殊构造将取决于在其内制造的物品的本质。在本发明的这个实施例中，模块可构造成与“万用”控制系统接合。该控制系统将包含共用单元，诸如供电系统、气动系统、液压系统、流体分配系统等。以这种方式，该装置易于构造成通过替代其中的模块就可以用来制造不同的物品。

现参考图8，其示出本发明的这个实施例的示意图。如这儿所示，基站50包括与其相连的电控系统52、液压控制系统54和流体控制系统56。基站50也包括用户界面58，该用户界面58可包括计算机控制器、数据输入装置如键盘、触摸屏等，以及容许操作员控制系统的数据显示设备。基站50包括一系列连接器端口60a、60b、60c，它们包括流体输送管路、电接头、气体或流体接头等。基站50可构造成接收可操作模块62，如前所述，该可操作模块62可包括用来接收和成形工件的夹具和致动器，以及传感器和其他相关的系统。模块62包括连接器64a、64b、64c，它们与基站上的相应连接器端子60a-60c接合。在模块62与基站50接合时，根据上文所述的本发明的那些方面，该系统可操作用来在工件上执行一系列成形操作。

之前叙述了本发明的一些具体实施例。在这些各种实施例中的特征可组合和/或优化，以提供符合本发明的其他系统和装置。本发明的其他优化、组合和改变对本领域技术人员来说是显而易见的。前述的附图、解释和叙述是本发明的一些具体实施例的说明，但是不用来对其实施进行限制。下述的权利要求书包括其等同物用来限定本发明的范围。

Claims (20)

1、一种用于成形金属件的装置，所述装置包括：

用于接收和支撑工件的站；

电流源；

流体源；

第一和第二电极夹，每个夹与所述电流源电连通并与所述流体源流体连通；

所述夹构造用来接合工件，并将电流和流体输送到该工件上。

2、如权利要求1所述的装置，还包括与至少一个所述夹机械相连的致动器，所述致动器可与所述至少一个夹结合操作，用来向所述工件施加机械力。

3、如权利要求1所述的装置，还包括控制器，其控制所述电流源和所述流体源中的至少一个。

4、如权利要求3所述的装置，还包括温度传感器，其用来检测工件温度。

5、如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度传感器与所述控制器连通，并可与其结合操作以控制所述工件的温度。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器可操作用来根据预定的曲线来控制工件的温度。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器可操作用来控制所述工件的温度，以便改变至少一部分工件的冶金状态。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器可操作用来改变至少一部分所述工件的冶金状态，从而将所述部分转变成马氏体或贝氏体结构。

9、如权利要求2所述的装置，其特征在于，施加到所述工件上的机械力从由弯曲、扭转、拉伸、夹持及其组合所组成的组中选择。

10、如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述致动器从由液压致动器、气动致动器、机电致动器及其组合所组成的组中选择。

11、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体是液体。

12、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体是气体。

13、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体是淬火流体。

14、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流体是工艺流体。

15、一种用于成形金属件的模块化装置，所述装置包括：

基站，所述基站包括：

电流源；

用于控制所述电流的控制器；

流体源；以及

用于控制所述流体源的控制器；

成形模块，所述成形模块包括：

第一和第二电极夹，所述夹构造用来与工件接合，并将电流和流体输送给所述工件；以及

连接器，其用于将所述成形模块与所述基站连接，所述连接器可操作用来将来自所述电流源的电流以及来自所述流体源的流体输送到所述夹。

16、如权利要求15所述的模块化装置，其特征在于，所述基站还包括用于向致动器装置供给动力的动力源；所述成形模块还包括与至少一个所述夹机械相连的致动器，所述致动器可与所述至少一个夹结合操作用来向所述工件施加机械力；以及所述连接器还可操作用来把来自所述动力源的动力输送到所述致动器。

17、一种成形金属件的方法，所述方法包括步骤：

提供一种金属成形装置，所述金属成形装置包括：电流源；流体源；第一和第二电极夹，每个夹与电流源电连通并与流体源流体连通；所述夹构造用来接合工件并将电流和流体输送到该工件上；

将工件置于所述装置中，并与所述夹机械接合；

引导来自所述电流源的电流流过所述夹，并流到所述工件上；以及

引导来自所述流体源的流体流过所述夹，并流到所述工件上。

18、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述流体是淬火剂流体，控制所述电流的所述流动和所述流体的所述流动，以便控制所述工件的温度。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述工件由黑色金属制成，且控制所述工件的温度，以便将所述工件的至少一部分转变成马氏体或贝氏体状态。

20、如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述装置还包括与至少一个所述夹机械相连的致动器，所述致动器可与所述至少一个夹结合操作用来向所述工件施加机械力；所述方法还包括启动所述致动器以便向工件施加机械力的步骤。

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