CN101189350A - 用模压淬火制造具有材料特性不同的相邻部位的金属件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造金属构件(B)的方法，所述方法能在所述金属构件(B)上形成具有材料特性不同的相邻区域(Z1、Z2、Z3)。这根据本发明通过以下方式实现，将加热至成型温度的薄板件(E)在成型模具(1)中成型为最终形状的构件(B)，其中，所述成型模具(1)具有温度调节装置，该温度调节装置用于调节模具的至少在成型过程中与薄板件(E)接触的部位(5、7、16)的温度。在成型过程中对成型速度进行控制，使得期待具有高硬度的构件区域比期待具有较低硬度的相邻区域更快地与被冷却的成型模具产生接触。本发明方法特别适用于加工彼此通过材料连接组合的厚度不同的金属件(“特制白板”)。

Description

用模压淬火制造具有材料特性不同的相邻部位的金属件的方法
技术领域
本发明涉及一种借助模压淬火制造具有材料特性不同的相邻部位的金属件的方法。
背景技术
实践中使用这种方法来通过模压淬火由例如锰硼钢制造具有高达1500MPa的均匀硬度分布的构件。由于在淬火工序后残留有少量延展性，因而由此类钢材制造的构件通常首先进行预成型，然后加热至奥氏体化温度并接着在型腔中高压速冷。通过这种手段获得的零件除了具有高硬度外还具有很好的尺寸精度。
例如，DE 103 41 867 A1公开了一种属于上述现有技术的用于模压淬火的方法。根据这一方法可以通过以下方式制造淬火薄板型材，首先由板材下料成型出半成品，再将该薄板型材加热至淬火温度，最后将加热后的薄板型材在预定的冲压下于类似深拉模具的装置中适当冷却。其中，在本方法的第一步中制造出的半成品已经大致符合待生产构件的最终形状。
为实施上述公知方法而使用的装置具有通道状冷却装置，根据待散的热量不同，分别使用油、水、冰水或盐溶液对所述冷却装置进行冲洗。为了在成品上形成具有硬度相互不同的区域，所述冷却装置可以彼此分开控制。
尽管由此借助例如DE 103 41 867 A1所公开的方法可获得很多优点，但是仍然需要一种在加工上简单可行的方法，以实现由薄板件来制造具有材料特性不同的可精确预定区域的成型构件。
发明内容
为了满足上述要求，本发明提出一种用于制造具有材料特性不同的相邻部位的金属件的方法，在该方法中，将加热至成型温度的薄板件在成型模具中成型为最终形状的构件，其中，所述成型模具具有温度调节装置，该温度调节装置用于调节模具的至少在成型过程中与薄板件接触的部位的温度，在该方法中，在考虑成型模具的温度受控的部位和薄板件的与所述模具部位对应的各区域的接触时间基础上，控制成型速度。
除了在DE 103 41 867A1中公开的用于制造具有材料特性不同(例如强度或变形性)区域的成品构件的措施外，根据本发明，对分别加工的薄板件成型为最终形状的速度进行调节，即所述模具的与其相邻部位温度不同的受温度调节的区域在力求加工结果优化的时间间隔内与薄板件的特殊待加工区域开始接触，并在考虑其它通常成型条件的基础上使所述接触保持同样优化的时间长度。通过这一方式，借助本发明方法能在最少的过程时间内生产出具有与其它部位材料特性不同的精确区域的薄板件。
如果要根据本发明在成品构件上产生硬度高于其周边的区域，为此首先根据本发明将薄板件加热至成型温度，在相应的快速冷却过程中从该温度开始形成淬火组织。在此情况下，所述温度调节装置为冷却装置，该冷却装置将各个与其对应的成型模具部位冷却至较低温度，从而在与所述冷却部位接触时，薄板件的相关区域以足以形成力求的淬火组织的冷却速度被淬火。
然而反过来也可以在成品构件上形成硬度比其周边小的区域。为此将本发明的温度调节装置设计为加热装置，该加热装置将所述模具的与成品薄板件的低硬度区域对应的部位保持在高温下，从而使得与所述模具部位接触的薄板获得较软的组织。
如果有多个温度调节装置，则能够根据目标有针对性地将模具的被冷却和被加热部位紧密相邻设置，从而将成品薄板件中具有不明确混合组织的区域的延伸减至最少，所述区域处于高硬度区和相邻周边区域之间的过渡区，从而在成品中产生具有材料特性不同的优化的精确分界区域。
本发明将成型速度和有待在成品中制造的材料特性不同的区域的位置以及延伸联系起来，在这一点上意义重大。因而，为了在成品中制造出特别硬的区域，应按照本发明对所述成型速度进行选择，使得相关区域尽可能快地与模具的强冷部位接触。反过来，当为在构件某处产生软化组织而需要使该处特别慢地冷却时，也可以例如降低成型速度。
此外，通过以下方式有利于有针对性地铸造在成品状态下具有特殊材料特性的特定区域，即在成型过程中于薄板件的边缘区域作用根据成型速度调节的压紧力。
原则上讲，本发明方法适用于所有由金属材料制成的、在加热或冷却中结构会发生变化的薄板件。但特别优选的是本发明方法可用于由钢材制成的薄板件。正是在用于由钢材制成的薄板件时，本发明的优点能特别明显地体现。
从加工技术方面来看，本发明的一种特别有利的设计方案的特征在于，在本发明方法中作为毛坯所使用的薄板件是平整的板材下料。与现有技术不同，在本发明方法的所述变型中，尚未成型的平整薄板件被加热至各自的成型温度，从此温度开始能实现在接下来的成型过程中生成的薄板的局部不同的材料特性。接着例如将加热后的所述薄板件按照深拉工艺在成型模具中拉伸。同时在成型模具中对所述薄板件的应产生特殊特性的区域进行有针对性地、局部的冷却或加热处理。从而省去在开头所讨论的现有技术中一直需要的至少一整步工序(预成型)的情况下，获得由薄板制成的最终形状的构件，所述构件具有精确确定的、局部界定的区域，所述区域具有与成品的相邻区域不同的特殊材料特性，如高硬度。
本发明方法的另一优点是特别适合用于具有不同厚度区域的薄板件的加工。正是在此类薄板件的成型加工中，本发明能形成希望的带有特定材料特性的局部界定区域，所述区域使得能够将成型速度、模具的各温度控制与薄板件的非均匀厚度相匹配，从而获得优化的加工结果。特别优选所述薄板件是由不同的金属块通过材料连接，特别是焊接组合而成。所述薄板件通常称为“特制白板(TailoredBlanks)”。所述薄板件例如由具有与在实际中由特制白板制成的产品所受到的载荷相适应的厚度或材料特性(如硬度和韧性)的薄板块组成。
所述成型模具可以是任意种类的适合于待加工构件的相应造型的模具，所述模具在各个被成型薄板件上施加所需的成型力或挤压力。为此，特别优选那些具有凹模和冲模的模具，所述冲模为了成型而能在凹模中调节。
本发明方法特别适合于在实际应用中受到交变载荷的车身零部件的制造。根据本发明可以特别好地制造减振支柱套管，在此，例如在减振支柱罩区域要求高强度，而在所述减振支柱套管的凸缘区域要求高延展性。通过在本发明成型加工中以很高的冷却速度对所述区域快速冷却，借助本发明能够在减振支柱罩区域获得特别强的纯马氏体组织。通过使模具与减振支柱套管的其它部位延时接触，也能在这些部位同样形成所需要的巴氏体、珠光体、铁素体及其混合组织，从而满足对延展性或强度的各种需要。
本发明方法的另一特别优选的应用是制造与碰撞相关的车辆零部件，当发生碰撞事故时，这些零部件在保持优良强度的同时必须具有高的能量吸收能力。在此情况下，本发明通过有针对性地在特定部位对成型模具进行加热，从而能在成品中形成能保证特别高的残余伸长的区域。
附图说明
以下借助示出了实施例的附图对本发明进行详细描述。附图分别示出了：
图1是处于第一工作位置的模具的剖视图。
图2是处于第二工作位置的模具的剖视图。
图3是处于第三工作位置的模具的剖视图。
图4是处于第四工作位置的模具的剖视图。
图5是在所述模具中制造的构件。
具体实施方式
模具1设计成深拉装置类型并具有设置在固定位置的凹模2。在凹模2中形成有凹槽3，所述凹槽3形成待制造的由型材构成的构件B的外轮廓。
此外，所述模具1具有用于确定待制造构件B的内部轮廓的冲模4。所述冲模4借助未示出的定位装置从远离凹模2的初始位置(图1)运动至冲模4的最终位置，在所述最终位置所述冲模4完全进入所述凹模2中(图3)。此处，所述定位装置包括用于控制所述冲模4进入凹模2的速度的控制装置。
所述冲模4具有横截面为锥形的基本轮廓，所述基本轮廓带有端面5和相对所述端面5倾斜延伸的侧面6、7。所述冲模4受到与其合为一体的支承件8的支承，所述支承件8的侧向边缘部9、10在冲模4的上边缘以轮缘的形式侧向伸出所述冲模4的侧面6、7。其中，边缘部9、10的下边缘面11、12以水平对准的形式连接到所述冲模4的侧面6、7。
在此处所述的实施例中，平整的尚未预成型的薄板件E在模具1中加工，所述薄板件以特制白板的形式由两个相互焊接在一起的钢材薄板件T1、T2组成。此处，为了降低重量，所述第一薄板件T1比第二薄板件T2要薄。
在进入所述凹模2的凹槽3时，所述冲模4的首先与薄板件E相接触的端面5的区域中设置有冷却通道13。所述冷却通道13为冷却装置形式的其它部分未示出的温度调节装置的一部分。根据所要求的冷却程度不同而分别在所述冷却通道13中流过水、冰水、极冷的盐液、液氮或其它适合快速带走大量热量的冷却介质。
在与所述薄板件E的较厚的薄板件T2对应的过渡部位，加热装置形式的其它部位同样未显示的第二温度调节装置的加热条14位于冲模4中，所述冲模4的侧面7在所述过渡部位汇入所述支承件8的下边缘面12。
在凹模2中凹槽3的侧面15区域同样设置有第三温度调节装置的通道16，所述侧面15与冲模4的侧面6对应，该第三温度调节装置同样未详细示出。将冷却油通过所述温度调节装置的通道16，所述冷却油在这一区域起着适度冷却所述凹模的作用。
为了制造构件B，首先将所述薄板件E在未显示的炉中加热至奥氏体化温度。接着将所述薄板件E放入成型模具中，从而所述薄板件的边缘与凹模2的上侧接触。如果对于薄板件E在成型模具1中的进一步成型有必要，可使用未示出的压紧装置在成型过程中压住所述薄板件E的边缘。其中，所述压紧装置所施加的压紧力可根据各成型速度进行调节，以实现所述薄板件E的材料在凹槽3中的优良填补流动。
因此，所述冲模4以很高速度置于所述薄板件E上，从而使所述冲模4的被强烈冷却的端面5快速与薄板件E的对应平面部E1紧密接触。以这一方式对所述薄板件E的部位E1进行快速淬火，从而在所述部位E1形成硬度高于所述薄板件E的与部位E1相邻的其它部位E2和E3的区域。
随后降低所述冲模4的进给速度，这是为了特别是在所述部位E2和E3中不产生能形成硬度组织的冷却作用。其中，特别是在所述加热条14区域所述冲模4仅仅是缓慢地带走热量，从而在所述薄板件E的与所述冲模4的所述区域相接触的区域获得较软的韧性组织。在通过借助流过通道16的冷却油适当冷却的侧面来冷却的区域中，所述薄板件E的部位E2在变形过程中形成一个区域，在该区域所述淬火部位E1逐渐过渡至成品构件B的软的、易屈服区域。
当所述冲模4完全进入所述冲模2的凹槽3中并且所述薄板件E完成冲压获得待加工构件B的最终形状后，所述冲模4再次回到其初始位置。由于所述薄板件E因冷却而收缩，所述成品构件B此时仍然保持在所述冲模4上，从而很容易将所述成品构件B从所述凹模2中取出并随后从所述冲模4上分离。
这种通过薄板件E的成型制成的构件B具有第一区域Z1，所述第一区域Z1的硬度高于所述构件B的其它相邻区域Z2和Z3的硬度。与所述区域Z3相连的区域Z4的硬度显著降低，但是延展性很高。所述区域Z4对应所述薄板件E在成型过程中处于加热条14区域的仅仅受到很低程度冷却的区域。所述区域Z2对应于所述薄板件E在成型过程中处于所述凹模2的侧面15区域的受到适度冷却的区域，并且相应地具有中等硬度。
附图标记
1               模具
2               凹模
3               凹槽
4               中模
5               所述冲模4的端面
6、7            所述冲模4的侧面
8               支承件
9、10           所述支承件8的侧向边缘部
11、12          所述支承件9、10的侧向边缘部
13              冷却通道
14              加热条
15              所述凹槽3的侧面
16              通道
B               构件
E               薄板件
E1，E2，E3      薄板件E的部位
T1，T2          薄板件E的薄板件
Z1，Z2，Z3，Z4  构件B的区域

Claims (11)

1.一种用于制造具有材料特性不同的相邻区域(Z1、Z2、Z3)的金属件(B)的方法，在该方法中，将加热至成型温度的薄板件(E)在成型模具(1)中成型为最终形状的构件(B)，其中，所述成型模具(1)具有温度调节装置，该温度调节装置用于调节至少在成型过程中与薄板件(E)接触的模具部位(5、7、16)的温度，在该方法中，在考虑成型模具(1)的温度受控的部位(5、7、16)和薄板件(E)的与所述模具部位(5、7、16)对应的各区域(E1、E2、E3)的接触时间基础上，控制成型速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄板件(E)由钢材制成。
3.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述薄板件(E)是平整的板材下料。
4.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述薄板件(E)具有不同厚度(T1、T2)的区域。
5.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述薄板件(E)由彼此材料连接的不同薄板件(T1、T2)组合而成。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述成型温度对应淬火温度，在冷却时从所述淬火温度开始在薄板件(E)中形成淬火组织。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述成型模具(1)具有凹模(2)和冲模(4)，所述冲模(4)为了成型而能在所述凹模(2)的凹槽(3)中调整。
8.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述温度调节装置是冷却装置(13、16)。
9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述温度调节装置是加热装置(14)。
10.如权利要求1至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述成型模具(1)的至少一个部位(7)设置有作为温度调节装置的冷却装置(13、16)，而且所述成型模具的至少另一个部位设置有作为温度调节装置的加热装置(14)。
11.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在成型过程中，所述薄板件的边缘区域受到根据成型速度调节的压紧力作用。
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