CN101222991A - 用于金属工件的热成形系统 - Google Patents

Abstract

采用一种包括具有大于一的初级(N1)/次级(N2)线圈比的至少一个变压器(1)且包括用于控制时间设定和初级电流的大小的控制单元(9)的装置来对金属工件(4)进行加热，所述金属工件随后要经受成形操作。还可利用单极直流发电机作为用于对工件进行电流加热制备从而进行成形操作的电流源。通过中心同步单元以受控的方式实施对金属工件进行的随后的加热、成形和冷却工艺。该工艺可被应用在热金属本体的锻造、板材成形和热管道吹气成形中。

Description

用于金属工件的热成形系统

技术领域

本发明涉及一种电气系统，所述电气系统包括具有大于一的初级/次级线圈比的至少一个变压器以及控制单元，所述控制单元控制在初级电路处的电流；借助于使在次级线圈处产生的电流通过金属工件并且通过在成形操作之前或者与成形操作同时进行加热而制备工件来使电路闭合。

背景技术

在如热锻、轧制、挤出等成形操作之前对金属工件进行加热是工艺的重要组成部分。对工件的加热通常是在炉具中实施的，且随后工件被置于成型机中。该过程是以加热、操纵和成形的顺序实施的一系列独立操作。已经有一些与组合加热和成形相关的专利得到了授权且开发出了一些与所述组合加热和成形相关的技术。在Weldon和Jains的发明(美国专利No：5,515,705)中，在其间对坯段进行锻造的上模和下模被用作供应电流的电极。该发明存在一些技术困难以及实际实施方面的限制，原因在于工件与模具之间的接触相对较少、模具和工件的尖锐特征部形成了电弧、在工件上出现了局部过热和不受控的变形或熔化。在将通过电阻进行的加热与成形结合起来的另一专利(Yasui，美国专利No.5,737,954)中，板材金属工件在超塑性条件下被成形且利用扩散焊接而彼此焊接在一起。该专利的申请人还持有与该技术相关的另一专利(Terziakin，美国专利No：6,463,779)。在所提出的设备中，在压板(press table)内部实施电加热且因此需要对模具进行相应设计。压力机滑块被停止达数秒的时间，同时通过经过调节的电流对板材金属加工件(part)进行加热并且在完成加热之后立刻实施成形工艺。因此，在电荷被接通的过程中，电极需要与模具绝缘开来且工件不可与模具相接触。

发明内容

本发明将会提供一种系统，所述系统包括至少一个用于改进金属工件的可成形性且用于增大成形加工件的强度比(strength rate)的变压器。所述系统将能够与成形工艺和在成形之后的受控冷却工艺相结合地对金属工件进行加热。在工件中热量的附加地产生以及加热、成形和冷却(处理)的较短的持续时间有助于减少或消除氧化皮，同时微观结构将不会发生显著变化。另一方面，在适当条件下，能够在所述成形工艺过程中或者在所述成形工艺之后使金属工件硬化以便获得更高的机械强度如马氏体(martenzitic)钢或硬化铝合金。所述系统将引导线能量通过至少一个变压器，所述至少一个变压器具有大于一的初级/次级线圈比并且降低了电压且增加了电流。在所述次级线圈处被放大的电流在所述金属工件上受到引导并且获得了所需的工艺温度，在所述所需的工艺温度下材料的可成形性最高。该电气系统将在经过调节的时间设定下运行以便随后与所述机械成形工艺协同地运行。在与所述金属成形系统相耦合的情况下，该系统将提供整个工艺的有效自动化。所使用的另一高电流率源是单极发电机。这种类型的直流发电机也能够产生这种高电流率(current rate)。单极直流发电机也可代替变压器被用作电流源。在这种对电流馈电进行时间设定的情况下，通过打开或关闭金属工件与直流发电机之间的连接而控制对工件进行的加热。作为惯例，对由直流发电机产生的电流进行的这种时间设定和大小控制还必须与其它机械成形操作同步进行。在任何附图中并未加入包括与本发明相关的直流发电机的布置，原因在于所述直流发电机是一种公知且基本的技术。如果直流发电机被用作电流源，则本发明还包括将系统安装在材料操纵系统上的可能性。通过这种方式，使得加工件在从料堆被输运出来的过程中或者在随后的操作之间受到加热，且因此使得消除了对炉具的需求。正如已公知地：根据每种金属材料的再结晶温度，在升高的温度下进行的金属成形可作为热成形被实现。因此，在这些文献中，热成形通常被用来表述在升高的温度下进行的成形工艺。

在本发明中，整个系统具有将其自身的温度保持在预定范围之间的能力。即使在连续的操作过程中出现了明显且不可预知的热量输入，仍可采用冷却系统(或多个系统)以便保持整个系统的充分冷却。在热冲压过程中可施加一些互补的操作。工件的升高的温度简化了例如冲切、冲孔等的操作。用于进行这些操作的适当设备可被添加到模具上。该工艺还可提供有效的方式以便通过模具淬火提高热成形加工件的强度比从而获得适当的材料和工艺特征。

附图说明

通过下面的典型实施例并结合附图对本发明进行详细地描述，其中：

图1是利用三相并且为工艺提供了高电流率(current rate)的分步系统的电路的示意图；

图2示出了将本发明应用于热管液压成形的情况，在该工艺中，通过施加电流对管道进行加热并且通过外部模具形成管道同时通过流体对管道进行内部加压；

图3示出了将与材料操纵系统整合在一起的电加热系统用于实施本体金属热锻工艺的应用情况；

图4示出了电加热、成形和通过空冷或喷雾冷却进行的硬化的组合图；

图5示出了在材料操纵过程中的加热、成形和迅速冷却从而形成硬化工件的组合图，图5还示出了电加热系统与材料硬化设备的组合图，所述材料硬化设备在升高的温度下在多个步骤中或者在渐进的成形工艺中运行；和

最后，图6示出了电流加热和选择性喷雾冷却系统，所述系统沿坯件提供了所需的温度梯度以便在升高的温度下进行板材成形工艺。

具体实施方式

如图1所示，在初级线圈处实施该系统中的电流控制，在所述初级线圈处的电流值更小。具有晶闸管(thrystor)或开关装置等的电子电路2(ECU)将在初级电路的输入处发出指令。用于防止过度充电的装置如热控开关还必须被置于初级电路中。在该系统中，在次级电路中的电流大小必须较高；因此，在完整地构成电路的金属之间的接触电阻是很重要的。除了电极7与工件4之间的连接装置以外，可采用钎焊或铜焊来制造包括完整地构成次级电路3的所有导体在内的所有连接装置以便使电阻最小化。

图1所示的系统包括三个关键装置。这些关键装置是具有附件1的变压器组、电流控制装置2和包括介于变压器的第二线圈之间的连接装置3、与工件接触的电极组7和工件4本身的最终电路。工件4在每个生产周期中被更换且系统的所有其它加工件在生产过程中被冷却并且加工件的温度率被保持在其预定温度范围内。

如图1所示，为了能够将工艺应用到更大的工件4上，使用利用了干线能量的三相U1、V1、W1的系统以便同等地加载各相。特别是在工业级应用中，系统将需要较高的电功率比。在第一阶段中，通过手段中的三相(three phases of the means)(U1、V1、W1)对电流控制系统2进行充电。通过6脉冲桥式整流器布置5将该三相交流电转换成直流电。在第二阶段中，通过采用晶体管化的频率倒换器6将该直流电转换成具有比该手段的频率(50或60Hz)更高的频率的交流(U2、V2)电流。更高的频率通过增加变压器芯体内部的感应率而简化了最后的步骤中变压器1的功能。在该情况下，更小型的变压器将足以实现高功率比。通过在频率倒转器6中调节脉冲宽度而控制电流强度。通过电子控制单元9根据所需电流率来触发这些脉冲。位于变压器1的初级电路或次级电路中的一个或多个电流测量变压器10测量出实际电流率并且确定出所需电流率实际电流率之间的偏差。因此，电子电路9确定出用于进行变压器1的馈送的适当脉冲宽度并且通过采用触发器电路和晶闸管(thristor)组6而调节电流。

由电流控制单元2提供的该两相交流电(U2、V2)被连接至变压器单元1。该变压器的初级线圈(N1)/次级线圈(N2)之比大于一。在变压器的第二线圈中，该交流电(U2、V2)电荷的电压被降低且同时电流率被大大增加(U3、V3)。在一些情况下，还可采用一组并联或串联的变压器来代替一个变压器。在一些工业应用中，单个变压器可能不足以提供所需的电流率。

正如已公知地，高电流率下的交流电导致在电线路3、4中产生了更高的阻抗。随着电流率的增加，最终电路3、4的阻抗率也随之增加且成为了提供所需高电流率的障碍。因为这个原因，为了减小包括工件4、连接装置3、电极7等的最终电路的阻抗，在变压器的第二线圈中感应出的交流电应该通过由二极管8进行整流而在变压器的出口处被转换成直流电。采用冷却系统而将这些装置的温度率保持在对于它们而言可接受的范围内并且防止了热积聚带来的损害。使冷却剂流体通过这些装置的冷却剂通路。还可能布置用于控制系统的电流的其它不同的可选方式。

对于小工件而言，可采用更简单的布置。在该系统中，三相线中的两相被连接至初级线圈。初级电路电流通过线的这两相。利用包括晶闸管、开关装置等的控制单元来控制初级电流特征。通过适当的冷却系统如闭路流体冷却而对包括具有晶闸管的控制单元、变压器、连接器和与工件接触的电极组的整个系统进行冷却。控制系统同时对成形工艺的操作以及初级电流的大小和时间设定进行协调。作为一种可选方式，还可在相与地之间建立初级电流。该变压器的初级/次级线圈比也大于一且目的在于降低电压并且增加接收到的电功率电流和馈送至工件的馈送电流以便产生热量。该系统相当简单且图中并未示出该系统。

在图2中，利用上面的电气系统来对具有闭合部段的管状金属工件进行热液压成形或温液压成形。当通过由上面的系统提供的电流对工件进行加热时，利用模具来对管状工件进行压制和成形。以虚线示出的控制系统(CU)2使得与一个或多个机械成形操作顺次地对电加热系统的时间设定和电流大小进行控制。借助于该系统而通过在控制液压阀和/或气动阀等的系统之间进行直接连通从而实施对机械成形操作的控制，下面会在几个实例中对所述机械成形操作进行描述。例如，利用内部加压流体而实施在管道液压成形工艺中随后进行的机械操作，且通过该控制装置而在同步的情况下实施加热工艺和成形工艺。

在该构型中，为了减少金属工件4与电极组5之间的接触电阻，可建议对与电极接触的工件的接触表面进行清洗。在对卷绕板材金属或者金属坯段、棒材等进行轧制的过程中，利用磨削油对材料进行润滑从而减轻摩擦和腐蚀。此外，由于空气和成形操作带来的氧化和其它效应而使得金属的外皮包括具有更高的电阻和更低的表面性质的材料。根据材料类型而在工件的电极接触区域处施加化学和/或机械清洗/改进工艺。

在升高的温度下对具有防腐蚀涂层的金属进行的成形操作中，涂层可能由于高温而受到损伤。特别是，涂层会从电镀锌的板材钢或者经过锌镀层退火处理的板材钢上剥落。然而，流动应力将在升高的温度下降低，且因此对于本发明而言，可能利用具有更高的铬含量且没有涂层的耐腐蚀钢。通过这种方式，将产生既具有更高的强度又具有耐腐蚀性的加工件。代替对工件进行润滑的方式是，可对模具部件进行润滑和/或模具部件可涂覆有耐热陶瓷涂层或金属合金。

在图2中，示出了利用所提出的发明而在升高的温度下且在内部压力下对具有闭合部段4的焊接或无缝管道、管路等进行成形的情况。与利用冷管液压成形形成的管道相比，将可能利用本发明对由具有更高的强度和/或低可成形性的金属制成的管道进行成形。在该系统中，电气装置具有如图1所示的变压器，所述变压器具有比次级线圈尺寸1更大的初级线圈尺寸并且降低了电压而增加了电流。在该装备中，电气控制电路2利用一个或多个晶闸管而使机械成形操作与电流馈电同步、调节馈电电流的大小并因此对工件4进行加热。如图2所示的工件4是具有闭合轮廓的金属管道或管路。在图中，起初对该加工件实施弯曲操作。接下来，以同步的方式实施将电加热操作与利用模具进行的内部流体加压和外部成形操作相结合的工艺。可利用加压气体以及一些类型的液体施加内部压力，所述一些类型的液体优选是绝缘体。

在成形工艺中，实现了通过利用上述电气系统1、2进行电流馈电21而进行的加热操作、实现了工件温度的控制、实现了通过液体或气体压力12对管道进行的加压并且实现了随后利用模具进行的管道成形。通过插塞11对管道的两端进行封闭，所述插塞用作电极21以及加压流体供给器21。这些插塞受到加压液压缸13的支承。在将插塞置于管道端部内之后，将加压液压流体泵送给液压缸且因此使得这些液压缸以必要的力对插塞进行压缩。

在该图中，设计成通过包含上模23和下模22的两件式模具组实施成形操作，利用一对液压缸17来联接20并操作所述上模和下模。

原则上，在利用该工艺进行的管道成形中有三个基本参数：内部压力12、工件温度，所述工件温度决定了材料的成形性质且受到馈送电流21的控制、以及围绕工件的成形模具14、15、16、18的移置和压力。对于任何给定的管道几何形状和其它性质而言，要适当地设计这三个工艺参数的次序和大小。为了获得内部压力，加压流体12被泵送通过标记为11的部件。通过电极11馈送电荷且管道被加热至使得可成形性增加至用于进行成形操作的满意水平的温度。标记为11的部件由在接触部分处完全或部分地具有良好的传导性和高强度的材料如适当的铜合金制成。为了防止由于过大的内部压力12导致产生爆裂和/或电流21导致产生局部过热，位于周围的成形模具部件14、15、16、18必须被设置在接近管道表面的位置处。位于周围的模具部件14接近并接触管道。模具的下模部件22和上模部件23沿由机械联接装置20中的液压缸17推动的两个方向接近彼此。与该操作同时进行地，可逐渐增加内部压力和/或馈送至工件的电流。因此，通过内部流体压力和模具形成了管道的最终/所需几何形状。

在需要的情况下，通过安装到下模22或23上的滑动装置导引模具部件14的横向移动且由位于尾侧上的液压汽缸17、19为所述横向移动提供动力。为避免使图更为复杂，图中并未示出这些通道。模具部件的所有接触表面(元件)优选由陶瓷衬套18制成。

基于管道15、17、16的初始形式和最终的几何形状，横向模具部件还可以是可选的部件。如果先前处于弯曲状态的管道装配在由横向部件14支承的模腔中，则这些部件可被设计成固定构型且仅下模22和/或上模23将进行移动18并使管道成形。管道材料可以是铝、镁或钢合金以及其它更贵重的金属或异金属。

在碳当量为0.35或更高的那些钢合金中，在热成形温度下进行了成形操作之后，利用水、油或空气进行的迅速冷却将导致产生马氏体微观结构且因此产生更高的机械强度。本发明提出了两种不同的方法以便实现该目的。在第一种方法中，模具在成形操作后被缩回，且加压空气或空气-雾的混合物被喷在加工件上并且因此立即对管道进行冷却。在另一种方法中，在成形操作之后，管道中的加压流体通过插塞11、12被迅速排出且管道被冷却剂流体填充或者使空气-雾的混合物通过管道以便进行迅速冷却。图中并未示出该冷却系统的细节。

上述工艺的参数，如加工件材料、尺寸和几何形状、内部压力、成形温度和冷却方法是由经过详细计划的工艺化实验来确定的。

图3示出了将本发明应用于热(坯段)成形操作中的情况。这种将迅速加热与成形操作相结合的工艺对于具有小剖面的长工件而言是特别适宜的。当所述工件在传送器上被传递进入锻造模具内时，通过由两个电极/夹具28、24在变压器(1)的次级线圈处产生的电流来为以坯段或棒材25的形式存在的工件充电。因此，工件在进行随后的成形操作之前获得了所需温度。

这种类型的工艺可在多个模具中被实施或者以一定的操作顺序(从1.压制到N.压制)而在渐进的模具组26、27中被实施，所述操作顺序被设计成在第1个模具或站处开始且在第n个模具或站处结束。本发明的特征原理，电加热系统，被用于该装备中作为迅速的初始加热和在随后的成形步骤之间进行的迅速的中间加热。与其它应用相似地，被连接至变压器1的初级线圈的晶闸管类型的控制装置2控制电流的大小和时间设定，所述电流的大小和时间设定是根据所设计的加热和成形操作的顺序来调节的。工件25上的电极24的接触区域应该经受化学和/或机械清洗操作以便降低接触电阻。如果需要，则该清洗操作还可被整合到系统中。在输运过程中对工件进行加热；即，使工件与电极24一起移动，将有助于减少总的工艺时间。在该构型中，介于变压器1的次级线圈与电极24之间的连接器28必须足够长且必须是柔性的，且夹具型电极24必须坚固地保持工件且必须使传送器系统与电极隔离开来以便防止出现任何短路情况。连接器还具有冷却系统以便优选通过流体循环或鼓风而消散热量。输运系统使工件移动且电加热系统在进行接下来的成形操作之前使工件变热。通过这种方式，将同时实施前面的工件的成形和下面的工件的加热，且因此将不会在成形操作(周期)时间中加入加热的时间。在该系统中，为了促进优越的摩擦条件，模具表面可涂覆有适当的陶瓷。

该系统优选用于与自动传送器系统一起工作的成形装备中。在图中，加热和成形操作在坯段或棒材的一个尖端处发生，且在成形的部分被切断之后坯段/棒材的其余部分被供给进入用于下一工件29的模具组内。工艺的所有操作参数如电流加热、输运操作和成形操作必须同步实施且应该受到中心控制单元的控制。同样的热成形工艺或温成形工艺可应用于螺钉、铆钉、螺母、螺栓等的生产中，尤其是用于由高强度金属合金制成的尺寸相对较大的加工件。这些系统中的成形操作可根据要生产的加工件而作为锻造、攻丝、螺纹轧制、车削、弯曲等被实现。

图4示出了一种装备，其中在操纵机器人40或者材料操纵系统中实施电加热系统。在该构型中，在前一坯件板材33被冲压时，坯件板材37在操纵过程中受到加热。包括电流加热和热成形工艺或温成形工艺的整个系统可同时运行，因此使得每个生产周期占据了更少的时间。既保持板材金属工件37又使所述板材金属工件移动的电极38、39是夹具，所述夹具具有长条带的接触表面以便获得足够的导电性。该接触表面39由电极材料制成且具有高传导率的缆线和/或棒材被连接至次级线圈的输出端子。如上所述，变压器1的第二线圈提供了高电流率。该电传输线由柔性缆线或刚性铜棒等制成，且与铰链31联接。电导体被装配到系统等的承载臂上且还应该通过流体循环受到冷却。坯件板材在被输运离开料堆32的过程中或者在等待进行随后的成形操作的过程中受到加热。

夹具型电极的下部件38和上部件39彼此铰接。通过液压缸或优选气动缸36的往复运动实现打开-关闭功能。夹具的下部件38、上部件39或两个部件可被用作电极。在图中，难以利用移动的下部夹具作为电极；因此，稳定的夹具部件39更适于作为电极。在该装备中，当夹具沿向下方向打开且板材工件被降低时，它们对加工件进行引导以便防止沿横向方向移动且因此将其设置在模具上的适当位置处。

在热工件33与模具34之间进行的热传递影响了热成形工艺。然而，这种影响通常是有利的且导致增加了在模具与热板材之间的一些关键接触区域中的局部强度比。在这些接触区域处，局部应力率增强且这种局部冷却可借助于强度的增加而改进局部应变率。模具的平均温度应该被保持在预定范围之间，原因在于工艺应该是可重复的且过低或过高的温度会使热成形特征和加工件尺寸产生扭曲。另一原因在于，模具材料可能受到过热的损害。在该系统中进行的批量生产中，应该利用适当的冷却手段，例如可被置于模具周围的鼓风机或者与模具接触的包括通路或管道的流体循环系统。测量模具的温度且在所述温度接近上限的情况下采用鼓风机或流体循环以便从模具中消散热量。在图5中，示出了这种系统的实例。鼓风机或喷水装置35被置于模具周围且用来消散热量。例如，模具可被保持在100-150℃的范围之间。电子电路、变压器、载运装置和连接器臂30、31以及电极组也受到适当的冷却手段如冷却剂流体循环的冷却。由此使得在批量生产过程中将这些部件保持在预定温度范围内且将防止出现过热损害。

另一方面，本发明还提供了另一种重要的器具来控制这种热冲压或温冲压工艺。与冷成形相反地，在升高的温度下的金属具有高应变率敏感性特征。在低成形速度下，受到加热的金属的伸长率可大大增加。由于对于各种材料、温度和各个模具而言应该利用这种热冲压系统，因此那些材料、温度和模具的每种组合可能需要不同的成形速度。有多种方式来制造具有可调节速度的压具。在本发明中，可易于通过在液压机中的主要液压泵的电马达的馈电中采用具有速度控制装置例如频率倒转器(图中未示出)的速度控制手段来利用该特征。由于还可在成形阶段应用该电流加热手段(如果使用不导电模具的话)，因此可一起控制温度和成形速度。还应该通过对工艺的所有加热参数和成形参数进行控制的中心控制单元来控制具有频率倒转器的该速度控制手段。

如图5所示，本发明所提出的系统与工件传送器相结合地使用且图中示出了在双动式液压机中顺序进行的基本工艺阶段。金属工件(板材、片材、坯段、棒材等)在从贮存装置或货盘向成形模具输运的过程中受到加热。由于在加热操作与成形操作之间的时间间隔被最小化，因此特别是在与剖面相比具有大的表面积的工件如板材、片材、棒材等中的热损失以及进行工艺操作的可能性要高得多。该系统中的板材成形操作将在与常规系统相似的装备中被实施。然而，由于在工件上可能出现更低的屈服强度、更高的延展性和应变率敏感性以及温度梯度，因此可能需要做出一些工艺和模具设计的变型。例如，可利用更低的坯件保持器力。通过如图1所示的本发明的主要系统提供电流加热。

在该装备中，当工件41在压具上被输运至成形模具组45时，通过在两个端部处的双夹具型电极保持所述工件并且通过馈送经过调节的低电压电流而在几秒钟之内对所述工件进行加热且所述工件在所需成形温度下被置于模具组中。通过被连接至将夹具41保持到工件上的移动臂部的缆线或导体而从变压器1的次级线圈馈送出电流。输运系统的移动臂部41可包含机械联接装置42。可通过常规的液压或电气(如步进马达或伺服马达)系统来获得这些联接装置42的运动。这些联接装置41被设计成彼此接近且尽可能地短以便保持较短的导体长度、较低的电气系统的电阻抗且因此保持较高的系统电效率。

本发明可作为多种不同构型被应用。这些可选方式中的一种可选方式是将电极夹子设置在接近模具的稳定位置处。尤其对于允许进行操纵操作同时充分保持其温度直至进行成形操作的相对较厚的材料而言，该构型可能是易于应用且廉价的可选方式。尽管图中并未特别示出，但该构型与图5所示的构型的唯一不同之处在于，被连接至变压器1的第二线圈的这些夹子38、39将被置于邻近成形工具的稳定位置处。当工件达到足够的温度时，所述工件随后被载运至成形位置。

为了减少由于高温而形成的氧化皮，工件上可涂覆有保护层如适当的金属涂层或耐热油或陶瓷涂层等。

图5示出了在双动式液压机中实施的该工艺的随后的操作。在第一部分(图5A)中，利用真空吸杯获取板材金属工件并将所述板材金属工件从板材堆中输运出来，同时通过加压空气35或/和雾化水喷吹来对模具33、34进行冷却和清洗。随后，适当的润滑剂还可被喷向模具表面。当板材被设置在保持位置处时，两个夹具型电极在两个相对侧处保持板材并且施加电流以便加热材料。如图5B所示，当同时进行的成形操作被完成且模具组被腾空并准备用于下一周期时，工件处于所需温度下的就绪状态且通过释放夹具并且缩回夹具而将所述工件置于坯件保持器41上。板材金属工件的第一接触点被设计成球珠，从而使得产生小的点态或曲线状接触区域而不是平面区域且因此使从工件产生的热损失最小化。在图5C中，上模具34被向下移动并置于坯件保持器41上且因此热板材37被紧固地保持并且随后通过下模具33的向上作用而对所述热板材进行冲压。随后通过鼓风35或者雾化水喷射而对经过热冲压的板材进行淬火从而对所述板材进行硬化。在图5D中，从模具中去除成形且硬化的加工件37并且准备下一坯件以便进行下一生产周期。

如果操作是一系列操作中的中间步骤，则该加工件被传递至具有相似的加热装备和成形模具的下一站。如果在工艺结束时需要硬化的板材金属加工件，则将上述空气淬火或喷射淬火操作作为最后的步骤。喷射可在恰进行了精加工热成形操作之后发生或者可在加热至再结晶温度之后实施所述喷射。在工件被取出模具组之后，通过加压空气而手动或自动地消除模具加工件上残余的水滴。在该工艺中，对模具部件而不是对工件进行润滑。通过这种方式，润滑剂将仅在成形操作过程中接触热工件。然而，在经过一定次数的周期之后需要对成形模具进行清洗和再润滑，所述周期次数是由经验决定的。清洗和再润滑可都以手动方式或通过自动系统来实施。

在以升高的温度进行的成形工艺中的一个重要的注意点在于：模具温度必须被控制在优化范围内。如果模具部件处于更低的温度下，则它们必须受到加热；如果模具部件处于更高的温度下，则借助于被泵送通过在模具部件内部制成的冷却通道的冷却剂(水、油或空气)来去除过多的热量，或者冷却剂可被喷射在模具表面上并且因此将模具温度控制在设计范围内。

在汽车工业的复杂板材成形应用中，模具的几何形状通常限制了金属从加工件的一个区域向另一区域流动的容易性，因此使得留下了以受到严重拉伸的区域为边界的加工件的相对未拉伸的区域。在这种情况下，由于应变的不均匀性，因此使得并未良好地利用金属的可成形性，且增加了产生断裂的倾向性。发生这种情况的原因在于，由于在板材金属工件的特定区域中存在高摩擦阻力或更大的剖面积而因此使得难以将应力传送进入这些区域内。为了增强坯件的总的可成形性，一些局部区域需要被软化，而对于另一些关键区域而言，则需要借助于沿热坯件提供适当的温度梯度而保持所述另一些关键区域处于相对较硬的状态。

另一方面，如果这种热冲压和模具淬火工艺还包括如上所述的硬化工艺(如产生用于适当的钢坯件的马氏体结构)，则可能需要保持一些特定区域处于低碳状态。换句话说，对于坯件的特定区域而言，可能需要实现硬化操作。加工件中可能存在其它特定区带，随后可能对所述其它特定区带进行冷成形操作如冲切、冲孔、弯曲等。

在图6中，示出了本发明的其它应用区域以便解决上面的问题。本发明可被用于通过沿工件以二维方式(沿表面)获得改良的选择性温度梯度以便增强用于对这种复杂加工件进行热冲压的总的可成形性从而改进材料流。进行该选择性加热操作的目的在于防止产生局部过拉伸，所述局部过拉伸会导致在特定的关键区域(如49-50)处出现断裂或者过薄现象。通过将雾化水以及加压空气或者将纯空气流45喷向那些区域46达相对较短的时间周期以便在电流加热过程中或者在进行电流加热之后对坯件44的这些区域进行间歇性冷却而实施该选择性加热工艺。喷射喷嘴45被置于坯件周围且被导向坯件44的这种关键区域如46。由此在坯件的电流加热过程中或者在所述电流加热之后，通过定向喷嘴45的喷射脉冲而冷却所需部分。在进行冲压时，坯件板材包括由相对较热且易于成形的区域47、48围绕的位于这种关键部分中的相对较冷的/特定区域。在几秒钟内通过根据加工件的形式而产生相对较高强度和相对较低强度的区域而改良坯件的总的可成形性是很易于实现的。

在图6A所示的选择性加热工艺中，起初通过施加从变压器1的第二线圈接通42、43的高电流率而对整个工件44进行均匀地加热。通过位于变压器的第一线圈上的控制单元2来控制电流率和时间设定。在如图6B所示的第二阶段中，涉及到严重的应变率的坯件的特定部分46受到定向空气射流45的局部冷却。这些区域46将在两个相对模具的两个尖锐边缘之间被拉伸。如图6C所示，在冲压阶段，获得了所需的温度梯度且获得了由所述温度梯度导致产生的更硬的区域46和更软的区域47、48。这些更冷且因此更硬的区域46将保持在上模具51与下模具52的两个相对边缘49与50之间。因此使得提供了一种用于确定哪些区域将产生更多的拉伸且哪些区域将产生更少的拉伸的相当重要的器具。在模具设计阶段，通过利用适当的模拟程序来计算所需的温度梯度分布。

代替采用图6所示的固定喷嘴的方式是，还可采用活动的喷嘴。这些活动喷嘴可在间歇的冷却阶段向这些区域接近并且可更准确地冷却狭窄的区域。可通过气动或液压布置来提供这些喷嘴的移动。因此，可在几秒钟的时间内沿坯件板材实现任何所需的温度和成形性梯度。例如，在我们先前的实验中已经观察到，钢合金在800℃下的屈服强度比在1000℃下的屈服强度高约2.5倍。

例如，要进行热成形的钢坯件板材可被均匀地加热至950℃且随后可通过上述方式将一些关键区域的温度局部地降低至750℃，防止了这些关键部分如尖角、边缘等产生断裂或过薄的现象。根据加工件的形式和其它成形参数来确定和调节喷射喷嘴的方向、喷射角度、要喷射的空气和水的量及其脉冲周期。

对热坯件板材的特定部分进行局部冷却的另一重要应用领域是在工艺结束时获得了特定的软(未硬化)的部分。例如，可进行热处理(可硬化)的钢板(在实践中用于汽车工业的硼合金化的可硬化板材)仅当被加热至高于奥氏体温度的温度且随后在模具之间进行淬火时才会被硬化。如果在电流加热周期中(在这些区带被加热至奥氏体温度之前)应用上述局部冷却工艺且将这些特定区域的最大温度率保持在低于奥氏体温度(介于850-900℃)的温度下，则将使得这些区域在工艺结束时保持在低碳状态(具有铁素体且没有马氏体或者双相结构)。

因此，对于这些特定区域而言可稍后再实施最后阶段的成形操作如弯曲、冲切、轴颈成形、冲孔等。

因此，由可硬化钢制成的工件的特定部分的最大温度应该达到高于马氏体温度的温度以便在工艺结束时获得硬的马氏体结构。换句话说，如果通过在电流加热周期中进行局部冷却剂喷射的手段来防止坯件的特定区带达到奥氏体温度，则这些区带将在工艺结束时保持软的部分的状态。

这两种不同的局部冷却类型都可应用于一个生产周期中。这些局部冷却工艺的决定性关键因素为：

1)如果坯件中存在将产生局部断裂和过薄现象的关键区带，则应该在整个坯件被加热至高于奥氏体温度界限的温度之后对这些区带进行局部冷却(通过局部喷射冷却剂来实现所述局部冷却)。在进行冲压时，这些区带应该比整个坯件的总体平均温度要冷得多。在这种情况下，这些关键区域将在冲压过程中产生轻微的拉伸且还将在工艺结束时成为硬化区带。

2)如果坯件中存在特定的区带，对于所述区带而言，将需要使它们在热冲压周期之后经受冷成形操作，则应该在通过电流进行加热的加热阶段过程中借助于喷射等手段对这些区带进行冷却且永远也不应该允许这些区带达到奥氏体温度界限，而坯件通常被加热至高于奥氏体温度界限的温度。

这两种局部冷却类型可应用于同一热冲压周期中。例如，将通过在10秒钟内施加电流来对可进行热处理的钢坯件板材进行加热且其通常的温度将达到1000℃。在进行了电流施加达5秒钟时(的过程中)采用加压空气和/或冷却剂喷嘴，而坯件的实际温度为约500℃。在10秒钟的加热周期结束时，坯件的通常温度为1000℃且受到局部冷却的区域的温度为750℃。但坯件中存在另一些类型的关键区带会出现过薄或者断裂现象。在达到奥氏体温度之后对这些区域进行冷却，随后将其温度降低至700℃。随后通过模具对坯件进行达3秒钟的冲压和压缩并对所述坯件进行淬火。

在这种情况下，在工艺结束时将出现三种类型的区带：

1)通常受到电流加热且并未涉及任何冷却工艺的区带：这些区带在冲压时产生了严重的拉伸且在操作结束时成为硬化的区域。

2)受到电流加热且在电流加热过程中受到局部冷却的区带：由于这些区带并未被加热至奥氏体温度界限，因此这些区带将在工艺结束时保持低碳区域的状态。在热冲压之后，冷成形操作如冲切、冲孔、弯曲等可被施加在这种区带上。

3)受到电流加热且在电流加热之后受到局部冷却的区带：这些区带在冲压过程中还将产生轻微拉伸且在工艺结束时成为硬化的区域。

Claims (15)

1.用于通过将电流施加到要通过随后的成形操作而在升高的温度下被成形的工件上从而增强金属工件(4)的可成形性的方法，所述成形操作是通过在成组模具之间压缩所述工件而实现的，所述方法的特征在于；

-通过电子控制单元(2)控制馈送给具有大于一的初级/次级线圈比的至少一个变压器(1)的初级线圈的电流的大小和时间设定，

-以受控方式在所述一个或多个变压器的第二线圈处产生电流，

-将所述电流连接至通过两组连接装置与所述工件的成形区域的两个相对侧接触的两个电极组(7)从而使得通过将电能转变成热能直至在工件处获得预定温度而在所述工件内部产生热量，

-通过以受控方式从模具中消除热量而将模具的温度保持在预定温度范围之间，

-通过在所述模具之间压缩所述工件而在至少两个模具之间对所述工件进行成形，

-当所述工件在模具之间被压缩时，实现从工件传递至模具的处于特定范围内的预定热传递量，

-通过冷却流体流对从所述变压器至工件的包括与所述工件接触的电极(7)的电连接装置(3)进行冷却，

-通过改变连接器和工具的实际温度而改变从所述连接器和工具中消除的热量的量从而使得将其温度保持在其预定范围之间。

2.在根据权利要求1所述的工艺方法中采用单极直流发电机代替变压器作为将要沿金属工件(4)被经过以便对所述工件进行加热从而准备进行随后的机械成形操作的电流源，以与机械成形操作同步的方式控制所述加热，其特征在于，

-通过所述单极发电机以受控方式产生电流，

-将所述电流连接至通过两组连接装置(3)与所述工件的成形区域的两个相对侧接触的两个电极组(7)从而使得通过将电能转变成热能直至在工件处获得预定温度而在所述工件内部产生热量，

-通过与模具物质接触的冷却流体流而以受控方式实现的冷却手段来将模具的温度保持在预定温度范围之间，

-通过在所述模具之间压缩所述工件而在至少两个模具之间对所述工件进行成形，

-当所述工件在模具之间被压缩时，实现从工件传递至模具的处于特定范围内的预定热传递量，

-通过冷却流体流对从所述单极发电机至工件的包括与所述工件接触的电极的电连接装置进行冷却，

-通过改变连接器和工具的实际温度而改变从所述连接器和工具中消除的热量的量从而使得将其温度保持在预定范围之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-将手段中的三相转换成单相或双相电流，

-对所述一个或多个变压器(1)的初级电路馈送所述单相或双相电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-将在变压器(1)的次级线圈处感应出的交流电转换成直流电(8)，

-将所述直流电施加到所述工件(4)上，

-降低包括所述工件(4)及其连接装置(3)的最终电路的阻抗。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-采用具有与工艺方法的电流源相同的特性的两个或更多个变压器(1)，

-收集其次级电路电流，

-将其总电流施加到工件(4)上。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-利用具有闭合部段的管状金属加工件作为工艺方法的工件，在管状金属工件内部施加内部压力(12)，通过与所述管状金属工件的两个相对边缘接触的两组电极(21)施加电流来对所述管状金属工件进行加热，

-在管状工件处提供处于预定范围内的适当温度率，

-通过由至少一个模具对管状工件进行压缩而在至少两个模具组(14、15、16、18)之间对管状工件进行成形，

-将管状工件保持在模具组之间并保持内部压力直至在管状工件处达到预定温度以便获得足够的尺寸稳定性，

-从模具组之间去除成形的管状工件。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-通过一个或多个温度传感器测量模具的实际温度，

-与预定温度上限比较来确定一个或多个模具的温度是否高于预定上限，

-当模具温度高于所述上限时，通过将冷却剂(35)喷向一个或多个模具的表面或通过使冷却流体流在被置于模具本体内部的通路中流动来对所述一个或多个模具进行冷却。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在机器中实施成形操作，所述机器具有通过在压缩周期过程中改变至少一个模具相对于工件的移动速度从而在可变的成形速度下运行的能力。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过冷却剂流消散热量而将变压器、连接器和夹具型电极的温度保持在预定范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法被应用于在一系列成形站中以渐进方式顺序地实施的包括成形、穿孔和冲切阶段的多级式成形工艺方法中，且通过在成形阶段之间进行电流施加而应用间歇的加热工艺方法，所述方法的特征在于；

-通过与加热区域的两个相对侧接触的两个夹具型电极(24)来保持以坯段或坯件形式存在的金属工件(25)，

-通过两个夹具型电极施加电流而在工件的成形部分内部产生热量，

-将工件的受到加热的部分放置在成形站的两个模具之间，

-通过在两个模具之间对工件的受到加热的部分进行压缩而对所述受到加热的部分进行预成形，

-将工件载运出成型机，

-施加电流以便在工件的成形部分内部产生热量，

-将工件的受到加热的部分放置在接下来的成形站的两个模具之间，

-对于每个后面的成形站而言重复加热周期和成形周期，

-通过在最后的站进行穿孔和冲切来对完成的加工件进行精加工。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-通过采用具有与坯件(37)的两个相对边缘接触的活动夹具型电极组(38、39)的承载器臂部(31)作为保持工具并且接通来自变压器(1)的第二线圈的两端的电流以便在操纵工艺方法过程中在坯件内部产生热量从而将工件的加热手段与操纵手段相结合，

-在压板处对先前经过加热的工件进行成形的同时，通过在压板外施加电流而对工件进行加热从而加速工艺方法周期，

-通过冷却手段防止在承载器臂部、连接器和电极处产生过热。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在热成形工艺之后通过在模具(34)往回移动之后将冷却剂流体(35)喷向工件表面(33)而将热处理工艺实施为在以受控方式对工件进行成形之后的增加的冷却周期。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-通过施加由变压器的次级线圈馈送的电流而通过工件的表面对工件进行同等地加热，

-通过定向喷嘴(45)而将冷却剂射流喷向这些特定部分从而对工件表面的选定部分(46)进行冷却，所述特定部分根据模具的形式而被事先确定为易于出现潜在的断裂或过度应变区域的关键区域，

-在工件表面上获得二维的预定温度梯度，借助于提供通过工件的选择性应变应力特性梯度而对这种关键区域进行增强，

-通过在两个模具(51、52)之间压缩所述工件而对所述工件进行成形，

-通过增加这种关键区域的强度、降低其应变率并且促进材料流从周围的区域流向这些关键部分而防止在这种关键区域处出现断裂和过度应变。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在中心控制单元的控制下使得保持工件的两个相对侧的夹具型电极(38、39)在施加电流之前被闭合并且在电流施加阶段与成形阶段之间被打开。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在冲压周期之间喷射流体而对模具表面进行清洗和润滑。

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