CN101439382A - 一种超高强度钢热冲压成型工艺及成型模具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超高强度钢热冲压成型工艺及成型模具，热冲压成型工艺在超高强度钢板料热冲压成型之前，将参与冲压的模具中与超高强度钢板料接触的部件加热，使这些部件的表面温度达到超高强度钢的马氏体点温度以上，再将加热到完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中冲压成型，热冲压模具闭合后，对模具进行冷却，利用与成型零件相接触的模具部件对成型零件进行淬火。热冲压成型模具包括凸模、凹模和控制单元，凸模和凹模的内部设置有电热元件和冷却水通道，在凸模和凹模内设置有温度传感器，在凹模和凸模的侧面分别设置有复位开关和压板。本发明避免了成型件表面及内部产生裂纹、消除了零件成形回弹、保证了产品精度及质量。

Description

一种超高强度钢热冲压成型工艺及成型模具
技术领域
本发明涉及一种超高强度钢热冲压成型工艺及模具，属于超高强度钢板料冲压成型技术领域。
背景技术
汽车轻量化可以减少燃油消耗、降低发动机的废气排放。为使汽车轻量化后仍能满足碰撞安全性能，各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时，已把工作重点转向新材料新工艺的应用。尤其是在车身结构方面，通过对先进高强度钢和超高强度钢的研究和使用，提高了汽车的碰撞性能，同时也实现了轻量化的要求。但是随着钢材强度的提高，材料的延伸率和成形性能也大大降低，成形过程中容易产生破裂、起皱、尺寸难以控制和形状不良等问题，传统的冷冲压成形工艺已不能满足技术和生产发展的需要。
近几年，国外学者开发出一种新的高强度、超高强度钢板热冲压成形工艺，该工艺使高强度钢和超高强度钢板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度(900～950℃)，并在奥氏体区保持5分钟，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100％马氏体组织。该工艺能够在提高碰撞性能和疲劳强度的同时降低汽车结构件的重量。
中国专利申请CN101288889公开了一种《超高强度钢板热冲压成型模具》，该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，凹模中设有冷却水通道，冷却水通道与一个冷却水循环系统相连接。在该发明中，仅设置了用于降低模具温度并对零件进行冷却的冷却水通道。
中国专利申请CN1829813发明公开了一种《热成形法与热成形构件》，对于特定成分的钢板加热至奥氏体点温度(Ac3)以上并保持后，进行最终制品形状的成形，在成形中或者从成形后的成形温度的冷却之时，到达成形构件的马氏点温度(Ms点)的冷却速度在临界冷却速度以上，并且，以从Ms点到200℃的平均冷却速度为25~150℃/s冷却而进行淬火处理。
在热冲压过程中，必须保证在马氏体转变发生前完成冲压成形，否则，马氏体的高强度和低延展性会在成形过程中导致零件产生裂纹、热冲压成形件回弹严重等问题。上述两项专利均只考虑了热冲压模具的冷却过程，但是没有考虑热冲压模具的加热。在热冲压过程中，由于用于热冲压的模具的温度跟冷却水的温度相当(20~30℃)，达到奥氏体温度的钢板放置于模具上后，钢板与模具接触部分将跟模具之间产生热量传递。由于板料的厚度一般位于1.0~3.0mm之间，相对于模具厚度(200~400mm)来说，厚度要小得多。这将导致板料与模具接触部位在热冲压成型进行之前已经降低到马氏点温度(Ms点)之下，并产生了马氏体组织，从而影响了板料的成型性能，导致热冲压零件成型后回弹量大，甚至导致成型件表面及内部产生裂纹，影响热冲压零件的成型精度和成型质量。
发明内容
本发明针对现有超高强度钢热冲压成型技术存在的问题，提供一种能够避免成型件表面及内部产生裂纹、消除零件成型回弹、保证产品精度及质量的超高强度钢热冲压成型工艺，同时提供一种实现该工艺的热冲压成型模具。
本发明的超高强度钢热冲压成型工艺是：
在超高强度钢板料热冲压成型之前，将参与冲压的模具中与超高强度钢板料接触的部件(如凸模、凹模和压料板等)加热，使这些部件的表面温度达到超高强度钢的马氏体点温度以上，再将加热到完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中冲压成型，热冲压模具闭合后，对模具进行冷却，利用与成型零件相接触的模具部件对成型零件进行淬火。
实现上述工艺的超高强度钢热冲压成型模具采用以下技术方案：
该超高强度钢热冲压成型模具包括凸模、凹模和控制单元，凸模和凹模的内部设置有电热元件和冷却水通道，在凸模和凹模内设置有温度传感器，在凹模和凸模的侧面分别设置有复位开关和合模时压下复位开关的压板，控制单元包括水泵、三通阀、两通阀、单向阀和可编程控制器，水泵的进水端与冷却水源连接，出水端通过三通阀与冷却水通道的入口连接，三通阀的一个出口直接与冷却水源连接，两通阀的一端与压缩空气源连接，另一端与冷却水通道的入口连接，冷却水通道的出口与单向阀连接，该单向阀与冷却水源相连，复位开关、电热元件、温度传感器均与可编程控制器连接，可编程控制器与一触摸屏连接。
电热元件与冷却水通道的一种排列方式是其轴线在同一平面内等间距间隔排列，即电热元件距离凸模或凹模表面的距离与冷却水通道距离凸模或凹模表面的距离相等。
电热元件与冷却水通道的另一种排列方式是分上下两排排列，电热元件与冷却水通道的轴线平行。
电热元件与冷却水通道的第三种排列方式是电热元件与冷却水通道的轴线分布在两个平面内，其轴线呈空间垂直排列，电热元件距离凸模或凹模表面的距离与冷却水通道距离凸模或凹模表面的距离不相等。
上述超高强度钢热冲压成型模具的工作流程是：
水泵启动后不间断运转，直到停止冲压工作。利用高压空气将热冲压模具中的冷却水通道中的冷却水排出，让模具的冷却水通道中只存在空气；给电热元件提供交流电或直流电，利用电热元件使模具零件表面的温度达到相应超高强度钢钢板的马氏体点以上；将完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中，进行热冲压成形；热冲压模具闭合后(热冲压零件成型后)，向模具的冷却水通道内通入冷却水，对模具进行冷却，利用与热冲压零件相接触的模具零件对超高强度钢热冲压零件进行淬火；热冲压零件冷却完后，开模，取出热冲压零件。然后进行下一个工作循环。
在整个工作流程中，热冲压模具相应零件的温度由控制单元控制。为了避免冷却水在加热过程吸收过多的热量而延缓模具的升温速度，并防止由于冷却水汽化导致的高温高压对模具、管道、温度控制装置、操作人员等造成危害，在电热元件对模具进行加热前，利用高压空气将凸模或凹模的冷却水通道中的冷却水排出，让冷却水道中只存在空气。为了节约生产时间，在开模的同时，利用高压空气将凸模或凹模的冷却水通道中的冷却水排出，让冷却水通道中只存在空气。冷却水通道是冷却水和高压空气的公用通道。
本发明利用埋在热冲压模具内部的电热元件对凸模及凹模进行加热，利用冷却水通道中通入的冷却水对模具进行冷却，通过温度传感器了解模具表面的温度变化，确定热冲压过程加热、冷却、开模等节拍的时间，避免了达到奥氏体温度的超高强度钢板放置于模具上后与模具之间产生过多的热量传递，使成型之前的超高强度钢板料与模具接触部位不产生马氏体，维持其良好成型性能，避免了成型件表面及内部产生裂纹，消除了热冲压零件成型后的回弹，提高了热冲压成型零件的成品率和成型质量。
附图说明
图1是本发明的超高强度钢热冲压模具控制单元的结构示意图。
图2是本发明的超高强度钢热冲压模具中凸模或凹模的结构示意图。
图3是图2的左视图。
图4是图2中沿A—A线的剖视图。
图5是本发明中电热元件与冷却水通道第一种布置方式示意图。
图6是本发明中电热元件与冷却水通道第二种布置方式示意图。
图7是本发明中电热元件与冷却水通道第三种布置方式示意图。
图8是采用本发明的U形件弯曲热冲压模具的结构示意图。
图9是采用本发明的帽形件弯曲热冲压模具的结构示意图。
其中：1、过滤器，2、水泵，3、气动三通阀，4、单向阀，5、调压过滤器，6、气动两通阀，7、可编程控制器(PLC)，8、配电器，9、继电器，10、复位开关，11、电热元件，12、交流电源，13、温度传感器，14、触摸屏，15、压力机，16、压缩空气源，17、冷却水通道入口，18、冷却水通道出口，19、冷却水池，20、冷却水通道，21、凸模或凹模，22、弯曲凸模，23、弯曲凹模，24、压板，25、超高强度钢板料，26、凸模，27、凹模，28、压料板，29、压板。
具体实施方式
本发明的超高强度钢热冲压成型工艺就是在超高强度钢板料热冲压成型之前，将参与冲压的模具中与超高强度钢板料接触的部件(如凸模、凹模和压料板等)加热，使这些部件的表面温度达到超高强度钢的马氏体点温度以上，再将加热到完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中冲压成型，热冲压模具闭合后，对模具进行冷却，利用与成型零件相接触的模具部件对成型零件进行淬火。
实现上述工艺的超高强度钢热冲压成型模具包括凸模、凹模和控制单元。如图2、图3和图4所示，凸模或凹模21的内部根据需要设置有电热元件11、冷却水通道20，冷却水通道20分别设有冷却水通道入口17和冷却水通道出口18。在凸模或凹模21内根据需要设置有温度传感器13(参见图5、图6、图7)。此外，在凸模和凹模上分别设有复位开关10和压板(图2中没有标出，参见图8和图9)，用于判断凸模和凹模是否处于闭合状态。电热元件11和冷却水通道20的设置方式可有多种形式，图5所示的形式是各个电热元件11与冷却水通道20的轴线在同一平面内等间距间隔排列，电热元件11距离凸模或凹模21表面的距离与冷却水通道20距离凸模或凹模21表面的距离相等；图6所示的形式是电热元件11与冷却水通道20分上下两排排列，电热元件11与冷却水通道20的轴线平行，电热元件11距离凸模或凹模21表面的距离与冷却水通道20距离凸模或凹模21表面的距离不相等；图7所示的形式是电热元件11的轴线与冷却水通道20的轴线分布在两个平面内并呈立体垂直排列，电热元件11距离凸模或凹模21表面的距离与冷却水通道20距离凸模或凹模21表面的距离不相等。
为了准确控制生产过程中热冲压模具的温度，本发明的模具中还包含如图1所示的控制单元。该控制单元包括水泵2、气动两通阀6、单向阀4和可编程控制器(PLC)7。水泵2的进水端通过过滤器1与冷却水池19连接，出水端通过气动三通阀3与冷却水通道入口17连接，以向冷却水通道内加入冷却水，气动三通阀3的一个出口直接与冷却水池19连接，以便在冷却水通道内不需要冷却水时，由水泵2泵出的水直接由气动三通阀3回到冷却水池19，通过气动三通阀3控制冷却水的流向。气动两通阀6的一端通过调压过滤器5与压缩空气源16连接，一端与冷却水通道入口17连接，以便向冷却水通道内通入空气将冷却水全部吹出。冷却水通道出口18通过单向阀4与冷却水池19相连。当模具加热时，单向阀4避免冷却水倒流入模具内部。复位开关10、电热元件11、温度传感器13、触摸屏14均与可编程控制器(PLC)7连接，电热元件11通过继电器9与配电器8连接，配电器8与交流电源12连接，并可编程控制器(PLC)7连接，由可编程控制器(PLC)7控制电热元件11的工作，压力机15的控制部件也与可编程控制器(PLC)7连接，由可编程控制器(PLC)7根据复位开关10的信号自动控制压力机15上凸凹模的闭合与打开。触摸屏14用于显示温度、输入控制参数等。
在热冲压成形过程中，先通过触摸屏14输入凸模或凹模21的温度范围等控制参数，由埋在模具内部的温度传感器13测量凸模或凹模21的温度，如果温度没有位于设定的高温范围之内(超高强度钢板的马氏体点以上，一般为270~420℃)，而且复位开关10处于打开的状态，则可编程控制器(PLC)7控制配电器8通过继电器9给电热元件11供电，利用电热元件11对凸模、凹模或压料板快速加热至高温范围之内，在凸模、凹模或压料板的温度升到设定的最高温度后，将加热到奥氏体状态的超高强度钢板料放到凹模上。然后，操作人员利用触摸屏14向可编程控制器(PLC)7发出准备就绪的信号，可编程控制器(PLC)7向压力机15发出可以成型的信号，凸模和凹模闭合，完成成型过程；模具闭合后，凸模和凹模上的复位开关10也同时闭合，可编程控制器(PLC)7接收到复位开关10的闭合信号后，控制气动三通阀3的开关状态，让冷却水进入凸模和凹模的冷却水通道入口17，利用冷却水对凸模和凹模进行快速冷却，当凸模和凹模的温度被冷却到设定的温度范围之内时，可编程控制器(PLC)7向压力机15发出可以打开模具的信号，取出成型零件。在模具打开的同时，复位开关10处于打开状态，可编程控制器(PLC)7接收到复位开关10发出的信号后控制气动三通阀3的开关状态，让冷却水直接回到冷却水池19。同时控制气动两通阀6打开，压缩空气经调压过滤器5和气动两通阀6由凸模或凹模21的冷却水通道入口17进入冷却水通道20，将凸模或凹模21中的残余冷却水通过冷却水通道出口18、单向阀4吹回到冷却水池19。在压缩空气进入凸模或凹模21中2~3秒后，控制单元给电热元件11供电，然后进入下一个成形循环。
图8给出了一种采用本发明结构的U形件弯曲热冲压模具的示意图。该U形件弯曲热冲压模具包括弯曲凸模22和弯曲凹模23。弯曲凸模22内设有冷却水通道20，其上刚性固定有接触复位开关10的压板24，并随着弯曲凸模23一起运动。弯曲凹模23内设有沿其型腔分布的冷却水通道20、温度传感器13和电热元件11，弯曲凹模23的侧面上部装有复位开关10。弯曲凸模22和弯曲凹模23与图1所示的控制单元连接，加热到奥氏体状态的超高强度钢板料25放置在弯曲凹模23上，通过控制单元的控制即可完成U形件的成型。当然，该弯曲模具还需要上模板、下模板、导柱、导套、模柄等其它常用的冲压部件。
当采用Usibor 1500P超高强度钢板时，根据Usibor 1500P的等温转变曲线，上述U形件弯曲热冲压模具在成型前的模具加热阶段，模具的加热温度范围为400~420℃；在成型后的模具冷却阶段，模具的温度范围控制在80~100℃之间；温度传感器的直径为2mm，温度传感器安装位置距离凹模表面2mm左右；冷却水通道和电热元件的直径为10mm，冷却水通道和电热元件距离凸模或凹模的表面为10mm左右，冷却水通道及电热元件的布置间隔距离为15~20mm。
图9给出了一种采用本发明结构的帽形件弯曲热冲压模具的示意图。该帽形件弯曲模具包括凸模26和凹模27。凸模26上带有在热冲压成形过程中起到压料作用的压料板28，凸模26和压料板28内均设有冷却水通道20，其上刚性固定有接触复位开关10的压板29，压板29随着凸模26一起运动。凹模27内设有环绕其型腔分布的冷却水通道20、温度传感器13和电热元件11，凹模27的侧面上部装有复位开关10。凸模26和凹模27与图1所示的控制单元连接，加热到奥氏体状态的超高强度钢板料25放置在凹模27上，通过控制单元的控制即可完成帽形件的成型。同样，该弯曲模具还需要上模板、下模板、导柱、导套、模柄等其它常用的冲压部件。
当采用Usibor1500P超高强度钢板时，根据Usibor1500P的等温转变曲线，上述帽形件弯曲热冲压模具在成型前的模具加热阶段，模具的加热温度范围为400~420℃；在成型后的模具冷却阶段，模具的温度范围控制在80~100℃之间；温度传感器的直径为2mm，温度传感器安装位置距离凹模表面2mm左右；冷却水通道和电热元件的直径为10mm，冷却水通道和电热元件距离凸模或凹模的表面为10mm左右，冷却水通道及电热元件的布置间隔距离为15~20mm；冷却水通道距离压料板的表面的距离为15mm左右，电热元件距离压料板的表面的距离为10mm左右，冷却水通道或电热元件的布置间隔距离为30mm左右。

Claims (5)

1.一种超高强度钢热冲压成型工艺，其特征是：在超高强度钢板料热冲压成型之前，将参与冲压的模具中与超高强度钢板料接触的部件加热，使这些部件的表面温度达到超高强度钢的马氏体点温度以上，再将加热到完全奥氏体化后的超高强度钢板料放置于模具中冲压成型，热冲压模具闭合后，对模具进行冷却，利用与成型零件相接触的模具部件对成型零件进行淬火。
2.一种实现权利要求1所述超高强度钢热冲压成型工艺的超高强度钢热冲压成型模具，包括凸模、凹模和控制单元，其特征在于：凸模和凹模的内部设置有电热元件和冷却水通道，在凸模和凹模内设置有温度传感器，在凹模和凸模的侧面分别设置有复位开关和合模时压下复位开关的压板，控制单元包括水泵、三通阀、两通阀、单向阀和可编程控制器，水泵的进水端与冷却水源连接，出水端通过三通阀与冷却水通道的入口连接，三通阀的一个出口直接与冷却水源连接，两通阀的一端与压缩空气源连接，另一端与冷却水通道的入口连接，冷却水通道的出口与单向阀连接，该单向阀与冷却水源相连，复位开关、电热元件、温度传感器均与可编程控制器连接，可编程控制器与一触摸屏连接。
3.根据权利要求2所述的超高强度钢热冲压成型模具，其特征在于：所述电热元件与冷却水通道的排列方式是其轴线在同一平面内等间距间隔排列。
4.根据权利要求2所述的超高强度钢热冲压成型模具，其特征在于：所述电热元件与冷却水通道的排列方式是分上下两排排列，电热元件与冷却水通道的轴线平行。
5.根据权利要求2所述的超高强度钢热冲压成型模具，其特征在于：所述电热元件与冷却水通道的排列方式是电热元件与冷却水通道的轴线分布在两个平面内，其轴线呈空间垂直排列。
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