CN103817194B - 热成型钢板分段强化类零件的压力冷却工艺及模具伺服装置 - Google Patents
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Abstract
一种热成形冲压领域的热成形钢板分段强化类零件的压力冷却工艺及模具伺服装置，通过模具内伺服缸装置，根据设计的需要控制工件不同区域所受保压加载力的大小和时间，进而控制各分区域的冷却速度，从而得到板材各分区域的不同物理特性。本发明可以根据设计的需要在任一区域实现所需要的材料特性，不需要额外布置模具加热装置，大幅度降低了生产成本及工序复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种高强度钢冲压技术领域的方法，具体是一种高强度热成型钢板分段强化类零件的压力冷却工艺及模具伺服装置。
背景技术
汽车硼钢钢板作为一种新兴超高强度热成型钢板，为分段强化技术提供了可能—同一个零件，可以根据汽车设计的需要，在该零件的不同区域采用不同的热处理工艺，从而获得不同强度和塑性。热成型硼钢材料的软区技术的生产工艺分为4个阶段：
1)加热：将硼钢钢板加热至热处理所需要的温度；
2)传输：将硼钢钢板传送至待冲压的模具中；
3)成形：在高温下由模具冲压成形；
4)淬火冷却：在不同区域控制不同的冷却速度，可以发生：
a)硬区快速冷却(>25℃/s)。从奥氏体微观组织向马氏体微观组织的转变，得到强度和硬度极高、塑性较低的零件。其强度可以达到1500-2000MPa，塑性大于5％；
b)软区慢速冷却(<25℃/s)。通过控制不同的冷却速度，在奥氏体组织转化的过程中，可以缓慢冷却，向铁素体和珠光体微观组织的转变，得到强度和硬度较高、塑性良好的零件；也可以较快冷却，向贝氏体微观组织的转变，得到强度和硬度很高、塑性适中的零件。
其对应CCT相图如图1所示。
可获得不同强度及塑性的硼钢材料典型分为：
| 序号 | 材料规格 | 屈服强度(Mpa) | 抗拉强度(Mpa) | 延伸率(A50) | 硬度(HV2) |
| 1 | HS400 | 400±50 | 600±50 | 15％ | 170-220 |
| 2 | HS550 | 550±50 | 750±50 | 7％ | 220-255 |
| 3 | HS700 | 700±50 | 900±50 | 6％ | 270-300 |
| 4 | HS1150 | 1150±50 | 1500±50 | 5％ | 400-520 |
该类硼钢最常见一种可达到1500MPa强度(HS1150)的化学成分为：
| C | Si | Mn | P | S | Cr | B | |
| min | 0.20 | 0.20 | 1.00 | - | - | 0.15 | 0.0015 |
| max | 0.25 | 0.35 | 1.30 | 0.025 | 0.015 | 0.25 | 0.0050 |
目前常见的获得以上热成型系列软区的加工工艺为模具加热法，即首先将模具预热至370-700℃的工艺温度，再对工件进行加热、传输、成形、保温，通过控制成形和保温的时间，进而达到对冷却速度的控制，得到不同的软区组织。这种工艺模具及相关设备比较复杂、能耗比较高，成本偏高；模具中为高温加热状态对零件高压成形，圆角磨损严重，模具寿命短。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102162574，公开日2011-08-24，公开了一种超高强钢激光拼焊板及其成形工艺，将超高强钢与高强钢根据所需形状激光拼焊，然后将所得的焊板送进有保护气体的炉中加热到920-940℃，至少持续5分钟，充分奥氏体化，再将奥氏体化后的焊板转移到压机快速合模、成形，然后保压淬火冷却至100-150℃，随室温冷却制得所需零件。但该技术是通过将不同料厚的材料焊接在一起实现控制零件机械性能，增加了激光焊接工序，工艺链更长，成本也更高昂。
中国专利文献号CN201180036260，公开日2013-03-27，公开了一种用于将钢板制成的工件热成型和局部加压淬火的成型工具和方法，该发明涉及一种用于对由钢板制成的工件进行热成型和局部加压淬火的成型工具和方法，其中工件在成型前进行加热并且接着在具有凹模和凸模的成型工具中热成型，成型工具还具有冷却设备。其方法的特征在于，在成型工具的关闭状态下，工件与成型工具的凹模和凸模的接触面之间的接触局部地通过活动的凹模部分和活动的凸模部分从关闭位置到打开位置的分开移动而断开。凹模由一个第一凹模部分和至少一个相对于第一凹模部分能够移动的第二凹模部分构成，而凸模由一个第一凸模部分和至少一个相对于第一凸模部分能够移动的第二凸模部分构成，其中至少一个能够移动的第二凹模部分和至少一个能够移动的第二凸模部分与打开设备共同作用，该打开设备导致至少一个第二凹模部分和至少一个第二凸模部分与工件接触的关闭时间比第一凹模部分和第一凸模部分短。但该技术的缺陷在于：
从目的上说，该方法是对现有软区技术的常规做法—将模具加热到370-700℃—的改良，目的是减小模具加热后在生产中的磨损，或者减少加热设备，但仍然需要对模具进行加热，属于冷却介质的温度控制技术。
从模具结构上说，该技术要求活动的凸模和凹模内部设置加热装置，因而结构复杂。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种热成型钢板分段强化类零件的压力冷却工艺及模具伺服装置，通过模具内伺服缸装置的压力控制，动态调节工件所受冷却保压压力的大小和时间，进而控制各区域的冷却速度，从而得到满足产品设计需要的各区域不同材料机械性能的工件。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种热成型钢板分段强化类零件的压力冷却工艺，其步骤包括：
步骤1，设置压机压力、速度可调，设置上模和/或下模内的伺服缸及其伺服控制系统，工作压力和工作时间均可调；
所述的伺服缸及其伺服控制系统根据工件大小、形状、厚度等的不同，在成形、保压过程中在伺服缸最大最小压力范围内，每组伺服缸通过各自独立的伺服系统控制其输入压力—时间曲线，实时动态的调节伺服缸的压力和/或速度且独立工作，所述的压机压力的优选为50-1500t，压机的速度调节范围为10-900mm/s。
步骤2，预热：将硼钢板材加热至850℃以上，使板材均匀奥氏体化；
所述的预热时间优选为：4-1200s，随加热方式及板材镀层类型变化而不同。
步骤3，传输：将加热好的硼钢板材由加热装置传送至热成型压机内，实现对工件的传输和过程性冷却处理；
所述的过程性冷却处理是指：从加热装置传输至热成型压机的过程中，不论采用自然室温、恒温、还是保温装置等手段，将工件置于某温控环境中，工件到达热成型压机时的温度都低于在加热装置中的温度，是冷却过程。其冷却速度优选为5-25℃/s；
所述的传输的时间控制，通过加热装置与压机之间的距离设计，以及传输装置的速度调节来实现。加热装置与压机之间的传输时间为0.1-20s，其总传输距离优选为0.5-8m。传输装置为输送带和/或机械手，速度调节优选为0-5m/s。
步骤4，成形：工件在450-850℃温度下置于热成型模具中由压机驱动，以一定的速度和压力，由上死点向下运动至完全闭合，将工件成形为指定产品形状。
步骤5，冷却保压：热成型模具在压机的驱动下保持模具完全闭合的下死点位置不变，压机提供的保压力也保持不变，分段强化各区域压力由模具内对应位置的液压伺服缸动态调节，实现对不同区域的淬火冷却速度差异化控制。
所述的淬火冷却速度差异化控制是指：由工件的各区域需要达到的材料机械性能决定，通过模具内部液压伺服缸压力变化实现，一般在5-100℃/s；
所述的差异化是指：模具根据工件各区域需要得到的材料机械性能的不同，划分为若干区域，即分段强化，每个系列的软区和/或硬区对应的模具，各自为可独立运动的区域。
所述的压力—时间曲线是指：伺服缸内液压的加载、卸载随保压时间变化的曲线。
所述的模具结构在各区域的不同点是硬区冷却保压阶段的压力由压机滑块和/或压机伺服顶杆提供，但不发生变化，模具也没有相对运动的动作；各个软区模具镶块由伺服缸驱动，可独立动作，压力大小由模具内伺服缸控制，实时变化。
所述的模具的材料，硬区模具材料为快速导热的材料如优质模具钢，如H13、SKD61、8407等，软区模具材料根据工件冷却所需的淬火速度的不同选用与硬区完全相同的快速导热的材料如优质模具钢，或者使用热传导率低的材料，如陶瓷、表面绝热涂层等；
本发明涉及实现上述工艺的模具伺服装置，包括：上、下模、压机上滑块、压机下工作台以及置于上模和/或下模内的伺服缸及其伺服控制系统。
所述的伺服缸及其伺服控制系统包括：多组上模模内伺服缸和/或下模模内伺服缸。
所述的上模、下模内部在各区域的均设有不高于室温的模具冷却装置，上模、下模内部没有加热装置。
所述的上模和/或下模内部设有对应的压料芯。
所述的伺服缸的行程为0-300mm，单一伺服缸的极限压力1-30t。
所述的上模、下模、上模压料芯以及下模压料芯中至少一项采用优质模具钢SKD61制成。
技术效果
与现有技术中对冷却速度的控制通过模具的温度实现相比，本发明通过模具内伺服缸系统，将控制工件冷却速度的热传导问题，转化为控制工件和模具之间的压力的问题，通过控制压力，调节模具对工件的传热效率，从而控制冷却速度。如图2示意了随着工件和模具的间隙、接触压力不同，传热效率的变化曲线。
本发明作为一种实现高强度热成型钢板分段强化技术的新型工艺，针对任一硼钢钢板产品，可以在其任一区域，在600-1500MPa的抗拉强度和5-15％甚至更高的延伸率之间，自由定义其强度和延伸率的产品要求，从而大幅度扩展了产品设计的自由度。以汽车为例，可以根据碰撞安全的需要，可以提高产品强度或延伸率的同时，控制车体该区域碰撞失效的模式，从而有效的保护人的安全。
相对于传统软高强钢分段强化加工工艺，本发明不需要额外在模具内部布置加热装置，因而结构简单，加工工艺统一；模具以外也不需要附加模具加热所需的动力及控制系统，简化了加热设备的需求；
本发明的伺服缸及其伺服控制系统，为模具内部部件，位置和压力大小的选取灵活自由，特别适合应用在非伺服顶杆位置的局部区域进行分段强化处理的零件上。例如图11所示汽车零部件中前围防火墙示意图，其中深色区域为HS400软区。
附图说明
图1为现有技术中硼钢冷却CCT相图。
图2为现有技术中硼钢传热效率变化曲线。
图3为本发明初始状态示意图；
图4为本发明热成型处理示意图；
图5为本发明保压处理示意图；
图3、4、5中：1上模、2下模、3上模模内伺服缸、4下模模内伺服缸、5上模压料芯、6下模压料芯、7压机上滑块、8压机下工作台；f1～f8为模内不同位置压力。
图6为实施例1的模具内液压伺服缸压力—时间曲线；
图7为实施例2的模具内液压伺服缸压力—时间曲线；
图8为本发明得到的典型HS400材料晶相组织；
图9为本发明得到的典型HS1150材料晶相组织；
图10为本发明得到的典型HS700材料晶相组织；
图11为本发明制备的前围防火墙的产品示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图3-图5所示，工件为2.0mm厚度，150mm宽、1000mm长度热成型硼钢工件断面成形、淬火示意图。工件产品要求为f6对应产品区域为HS400软区，其余为硬区HS1150。本方法具体制备过程示意图，其中：
图3为原始状态，根据图3可见，本方法实现装置包括：上模1、下模2、上模模内伺服缸3、下模模内伺服缸4、上模压料芯5、下模压料芯6、压机上滑块7、压机下工作台8。
所述的上模1覆盖产品硬区HS1150范围，材料为优质模具钢SKD61；
所述的上模压料芯5覆盖产品软区HS400范围，材料为优质模具钢SKD61；
所述的下模压料芯6覆盖包含部分硬区HS1150及软区HS400的大部分产品，材料为优质模具钢SKD61；
所述的下模2覆盖产品除下模压料芯6以外的所有硬区HS1150，材料为优质模具钢SKD61；
所述的上模模内伺服缸3一排2个，间距600mm垂直布置在工件上方，由一个设备提供的伺服动力源驱动，行程50mm，每个伺服缸压力5t，保压时间可调。
所述的下模模内伺服缸4一排6个，间距200mm垂直布置在工件下方，由一个设备提供的伺服动力源驱动，行程50mm，每个伺服缸压力25t，保压时间可调。
图3、4、5为本实施例工艺示意图，本实施例具体步骤包括：
步骤1，压机、模具准备：压机压力、速度可调；在上和/或下模内布置独立工作的伺服缸，工作压力和工作时间均可调；
所述的压机压力、速度可调是指：在步骤4成形和步骤5保压过程中，根据工件大小、形状、厚度等的不同，调节压机的压力和/或速度。压机压力的优选为50-1500t，压机的速度调节范围为10-900mm/s；
所述的在在上和/或下模内布置独立工作的伺服缸是指：模具内含的伺服缸及其伺服控制系统，在成形、保压过程中在伺服缸最大最小压力范围内，实时动态的调节伺服缸的压力；
步骤2，预热：将硼钢板材加热至930℃，使板材均匀奥氏体化；
所述的预热时间优选为：4-1200s，随加热方式及板材镀层类型变化而不同。
步骤3，传输：如图3所示，在25℃室温的空气中，在3s内将工件放入热成型模具中；
所述的过程性冷却处理是指：从加热装置传输至热成型压机的过程中，不论采用自然室温、恒温、还是保温装置等手段，将工件置于某温控环境中，工件到达热成型压机时的温度都低于在加热装置中的温度，是冷却过程。其冷却速度优选为5-25℃/s；
所述的传输的时间控制，通过加热装置与压机之间的距离设计，以及传输装置的速度调节来实现。加热装置与压机之间的传输时间为0.1-20s，其总传输距离优选为0.5-8m；传输装置为输送带和/或机械手，速度调节优选为0-5m/s。
步骤4，成形：工件在450-850℃温度下置于热成型模具中由压机驱动，由上死点向下运动至完全闭合，将工件成形为指定产品形状。
步骤5，冷却保压：如图2所示，热成型模具在压机的驱动下保持模具完全闭合的下死点位置不变，压机提供的保压力也保持不变，分段强化各区域压力由模具内对应位置的液压伺服缸动态调节，实现对不同区域的淬火冷却速度差异化控制，具体是指：针对同一种冷却介质(模具)，随着冷却时保压压力的提高，工件冷却速度相应提高。为提高冷却速度，得到HS1150的材料机械性能，须选用热传导效率高的模具材料，如SKD61，同时加大冷却保压压力，使得冷却速度大于25℃/s；为了降低冷却速度，得到HS400、HS550、HS700的材料机械性能，须选用适当热传导率的模具材料，同时降低冷却保压压力，使得冷却速度小于25℃/s，并控制在某一合理的淬火速度范围内。
图4成形：在0.5s内通过300T压机完成成形过程，其中上、下模伺服缸满载工作，压机成形力设置为200t；
图5保压：上模模内伺服缸3保压力为零，并提升0.7mm，下模模内伺服缸4保压力150t，上模模内伺服缸3、下模模内伺服缸4保压曲线不变如图6，压机保压力200t，模具整体保压30s后脱模取出零件。
与现有技术相比，本实施例制备得到的产品性能指标参数为：f6对应区域工件材料性能为HS400，晶相组织为铁素体+珠光体，如图8；其余为硬区HS1150材料性能，晶相组织为马氏体，如图9。
实施例2
如图3-图5所示，工件为2.0mm厚度，150宽、1000长度热成型硼钢工件断面成形、淬火示意图。工件产品要求为f6对应产品区域为HS400软区，f8除了f6区域以外为软区HS700，产品其余区域为硬区HS1150。
本方法实现装置如图3所示，其中：
所述的上模1覆盖产品软区HS700、硬区HS1150所有区域，材料为优质模具钢SKD61；
所述的上模压料芯3覆盖产品软区HS700所有区域，材料为优质模具钢SKD61；
所述的下模压料芯6覆盖产品软区HS400、软区HS700的所有区域，材料为优质模具钢SKD61；
所述的下模2覆盖产品硬区HS1150的所有区域，材料为优质模具钢SKD61；
所述的上模模内伺服缸3一排2个，间距600mm垂直布置在工件上方，由一个设备提供的伺服动力源驱动，行程50mm，每个伺服缸压力5t，保压时间可调。
所述的下模模内伺服缸4一排4个，间距200mm垂直布置在工件下方，由一个设备提供的伺服动力源驱动，行程50mm，每个伺服缸压力5t，保压时间可调。
图3、4、5本实施例工艺示意图，与实施例1相比，本实施例具体步骤包括：
图4成形：在0.5s内通过300T压机完成成形过程，其中上、下模模内伺服缸满载工作，成形力设置为200t；
图5保压：保压曲线如图7所示，其中上模模内伺服缸3保压力为零，并提升0.7mm，保压曲线为数值为零的水平线，下模模内伺服缸4保压力前15s为5-10t，保压曲线前15s为振幅为5t，周期为0.5s的正弦曲线，后15s为50t不变的保压力。
与现有技术相比，本实施例制备得到的产品性能指标参数为：f6对应区域工件材料性能为HS400，晶相组织为铁素体+珠光体，如图8；f8除了f6区域以外为软区HS700，晶相组织为铁素体+马氏体，如图10；其余为硬区HS1150材料性能，晶相组织为马氏体，如图9。
Claims (2)
1.一种热成型钢板分段强化类零件的压力冷却工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，模具准备：在上模和/或下模内设置工作压力、工作时间、工作速度可调的伺服缸及其伺服控制系统；
步骤2，预热：将硼钢板材加热至850℃以上，使板材均匀奥氏体化；
步骤3，传输：将加热好的硼钢板材由加热装置传送至热成型压机内，实现对工件的传输和过程性冷却处理；
步骤4，成形：工件在450-850℃温度下置于热成型模具中由压机驱动，由上死点向下运动至完全闭合，将工件成形为指定产品形状；
步骤5，保压冷却：热成型模具在压机的驱动下保持模具完全闭合的下死点位置不变，压机提供的保压力也保持不变，分段强化各区域压力由模具内对应位置的伺服缸动态调节，实现对不同区域的淬火冷却速度差异化控制；
所述的伺服缸及其伺服控制系统根据工件大小、形状、厚度的不同，在成形、保压过程中在伺服缸最大最小压力范围内，每组伺服缸通过各自独立的伺服系统控制其输入压力—时间曲线，实时动态的调节伺服缸的压力和/或速度且独立工作；
步骤3中所述的过程性冷却处理是指：从加热装置传输至热成型压机的过程中，将工件置于温控环境中，工件到达热成型压机时的温度都低于在加热装置中的温度，且冷却速度为5-25℃/s；
步骤3中所述的传输的时间控制，通过加热装置与压机之间的距离设计以及传输装置的速度调节来实现，其中：加热装置与压机之间的传输时间为0.1-20s，其总传输距离为0.5-8m；传输装置为输送带和/或机械手，速度调节为0-5m/s；
步骤5中所述的淬火冷却速度差异化控制是指：由工件的各区域需要达到的材料机械性能决定，通过压机内部伺服顶杆压力变化实现；对应顶杆系统根据工件各区域需要得到的材料机械性能的不同，划分为若干区域，即分段强化，每个系列的软区和/或硬区对应的模具及伺服顶杆，各自为独立运动的区域；
步骤5中所述的淬火冷却速度为5-100℃/s；
所述的压力—时间曲线是指：伺服缸内液压的加载、卸载随保压时间变化的曲线。
2.一种实现权利要求1所述的工艺的模具伺服装置，其特征在于，包括：上、下模、压机上滑块、压机下工作台以及置于上模和/或下模内的伺服缸及其伺服控制系统；
所述的伺服缸及其伺服控制系统包括：多组上模模内伺服缸和/或下模模内伺服缸；
所述的上模、下模内部在各区域的均设有不高于室温的模具冷却装置，上模、下模内部没有加热装置；
所述的伺服缸的行程为0-300mm，单一伺服缸的极限压力1-30t；
所述的上模、下模、上模压料芯以及下模压料芯中至少一项采用Dievar、SKD61或H13制成。
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