CN104028603A - 一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置及方法，它涉及一种热冲压成形装置及方法。本发明为了解决现有异种材料拼焊板的热冲压成形效果差，甚至热冲压成形失败的问题。装置：两列分块可调电极与两个夹持电极夹持在异种材质拼焊板的上、下端面上，两个电极绝缘压块分别压装在所述两列分块可调电极上，两个电极绝缘垫块分别垫在两个夹持电极的下端，每个分块可调电极的外端分别与一个调温变阻器连接，多个调温变阻器通过导线与加热电源构成通电回路。方法：选择待成形的异种材质拼焊板的材质；对待成形的异种材质拼焊板进行夹紧；对待成形的异种材质拼焊板进行加热；对加热后的异种材质拼焊板进行冲压；本发明用于异种材质拼焊板热冲压成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种异种材质拼焊板热冲压成形装置及方法，具体涉及一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置及方法，属于拼焊板热冲压成形技术领域。
背景技术
拼焊板成形技术是指将不同厚度、材质、性能及不同表面涂层的坯料拼焊在一起形成成形前的毛坯，然后在模具中加压成形出所需零件形状，其优点在于可在零件的不同部位获得不同的使用性能，从而达到减轻构件的质量、加强构件局部抗腐蚀能力、提高强度和刚度的目的。由于具有上述优点，拼焊板成形技术自上世纪末开始在汽车等行业得到了广泛的应用。在汽车行业，采用拼焊板冲压成形特定的零件装配汽车，对减轻汽车重量，降低油耗，减少材料消耗，减少加工工序，降低生产成本，提高生产效率，提高安全性能都有十分重要的作用。
当构成拼焊板的材质不同，且其室温成形性能都较差时，例如不同材质的高强钢板，一般应考虑采用热冲压技术，但不同材质板材的最佳成形温度不一定相同，可能会出现不同材质板材成形温度范围相差较大的情况，而此时如果采用传统的热冲压技术，其成形坯料的整体处于同一温度场条件下，即板坯各处的温度一致或十分接近，这样势必出现某些材质的板材处于最佳成形温度，而另一些板材的温度过高或过低，从而影响异种材质拼焊的成形效果，甚至成形失败。
综上所述，现有异种材料拼焊板的热冲压成形由于其局部成形温度不可控，导致热冲压成形效果差，甚至热冲压成形失败的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有异种材料拼焊板的热冲压成形由于其局部成形温度不可控，导致热冲压成形效果差，甚至热冲压成形失败的问题。进而提供一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置及方法。
本发明的技术方案是：一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置，包括成形模具，所述成形模具包括凸模板、凸模、压边圈、凹模、多个弹簧和与弹簧数量相同的多个螺柱，凸模板、压边圈和凹模由上至下依次平行设置，凸模固定设置在凸模板的底端面中心位置处，多个螺柱由上至下先穿设在凸模板的沉孔中，然后旋拧在压边圈上，且多个螺柱的上部与凸模板之间间隙配合，每个螺柱上套装有一个弹簧，异种材质拼焊板设置在压边圈和凹模之间，所述异种材质拼焊板热冲压成形装置还包括两个夹持电极、两个电极绝缘压块、两个电极绝缘垫块、加热电源、多个分块可调电极、多个电流表和多个调温变阻器，多个分块可调电极分成两列，所述两列分块可调电极的数量和位置一一对应，所述两列分块可调电极与两个夹持电极夹持在异种材质拼焊板的左右两侧的上、下端面上，两个电极绝缘压块分别压装在所述两列分块可调电极上，两个电极绝缘垫块分别垫设在两个夹持电极的下端，且两个电极绝缘压块和多个分块可调电极以及两个电极绝缘垫块和两个夹持电极通过外置液压缸将异种材质拼焊板夹紧，每个分块可调电极的外端分别与一个调温变阻器连接，且每个分块可调电极与一个调温变阻器之间设有一个电流表，多个调温变阻器的外端通过导线与加热电源连接构成通电回路。
本发明还提供了一种采用异种材质拼焊板热冲压成形装置的使用方法，所述热冲压成形的具体步骤为：
步骤一：选择待成形的异种材质拼焊板的材质：
将高强钢、钛合金、铝合金或镁合金不同材料的两种及两种以上材质的任意拼焊成待成形的异种材质拼焊板；
步骤二：对待成形的异种材质拼焊板进行夹紧；
两个电极绝缘压块和多个分块可调电极以及两个电极绝缘垫块和两个夹持电极通过外置液压缸将异种材质拼焊板夹紧，夹紧时施加在分块可调电极和整体电极上的液压缸夹持压力为10MPa-30MPa；
步骤三：对待成形的异种材质拼焊板进行加热；
根据待成形的异种材质拼焊板不同部位的材质、横截面尺寸、电阻率、热导率、热辐射系数，分别调整每个调温变阻器的间距及不同变阻器的阻值及加热电源的输出电流，控制异种材质拼焊板内的电流密度在整个坯料范围内的合理分布，其合理分布值为10-200A/mm2，从而使不同材质的坯料被迅速加热至其所需成形温度，加热速度为30～100℃/s；
步骤四：对加热后的异种材质拼焊板进行热冲压；
当温度满足不同材质的变形要求后，松开两个电极绝缘压块、多个分块可调电极、两个电极绝缘垫块和两个夹持电极，凸模板、凸模和压边圈下行，将加热后的异种材质拼焊板压入凹模内，此时，即可完成异种材质拼焊板的热冲压成形。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1.本发明的方法是在不同材质拼焊板的两端分别设有多个调温变阻器，通过单独实现对某一块材质板材电流密度的调整来改变该材质板材加热温度，能够实现不同材质板材所需成形温度，从而实现对异种材质拼焊板的加热，热冲压成形效果好，有效的避免了热冲压成形失败的问题，热冲压成形的废品率仅为1-3％。
2.本发明与传统的板材或拼焊板材加热方法相比，传统的加热方法如电阻炉加热，电阻炉加热采用热传导及热辐射效应对材料进行加热，本发明的加热方法直接利用拼焊板材的电阻，通过流经拼焊板材的电流的焦耳热效应直接对其加热，因而本发明的加热方法具有加热速度快、加热效率高的优点，其加热效率较传统的加热方法提高90-100倍。
3.采用传统方法热冲压成形时，由于加热速度很慢，一般加热过程需要十几至数十分钟，而冲压成形的速度较快，成形过程仅需一至数秒，因而造成加热速度与成形速度的不匹配，给生产的协调带来不便，而本发明方法的加热速度很快，其加热速度可达30～100℃/s，这与热冲压成形速度相匹配，因而使得热成形工艺过程中的加热速度与成形速度得到协调匹配，便于实现生产线的自动化与连续化。
4.由于加热效率的提高，极大地缩短了工艺过程中拼焊板材的加热时间，因而本发明的方法最大限度的避免了加热过程中拼焊板材的氧化，减少了氧化皮等加热缺陷，能够提升产品的表面质量。
5.由于本发明方法直接采用电流的焦耳热效应直接对板材进行加热，其能源利用率较传统的加热方法提高十几倍，因而其具有能量消耗少、节能环保的优点。
6.采用本发明方法对拼焊板材进行热冲压成形时，由于板材内部通入了高密度的脉冲电流，而脉冲电流具有“电致塑性效应”，因此本方法可有效提升拼焊板材的冲压成形性能，降低坯料的变形抗力，提高成形极限，并消除产品的残余应力，减少了回弹，改善产品质量。
7..拼焊板材在热冲压成形加热过程中，高密度的脉冲电流会在板材内部微裂纹的尖端产生聚集效应，从而在裂纹尖端微区产生大量的焦耳热，形成一个微局部的高温区，使得裂纹尖端熔化、钝化并融合，这对材料内部裂纹的进一步发展具有一定的抑制与愈合效果，因此采用该方法能够进一步提升拼焊板材的热冲压成形能力。
8.本发明的异种材质拼焊板热冲压成形装置结构简单，便于生产制造，成本低廉，易于操作。
9.本发明的异种材质拼焊板热冲压成形装置，由于采用了多个调温变阻器和多个分块可调电极，使得异种材质拼焊板内部的电流密度分布可调可控，从而使得其温度场可调可控，进而使得不同材料焊接板冲压热成形得以顺利进行。
附图说明
图1是本发明的主视图；图2是加热电源和多个调温变阻器相连并形成通电回路的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置包括成形模具，所述成形模具包括凸模板1、凸模2、压边圈3、凹模4、多个弹簧5和与弹簧5数量相同的多个螺柱6，凸模板1、压边圈3和凹模4由上至下依次平行设置，凸模2固定设置在凸模板1的底端面中心位置处，多个螺柱6由上至下先穿设在凸模板1的沉孔中，然后旋拧在压边圈3上，且多个螺柱6的上部与凸模板1之间间隙配合，每个螺柱6上套装有一个弹簧5，异种材质拼焊板7设置在压边圈3和凹模4之间，所述异种材质拼焊板热冲压成形装置还包括两个夹持电极14、两个电极绝缘压块9、两个电极绝缘垫块10、加热电源11、多个分块可调电极13、多个电流表15和多个调温变阻器12，多个分块可调电极13分成两列，所述两列分块可调电极的数量和位置一一对应，所述两列分块可调电极与两个夹持电极14夹持在异种材质拼焊板7的左右两侧的上、下端面上，两个电极绝缘压块9分别压装在所述两列分块可调电极上，两个电极绝缘垫块10分别垫设在两个夹持电极14的下端，且两个电极绝缘压块9和多个分块可调电极13以及两个电极绝缘垫块10和两个夹持电极14通过外置液压缸将异种材质拼焊板7夹紧，每个分块可调电极13的外端分别与一个调温变阻器12连接，且每个分块可调电极13与一个调温变阻器12之间设有一个电流表15，多个调温变阻器12的外端通过导线与加热电源11连接构成通电回路。
本实施方式的多个调温变阻器12的数量为10-20个。便于满足至少两种异种材质拼焊板7的加热需求。
具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的多个分块可调电极13和两个夹持电极14的材质为紫铜。如此设置，紫铜的电阻率小，熔点高，消耗电能少。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的异种材质拼焊板热冲压成形装置还包括多个钛合金保温片16，所述两列分块可调电极的下端面与异种材质拼焊板7的上端面之间分别设有一个钛合金保温片16，两个夹持电极14的上端面与异种材质拼焊板7的下端面之间设有两个钛合金保温片16。如此设置，钛合金的电阻率大，导热性能差，能够阻止异种材质拼焊板7上的热量通过紫铜电极向外界散失，起到良好的保温效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的异种材质拼焊板热冲压成形装置的方法，所述热冲压成形的具体步骤为：
步骤一：选择待成形的异种材质拼焊板7的材质：
将高强钢、钛合金、铝合金或镁合金不同材料的两种及两种以上材质的任意拼焊成待成形的异种材质拼焊板7；
步骤二：对待成形的异种材质拼焊板7进行夹紧；
两个电极绝缘压块9和多个分块可调电极13以及两个电极绝缘垫块10和两个夹持电极14通过外置液压缸将异种材质拼焊板7夹紧，夹紧时施加在分块可调电极13和整体电极14上的液压缸夹持压力为10MPa-30MPa；
步骤三：对待成形的异种材质拼焊板7进行加热；
根据待成形的异种材质拼焊板7不同部位的材质、横截面尺寸、电阻率、热导率、热辐射系数，分别调整每个调温变阻器12的间距及不同变阻器的阻值及加热电源11的输出电流，控制异种材质拼焊板7内的电流密度在整个坯料范围内的合理分布，其合理分布值为10-200A/mm2，从而使不同材质的坯料被迅速加热至其所需成形温度，加热速度为30～100℃/s；
步骤四：对加热后的异种材质拼焊板7进行热冲压；
当温度满足不同材质的变形要求后，松开两个电极绝缘压块9、多个分块可调电极13、两个电极绝缘垫块10和两个夹持电极14，凸模板1、凸模2和压边圈3下行，将加热后的异种材质拼焊板7压入凹模4内，此时，即可完成异种材质拼焊板7的热冲压成形。
本实施方式的步骤二能够有效的防止电极与坯料间接触不良产生放电打火现象。
本实施方式的异种材质拼焊板7在实际热冲压成形过程中，当采用以下几种材质时，是这样实现其温度场可调可控的：
如SPFC980Y超高强钢板、6181T4铝合金板及Ti-6Al-4V钛合金板拼焊组成的异种材质拼焊板材，不同材质板的厚均为1.2mm，对其进行热冲压成形时，SPFC980Y超高强钢板的最佳成形温度为600℃(温度过高容易氧化)，6181T4铝合金板材的最佳成形温度为450-500℃，Ti-6Al-4V钛合金板材的适宜热成形温度为800℃以上。在加热过程中，应根据不同材质金属板材的热电物理性能，分别调整每个调温变阻器的阻值，进而调整流经不同材质板材的电流密度，使得脉冲电流在拼焊板不同部位所产生的焦耳电阻热刚好将各个材质的板材加热至其相应的适宜成形温度。
可调可控的过程为：根据SPFC980Y超高强钢板的电阻率为9.78×10-8Ω·m，热导率为38W/(m·K)，比热容为460J/(kg·K)，密度为7.8g/cm3，为将其加热至600℃的热成形温度，需通过调整调温变阻器将流经其内部的脉冲电流的电流密度调整至30A/mm2，该密度的脉冲电流可将其在5s内加热至600℃；Ti-6Al-4V钛合金板材的电阻率为1.6×10-6Ω·m，热导率为5.46W/(m·K)，比热容为680.4J/(kg·K)，密度为4.45g/cm3，为将其加热至800℃的热成形温度，需通过调整调温变阻器将流经其内部的脉冲电流的电流密度调整至15A/mm2，该密度的脉冲电流可将其在5s内加热至800℃；6181T4铝合金板材的电阻率约为3.2×10-8Ω·m，热导率约为156W/(m·K)，比热容为860J/(kg·K)，密度为2.72g/cm3，为将其加热至500℃的热成形温度，需通过调整调温变阻器将流经其内部的脉冲电流的电流密度调整至65A/mm2，该密度的脉冲电流可将其在5s内加热至500℃。经过上述参数设定后，将整块拼焊板材在5s内加热至其适宜的成形温度，之后，松开分块可调电极13和整体电极14，通过压力机滑块带动凸模板1、凸模2和压边圈3下行，将加热后的异种材质拼焊板7压入凹模4内，此时，即可完成异种材质拼焊板7的热冲压成形。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (4)
1.一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置，它包括成形模具，所述成形模具包括凸模板(1)、凸模(2)、压边圈(3)、凹模(4)、多个弹簧(5)和与弹簧(5)数量相同的多个螺柱(6)，凸模板(1)、压边圈(3)和凹模(4)由上至下依次平行设置，凸模(2)固定设置在凸模板(1)的底端面中心位置处，多个螺柱(6)由上至下先穿设在凸模板(1)的沉孔中，然后旋拧在压边圈(3)上，且多个螺柱(6)的上部与凸模板(1)之间间隙配合，每个螺柱(6)上套装有一个弹簧(5)，异种材质拼焊板(7)设置在压边圈(3)和凹模(4)之间，其特征在于：所述异种材质拼焊板热冲压成形装置还包括两个夹持电极(14)、两个电极绝缘压块(9)、两个电极绝缘垫块(10)、加热电源(11)、多个分块可调电极(13)、多个电流表(15)和多个调温变阻器(12)，多个分块可调电极(13)分成两列，所述两列分块可调电极的数量和位置一一对应，所述两列分块可调电极与两个夹持电极(14)夹持在异种材质拼焊板(7)的左右两侧的上、下端面上，两个电极绝缘压块(9)分别压装在所述两列分块可调电极上，两个电极绝缘垫块(10)分别垫设在两个夹持电极(14)的下端，且两个电极绝缘压块(9)和多个分块可调电极(13)以及两个电极绝缘垫块(10)和两个夹持电极(14)通过外置液压缸将异种材质拼焊板(7)夹紧，每个分块可调电极(13)的外端分别与一个调温变阻器(12)连接，且每个分块可调电极(13)与一个调温变阻器(12)之间设有一个电流表(15)，多个调温变阻器(12)的外端通过导线与加热电源(11)连接构成通电回路。
2.根据权利要求1所述的一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置，其特征在于：所述多个分块可调电极(13)和两个夹持电极(14)的材质为紫铜。
3.根据权利要求2所述的一种温度场可控的异种材质拼焊板热冲压成形装置，其特征在于：所述异种材质拼焊板热冲压成形装置还包括多个钛合金保温片(16)，所述两列分块可调电极的下端面与异种材质拼焊板(7)的上端面之间分别设有一个钛合金保温片(16)，两个夹持电极(14)的上端面与异种材质拼焊板(7)的下端面之间设有两个钛合金保温片(16)。
4.一种采用权利要求1所述的异种材质拼焊板热冲压成形装置的方法，其特征在于：所述热冲压成形的具体步骤为：
步骤一：选择待成形的异种材质拼焊板(7)的材质：
将高强钢、钛合金、铝合金或镁合金不同材料的两种及两种以上材质的任意拼焊成待成形的异种材质拼焊板(7)；
步骤二：对待成形的异种材质拼焊板(7)进行夹紧；
两个电极绝缘压块(9)和多个分块可调电极(13)以及两个电极绝缘垫块(10)和两个夹持电极(14)通过外置液压缸将异种材质拼焊板(7)夹紧，夹紧时施加在分块可调电极(13)和整体电极(14)上的液压缸夹持压力为10MPa-30MPa；
步骤三：对待成形的异种材质拼焊板(7)进行加热；
根据待成形的异种材质拼焊板(7)不同部位的材质、横截面尺寸、电阻率、热导率、热辐射系数，分别调整每个调温变阻器(12)的间距及不同变阻器的阻值及加热电源(11)的输出电流，控制异种材质拼焊板(7)内的电流密度在整个坯料范围内的合理分布，其合理分布值为10-200A/mm2，从而使不同材质的坯料被迅速加热至其所需成形温度，加热速度为30～100℃/s；
步骤四：对加热后的异种材质拼焊板(7)进行热冲压；
当温度满足不同材质的变形要求后，松开两个电极绝缘压块(9)、多个分块可调电极(13)、两个电极绝缘垫块(10)和两个夹持电极(14)，凸模板(1)、凸模(2)和压边圈(3)下行，将加热后的异种材质拼焊板(7)压入凹模(4)内，此时，即可完成异种材质拼焊板(7)的热冲压成形。
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