CN104388655A - 汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法。包括有设计和加工感应加热器以及与之相配套的冷却喷头；配置感应加热电源和冷却液供给装置；将感应加热器和冷却喷头集成安装在驱动装置上；接通感应电源使感应加热器通电，控制感应加热器和冷却喷头沿已经设计好的移动路径作空间曲线运动，此时通过感应加热器进行模具型面的感应加热，使待处理模具型面上升到相变温度以上；延迟一定时间后，安装在驱动装置上的冷却喷头向已加热的车身覆盖件模具型面喷洒冷却液。本发明方法可以根据车身覆盖件成形模具型面载荷分布不均匀、失效进程不一的情况，实现模具型面不同区域的选择性强化。

Description

汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法

技术领域

本发明属于金属材料热处理技术领域，尤其涉及到一种针对汽车车身覆盖件成形模具型面连续移动感应加热淬火强化方法。

背景技术

车身是汽车的三大总成之一，它主要由冲压成形的覆盖件组成。车身覆盖件成形模具体积大、型面轮廓复杂，精度要求高，制造技术难度大、成本高、周期长。在高强度钢材、轻质结构及其精确成形工艺日益广泛应用的情况下，车身覆盖件成形模具需要具有更高的几何精度、机械性能和使用寿命。多轴联动高精度数控切削机床的应用保证了大型模具复杂型面的几何精度，但在高强钢板冲压成形的严酷工况下，模具型面磨损、局部开裂等失效形式依然严重影响车身覆盖件成形模具的精度保持性和使用寿命，已成为制约高质量车身制造水平的瓶颈问题。因此，在车身覆盖件成形模具型面机械加工完成之后，必须对其进行正确的强化处理，以提高型面的耐磨性和使用寿命。

由于体积庞大、结构复杂、型面几何精度要求高，普通模具零件的强化方法难以用于车身覆盖件成形模具。目前，车身覆盖件成形模具主要采用强化工艺是：

(1)火焰局部加热表面强化淬火。火焰局部加热淬火属于外热源加热，温度场和工艺过程难以控制、操作难度大，以致表面硬度、淬硬层深度不均匀性大，同时火焰加热还会降低了模具型面的几何精度和光洁度等级，有时甚至还会因加热不善而造成的模具烧损报废。

(2)激光局部加热强化淬火工艺。激光局部加热淬火的淬硬层深度只有0.05mm左右，淬硬层太薄，难以满足模具耐磨性、精度保持性以及后续修模工艺余量的要求，同时一次性加热区太小导致生产效率低，设备投资大、生产成本过高。

从应用的效果来看，这两种强化方式均存在着非常明显的不足，以至于车身覆盖件成形模具型面强化质量不高，不能适应车身制造技术发展要求，需要寻求新的表面强化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的不足，提供一种解决现有工艺在车身覆盖件成形模具型面强化中的不足和问题，可以根据车身覆盖件成形模具型面载荷分布不均匀、失效进程不一的情况，实现模具型面不同区域的选择性强化的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，包括有如下步骤:

首先进行感应加热淬火强化工艺规划并设计和加工感应加热器，其中感应加热淬火强化工艺规划包括感应加热器移动路径设计、感应加热电源参数选择、感应加热器和冷却喷头移动速度以及冷却液供给参数的确定；设计和加工感应加热器包括感应加热器结构设计并通过一定的加工工艺将其制作完成；

然后，准备好感应加热电源和冷却液供给装置并开始强化工艺的实施；

淬火强化工艺实施时，将感应加热器和冷却喷头集成在一起，安装在一个可以实现空间曲线运动的驱动装置上；设定高频感应电源参数并与感应加热器连通，冷却喷头与冷却液供给装置相连；

接通感应电源使感应加热器通电，控制感应加热器和冷却喷头沿已经设计好的移动路径作空间曲线运动，此时使感应加热器对待处理模具型面进行感应加热，使待处理模具型面上升到相变温度以上；

延迟一定时间后，安装在驱动装置上的冷却喷头沿着移动路径向已加热的车身覆盖件模具型面喷洒冷却液，使型面温度快速下降，形成淬硬层；

重复执行上述动作，直至模具型面待强化区域全部强化完毕。

在上述方案中，所述的待处理模具型面指的是车身覆盖件成形模具，主要是指构成商用车或乘用车车身内外覆盖件冲压成形过程中所使用的拉深模、修边模具以及翻边模等。车身覆盖件成形模具型面是指在冲压成形过程中上、下模(或凸凹模)上与被成形板料相接触的工作面区域。车身覆盖件成形模具型面强化是指对型面全部或局部以感应淬火的方式使其表面层的硬度和强度升高，以实现提高其耐磨性等目的。

在上述方案中，感应加热器和冷却喷头移动路径的设计应该满足：感应加热器和冷却喷头的移动路径覆盖待处理模具型面的拟强化区域，包括型面上的各类复杂空间曲面。所述的移动路径必须覆盖型面上板料剧烈变形、凸凹模强烈冲击以及压边区域，即模具型面上的易磨损区。

在上述方案中，所述的感应电源参数选择是指确定空间曲面局部连续移动感应加热电源的频率和功率值，确定的方法是：

电源频率：

电流透入深度L(单位：mm)与淬硬层深度d(单位：mm)必须：L≥d，电源频率f(单位：kHz)为

$f\≤2530090\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}{d}^2}$

式中，ρ为材料电阻率(单位：Ω·cm)，μ为材料磁导率，L电流透入深度；

电源功率：

感应电源功率P(单位：kW)的计算式为

$P=\frac{4.96}{t}d\×\mathrm{\Δ}$

式中，Δ为感应加热面积，为感应器沿移动路径在型面上的投影面积(单位：mm²)，t为加热时间(单位：秒)；

在上述方案中，所述的冷却液供给参数确定指的是根据被强化材料以及加热区面积选择淬火用冷却液种类、流量和压力；针对大型车身覆盖件成形模具常用材料以及淬火工艺要求，冷却液采用加入防锈剂的水或者盐碱稀溶液；

在上述方案中，所述的感应加热器和冷却喷头移动速度确定，就是根据淬硬层深度和电源功率等参数来选择感应加热器和冷却喷头沿覆盖件模具型面切向上的移动速度分量，计算公式是：

$v=\frac{\mathrm{PB}}{5d}$

式中移动速度v的单位是mm/s；B为感应加热器底面平行于移动速度方向的宽度(单位：mm)。

在上述方案中，所述的感应加热器包括有感应线圈和导磁体，其中感应线圈为1-2匝回路的紫铜管，导磁体镶套在感应线圈外部，导磁体为块状结构，其下表面根据模具型面结构可制成两种形状：一种是平面，另一种是按照模具型面结构制作成的带有内凹结构的曲面。

在上述方案中，所述的驱动装置指的是能够控制感应加热器和冷却喷头沿车身覆盖件模具型面作空间曲线运动的机构；该驱动装置为多轴联动的伺服驱动装置,安装在该驱动装置上的感应加热器和冷却喷头分别通过电缆和空心软管与感应电源和冷却液供给装置相连接。

在上述方案中，所述的高频感应电源指的是频率在10-45kHz范围内的感应电流发生装置，其电源频率和功率按照强化工艺要求进行选择。

在上述方案中，所述的冷却液供给装置包括有水泵、水箱以及空心软管，其中冷却液装在水箱内，水泵给冷却液提供压力，空心软管用于输送冷却液至冷却喷头。

在上述方案中，所述的感应加热器和冷却喷头在移动的过程中，感应加热器导磁体中的底面与待处理模具型面法向距离保持不变。

本发明产生的有益效果是：

采用感应加热方式对模具型面进行加热，不仅可以准确控制加热温度、透热深度，还可以准确控制热影响区范围，实现高质量强化；

针对具有复杂曲面和复杂工况的车身覆盖件成形模具型面采用局部感应加热淬火方式进行强化处理，有利于对车身覆盖件成形模具型面上的易磨损区实现选择性强化，显著提供模具寿命，缩短模具制造周期；

感应加热淬火强化工艺应用于大型车身覆盖件模具型面的强化，有利于提高型面的强度、硬度及其一致性，特别适合于高强度车身钢板成形模具的强化处理；

本淬火强化方法无污染，更加绿色化、清洁化。

附图说明

图1为本发明实施例淬火部分整体图

图2为本发明实施例车身覆盖件成形模具剧烈磨损区示意图

图3为本发明实施例感应加热器平面底部结构示意图

图4为本发明实施例感应加热器曲面底部结构示意图

图5为本发明实施例感应加热器移动速度示意图

图中：1.车身覆盖件成形模具型面；2.感应加热器；3.冷却喷头；4.驱动装置；5.凹模；6.板料；7.感应线圈；8.导磁体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步的说明：

如图1至图5所示的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，包括有如下步骤:

在强化工艺方法实施前，先必须进行工艺规划，规划工作内容包括感应器移动路径设计、感应加热电源参数选择、冷却液供给参数确定、感应加热和冷却液喷头移动速度确定、感应加热器结构设计与制作。

设计工作完成后，开始进行工艺方案实施，包括：准备好感应加热电源和冷却水供给装置、制作感应加热器以及驱动装置，将感应加热器2和冷却喷头3集成在一起，并安装在具有空间曲线移动功能的驱动装置4上，驱动装置4具有可以作X、Y、Z以及ω等四轴以上联动的空间曲线运动。在驱动装置4的带动下，感应加热器2和冷却喷头3与车身覆盖件成形模具型面1作相对运动。在相对运动过程中，感应加热器2已与高频感应加热电源连通，冷却喷头已与冷却液供给装置相连通。感应加热器2在高频感应电流的作用下，在待强化的大型车身覆盖件成形模具型面1上产生涡流并使局部温度升高至相变温度以上，随后冷却喷头3向已加热的型面上喷洒冷却液，实现快速冷却，形成淬硬组织。在驱动装置4的作用下，感应加热器2和冷却喷头3可以适应大型车身覆盖件成形模具型面的复杂形状及结构选择性强化要求。

在本实施例中，所述的感应器2移动路径设计就是选择感应加热影响区，以利于实现成形模具型面的选择性强化。如图2所示：在成形过程中，板料6在模具的作用下产生变形，板料6与凹模5产生剧烈摩擦。因此，感应加热器2的移动路径必须完全覆盖该区域。

在本实施例中，所述的感应加热电源指的常规高频感应加热电源，频率在10-50kHz之间，其电源参数包括供给感应加热器的电流频率和功率，其计算公式分别是：

(1)电源频率

电流透入深度L(单位：mm)必须大于淬硬层深度d(单位：mm)，即：L≥d。电源频率f(单位：kHz)为

$f\≤2530090\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}{d}^2}$

式中，ρ为材料电阻率(单位：Ω·cm)，μ为材料磁导率，L电流透入深度。

(2)电源功率

感应电源的近似功率P(单位：kW)的计算式为

$P=\frac{4.96}{t}d\×\mathrm{\Δ}$

上式中，Δ为感应加热面积，实际为感应加热器2在型面移动路径上的投影面积(单位：mm²)，t为加热时间(单位：秒)。

在本实施例中，所述的冷却液供给参数的确定指的是选择在淬火过程中冷却液的种类、流量和压力。本实施例选择采用加入防锈剂的水，流量为50L/min，扬程为4m。

在本实施例中，所述的感应加热器2结构设计指的是根据车身覆盖件成形模具型面1复杂结构以及感应加热器设计规范所进行的一项工作。如图3图4所示：感应加热器2包括有感应线圈7和导磁体8，其中感应线圈7为由1匝紫铜管构成的一对对称设置，导磁体8在感应线圈7底部，导磁体8为块状结构，其下表面可以根据模具型面结构做成两种形状：一种是平面，另一种是按照模具型面结构制作成的带有内凹结构的曲面。

在本实施例中，所述的感应加热器2和冷却喷头3移动速度的确定，就是根据淬硬层深度和电源功率等参数来选择移动速度，计算公式是：

$v=\frac{\mathrm{PB}}{5d}$

上式中移动速度v指的是感应器2沿覆盖件模具型面1切向上的速度分量(单位：mm/s)；B为感应加热器2底面垂直于移动速度方向的宽度(单位：mm)，P为感应加热电源功率，其中感应加热器2移动速度方向和宽度取值如图5所示。

在强化工艺设计完成之后，开始强化工艺实施。

强化工艺实施就是根据图1所示的基本原理，并设计参数和移动路径对型面指定区域进行淬火强化。

在本实施例中，所述的做空间曲线运动的驱动装置4指的是能够控制感应加热器2和冷却喷头3沿车身覆盖件模具型面做空间曲线运动的一种机构。这个驱动装置4是专门制作的具有多轴联动功能的伺服驱动装置。在强化处理工艺过程中，安装在驱动装置4上的感应加热器2和冷却喷头3分别通过电缆和空心软管与感应电源和冷却液供给装置相连接。

在本实施例中，所述的高频感应电源指的是指频率在10-45kHz范围内的感应电流发生装置，其电源频率和功率按照强化工艺设计结果进行选择。

在本实施例中，所述的冷却液供给装置指的是由功率在90-120W范围内的水泵以及水箱、空心软管组成的冷却液供给系统。其中冷却液装在水箱内，水泵给冷却液提供压力，空心软管用于输送冷却液至冷却喷头3。

在本实施例中，所述的感应加热器2和冷却喷头3在移动过程中，与车身覆盖件成形模具型面1法向距离保持不变。

在本实施例中，所述的相变温度根据车身覆盖件成形模具材料性质而定，对于钢铁磨具材料，在感应加热淬火过程中，加热使组织达到奥氏体，冷却时获得马氏体组织。

以上说明仅为本发明的应用实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，包括有如下步骤：

首先进行感应加热淬火强化工艺规划并设计和加工感应加热器，其中感应加热淬火强化工艺规划包括感应加热器移动路径设计、感应加热电源参数选择、感应加热器和冷却喷头移动速度以及冷却液供给参数的确定；设计和加工感应加热器包括感应加热器结构设计并通过一定的加工工艺将其制作完成；

然后，准备好感应加热电源和冷却液供给装置并开始强化工艺的实施；

淬火强化工艺实施时，将感应加热器和冷却喷头集成在一起，安装在一个可以实现空间曲线运动的驱动装置上；设定高频感应电源参数并与感应加热器连通，冷却喷头与冷却液供给装置相连；

接通感应电源使感应加热器通电，控制感应加热器和冷却喷头沿已经设计好的移动路径作空间曲线运动，此时使感应加热器对待处理模具型面进行感应加热，使待处理模具型面上升到相变温度以上；

延迟一定时间后，安装在驱动装置上的冷却喷头沿着移动路径向已加热的车身覆盖件模具型面喷洒冷却液，使型面温度快速下降，形成淬硬层；

重复执行上述动作，直至模具型面待强化区域全部强化完毕。

2.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，感应加热器和冷却喷头移动路径的设计应该满足：感应加热器和冷却喷头的移动路径覆盖待处理模具型面的拟强化区域，包括型面上的各类复杂空间曲面；所述的移动路径必须覆盖型面上板料剧烈变形、凸凹模强烈冲击以及压边区域，即模具型面上的易磨损区。

3.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的感应电源参数选择是指确定空间曲面局部连续移动感应加热电源的频率和功率值，确定的方法是：

电源频率：

电流透入深度L(单位：mm)与淬硬层深度d(单位：mm)必须：L≥d，电源频率f(单位：kHz)为

$f\≤2530090\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\μd}}^2}$

式中，ρ为材料电阻率(单位：Ω·cm)，μ为材料磁导率，L电流透入深度；

电源功率：

感应电源功率P(单位：kW)的计算式为

$P=\frac{4.96}{t}d\×\mathrm{\Δ}$

式中，Δ为感应加热面积，为感应器沿移动路径在型面上的投影面积(单位：mm²)，t为加热时间(单位:秒)。

4.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的冷却液供给参数确定指的是根据被强化材料以及加热区面积选择淬火用冷却液种类、流量和压力；针对大型车身覆盖件成形模具常用材料以及淬火工艺要求，冷却液采用加入防锈剂的水或者盐碱稀溶液。

5.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的感应加热器和冷却喷头移动速度确定，就是根据淬硬层深度和电源功率等参数来选择感应加热器和冷却喷头沿覆盖件模具型面切向上的移动速度分量，计算公式是：

$v=\frac{\mathrm{PB}}{5d}$

式中移动速度v的单位是mm/s；B为感应加热器底面平行于移动速度方向的宽度(单位：mm)。

6.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的感应加热器包括有感应线圈和导磁体，其中感应线圈为1-2匝回路的紫铜管，导磁体镶套在感应线圈外部，导磁体为块状结构，其下表面根据模具型面结构可制成两种形状：一种是平面，另一种是按照模具型面结构制作成的带有内凹结构的曲面。

7.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的驱动装置指的是能够控制感应加热器和冷却喷头沿车身覆盖件模具型面作空间曲线运动的机构；该驱动装置为多轴联动的伺服驱动装置,安装在该驱动装置上的感应加热器和冷却喷头分别通过电缆和空心软管与感应电源和冷却液供给装置相连接。

8.如权利要求1所述的汽车车身覆盖件成形模具型面感应加热淬火强化方法，其特征在于，所述的感应加热器和冷却喷头在移动过程中，感应加热器中导磁体的底面与待处理模具型面法向距离保持不变。