CN104438542B - 管件气胀热成形分段强化生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管件气胀热成形分段强化生产设备，包括压力机，其特征是：所述压力机中安装热成形分段强化模具，热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块；在所述工件两端设置封头，封头中心分别设置高压气体通路，高压气体通路前端与工件内部连通，高压气体通路后端连接轴向高压气体系统，轴向高压气体系统包括高压气体发生器和高压气体增压机，高压气体发生器的出口端与高压气体增压机连接，高压气体增压机与封头连接，封头与出气管路连接。本发明可以生产根据产品设计需要分区与定制的、截面形状和周长变化的零件。

Description

管件气胀热成形分段强化生产设备

技术领域

本发明涉及一种管件气胀热成形分段强化生产设备，属于热处理塑性成形技术领域。

背景技术

汽车硼钢钢管作为一种新兴超高强度热成形钢管，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。热成形硼钢材料的软区技术的生产工艺分为4个阶段：

1)加热：将硼钢钢管加热至热处理所需要的温度；

2)传输：将硼钢钢管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°/秒)。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°/秒)。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。

可获得不同强度及塑性的硼钢材料典型分为：

表1

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	HS115O	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：

表2

	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

另一方面，管件内高压成形工艺，利用高压流体产生的压力，充塞在管件A内部充当凸模，外部随产品形状的模具钢B充当凹模，经历投料、模具闭合、管件内预充流体、加压、同时轴向液压缸轴向推料成形和开模取料几个阶段完成管件成形。其中，根据产品及成形性的需要，过程先后会有交叉。

管件内高压成形工艺，通常其前道要配合有弯管和/或预成型工艺，在内高压成形工艺之前，得到与最终工件形状尺寸基本相似的零件，同时避免高压成形模具闭合过程中产生夹料，避免成形过程中出现开裂和起皱等缺陷。如果以上问题可以避免，可以省去弯管和/或预成型工艺，直接进行内高压。为简略计，弯管和/或预成型工艺本发明不再详细讨论。

目前常见管件成形工艺为常温下内高压成形。受限于制管工艺及材料自身机械性能的限制，所应用的管件强度有限，抗拉强度很难超过1000MPa。

目前常见硼钢钢管热成形多为普通热冲压工艺，成形过程内部无高压媒介，只能适应等截面周长的产品，产品形状十分受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种管件气胀热成形分段强化生产设备，可以生产出材料机械强度在500～1500MPa范围内，根据产品设计需要分区与定制的、截面形状和周长变化的零件。

按照本发明提供的技术方案，所述管件气胀热成形分段强化生产设备，包括压力机，其特征是：所述压力机中安装热成形分段强化模具，热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成形镶块、下模硬区成形镶块、下模软区成形镶块、下模软区成形镶块的成形面分别对应于硼钢钢管工件上的硬区和软区；在所述工件的两端分别设置封头，封头的前端与工件的管端接触，封头的后端与轴向液压系统连接，封头的前端直径小于后端直径，在工件两端的封头中心分别设置高压气体通路，高压气体通路的前端与工件的内部连通，高压气体通路的后端连接轴向高压气体系统；在所述封头内部沿封头的外轮廓布置封头通路，封头通路内部排布冷却水管路或模具电加热元件；所述轴向高压气体系统包括高压气体发生器、高压气体增压机、高压气体压力调节阀和高压气体卸压阀，高压气体发生器的进口端与气源连接，高压气体发生器的出口端通过气体管路与高压气体增压机连接，高压气体增压机通过进气管路与封头连接，封头与出气管路连接，在出气管路上设置高压气体卸压阀，在进气管路上设置高压气体压力调节阀。

进一步的，在所述上模硬区成形镶块的下部和下模硬区成形镶块的上部分别设置冷却水路。

进一步的，在所述上模软区成形镶块和下模软区成形镶块上接近工件的一侧区域设置用于加热的软区加热通路，软区加热通路内部放置模具加热元件，电加热元件与模具电加热系统连接。

进一步的，所述管件气胀热成形分段强化生产设备还包括加热设备、上料传送装置和下料传送及收集装置。

进一步的，所述上料传送装置采用机器人和/或传送带。

进一步的，所述下料传送及收集装置包括下料传送部分和收集部分，下料传送部分采用机器人或/和传送带，收集部分采用机器人或/和传送带。

进一步的，所述轴向液压系统包括液压缸或气缸。

进一步的，所述压力机采用框架式液压压机或机械伺服压机。

进一步的，所述模具电加热系统包括PLC控制单元、操作屏、电缆、电器转接盒和电气柜，由电缆将操作屏、控制单元、电器转接盒和电气柜连接起来，电气柜通过电器转接盒向模具内的加热元件输出功率，加热上模软区成形镶块和下模软区成形镶块，并通过PLC控制单元控制每组加热元件的加热效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明可以得到强度最高达1500MPa(延伸率5％左右)的高强度钢管；

(2)本发明可以得到延伸率最高达15％(强度600MPa左右)的高强度钢管；

(3)本发明可以根据产品设计的需要，在任意位置，在抗拉强度500～1500MPa，相应延伸率15～5％的范围内任意实现工件的机械性能。

(4)本发明充分利用气体内高压吹胀成形，可以得到横向截面周长变化的产品。现有技术中，有利用硼钢管件进行热成形的工艺，得到的大多是断面周长不变的产品，限制了产品设计的自由；本发明允许在材料成形性能许可的范围内，自由变化产品的断面周长，使产品达到不同的强度、刚度、装配和空间要求，为零部件功能的优化提供了更大的空间；

(5)本发明在高温下对工件进行气胀成形，可以有效降低成形需要的压力机成形力。随着温度的升高，硼钢材料的屈服强度迅速降低，延伸率提高，因此，和常温下内高压成形工艺比较，压力机成形力大为降低。要达到同等或相似强度的零件，和常温下内高压成形相比较，热成形气胀所需压力机压力可以降低到常温下内高压成形的1/3甚至更低，例如汽车用DP1000双相钢的强度为1000MPa，比热成形后硼钢的强度1500MPa要低很多，但是常温下内高压DP1000钢管所配备的压力机通常为5000吨，而热成形气胀钢管所配备的压力机可设为1200吨；

(6)本发明在淬火过程中，向管件内通入高压气体，可以有效调节硼钢的淬火冷却速度。由于管件成形上下模均为凹模，在现有管件直接热成形技术中，没有凸模而只能在两侧尽量用芯棒完成凸模的功能，所以在管件的芯棒无法达到的区域便没有凸模，工件的贴模性很差；没有足够的压力，热量无法快速传导到冷却介质——模具上，得到的产品在该区域强度难以满足设计要求。本发明利用高压气体充当凸模，工件贴模性好，能够提供足够的保压压力，从而得到合适的冷却速度，得到的产品强度在任一区域均可满足要求；

附图说明

图1为本发明所述生产设备的示意图。

图2为所述热成形分段强化模具的示意图。

图3为所述轴向高压气体系统的框图。

图中序号：上模硬区成形镶块1、下模硬区成形镶块2、上模软区成形镶块3-1、下模软区成形镶块3-2、工件4、高压气体通路5、封头6、冷却水路7、软区加热通路8、封头通路9、压力机10、上模座11、下模座12、轴向液压系统13、轴向高压气体系统14、模具电加热系统15。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明所述管件气胀热成形分段强化生产设备包括压力机10，压力机10中安装热成形分段强化模具，热成形分段强化模具包括上模座11和下模座12，上模座11和下模座12用于传递和承载压力机10给硼钢钢管工件4施加的压力，上模座11和下模座12的材质选择QT600、HT300、GM241等铸件，也可选择45#等钢板拼接而成；在所述上模座11下表面安装上模硬区成形镶块1和上模软区成形镶块3-1，在下模座12上表面安装下模硬区成形镶块2和下模软区成形镶块3-2，上模硬区成形镶块1、下模硬区成形镶块2、下模软区成形镶块3-1、下模软区成形镶块3-2的成形面分别对应于硼钢钢管工件4上的硬区和软区；在所述上模硬区成形镶块1的下部和下模硬区成形镶块2的上部分别设置冷却水路7，通过冷却水路7中的冷却水在成形加压时对工件4进行快速冷却，冷却水路7直接或通过上模座和下模座与设备的水管相连；在所述上模软区成形镶块3-1和下模软区成形镶块3-2上接近工件4的一侧区域设置用于加热的软区加热通路8，软区加热通路8中设置电加热元件，电加热元件与模具电加热系统15连接，对工件4进行缓慢冷却，模具加热元件与生产设备加热系统相连；在所述工件4的两端分别设置封头6，封头6的前端与工件4的管端接触，封头6的后端与轴向液压系统13连接，封头6的前端直径小于后端直径，在工件4两端的封头6中心分别设置高压气体通路5，高压气体通路5的前端与工件4的内部连通，高压气体通路5的后端连接轴向高压气体系统14(高压气站)；在所述封头6内部沿封头6的外轮廓布置封头通路9，封头通路9内部根据工件4材料流动的工艺需要排布冷却水管路或模具电加热元件(如加热棒)。

如图3所示，所述轴向高压气体系统14包括高压气体发生器、高压气体增压机、压力调节阀和卸压阀，高压气体发生器的进口端与气源连接，气源可以采用自然空气、氮气、二氧化碳等非爆炸、非有毒有害气体，高压气体发生器的出口端通过气体管路与高压气体增压机连接，高压气体增压机通过进气管路与封头6连接，封头6与出气管路连接，在出气管路上设置高压气体卸压阀，在进气管路上设置压力调节阀，压力调节阀可以通过控制器控制开关；所述进气管路和出气管路相分离，出气管路可以通过泵与进气管路连通，从而实现高压气体的循环使用；也可以，将出气管路引导至安全区域，直接排入大气；在工作时，模具轴向增压、保压阶段，轴向高压气体系统14向封头6输出气体，在不超过5～250MPa的范围内通过压力调节阀和进气管路输出气体压力；轴向卸压阶段，通过卸压阀和出气管路实现卸压功能，将已输出的高压气体卸压；

所述模具电加热系统15包括PLC控制单元、操作屏、电缆、电器转接盒和电气柜，由电缆将操作屏、控制单元、电器转接盒和电气柜连接起来，电气柜通过电器转接盒向模具内的加热元件输出功率，加热模具软区成形镶块，并通过PLC控制单元控制每组加热元件的加热效率；相互独立的PLC控制单元优选6-32个，电气柜总功率优选30～200KW，控制模具温度350～650℃。

所述轴向液压系统13包括液压缸或气缸，推动热成形模具轴向两端封头6的轴向进给和后退，进而实现热成形模具轴向的进给加压、保压、卸压和开模；所述轴向液压系统13还包括液压泵、液压阀、模具轴向封头液压缸速度和位移感器、电控系统、管路、接头和油箱等辅助元件，工作压力优选15-32MPa，速度在0-80mm/s范围内随位移变化任意可调，位移在工作行程范围内任意可调；

本发明所述管件气胀热成形生产设备还包括加热设备、上料传送装置和下料传送及收集装置；所述加热装置用于将硼钢钢管工件加热到850～950℃，使得钢管均匀奥氏体化；所述上料传送装置用于将加热后的硼钢钢管工件以一定的速度传送至压力机上，上料传送装置优选为机器人和/或传送带；所述下料传送及收集装置用于在开模后，将经高压气胀成形后的硼钢钢管工件传送出压力机，并在指定位置收集硼钢钢管工件；所述上料传送装置包括上料传送部分和收集部分，上料传送部分采用机器人或/和传送带，收集部分采用机器人或/和传送带，或者通过人工进行装箱；

所述压力机10采用框架式液压压机或机械伺服压机，在合模阶段，压力机10下行，冲压速度在0～900mm/s的幅度内变化，优选可自由输入数据调节；在模具轴向进给、保压阶段，压力机10可在行程范围内任意需要的位置停留0-300s，实现合模后保压功能；压力机吨位根据所生产的产品而有不同，其中，为得到马氏体组织，应保证冲压方向的单位投影面积压力不低于1MPa；开模阶段，压力机在0～900mm/s的速度范围内快速上行。

实施例一：一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，硼钢钢管的材质：硼钢22MnB5，料厚2.6mm，圆管外径100mm，长度850mm。欲成形工件长度不变，两端区域截面周长不变，仍为100mm，中央区域膨胀成形，从100mm渐变至中心位置截面周长105mm。工件的材料性能在两端区域要求为硬区HS1150，中央膨胀变形区域为分段强化软区HS400；

上述工件通过以下步骤进行具体加工处理：

1、硼钢直管备料，料厚2.6mm，外径100mm，长度1000mm；

2、在加热装置中加热至900℃将硼钢管完全奥氏体化，同时通过加热设备对热成形模具软区成形镶块进行热成形前的预热，温度550℃；；

3、在6秒钟内将硼钢管料放置在模具中，压机初始开口高度800mm；

4、模具两侧轴向缸推动其前端封头封住管件，形成密闭腔体，通过模具封头前端气体通路，向管件密闭腔体内充入高压气体，压强25MPa，压机压力300吨，压机以300mm/s的速度下行，模具闭合、成形，如图1所示；

5、热成形完成后，压力机继续停留在达下死点位置，保持闭合状态，维持300吨的压机压力和25MPa的气体压强15秒，零件保压淬火完成；

6、取出工件，两端得到HS1150强度为1500MPa的马氏体组织，中央区域得到HS400强度为600MPa的铁素体珠光体组织；

8、镭射热压胀形件两端，得到所需尺寸工件。

Claims (1)

1.一种管件气胀热成形分段强化生产设备，包括压力机（10），其特征是：所述压力机（10）中安装热成形分段强化模具，热成形分段强化模具包括上模座（11）和下模座（12），在上模座（11）下表面安装上模硬区成形镶块（1）和上模软区成形镶块（3-1），在下模座（12）上表面安装下模硬区成形镶块（2）和下模软区成形镶块（3-2），上模硬区成形镶块（1）、下模硬区成形镶块（2）、上模软区成形镶块（3-1）、下模软区成形镶块（3-2）的成形面分别对应于硼钢钢管工件（4）上的硬区和软区；在所述工件（4）的两端分别设置封头（6），封头（6）的前端与工件（4）的管端接触，封头（6）的后端与轴向液压系统（13）连接，封头（6）的前端直径小于后端直径，在工件（4）两端的封头（6）中心分别设置高压气体通路（5），高压气体通路（5）的前端与工件（4）的内部连通，高压气体通路（5）的后端连接轴向高压气体系统（14）；在所述封头（6）内部沿封头（6）的外轮廓布置封头通路（9），封头通路（9）内部排布冷却水管路或模具电加热元件；所述轴向高压气体系统（14）包括高压气体发生器、高压气体增压机、高压气体压力调节阀和高压气体卸压阀，高压气体发生器的进口端与气源连接，高压气体发生器的出口端通过气体管路与高压气体增压机连接，高压气体增压机通过进气管路与封头（6）连接，封头（6）与出气管路连接，在出气管路上设置高压气体卸压阀，在进气管路上设置高压气体压力调节阀；

在所述上模硬区成形镶块（1）的下部和下模硬区成形镶块（2）的上部分别设置冷却水路（7）；

在所述上模软区成形镶块（3-1）和下模软区成形镶块（3-2）上接近工件（4）的一侧区域设置用于加热的软区加热通路（8），软区加热通路（8）内部放置模具加热元件，模具加热元件与模具电加热系统（15）连接；

所述管件气胀热成形分段强化生产设备还包括加热设备、上料传送装置和下料传送及收集装置；

所述上料传送装置采用机器人和/或传送带；

所述下料传送及收集装置包括下料传送部分和收集部分，下料传送部分采用机器人或/和传送带，收集部分采用机器人或/和传送带；

所述轴向液压系统（13）包括液压缸或气缸；

所述压力机（10）采用框架式液压压机或机械伺服压机；

所述模具电加热系统（15）包括PLC控制单元、操作屏、电缆、电器转接盒和电气柜，由电缆将操作屏、控制单元、电器转接盒和电气柜连接起来，电气柜通过电器转接盒向模具内的加热元件输出功率，加热上模软区成形镶块（3-1）和下模软区成形镶块（3-2），并通过PLC控制单元控制每组加热元件的加热效率。