CN104525675A - 硼钢钢管的气胀热成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是，包括以下工艺步骤：（1）弯管和预成型；（2）加热硼钢钢管零件；（3）硼钢钢管零件传送至模具；（4）模具部分区域闭合完成或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端设置有封头，用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔通入具备初始压力的高压气体，充塞硼钢钢管零件；高压气体向硼钢钢管零件内部增压，同时配合以轴向缸轴向推料动作，形成内压力，完成硼钢钢管零件在高温下的高压成形；其中，所述轴向缸推力为5～100吨，内压力为5～250MPa；（5）保压淬火；（6）卸压开模。本发明可以生产出材料机械强度达到1500MPa、截面形状和周长变化的零件。

Description

硼钢钢管的气胀热成形工艺

技术领域

本发明涉及一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，尤其是一种硼钢钢管高温下内高压气体胀形及淬火工艺，属于热处理塑性成形技术领域。

背景技术

硼钢钢管作为一系列热成形钢管，生产工艺分为成形和淬火冷却2个阶段，其中：成形阶段需要在高温下由模具冲压成形；淬火冷却阶段需要通过控制一定的冷却速度，可以发生从奥氏体微观组织向马氏体微观组织的转变，得到极高的强度和硬度；根据硼钢种类不同，其强度可以达到500～2000MPa。常见热成形后强度达到1500MPa的硼钢化学成分如表1所示。

表1

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，提供一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，可以生产出材料机械强度达到1500MPa、截面形状和周长变化的零件。

按照本发明提供的技术方案，所述硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是，包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，加热装置中采用保护气氛；

（3）传送工件：将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送速度控制在3秒以内；

（4）高压气胀成形：硼钢钢管零件在模具中由热成形压力机进行热成形冲压，热成形压力机采用液压压机或伺服压机，热成形冲压包括以下过程：

a、模具闭合成形：模具的上、下模表面分别对应最终工件的上下型面，以得到和最终工件一致的形状；

b、轴向缸推料：模具部分区域闭合完成或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端设置有封头，用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔通入具备初始压力的高压气体，充塞硼钢钢管零件；高压气体向硼钢钢管零件内部增压，同时配合以轴向缸轴向推料动作，形成内压力，完成硼钢钢管零件在高温下的高压成形；其中，所述轴向缸推力为5～100吨，内压力为5～250MPa、；

（5）保压淬火：硼钢钢管零件高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变，进行冷却淬，保压淬火时间为1～20s；

（6）卸压开模：硼钢钢管零件经保压淬火后，高压气体沿出气通道排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件。

所述步骤（2）中，当硼钢钢管零件为无镀层硼钢钢管零件时，采用氮气保护或氮气加甲醇或甲烷保护气氛；当硼钢钢管零件为铝硅镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气或者氮气保护；当硼钢钢管零件为锌镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气保护。

所述步骤（4）中，内压力为5～100MPa。

所述步骤（4）中，高压气体为自然空气、氮气或二氧化碳，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用。

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高达1500MPa的高强度钢管；

（2）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；

（3）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；

（4）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；

（5）本发明为直接热成形淬火工艺，淬火后无回弹。现有管件常温下内高压成形工艺，都存在工件成形后回弹的问题，模具常常要多次试模——机加工——试模，来调节回弹补偿量，达到合格尺寸；热成形工艺淬火过程保压，得到的马氏体组织后无回弹。

附图说明

图1a～图1f为管件内高压成形工艺的流程图，其中：

图1a为投料过程的示意图。

图1b为模具闭合过程的示意图。

图1c为管件内预充流体的示意图。

图1d为加压的示意图。

图1e为轴向液压缸轴向推料成形的示意图。

图1f为开模取料的示意图。

图2为本发明所述管件气胀热成形生产设备的结构示意图。

图3为所述热成形模具的示意图。

图中序号：上模成形镶块1、下模成形镶块2、硼钢钢管工件3、封头6、通气孔7、压力机8、上模座9、下模座10、轴向液压系统11、轴向高压气体系统12。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

本发明所述硼钢钢管的气胀热成形工艺，包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，使硼钢钢管零件均匀奥氏体化；其中，硼钢钢管零件可分为带镀层和不带镀层两种；加热装置内的保护气氛根据硼钢钢管表层特点采用适当配方，例如：无镀层硼钢钢管零件采用氮气保护或氮气加甲醇或甲烷等保护气氛；如果为铝硅镀层的硼钢钢管零件采用干燥空气或者氮气保护；如果为锌镀层的硼钢钢管零件，采用干燥空气保护；

（3）传送工件：如图1a所示，将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；传送速度及传送环境温度应当控制在合理的范围内，一般随硼钢钢管零件的厚度而变化，例如：当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间应随着厚度的减小而缩短，控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送速度控制在3秒以内，使降温度速度慢于室温下的自然冷却速度；

（4）高压气胀成形：硼钢钢管零件在管件气胀热成形生产设备中进行热成形冲压，如图2、图3所示，管件气胀热成形生产设备包括压力机8，压力机8中安装热成形模具，热成形模具包括上模座9和下模座10，上模座9和下模座10用于传递和承载压力机8给硼钢钢管工件施加的压力，上模座9和下模座10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9下表面安装上模成形镶块1，在下模座10上表面安装下模成形镶块2，上模成形镶块1的下表面和下模成形镶块2的上表面为硼钢钢管工件3的成型面；在所述热成形模具的两端分别设置封头6，封头6的前端与硼钢钢管工件3的管端接触，封头6的后端与轴向液压系统11（轴向液压缸或气缸）连接，在热成形模具两端的封头6中心分别设置通气孔7，通气孔7的前端与硼钢钢管工件3的内部连通，通气孔7的后端连接轴向高压气体系统12（高压气站）；

热成形冲压包括以下过程：

a、模具闭合成形：如图1b所示，模具的上、下模表面分别对应最终工件的上下型面，以得到和最终工件一致的形状；模具的上、下模内部具有冷却装置，为高压胀气之后的淬火工艺提供冷却源；上、下模设置适当定位装置和导向装置，确保模具上下运动及投取工件的稳定性和准确性；

b、轴向缸推料：如图1c、图1d、图1e所示，模具部分区域闭合完成或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端设置有封头，用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔通入具备初始压力的高压气体，充塞硼钢钢管零件；高压气体向硼钢钢管零件内部增压，同时配合以轴向缸轴向推料动作，形成内压力——轴向缸位移曲线，完成硼钢钢管零件在高温下的高压成形；其中，所述轴向缸的行程0～200mm可调，轴向缸推力随着硼钢钢管零件的管径大小及内压力而变化，一般为5～100吨，内压力为5～250MPa全程可调，优选5～100MPa；

步骤b中，高压气体可以为自然空气、氮气、二氧化碳等非爆炸、非有毒有害气体，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa瞬时可调，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用，也可以将高压出气引导至安全区域直接排入大气；

（5）保压淬火：如图1e所示，经步骤b硼钢钢管零件高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变或进行调整，以适当的冷却速度淬火；从压力调整到位开始，高压气站进气阀门可以关闭；具体为：所需工件要求为1500MPa左右强度的高强钢时，内高压和压机压力越大冷却速度越大，对于得到高强度马氏体组织越有利，一般应控制在5～250MPa范围内；压机的吨位根据所生产的产品而有不同；例如，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5MPa，保压淬火时间随工件厚度不同而不同，优选1～20s；

（6）卸压开模：如图1f所示，硼钢钢管零件经保压淬火后冷却至晶相转变完成后，高压气站进气阀门处于关闭状态，出气阀打开，高压气体沿出气通道排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件。

实施例一：所述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，等截面外径100mm，长度850mm；

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；

3、如图1a所示，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，并以300mm/s的速度闭合、成形；

4、如图1b所示，模具两侧轴向缸推动其前端封头封住管件，形成密闭腔体；

5、如图1c、图1d、图1e所示，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，零件热成形完成；

6、如图1e所示，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；

7、如图1f所示，取出工件，得到强度为1500MPa的马氏体组织；

8、镭射热压胀形件两端，得到所需尺寸工件。

实施例二：所述硼钢钢管的气胀热成形工艺，硼钢钢管的材质：硼钢22MnB5，料厚2mm，截面外径129.94～133.17mm，展开长度1050mm。

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2.0mm，管外径130mm，长1200mm；

2、在加热装置中加热至900℃将硼钢管完全奥氏体化；

3、如图1a所示，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，并以300mm/s的速度闭合、成形；

4、如图1b所示，模具两侧轴向缸推动其前端封头封住管件，形成密闭腔体；

5、如图1c、图1d、图1e所示，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50MPa，压机压力800吨，零件热成形完成；

6、如图1e所示，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50MPa的气体压强15秒，零件保压淬火完成；

7、如图1f所示，取出工件，得到强度为1500MPa的马氏体组织。

Claims (4)

1.一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是，包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，加热装置中采用保护气氛；

（3）传送工件：将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送速度控制在3秒以内；

（4）高压气胀成形：硼钢钢管零件在模具中由热成形压力机进行热成形冲压，热成形压力机采用液压压机或伺服压机，热成形冲压包括以下过程：

a、模具闭合成形：模具的上、下模表面分别对应最终工件的上下型面，以得到和最终工件一致的形状；

b、轴向缸推料：模具部分区域闭合完成或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端设置有封头，用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔通入具备初始压力的高压气体，充塞硼钢钢管零件；高压气体向硼钢钢管零件内部增压，同时配合以轴向缸轴向推料动作，形成内压力，完成硼钢钢管零件在高温下的高压成形；其中，所述轴向缸推力为5～100吨，内压力为5～250MPa、；

（5）保压淬火：硼钢钢管零件高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变，进行冷却淬，保压淬火时间为1～20s；

（6）卸压开模：硼钢钢管零件经保压淬火后，高压气体沿出气通道排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件。

2.如权利要求1所述的硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是：所述步骤（2）中，当硼钢钢管零件为无镀层硼钢钢管零件时，采用氮气保护或氮气加甲醇或甲烷保护气氛；当硼钢钢管零件为铝硅镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气或者氮气保护；当硼钢钢管零件为锌镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气保护。

3.如权利要求1所述的硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是：所述步骤（4）中，内压力为5～100MPa。

4.如权利要求1所述的硼钢钢管的气胀热成形工艺，其特征是：所述步骤（4）中，高压气体为自然空气、氮气或二氧化碳，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用。