CN104942109B - 生产变强度热成型零件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热成型领域，公开了一种生产变强度热成型零件的方法及设备，该方法如下：将板材原料加热至第一预设温度范围并保温预设时间段，使其完全奥氏体化；在板材原料中需要加工成高强度的区域保持在第一预设温度范围的同时，将板材原料中需要加工成弱强度的区域以预设冷却速率从第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使板材原料中需要加工成弱强度的区域中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织；然后将板材原料转移到生产热成型零件的模具中进行冲压，得到变强度热成型零件。与现有技术相比，本发明对强度要求不同的区域温度控制灵活准确，设备通用性好，成本低廉，生产方式灵活。

Description

生产变强度热成型零件的设备

技术领域

本发明涉及热成型领域，特别涉及一种生产变强度热成型零件的方法及设备。

背景技术

变强度热成型零件，指的是在同一热成型零件中存在不同的强度区域。如在部分汽车零件中，希望在同一零件中，部分区域抗拉强度大于1300MPa，以实现超高的强度；而另一部分区域强度小于800MPa，以实现局部区域强度弱化，进而实现撞击溃缩并吸收撞击能量。

目前通常使用一种牌号为22MnB5的硼钢作为热成型生产的原材料，抗拉强度约为600MPa，微观组织为铁素体-珠光体。如图1所示，生产时，首先将原材料的卷材经过落料工序冲裁出所需要的板材形状；然后通过自动化机械手将板材送入加热炉中；在加热炉中，板材被加热至930℃～950℃保温至少5min使其持续奥氏体化；红热的板材经过生产线的自动化传送装置传递至模具内进行冲压，传递时间约为8s，经过冷的、封闭的模具内部进行冷却淬火并进行保压，保压时间约为8～12 s，压力约为40MPa；此时冷却速率超过最小的临界速率27K /s，当快速冷却到温度低于400℃时，材料进行充分的马氏体组织转变，获得抗拉强度高达1500MPa的高强度、高硬度、低回弹的热成型零件。

22MnB5热成型材料的CCT曲线如图2所示，由此图可知，使用不同的冷却速率冷却该热成型材料可得到不同的材料微观组织，并且不同微观组织在产品中的含量不同。随着冷却速率的增大，得到的材料硬度也随之提高。目前热成型生产过程中，通过控制模具的冷却水流速来使零件的冷却速度小于淬火临界速度 27K/S，使零件成型过程中的材料相变避免进入奥氏体+贝氏体区（图中A+B），保证材料充分的进行马氏体相变（图中M），得到要求的产品材料硬度、屈服强度和抗拉强度。

通过分析上面的热成型材料CCT曲线，我们可以得出结论：理论上来讲，通过控制材料的降温速率，我们能够得到不同的材料微观组织。考虑到热成型生产过程中的板料加热、板料传递、冲压淬火等因素，并且红热化的板材原料暴露在空气中时冷却速度约10～15℃/S，板材原料暴露在空气中的过程中均匀冷却并且不能得到预期的材料性能。

虽然现在已经出现很多控制板材原料局部区域冷却速率的方法，但是大多无法准确控制，效果不好。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种生产变强度热成型零件的方法及设备，对强度要求不同的区域温度控制灵活准确，设备通用性好，成本低廉，生产方式灵活。

技术方案：本发明提供了一种生产变强度热成型零件的方法，包含以下步骤：S1：将用于加工所述变强度热成型零件的板材原料加热至第一预设温度范围并保温预设时间段，使其完全奥氏体化；S2：在所述板材原料中需要加工成高强度的区域保持在所述第一预设温度范围的同时，将所述板材原料中需要加工成弱强度的区域以预设冷却速率从所述第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使所述板材原料中需要加工成弱强度的区域中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织；S3：将所述S2中的板材原料转移到生产热成型零件的模具中进行冲压，得到所述变强度热成型零件。

本发明还提供了一种生产变强度热成型零件的设备，包括依次排列的第一机械手、至少一台变温加热炉、第二机械手和模具；其中，所述变温加热炉的炉腔内具有用于放置板材原料的载物台，所述载物台中包含至少一个恒温加热区和至少一个变温加热区；所述第一机械手将所述板材原料放置在所述载物台上，并确保所述板材原料中需要加工成高强度的区域正对所述恒温加热区放置、需要加工成弱强度的区域正对所述变温加热区放置；所述变温加热炉将整个所述板材原料加热到第一预设温度范围并保温预设时间段使其完全奥氏体化，所述恒温加热区将所述板材原料中需要加工成高强度的区域保持在所述第一预设温度范围，所述变温加热区将所述板材原料中需要加工成弱强度的区域以预设冷却速率从所述第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使所述需要加工成弱强度的区域中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织；所述第二机械手将所述板材原料从所述变温加热炉传递到所述模具中，所述模具将所述板材原料冲压成所述变强度热成型零件。

进一步地，所述的生产变强度热成型零件的设备还包含大功率恒温加热炉和第三机械手，所述第一机械手、所述大功率恒温加热炉、所述第三机械手以及所述变温加热炉依次排列；所述第一机械手将所述板材原料传递到所述大功率恒温加热炉内，所述大功率恒温加热炉将整个所述板材原料加热至所述第一预设温度范围并保温预设时间段使其完全奥氏体化；所述第三机械手将所述板材原料从所述大功率恒温加热炉传递到所述变温加热炉内，所述恒温加热区将所述板材原料中需要加工成高强度的区域保持在所述第一预设温度范围，同时所述变温加热区将所述板材原料中需要加工成弱强度的区域以预设冷却速率从所述第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使所述需要加工成弱强度的区域中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织。由于变温加热炉通常功率较低，只使用其对板材原料进行加热到板材原料完全奥氏体化所需时间较长，影响生产效率，本发明中还可以在变温加热炉之前增加一个大功率的恒温加热炉，该大功率恒温加热炉先将板材原料完全奥氏体化之后再使用变温加热炉对板材原料的各部分进行分别处理，以达到预期的加热目的，这样设计生产效率更高。

进一步地，所述恒温加热区中包含有与外接恒温温度控制盒电连接的恒温加热丝和第一温度检测装置，且所述恒温加热丝和所述第一温度检测装置均固定在所述恒温加热区的载物台下方；所述变温加热区中包含有与外接变温温度控制盒电连接的变温加热丝和第二温度检测装置，且所述变温加热丝和所述第二温度检测装置均固定在所述变温加热区的载物台下方。

进一步地，所述变温加热区中还包含固定在所述载物台下方的压缩空气入口。使用压缩空气通过压缩空气入口对变温加热区内的板材原料进行降温效率更高。

优选地，所述第一温度检测装置和所述第二温度检测装置均为热电偶。热电偶感应温度比较敏感，能够精确的反映板材原料中各部分的精确温度。

优选地，所述板材原料为牌号为22MnB5的硼钢；所述第一预设温度范围为900~950℃，所述预设时间段为至少5min，所述预设冷却速率为5~10k/s，所述第二预设温度范围为500~600℃。硼钢在900~950℃时保温至少5min后能够完全奥氏体化，为后续板材原料中需要加工成高强度的区域奠定基础，在变温加热区上方的板材原料以5~10k/s的冷却速率冷却至500~600℃时，才能得到同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体的微观组织，以获得弱强度区域。

优选地，所述变强度热成型零件中的高强度区域与弱强度区域之间的过度区域宽度为50~100mm。变温加热炉对板材原料进行处理时，板材原料的不同温度区域之间的位置及过渡区域的温度是线性变化的，相对应的，所生产的变强度热成型零件拥有较长的过渡区域，并且过渡区域范围内的零件材料性能线性过渡，能够满足某些零件材料性能的特殊要求。

优选地，所述载物台由多根并排的陶瓷辊固定而成。

优选地，所述变温加热炉的炉门结构为顶部对开式。顶部对开式的炉门结构便于机械手实现板材原料的投放与取出。

工作原理及有益效果：在需要生产变强度热成型零件时，首先使用第一机械手将板材原料传递到变温加热炉中的载物台上，需要注意的是，确保将板材原料中需要加工成高强度的区域放置在载物台的恒温加热区上，将板材原料中需要加工成弱强度的区域放置在载物台的变温加热区上，然后变温加热炉将整个板材原料都加热到第一预设温度范围并保温预设时间段时整个板材均完全奥氏体化，然后保持恒温加热区恒定在第一预设温度范围内，而变温加热区将以预设冷却速率冷却从第一预设温度范围冷却至第二冷却温度范围，以保证板材中需要加工成弱强度的区域中同时包含奥氏体、贝氏体或还夹杂着珠光体，然后第而机械手再将板材原料传递到模具中，由模具将其冲压成变强度热成型零件；可见，本发明中只需将普通的生产线中的恒温加热炉换成变温加热炉即可实现，即可生产普通的热成型零件，也可以生产变强度热成型零件，同时，生产不同类型的变强度热成型零件时，只需要调整变温加热炉的程序及内部加热丝的布置，即可实现不同类型变强度热成型零件的生产；不需要制作特种模具或其他特种设备即可实现变强度热成型零件的生产；另外，由于变温加热炉同样可以实现普通生产线的加热功能，因此可以选择多台变温加热炉或使用同变温加热炉同原理的多层厢式加热炉来进行生产，或布置专用的变强度热成型零件的专用生产线。

附图说明

图1为热压生产的流程图；

图2为牌号为22MnB5的硼钢的CCT曲线；

图3为实施方式1中的生产变强度热成型零件的设备示意图；

图4为实施方式1中生产变强度热成型零件的原理示意图；

图5为变温加热炉的炉门闭合时的结构示意图；

图6为变温加热炉的炉门打开时的结构示意图；

图7为由本发明生产出的变强度热成型零件的结构示意图；

图8为实施方式2中的生产变强度热成型零件的设备示意图；

图9为实施方式2中生产变强度热成型零件的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种生产变强度热成型零件的设备，如图3所示，第一机械手1、变温加热炉2、第二机械手3和模具4依次排列，其中，第一机械手1、第二机械手3和模具4均为目前常用的普通设备，本实施方式不做赘述，变温加热炉2的结构如图4~6所示，变温加热炉2的炉腔内设有由多根陶瓷辊并排固定形成的载物台21，该载物台21包含一个恒温加热区和一个变温加热区，恒温加热区的载物台21下方固定有恒温加热丝23和热电偶-第一温度检测装置24，且恒温加热丝23和第一温度检测装置24均与外接恒温温度控制盒22电连接，变温加热区的载物台21下方固定有变温加热丝26、热电偶第二温度检测装置27和压缩空气入口（图中未示出），且变温加热丝26和第二温度检测装置27均与外接变温温度控制盒25电连接，压缩空气入口与压缩空气的容器连接；变温加热炉2的炉门28结构为顶部对开式。

使用本设备生产变强度热成型零件时，首先将原材料的卷材经过落料工序冲裁出所需的板材原料5的形状，然后使用本设备中的第一机械手1将板材原料5传递到变温加热炉2内的载物台21上进行加热，并确保板材原料5中需要加工成高强度的区域51放置在恒温加热区的载物台21上、需要加工成弱强度的区域52放置在变温加热区的载物台21上；接着变温加热炉2将板材原料5从室温加热到第一预设温度范围并保温预设时间段，使得整个板材原料5都完全奥氏体化，然后通过恒温温度控制盒22控制恒温加热丝23并通过第一温度检测装置24的反馈将恒温加热区的温度恒定在第一预设温度范围，同时通过变温温度控制盒25控制变温加热丝26减小加热功率，通过压缩空气入口向变温加热区通入压缩空气，并通过第二温度检测装置27的反馈将变温加热区以预设冷却速率降温第二预设温度范围，此时位于变温加热区内的板材原料5中会产生同时具有奥氏体、贝氏体以及夹杂着珠光体的微观组织；接着第二机械手3将板材原料5转移到模具4中进行冲压，冲压后就得到了所需的变强度热成型零件8，最后用外部的机械手对该变强度热成型零件8下料。

如图7，用本实施方式生产出的变强度热成型零件8由高强度区域81和弱强度区域82组成，高强度区域81和弱强度区域82之间的过度区域83的宽度月50~100mm。

实施方式2：

本实施方式为实施方式1的进一步改进，主要改进之处在于，实施方式1中的变温加热炉2一般功率较小，在实际生产中仅适用该变温加热炉2难免加热效率低下，导致生产效率低下，而本实施方式中的生产变强度热成型零件的设备中，如图8和9所示，在变温加热炉2之前增加了一个大功率恒温加热炉6，同时为了能够充分利用大功率恒温加热炉6，给这一个大功率恒温加热炉6搭配两个变温加热炉2，另外，为了便于对板材原料5的投入和取出，在大功率恒温加热炉6与两个变温加热炉2之间还配置了一个第三机械手7。增加的大功率恒温加热炉6和第三机械手7也均为目前常用的普通设备，本实施方式不做赘述。

使用本设备生产变强度热成型零件8时，首先将原材料的卷材经过落料工序冲裁出所需的板材原料5的形状，然后使用本设备中的第一机械手1将板材原料5传递到大功率恒温加热炉6内进行加热，大功率恒温加热炉6将板材原料5从室温加热到第一预设温度范围并保温预设时间段，使得整个板材原料5都完全奥氏体化，与此同时，在变温加热炉2内，通过恒温温度控制盒22控制恒温加热丝23并通过第一温度检测装置24的反馈将恒温加热区加热到第一预设温度范围，通过变温温度控制盒25控制变温加热丝26并通过第二温度检测装置27的反馈将变温加热区加热到第二预设温度范围；接着第三机械手7将红热化完全奥氏体化的板材原料5从大功率恒温加热炉6转移到变温加热炉2的载物台21上，并确保板材原料5中需要加工成高强度的区域51放置在恒温加热区的载物台21上、需要加工成弱强度的区域52放置在变温加热区的载物台21上，此时通过压缩空气入口向变温加热区通入压缩空气对刚刚放到其中的板材原料5以预设冷却速率冷却，直至变温加热区的板材原料5温度冷却至第二预设温度范围内，此时变温加热区的板材原料5中同时具有奥氏体、贝氏体以及夹杂着珠光体的微观组织，然后第二机械手3将板材原料5转移到模具4中进行冲压，冲压后就得到了所需的变强度热成型零件8，最后用外部的机械手对该变强度热成型零件8下料。

实施方式3：

本实施方式为实施方式2的一个具体实施例：以板材原料5为牌号为22MnB5的硼钢为例进行说明。在使用实施方式2中的设备生产变强度热成型硼钢零件时，首先将硼钢原材料的卷材经过落料工序冲裁出所需的硼钢板材原料5的形状，然后使用本设备中的第一机械手1将硼钢板材原料传递到大功率恒温加热炉6内进行加热，当硼钢板材原料被从室温加热到900~950℃后保温至少5min，使得整个硼钢板材原料都完全奥氏体化，与此同时，在变温加热炉2内，通过恒温温度控制盒22控制恒温加热丝23并通过第一温度检测装置24的反馈将恒温加热区加热到900~950℃范围，通过变温温度控制盒25控制变温加热丝26并通过第二温度检测装置27的反馈将变温加热区加热到500~600℃；接着第三机械手7将红热化完全奥氏体化的硼钢板材原料从大功率恒温加热炉6转移到变温加热炉2的载物台21上，并确保硼钢板材原料中需要加工成高强度的区域51放置在恒温加热区的载物台21上、需要加工成弱强度的区域52放置在变温加热区的载物台21上，整个转移过程持续6s，此时通过压缩空气入口向变温加热区通入压缩空气对刚刚放到其中的硼钢板材原料以5~10K/s的冷却速率冷却，直至变温加热区的硼钢板材原料温度冷却至500~600℃，此时变温加热区的硼钢板材原料中同时具有奥氏体、贝氏体以及夹杂着珠光体的微观组织，上述过程持续30~40s；最后第二机械手3将硼钢板材原料转移到模具4中进行冲压，冲压后就得到了变温加热区对应部分的抗拉强度约为1500MPa、恒温加热区对应部分的抗拉强度约为800MPa的变强度热成型硼钢零件。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，包括依次排列的第一机械手（1）、至少一台变温加热炉（2）、第二机械手（3）和模具（4）；其中，所述变温加热炉（2）的炉腔内具有用于放置板材原料（5）的载物台（21），所述载物台（21）中包含至少一个恒温加热区和至少一个变温加热区；所述第一机械手（1）将所述板材原料（5）放置在所述载物台（21）上，并确保所述板材原料（5）中需要加工成高强度的区域（51）正对所述恒温加热区放置、需要加工成弱强度的区域（52）正对所述变温加热区放置；所述变温加热炉（2）将整个所述板材原料（5）加热到第一预设温度范围并保温预设时间段使其完全奥氏体化，所述恒温加热区将所述板材原料（5）中需要加工成高强度的区域（51）保持在所述第一预设温度范围，所述变温加热区将所述板材原料（5）中需要加工成弱强度的区域（52）以预设冷却速率从所述第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使所述需要加工成弱强度的区域（52）中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织；所述第二机械手（3）将所述板材原料（5）从所述变温加热炉（2）传递到所述模具（4）中，所述模具（4）将所述板材原料（5）冲压成所述变强度热成型零件。

2.根据权利要求1所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，还包含大功率恒温加热炉（6）和第三机械手（7），所述第一机械手（1）、所述大功率恒温加热炉（6）、所述第三机械手（7）以及所述变温加热炉（2）依次排列；所述第一机械手（1）将所述板材原料（5）传递到所述大功率恒温加热炉（6）内，所述大功率恒温加热炉（6）将整个所述板材原料（5）加热至所述第一预设温度范围并保温预设时间段使其完全奥氏体化；所述第三机械手（7）将所述板材原料（5）从所述大功率恒温加热炉（6）传递到所述变温加热炉（2）内，所述恒温加热区将所述板材原料（5）中需要加工成高强度的区域（51）保持在所述第一预设温度范围，同时所述变温加热区将所述板材原料（5）中需要加工成弱强度的区域（52）以预设冷却速率从所述第一预设温度范围冷却至第二预设温度范围，使所述需要加工成弱强度的区域（52）中同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织。

3.根据权利要求1所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述恒温加热区中包含有与外接恒温温度控制盒（22）电连接的恒温加热丝（23）和第一温度检测装置（24），且所述恒温加热丝（23）和所述第一温度检测装置（24）均固定在所述恒温加热区的载物台（21）下方；所述变温加热区中包含有与外接变温温度控制盒（25）电连接的变温加热丝（26）和第二温度检测装置（27），且所述变温加热丝（26）和所述第二温度检测装置（27）均固定在所述变温加热区的载物台（21）下方。

4.根据权利要求3所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述变温加热区中还包含固定在所述载物台（21）下方的压缩空气入口。

5.根据权利要求3所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述第一温度检测装置（24）和所述第二温度检测装置（27）均为热电偶。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述板材原料（5）为牌号为22MnB5的硼钢；所述第一预设温度范围为900~950℃，所述预设时间段为至少5min，所述预设冷却速率为5~10k/s，所述第二预设温度范围为500~600℃。

7.根据权利要求1~5中任一项所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述变强度热成型零件（8）中的高强度区域（81）与弱强度区域（82）之间的过渡区域（83）宽度为50~100mm。

8.根据权利要求1~5中任一项所述的生产变强度热成型零件的设备，其特征在于，所述变温加热炉（2）的炉门（28）结构为顶部对开式。