CN104942110A - 一种生产变强度热成型零件的方法及模具的下模座 - 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模具的下模座，该方法如下：将完全奥氏体化的板材原料放入生产热成型零件的模具中进行冲压；在冲压的过程中，将板材原料中需要加工成高强度的区域以大于板材原料的淬火临界速率V的冷却速率V₁快速冷却至小于T₃℃，得到只具有马氏体微观组织的高强度区域；将板材原料中需要加工成弱强度的区域以小于V的冷却速率V₂冷却至预设温度范围T₄~T₅℃内，得到同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织的弱强度区域；保压预设时间段t₂后结束冲压，得到变强度热成型零件。与现有技术相比，本发明对零件中不同强度要求的区域温度控制灵活有效，过渡区域窄，能够尽量避免零件报废。

Description

一种生产变强度热成型零件的方法及模具的下模座

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模具的下模座。

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模具的下模座，对强度要求不同的区域温度控制灵活有效，过渡区域窄，能够尽量避免零件报废。

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T₁~T₂℃并保温至少t₁min，使其完全奥氏体化；S3：在所述冲压的过程中，将所述板材原料中需要加工成高强度的区域以大于所述板材原料的淬火临界速率V的冷却速率V₁快速冷却至小于T₃℃，得到只具有马氏体微观组织的高强度区域；将所述板材原料中需要加工成弱强度的区域以小于所述V的冷却速率V₂冷却至T₄~T₅℃，得到同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织的弱强度区域；S4：保压预设时间段t₂后结束冲压，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模具的下模座，包括总控制器、下模座成型块、辅助加热装置、温度检测装置、温度控制器、温度控制块、流速控制器和冷却水发生器；所述下模座成型块包含至少一个弱区成型块和至少一个高区成型块，所述弱区成型块压紧固定在所述温度控制块上方，所述辅助加热装置和所述温度检测装置均固定在所述弱区成型块内且均与所述温度控制器电连接，所述温度控制器和所述流速控制器均与所述总控制器信号连接；所述冷却水发生器与所述高区成型块中的冷却水管连通，所述冷却水发生器还通过所述流速控制器与所述温度控制块中的冷却水管连通。

进一步地，所述的生产变强度热成型零件的模具的下模座还包含保温层，所述保温层包裹在所述弱区成型块的侧壁一周。

进一步地，所述辅助加热装置包括加热丝、导热材料和线缆，所述导热材料包裹在所述加热丝外部，所述加热丝通过所述线缆与所述温度控制器电连接。

优选地，所述板材原料为牌号为22MnB5的硼钢；所述T₁=900，所述T₂=950，所述t₁=5，所述V= 27k/s，所述T₃=400℃，所述T₄=400℃，所述T₅=500℃，所述t₂=8~12s。

优选地，所述变强度热成型零件中的弱强度区域与高强度区域之间的过度区域宽度为20~50mm。

工作原理及有益效果：在需要生产变强度热成型零件时，首先将板材原料完全奥氏体化，在将板材原料奥氏体化的同时，通过温度控制器控制辅助加热装置将弱区成型块加热到T₄~T₅℃，然后将红热化的板材原料转移到模具的下模座成型块上，并保证将板材原料中需要加工成高强度的区域放置在下模座成型块中的高区成型块上方、需要加工成弱强度的区域放置在弱区成型块的上方，然后对其进行冲压，在冲压的过程中，冷却水发生器发生的冷却水的一部分以一定的流速流入高区成型块中的冷却水管内，该流速要能够保证V₁＞V，以保证冷却后能够得到只具有马氏体微观组织的高强度区域；冷却水发生器发生的另一部分冷却水先经过流速控制器控制流速后再流入弱区成型块下方的温度控制块中的冷却水管内，经过流速控制器控制后的冷却水的流速要能够保证V₂＜V，以保证冷却后能够得到同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织的弱强度区域，为了保证弱强度区域的材料性能，该区域的板材原料温度要一直保持在T₄~T₅℃，该温度范围是通过总控制器、辅助加热装置、温度检测装置、温度控制器以及流速控制器配合实现，控制方式如下：当温度检测装置检测到弱区成型块的板材原料温度小于T₄时，温度控制器就能够控制辅助加热装置对弱区成型块进行加热，以对弱区成型块上方的板材原料进行加热，同时总控制器能够控制流速控制器减小冷却水发生器发生的冷却水的流速，即降低V₂；当温度大于T₄小于T₅时，温度控制器能够控制辅助加热装置停止加热，总控制器能够控制流速控制器保持冷却水发生器发生的冷却水的流速恒定，即尽量保持V₂恒定；当温度大于T₅时，总控制器能够控制流速控制器增大冷却水发生器发生的冷却水的流速，即增加V₂，但始终要保持V₂小于V；可见，通过本发明模具的下模座结构，可以在高温的板材原料接触到常温的弱区成型块之前就将弱区成型块先由室温加热至T₄~T₅℃范围内，避免热的板材原料接触到常温的弱区成型块而出现开裂，降低零件报废率；而高区成型块中冷却水管内的水流速度一直很高，所以对与高区成型块接触的高温板材原料的冷却速度非常快，二者接触后的高区成型块的温度会很快降低，二者温差不会太大，可以忽略不计，因此也不会对板材原料造成报废影响；上述控温过程的主要目的是为了保证加工完成后弱强度区域板材原料的材料性能符合预期。通过上述过程的描述可见，通过本发明中方法与设备的配合使用，能够对下模座成型块中弱区成型块的温度和冷却速率V₂进行精确、及时、有效地控制，进而对弱区成型块上方的板材原料的温度和冷却速率进行精确、及时、有效地控制，使得加工成的变强度热成型零件能够达到预期的效果，零件中高强度区域和弱强度区域之间的过度区间窄。

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为本发明中生产变强度热成型零件的模具的下模座与板材原料结合时的剖视图；

图4为板材原料的结构示意图；

图5为通过本发明的方法和下模座结构使用图4中的板材原料生产出的变强度热成型零件的结构示意图。

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模具的下模座，如图3所示，下模座成型块分为高区成型块22和弱区成型块21两个部分（也可以分为多个高区成型块22和多个弱区成型块21，本实施方式中仅以包含一个高区成型块22和一个弱区成型块21为例进行说明），高区成型块22内设有冷却水管221，且该冷却水管221直接与冷却水发生器8连通，弱区成型块21的冷却水管61设置在弱区成型块21下方的温度控制块6内，且该冷却水管61通过一个流速控制器7与冷却水发生器8连通，在弱区成型块21的上部还固定有两个辅助加热装置3和一个温度检测装置4，辅助加热装置3由加热丝、导热材料和线缆组成，导热材料包裹在加热丝外部，加热丝位于弱区成型块21上部靠近热成型零件的板材原料11与其上型面的接触面，加热丝通过线缆与温度控制器5电连接，温度检测装置4也与温度控制器5电连接，温度控制器5根据温度检测装置4反馈的弱区成型块21内的温度对辅助加热装置3进行加热控制，总控制器1也能根据温度控制器5反馈的弱区成型块21内的温度对流速控制器7进行控制，进而流速控制器7会对冷却水发生器8发生的冷却水的流速进行控制。

在使用本模具进行工作时，首先将用于加工变强度热成型零件的板材原料11加热至预设温度范围T₁~T₂℃并保温t₁min，使板材原料11完全奥氏体化，在将板材原料11完全奥氏体化的同时，温度控制器5控制辅助加热装置3对室温的弱区成型块21进行辅助加热，在此过程中，与温度控制块6相连的流速控制器7将冷却水的流速调至较小的范围，以减少热量的损失，直至弱区成型块21的温度达到T₄~T₅℃后，温度检测装置4反馈弱区成型块21的温度已经到达T₄~T₅，温度控制器5则控制辅助加热装置3停止加热，此时再将红热化完全奥氏体化的板材原料11转移到本模具中进行冲压，在将板材原料11放到下模座成型块上的过程中，需要注意将板材原料11中需要加工成高强度的区域放置在高区成型块22上方，将需要加工成弱强度的区域放置在弱区成型块21上方，放置好之后开始对板材原料11进行冲压。

在上述冲压的过程中：

（1）在高区成型块22内部的冷却水管221内充满着由冷却水发生器8发生的快速流动的冷却水，以能够迅速带走与高区成型块22接触的板材原料11的热量，使高区成型块22上方的板材原料11的冷却速率V₁能够稳定的大于该板材原料11的临界冷却速率V，在板材原料11被冷却到小于T₃℃以下即得到充分马氏体化的微观组织，获得高的材料性能和零件强度；

（2）在弱区成型块中，为了保证弱区成型块21上方的板材原料11的材料性能和零件强度弱于高区成型块22上方的板材原料11，生产时需要保持弱区成型块21的温度一直在T₄~T₅℃范围内，为了保证这一点，本实施方式还可以在弱区成型块21的侧壁四周包裹一层保温层9（注意弱区成型块21的顶面（与热成型零件接触的型面）和底面（与温度控制块6接触的面）无需包裹保温层）；另外，由于需要保证在加工完成后弱区成型块21上方的板材原料11中具有奥氏体和贝氏体或混杂着部分的珠光体，以保证对应的材料性能和零件强度弱于高强度区域22，则需要控制弱区成型块21上方的板材原料11在接触到弱区成型块21之后的冷却速率V₂小于V。本实施方式通过以下方式对上述T₄、T₅和V₂进行控制：

当温度检测装置4检测到弱区成型块21的温度小于T₄时，温度控制器5就控制辅助加热装置3对弱区成型块21进行加热，以间接对弱区成型块21上方的板材原料11进行加热，同时总控制器1控制流速控制器7减小冷却水发生器8发生的冷却水的流速，即降低V₂；当温度大于T₄小于T₅时，温度控制器5控制辅助加热装置3停止加热，总控制器1控制流速控制器7保持冷却水发生器8发生的冷却水的流速恒定，即尽量保持V₂恒定；当温度大于T₅时，温度控制器5控制辅助加热装置3停止加热，总控制器1控制流速控制器7增大冷却水发生器8发生的冷却水的流速，即增加V₂，但始终要保持V₂小于V；上述控温过程的主要目的是为了保证加工完成后弱强度区域的板材原料11的材料性能符合预期。根据所设定的T₄和T₅的不同，弱区成型块21上方的板材原料11内的微观组织有相应的变化，由于此时马氏体微观组织的含量相比高强度区域少，因此弱区成型块21上方的板材原料11的材料性能和零件强度相应的弱于高区成型块22上方的板材原料11的材料性能和零件强度。

（3）上述（1）和（2）过程在一段时间后，高区成型块22和弱区成型块21均达到稳定的平衡状态，保压预设时间t₂后结束冲压，得到变强度热成型零件。

如图4和5所示，上述变强度热成型零件的高强度区域和弱强度区域之间的过度区域10的宽度范围能够控制在20~50mm以内。

实施方式2：

本实施方式以板材原料为牌号为22MnB5的硼钢为例进行说明。

首先将硼钢板材加热至900~950℃并保温至少5min，使硼钢板材完全奥氏体化，同时温度控制器5控制辅助加热装置3对弱区成型块21进行辅助加热，在加热的过程中，主控制器1控制流速控制器7将冷却水的流速降至比较低的水平，以避免冷却水将热量带走，当弱区成型块21的温度由室温升至400~500℃后，温度控制器5控制辅助加热装置3结束加热；接着将硼钢板材转移到实施方式1中的下模座成型块上进行冲压，传递过程持续8s，并保证硼钢板材中需要加工成高强度的区域放置在高区成型块22上方，需要加工成弱强度的区域放置在弱区成型块21上方，放置好之后开始冲压；在冲压的过程中：（1）在高区成型块22内部的冷却水管内221充满由冷却水发生器8发生的快速流动的冷却水，使高区成型块22上方的硼钢板材11的冷却速率稳定的大于硼钢的临界冷却速率27k/s，在上述冷却速率下，高区成型块22上方的硼钢板材11被快速冷却到低于400℃；（2）在弱区成型块21中，当红热化完全奥氏体化的硼钢板材刚接触到弱区成型块21时，由于弱区成型块21此时的温度（400~500℃）小于硼钢板材的温度（由于在空气中停留了8s，所以此时温度大约在700℃），所以弱区成型块21的温度会升高，当温度检测装置4检测到弱区成型块21的温度大于500℃时，总控制器1就控制流速控制器7增加冷却水发生器8发生的冷却水的流速，即增加V₂，但是要保持V₂小于27k/s；当温度检测装置4检测到弱区成型块21的温度大于400℃小于500℃时，总控制器1控制流速控制器7保持冷却水发生器8发生的冷却水的流速恒定，即尽量保持V₂恒定；当温度检测装置4检测到弱区成型块21的温度小于400℃时，温度控制器5控制辅助加热装置3开始加热，总控制器1控制流速控制器7减小冷却水发生器8发生的冷却水的流速，即减小V₂。上述过程持续8~12s后结束冲压，得到高区成型块22上方的硼钢板材11的抗拉强度约为1500MPa、弱区成型块21上方的硼钢板材11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 (6)

1.一种生产变强度热成型零件的方法，其特征在于，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T₁~T₂℃并保温至少t₁min，使其完全奥氏体化；

S2：将完全奥氏体化的所述板材原料放入生产热成型零件的模具中进行冲压；

S3：在所述冲压的过程中，将所述板材原料中需要加工成高强度的区域以大于所述板材原料的淬火临界速率V的冷却速率V₁快速冷却至小于T₃℃，得到只具有马氏体微观组织的高强度区域；将所述板材原料中需要加工成弱强度的区域以小于所述V的冷却速率V₂冷却至T₄~T₅℃，得到同时具有奥氏体、贝氏体和/或珠光体微观组织的弱强度区域；

S4：保压预设时间段t₂后结束冲压，得到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模具的下模座，其特征在于，所述板材原料为牌号为22MnB5的硼钢；所述T₁=900，所述T₂=950，所述t₁=5，所述V= 27k/s，所述T₃=400℃，所述T₄=400℃，所述T₅=500℃，所述t₂=8~12s。

3.一种生产变强度热成型零件的模具的下模座，其特征在于，包括总控制器（1）、下模座成型块（2）、辅助加热装置（3）、温度检测装置（4）、温度控制器（5）、温度控制块（6）、流速控制器（7）和冷却水发生器（8）；所述下模座成型块包含至少一个弱区成型块（21）和至少一个高区成型块（22），所述弱区成型块（21）压紧固定在所述温度控制块（6）上方，所述辅助加热装置（3）和所述温度检测装置（4）均固定在所述弱区成型块（21）内且均与所述温度控制器（5）电连接，所述温度控制器（5）和所述流速控制器（7）均与所述总控制器（1）信号连接；所述冷却水发生器（8）与所述高区成型块（22）中的冷却水管（221）连通，所述冷却水发生器（8）还通过所述流速控制器（7）与所述温度控制块（6）中的冷却水管（61）连通。

4.根据权利要求3所述的生产变强度热成型零件的模具的下模座，其特征在于，还包含保温层（9），所述保温层（9）包裹在所述弱区成型块（21）的侧壁一周。

5.根据权利要求3所述的生产变强度热成型零件的模具的下模座，其特征在于，所述辅助加热装置（3）包括加热丝、导热材料和线缆，所述导热材料包裹在所述加热丝外部，所述加热丝通过所述线缆与所述温度控制器电连接。

6.根据权利要求3~5中任一项所述的生产变强度热成型零件的模具的下模座，其特征在于，所述变强度热成型零件中的弱强度区域与高强度区域之间的过度区域（10）宽度为20~50mm。