CN106391882A - 一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，包括针对热冲压零件划分出碰撞吸能区域、高强度区域；将板材坯料裁剪成相应形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，通过顶出气缸将板材坯料紧固；通过短路块将碰撞吸能区域的板材坯料短路，形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；通过大功率电源使得高温区充分奥氏体化，低温区在短路块的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的板材坯料；最后顶出气缸释放压力，经冲压及模具内淬火后即获得具有梯度性能的热冲压零件等步骤。本发明具有加热效率高、能耗小、减少坯料氧化等优点；减少模具设计的难度,易于工业化；在保证强度的前提下提高了热成形零件的综合碰撞性能。

Description

一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法
技术领域
本发明涉及一种热冲压件的加工方法，尤其涉及一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法。
背景技术
由于汽车的轻量化和安全性能的要求不断提高，冲压件不仅要有较高的强度，而且需要具有较高的塑性变形能力，因此，采用高强度硼钢板的热冲压成型技术以获得强度超过1500MPa的冲压件，在中通道、B柱、防撞板等汽车零件中具有广泛的应用前景。目前，为达到冲压件的综合性能，普遍采用的方法是将不同材料冲压成型后的零件进行焊接，或者激光拼焊板进行冲压成型汽车零件。
例如，采用模具分区冷却的方式，通过控制成形件热冲压及淬火过程中不同位置的冷却速度获得梯度性能，该方法的模具装置结构相对复杂，且模具局部加热等工艺带来了大量的能量损失。或者，将待成形高强钢板坯放入加热器中，对高强钢板坯沿长度方向上分区加热，该方法除了需要专用的加热装置外，由于加热时间长，坯料不同区域之间的传热不可避免，很难实现较大的温度梯度，也会对梯度性能带来不利的影响。再比如，根据切边冲孔区域和碰撞吸能区域的结构，设计相应的高频感应加热线圈，对切边、冲孔区域和碰撞吸能区域进行局部的回火，实现回火或退火的温度梯度变化，该工艺采用感应加热的方法需根据零件的具体形状设计不同的加热线圈，设计感应加热线圈的形状，线圈与板料间的距离，电流和频率，不具备通用性，且加热过程会导致成形件的翘曲变形和内部较大的残余应力。
发明内容
为了解决上述技术问题中的不足之处，本发明提供了一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，可实现不同区域性能平稳过渡的热冲压件的成形方法，使得加工出的汽车安全结构件在保证强度的前提下提高特定区域的延伸率，提高热冲压件的综合碰撞性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，包括以下步骤：
a、根据板材坯料的使用情况，针对热冲压零件划分出碰撞吸能区域、高强度区域，并分别进行标记；
b、将板材坯料裁剪成相应形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，并通过顶出气缸对板材坯料施加夹紧力将其紧固，其中，两侧电极的正负极分别接在板材坯料的两端；
c、针对步骤a中碰撞吸能区域板材坯料所对应的位置和面积，布置电阻率低的短路块，通过短路块的作用将碰撞吸能区域的板材坯料短路，从而形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；
d、通过大功率电源对板材坯料通入100～100000A的大电流，在20秒内将板材坯料对应的高强度区域加热到910～1100度，而与短路块接触的碰撞吸能区域的温度维持在380～850度之间；
短路块内设置有温度调节装置，对短路块实现380～850度之间温度的调节，板材坯料的碰撞吸能区域的温度与短路块基本一致；
e、保持板材坯料的温度使得高温区充分奥氏体化，同时低温区在短路块的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的板材坯料；
f、在步骤d中，当对板材坯料进行加热时，板材坯料两侧的电极在分别在电机的带动下往左右方向移动，用于抵消板材坯料在热膨胀时产生的变形量；
g、待板材坯料的高温区被充分奥氏体化后，顶出气缸释放压力，然后在3秒内将具有温度梯度的板材坯料放置到水冷模具中，经冲压及模具内淬火后即获得具有梯度性能的热冲压零件。
短路块为铜块，板材坯料为高强度钢板或者钛合金板材。
大功率电源为脉冲电流电源，脉冲频率0～10000Hz，幅值0～150000A，电流范围0～2000000A，电压范围0～36V。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明采用自阻加热方式代替现有的辊底炉或者箱式炉整体加热，具有加热效率高、能耗小、减少坯料氧化等优点；2)本发明不改变原有的模具设计原则,减少模具设计的难度,易于工业化；3)本发明实现了成形件力学性能的梯度化,并根据需求通过加热短路块的温度来实现特定区域的延伸率及强度可控,从而提高热成形零件的综合碰撞性能,最终提高了汽车安全结构件的综合碰撞性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明板材坯料在自阻区分加热装置上的加工示意图。
图2是本发明自阻区分加热装置的结构示意图
图中：1、电极；2、顶出气缸；3、电木绝缘块；4、短路块；5、板材坯料；6、下底板；7、上底板。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明具体包括以下步骤：
a、根据板材坯料5的使用情况，对板材坯料5进行受力分析，划分出碰撞吸能区域、高强度区域，并分别进行标记；
b、将板材坯料5裁剪成一定形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，并通过顶出气缸2对板材坯料5施加夹紧力将其紧固，两侧电极1的正负极分别接在板材坯料的两端。参考图1，板材坯料5的左侧电极为正级或负极，则板材坯料5的右侧电极为负极或正级；左侧电极分别位于板材坯料5的上方和下方，右侧电极同样地位于板材坯料5的上方和下方，将板材坯料5夹持在中间。
c、针对步骤a中碰撞吸能区域板材坯料5所对应的位置和面积，布置电阻率低的短路块4，通过短路块4的作用将碰撞吸能区域的板材坯料5短路，从而形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；
d、通过大功率电源对板材坯料5通入100～100000A的大电流，在20秒内将板材坯料5对应的高强度区域加热到910～1100度，而与短路块4接触的碰撞吸能区域的温度维持在380～850度之间；
所述短路块4内设置有温度调节装置，对短路块4实现380～850度之间温度的调节，板材坯料5的碰撞吸能区域的温度与短路块4基本一致；
e、保持板材坯料5的温度使得高温区充分奥氏体化，同时低温区在短路块4的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的板材坯料；
f、在步骤d中，当对板材坯料5进行加热时，板材坯料5两侧的电极1在分别在电机的带动下往左右方向移动，用于抵消板材坯料5在热膨胀时产生的变形量；即，左侧电极往左侧运动，右侧电极往右侧运动。
g、待板材坯料5的高温区被充分奥氏体化后，顶出气缸2释放压力，然后在3秒内将具有温度梯度的板材坯料5放置到水冷模具中，经冲压及模具内淬火后，即获得具有梯度性能的热冲压零件。
本发明的大功率电源为脉冲电流电源，脉冲频率0～10000Hz，幅值0～150000A，电流范围0～2000000A，电压范围0～36V。只要满足对板材坯料5通入100～100000A的大电流，能够在20秒内将板材坯料对应的高强度区域加热到910～1100度，碰撞吸能区域的温度维持在380～850度之间即可，不必对通入大电流的具体大小进行硬性限制，这需要根据所选用的板材坯料5的具体材质进行分析，综合物理性能最终确定。
本发明的板材坯料5适用高强度钢板、钛合金等金属板材的热冲压成形，下面通过具体实施例对本发明的实施方式进行详细说明，实施例选用的短路块4均为铜块。
实施例1本实施例选用高强度钢板
a、对高强度钢板进行受力分析，标记出碰撞吸能区域、高强度区域；
b、将高强度钢板裁剪成一定形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，并通过顶出气缸2对高强度钢板施加夹紧力将其紧固，两侧电极的正负极分别接在高强度钢板的两端；
c、针对步骤a中碰撞吸能区域高强度钢板所对应的位置和面积，布置电阻率低的铜块，通过铜块的作用将造成高强度钢板的碰撞吸能区域短路，从而形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；
d、通过大功率电源对板材坯料通入100～100000A的大电流，在20秒内将高强度钢板对应的高强度区域(高温区)加热到910度，而与铜块接触的碰撞吸能区域(低温区)的温度维持在380～850度之间；
铜块内部设置有孔，将温度调节装置放置在其孔内，温度调节装置对铜块实现380～850度之间温度的调节，高强度钢板的碰撞吸能区域(低温区)的温度由于短路的作用则与铜块基本一致；
e、保持高强度钢板的温度150s使得高温区充分奥氏体化，同时低温区在铜块的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的高强度钢板；
f、在步骤d中，当对高强度钢板进行加热时，高强度钢板料两侧的电极分别在电机的带动下往左右方向移动，这样主要是为了抵消高强度钢板在热膨胀时产生的变形量；
g、待高强度钢板的高温区被充分奥氏体化后，顶出气缸释放压力，然后在3秒内将具有温度梯度的高强度钢板放置到水冷模具中，经冲压及模具内淬火后，即获得具有梯度性能的热冲压零件。
实施例1得到的高强度钢板的高温区域的抗拉强度达到1500MPa以上，而铜块对应的低温区域，根据温度不同可获得延强度在600-1400MPa之间的抗拉强度，通过温度调节装置的控制，可实现低强度区强度及延伸率大范围性能可控的目的。
实施例2本实施例选用高强度钢板
本实施例2的实施步骤与实施例1基本相同，唯一不同的是，实施例2的步骤d是在20秒内将高强度钢板对应的高强度区域(高温区)加热到1000度，而与铜块接触的碰撞吸能区域(低温区)的温度维持在420～750度之间。
实施例2得到的高强度钢板的高温区域的抗拉强度达到1600MPa以上，而铜块对应的低温区域，根据温度不同可获得延强度在800-1200MPa之间的抗拉强度。
实施例3本实施例选用钛合金板
a、对钛合金板进行受力分析，标记出碰撞吸能区域、高强度区域；
b、将厚度为2mm的钛合金板裁剪成一定形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，并通过顶出气缸对钛合金板施加夹紧力将其紧固，两侧电极的正负极分别接在钛合金板的两端；
c、针对步骤a中碰撞吸能区域钛合金板所对应的位置和面积，布置电阻率低的铜块，通过铜块的作用将造成钛合金板的碰撞吸能区域短路，从而形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；
d、通过大功率电源对板材坯料通入100～100000A的大电流，在20秒内将钛合金板对应的高强度区域(高温区)加热到980度，而与铜块接触的碰撞吸能区域(低温区)的温度维持在750～850度之间；
铜块内部设置有孔，将温度调节装置放置在其孔内，温度调节装置对铜块实现380～850度之间温度的调节，钛合金板的碰撞吸能区域(低温区)的温度由于短路的作用则与铜块基本一致；
e、保持钛合金板的温度60s使得高温区充分奥氏体化，同时低温区在铜块的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的钛合金板；
f、在步骤d中，当对钛合金板进行加热时，钛合金板料两侧的电极分别在电机的带动下往左右方向移动，这样主要是为了抵消钛合金板在热膨胀时产生的变形量；
g、待钛合金板的高温区被充分奥氏体化后，顶出气缸释放压力，然后在3秒内将具有温度梯度的钛合金板放置到水冷模具中，经冲压及模具内淬火后，即获得具有梯度性能的热冲压零件
本实施例3得到的钛合金板的高温区域的抗拉强度达到1100MPa以上，而铜块对应的低温区域，根据温度不同可获得强度在800-900MPa之间的抗拉强度。
实施例4本实施例选用钛合金板
本实施例4的实施步骤与实施例3基本相同，唯一不同的是，实施例4的步骤d是在20秒内将钛合金板对应的高强度区域(高温区)加热到1100度，而与铜块接触的碰撞吸能区域(低温区)的温度维持在550～750度之间。
本实施例4得到的钛合金板的高温区域的抗拉强度达到1200MPa以上，而铜块对应的低温区域，根据温度不同可获得强度在600-800MPa之间的抗拉强度。
本发明的自阻分区加热装置的设计原理是通过温度场的控制来实现性能梯度冲压件的加工，当钢板加热温度高于920℃热成形之后钢板显微组织为全马氏体，抗拉强度达到1400MPa以上，断后伸长率大于5％；钢板加热温度低于820℃，热成形之后钢板显微组织为与原始组织相似的铁素体和珠光体，抗拉强度为600～700MPa，断后伸长率为15～20％。因此，本发明采用传统的水冷模具热冲压成形模具装置，可获得局部强度在600-1400MPa，延伸率在5～20％之间性能可控的梯度性能热冲压件。此外，在加热过程中，随着温度的上升，板材坯料5，沿长度方向热膨胀，因此，在电木绝缘块3上施加水平方向载荷F大小在0～5000N之间，从而使得板材坯料5在加热过程中保持平直。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，包括以下步骤：
a、根据热冲压件的使用情况，针对热冲压零件划分出碰撞吸能区域、高强度区域；
b、将板材坯料(5)裁剪成相应形状，放置在大功率电源的两侧电极之间，并通过顶出气缸(2)对板材坯料(5)施加夹紧力将其紧固，其中，两侧电极(1)的正负极分别接在板材坯料(5)的两端；
c、针对步骤a中碰撞吸能区域板材坯料所对应的位置和面积，布置电阻率低的短路块(4)，通过短路块(4)的作用将碰撞吸能区域的板材坯料(5)短路，从而形成低温区，对应的高强度区域则为高温区；
d、通过大功率电源对板材坯料(5)通入100～100000A的大电流，在20秒内将板材坯料(5)对应的高强度区域加热到910～1100度，而与短路块(4)接触的碰撞吸能区域的温度维持在380～850度之间；
所述短路块(4)内设置有温度调节装置，对短路块(4)实现380～850度之间温度的调节，板材坯料(5)的碰撞吸能区域的温度与短路块(4)基本一致；
e、保持板材坯料(5)的温度使得高温区充分奥氏体化，同时低温区在短路块的作用下保持温度稳定，形成具有温度梯度的板材坯料；
f、在步骤d中，当对板材坯料(5)进行加热时，板材坯料(5)两侧的电极(1)在分别在电机的带动下往左右方向移动，用于抵消板材坯料(5)在热膨胀时产生的变形量；
g、待板材坯料(5)的高温区被充分奥氏体化后，顶出气缸(2)释放压力，然后在3秒内将具有温度梯度的板材坯料(5)放置到水冷模具中，经冲压及模具内淬火后，即获得具有梯度性能的热冲压零件。
2.根据权利要求1所述的基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，其特征在于：所述短路块(4)为铜块。
3.根据权利要求1所述的基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，其特征在于：所述板材坯料(5)为高强度钢板或者钛合金板材。
4.根据权利要求1所述的基于自阻加热性能梯度热冲压件的加工方法，其特征在于：所述大功率电源为脉冲电流电源，脉冲频率0～10000Hz，幅值0～150000A，电流范围0～2000000A，电压范围0～36V。
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