CN107199270A - 一种用于高强钢管材气体胀形的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高强钢管材气体胀形的装置，包括用以向管材内通入电流以对管材进行电阻加热的电源、电极夹具、用以约束管材胀形的模具、用以提供管材胀形的合模力的压力机、用以提供管材胀形所需的高压气体的高压气源以及密封装置，电极夹具与电源和管材均电连接，高压气源的输出端与管材的内腔连通。本发明的装置，通过电阻加热技术快速加热管材(优选硼钢管材)，降低硼钢管材屈服强度并提高其塑性，可大幅提高硼钢管材成形性、降低变形抗力、降低气体增压器的要求和费用，获得超高强度和超高比强度的管材胀形件。本发明还提出管材气体胀形的方法，其具有生产效率高、成本低、能够获得超高强度和超高比强度管材胀形件的优点。

Description

一种用于高强钢管材气体胀形的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于高强钢管材气体胀形的装置和方法。

背景技术

普通管材胀形件比强度较高，采用管材胀形件制作汽车零部件可大幅降低汽车车身重量，在汽车制造领域具有广泛的应用。但汽车业对汽车车身重量和安全碰撞性要求日益提高，即，要求减轻汽车车身，同时提高汽车安全碰撞性。因此，要求采用抗拉强度更高的管材制作汽车零部件。现有管材成形主要采用管材高液压胀形，即，在管内注入高压液体，以高压液体为介质对管材内壁施加压力，使管材发生变形，获得变管径、变曲率半径的管材胀形件。但高压液体胀形仅适用于管材冷成形及中、低强度管材，如镁合金管材、铝合金铝材和中低强度钢等，高强度管材胀形需对管内液体施加超高压强，会大幅提高对液体增压器的要求，且设备昂贵。若管材为超高强钢(抗拉强度700MPa以上)，由于超高强钢的高屈服强度、低塑性、高变形抗力，此外，对液体增压器的要求极高，采用高压液体胀形技术无法对该类管材进行高液压胀形。

鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产效率高、成本低、能够大幅提高管材成形、能够获得超高强度和超高比强度管材胀形件的装置。

本发明的另一目的在于提供一种用于高强钢管材气体胀形的方法，该方法具有生产效率高、成本低、能够获得超高强度和超高比强度管材胀形件的优点。

为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

一种用于高强钢管材气体胀形的装置，包括用以向管材内通入电流以对管材进行电阻加热的电源、用以夹持管材的电极夹具、用以约束管材胀形的模具、用以提供管材胀形的合模力的压力机、用以提供管材胀形所需的高压气体的高压气源以及用以将高压气体密封在管材内的密封装置，电极夹具与电源和管材均电连接，高压气源的输出端与管材的内腔连通。

作为本发明的一种优选方式，所述电源为超大功率直流电源，所述电极夹具包括第一电极夹具和第二电极夹具，第一电极夹具与所述电源的正极连接，第二电极夹具与所述电源的负极连接。

作为本发明的一种优选方式，所述模具包括上模和下模，管材夹设在上模和下模之间，上模与下模之间对应管材形成胀形腔室。

作为本发明的一种优选方式，所述压力机包括机架、上压板、下压板以及用以驱动上压板上下移动的驱动装置，所述上模连接在上压板上，所述下模连接在下压板上。

作为本发明的一种优选方式，还包括气体增压器，气体增压器的输出端与所述高压气源连接。

作为本发明的一种优选方式，所述密封装置包括用以封堵所述管材的一端的第一密封装置和用以封堵管材的另一端的第二密封装置。

作为本发明的一种优选方式，还包括冷却系统，在所述模具中设有冷却腔室，该冷却腔室与冷却系统连通。

作为本发明的一种优选方式，所述管材为硼钢管材，还包括控制系统，所述压力机、所述电源、所述高压气源、所述气体增压器以及所述冷却系统电连接至控制系统。

本发明还提出一种用于高强钢管材气体胀形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、硼钢管材的准备；

B、将管材置于压力机的模具中，用电极夹具夹紧管材需要加热的两端；

C、采用密封装置将管材的两端密封，同时通过管材的一端的密封装置向管材内通入高压气体；

D、通过电源和电极夹具向管材输送电流，对管材进行加热，将管材加热到奥氏体化温度；

F、模具在压力机的作用下合模并压紧管材；

G、向管材中通入高压气体，并对管材逐渐加压，实现管材热胀形；

H、管材胀形后，对管材进行冷却处理。

作为本发明的一种优选方式，步骤D中加热温度为900℃，步骤G中气体压强为20-50MPa，还包括步骤I，步骤I是将步骤H处理后的管材进行喷砂处理。

本发明的装置，通过电阻加热技术快速加热管材(优选硼钢管材)，降低硼钢管材屈服强度并提高其塑性，可大幅提高硼钢管材成形性、降低变形抗力、降低气体增压器的要求和费用，获得超高强度和超高比强度的管材胀形件。采用该技术制作汽车零部件可显著提高汽车碰撞安全性并降低汽车车身重量。

采用本发明的方法，采用电阻加热方式对硼钢管材进行快速加热(加热温度900℃)，后将高温硼钢管置于压力机上，合模并对管材一端密封，在管材另一端接入气体增压器，通过气体增压器在管材内通入高压气体(气体压强20～50MPa),在高压气体的作用下，管材发生胀形，管外壁与模具型腔壁紧密贴合，实现硼钢管材热胀形，胀形完成后保压并对模具内所设冷却系统通水或其他冷却介质，如液态氮，使高温硼钢管材热胀形件得到快速冷却并获得良好的淬火效果，大幅提高硼钢管材胀形件的抗拉强度和比强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发明中工艺流程图；

图中：

10-管材 20-电源

31-第一电极夹具 32-第二电极夹具

41-上模 42-下模

43-胀形腔室 50-压力机

51-上压板 52-下压板

53-驱动装置 60-高压气源

61-气体增压器 71-第一密封装置

72-第二密封装置 80-冷却系统

90-控制系统

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图2，一种用于高强钢管材气体胀形的装置，包括用以向管材10内通入电流以对管材10进行电阻加热的电源20、用以夹持管材10的电极夹具、用以约束管材10胀形的模具、用以提供管材10胀形的合模力的压力机50、用以提供管材10胀形所需的高压气体的高压气源60以及用以将高压气体密封在管材10内的密封装置，密封装置主要是把高压气体密封在管材内，防止高压气体从管内泄漏。电极夹具与电源20和管材10均电连接，高压气源60的输出端与管材10的内腔连通。本发明中，管材优选硼钢管材。

作为本发明的一种优选方式，所述电源20为超大功率直流电源，所述电极夹具包括第一电极夹具31和第二电极夹具32，第一电极夹具31与所述电源20的正极连接，第二电极夹具32与所述电源20的负极连接。在使用时，第一电极夹具31和第二电极夹具32分别夹设在管材10需要加热区的两端，电源20、第一电极夹具31、第二电极夹具32以及管材10形成闭合回路。在管材10内通入高电流，对管材10进行电阻加热，根据管材几何尺寸不同，可在2～10秒内将管材10加热到奥氏体化温度(900℃左右)，该设备是硼钢管材热胀形的核心装置。第一电极夹具31和第二电极夹具32起到将电源电流导入管材并夹紧管材的作用，消除由于电极与管材之间接触面积小造成接触面处电阻过大而产生高温的现象。

作为本发明的一种优选方式，所述模具包括上模41和下模42，管材10夹设在上模41和下模42之间，上模41与下模42之间对应管材10形成胀形腔室。作为本发明的一种优选方式，还包括冷却系统80，在所述模具中设有冷却腔室，该冷却腔室与冷却系统80连通。本发明中的模具带有冷却系统，主要作用是约束管材胀形，其次是冷却高温管材热胀形件，提高热胀形件冷却速度，改善淬火效果。在管材10热胀形后该冷却系统80为模具通入冷却液(根据冷却效果要求不同，冷却液可为水或液态氮)，快速冷却模具，从而实现管材热胀形件的淬火，冷却液的流速和流量均可通过该下面将要介绍到的控制系统90控制。

作为本发明的一种优选方式，所述压力机50包括机架、上压板51、下压板52以及用以驱动上压板51上下移动的驱动装置，所述上模41连接在上压板51上，所述下模52连接在下压板52上，驱动装置采用常规的液压装置。

作为本发明的一种优选方式，还包括气体增压器61，气体增压器61的输出端与所述高压气源60连接。本发明中，高压气源60为实现管材10胀形提供高压气体，根据需要不同，气体可为空气或氮气，此外，在胀形完成且密封装置脱离管材后，气体快速从管材10内排出，把管材10热量带走，起到快速冷却高温管材热胀形件的作用，气体增压器为提高气体压强，压强值控制范围：20～50Mpa。

作为本发明的一种优选方式，所述密封装置包括用以封堵所述管材10的一端的第一密封装置71和用以封堵管材10的另一端的第二密封装置72。

作为本发明的一种优选方式，所述管材10为硼钢管材，还包括控制系统90，所述压力机50、所述电源20、所述高压气源60、所述气体增压器61以及所述冷却系统80电连接至控制系统90。控制系统90选用计算机控制系统，该系统主要实现硼钢管材胀形中各动作：加热-合模-气体加压-管材模具内合模冷却等的自动控制，实现硼钢管材热胀形工艺过程的精确控制。

本发明还提出一种用于高强钢管材气体胀形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、硼钢管材10的准备，主要包括硼钢板材下料、硼钢板材卷管，并制作成所需尺寸的管材；

B、将管材10传送至压力机50的模具中，用电极夹具夹紧管材10需要加热的两端；

C、采用密封装置将管材10的两端密封，同时通过管材10的一端的密封装置向管材10内通入高压气体；

启动计算控制系统，并按照下面步骤进行控制：

D、通过电源20和电极夹具向管材10输送电流，对管材10进行加热，将管材10加热到奥氏体化温度，之后，关闭电源，电极夹具脱离管材10；

F、模具在压力机50的作用下合模并压紧管材10；

G、高压气源60和气体增压器61工作，向管材10中通入高压气体，并对管材10逐渐加压，实现管材10热胀形；

H、管材10胀形后，对管材10进行冷却处理，通水冷却模具并实现管材热胀形件淬火(通水冷却时间约15秒)，提高管材热胀形件抗拉强度。之后，在压力机50的带动下，模具脱模。

作为本发明的一种优选方式，步骤D中加热温度为900℃，步骤G中气体压强为20-50MPa，还包括步骤I，步骤I是将步骤H处理后的管材10进行喷砂处理，清除管材热胀形件表面污渍并抛光清除管材热胀形件表面污渍并抛光其表面。

本发明中，硼钢是一种应用前景广阔的高强钢，具有强度高、淬火性能良好和淬火后抗拉强度高(能达到1500MPa以上)等特点。为此，为提高管材胀形件抗拉强度和比强度，提出采用硼钢管进行胀形，胀形前采用直流电源对硼钢管材进行快速加热可大幅降低屈服强度和变形抗力并提高塑性和成形性，后将高温管材置于模具，合模后在管材内通入高压气体进行胀形，模具保压并在模具内部所设置的冷却系统内通水或液态氮，实现硼钢管材胀形件的快速冷却和淬火处理，获得硼钢管材胀形件，称为硼钢管材热胀形件，硼钢管材热胀形件抗拉强度和比强度得到大幅提高，对气体增压器要求不高，可大幅降低增压器的费用。

本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：包括用以向管材内通入电流以对管材进行电阻加热的电源、用以夹持管材的电极夹具、用以约束管材胀形的模具、用以提供管材胀形的合模力的压力机、用以提供管材胀形所需的高压气体的高压气源以及用以将高压气体密封在管材内的密封装置，电极夹具与电源和管材均电连接，高压气源的输出端与管材的内腔连通。

2.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：所述电源为超大功率直流电源，所述电极夹具包括第一电极夹具和第二电极夹具，第一电极夹具与所述电源的正极连接，第二电极夹具与所述电源的负极连接。

3.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：所述模具包括上模和下模，管材夹设在上模和下模之间，上模与下模之间对应管材形成胀形腔室。

4.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：所述压力机包括机架、上压板、下压板以及用以驱动上压板上下移动的驱动装置，所述上模连接在上压板上，所述下模连接在下压板上。

5.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：还包括气体增压器，气体增压器的输出端与所述高压气源连接。

6.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：所述密封装置包括用以封堵所述管材的一端的第一密封装置和用以封堵管材的另一端的第二密封装置。

7.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：还包括冷却系统，在所述模具中设有冷却腔室，该冷却腔室与冷却系统连通。

8.如权利要求1所述的一种用于高强钢管材气体胀形的装置，其特征在于：所述管材为硼钢管材，还包括控制系统，所述压力机、所述电源、所述高压气源、所述气体增压器以及所述冷却系统电连接至控制系统。

9.一种用于高强钢管材气体胀形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、硼钢管材的准备；

B、将管材置于压力机的模具中，用电极夹具夹紧管材需要加热的两端；

C、采用密封装置将管材的两端密封，同时通过管材的一端的密封装置向管材内通入高压气体；

D、通过电源和电极夹具向管材输送电流，对管材进行加热，将管材加热到奥氏体化温度；

F、模具在压力机的作用下合模并压紧管材；

G、向管材中通入高压气体，并对管材逐渐加压，实现管材热胀形；

H、管材胀形后，对管材进行冷却处理。

10.如权利要求9所述的一种用于高强钢管材气体胀形的方法，其特征在于，步骤D中加热温度为900℃，步骤G中气体压强为20-50MPa，还包括步骤I，步骤I是将步骤H处理后的管材进行喷砂处理。