CN107639220A - 用于热成型的水基润滑 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于热成型的水基润滑。一种制造控制系统被配置为：使铝合金坯料被加热至至少其溶线温度；使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组；在所述坯料被加热时将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

Description

用于热成型的水基润滑

技术领域

本公开涉及铝合金部件的热成型和用于铝合金部件的热成型的润滑剂配方。

背景技术

长期以来，汽车车身板是由软钢制成的。然而，铝合金车身板因其重量轻而已越来越受欢迎。由于5xxx系列铝合金(铝镁合金)和6xxx系列铝合金(铝镁硅合金)可通过与软钢的方法一致的方法来成型和加工，所以它们在这方面一直令人关注。

以T6或T7x回火的7xxx系列的铝锌合金具有与高强度钢和超高强度钢的强度类似的强度，并且可以达到超过400Mpa的屈服强度。然而，因为在室温下T6回火铝锌合金和T7x回火铝锌合金几乎不具有可成形性或没有可成形性，所以它们不能按传统冲压。

发明内容

在一个实施例中，一种方法包括：将铝合金坯料加热至至少其溶线温度；使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分；在所述坯料被加热时将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

根据本发明的一个实施例，所述喷射包括使用第一润滑剂配方来喷射所述部分并使用不同于第一润滑剂配方的第二润滑剂配方来喷射所述模具组的其它部分，以在闭合期间在所述部分和其它部分之间获得不同的可成型性和淬火效率性能。

在另一实施例中，一种制造系统包括：加热炉或烤炉，被构造为将铝合金坯料加热至至少其溶线温度；模具组；喷嘴装置，被构造为使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分。所述制造系统还包括：转移机构，被构造为在所述坯料被加热时将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；致动器，被配置为使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

在又一实施例中，一种制造控制系统包括一个或更多个控制器。所述一个或更多个控制器被配置为：通过加热装置将铝合金坯料加热至至少其溶线温度；经由喷嘴使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分；在所述坯料被加热时通过转移机构将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；通过致动器来使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

根据本发明的一个实施例，所述表面活性剂包括炔二醇。

根据本发明的一个实施例，所述表面活性剂包括醇乙氧基化物。

根据本发明的一个实施例，所述润滑剂配方按体积包括比润滑剂和表面活性剂更多的水。

根据本发明的一个实施例，所述润滑剂配方按体积包括少于5％的表面活性剂。

根据本发明的一个实施例，所述铝合金坯料是F-回火铝合金坯料。

根据本发明的一个实施例，所述铝合金坯料是F-回火6xxx铝合金坯料。

根据本发明的一个实施例，所述铝合金坯料是F-回火7xxx铝合金坯料。

根据本发明的一个实施例，所述一个或更多个控制器还被配置为通过管道将所述模具组冷却至1℃到30℃之间的温度。

根据本发明的一个实施例，所述溶线温度至少为450℃。

根据本发明的一个实施例，所述一个或更多个控制器还被配置为经由喷嘴使用另一润滑剂配方来喷射所述模具组的其它部分，以在所述部分和其它部分之间获得不同的可成型性和淬火效率性能。

附图说明

图1是热成型工位的透视图。

图2是图1的热成型工位的框图。

图3是用于热成型铝合金坯料的算法的流程图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采取多种替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以多种形式利用实施例的代表性基础。

如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

所谓的“热成型”已被用于将(例如)F-回火6xxx或7xxx系列铝合金坯料成型为汽车部件。在一个示例中，F-回火7xxx系列铝合金坯料被至少加热至其溶线温度(solvustemperature)，然后被置于模具组中以不接触模具组。然后，模具组闭合以使坯料成型，同时还对其进行淬火。

润滑剂通常被用于板材成型应用。它们能够减小坯料和模具之间的摩擦，从而允许平稳且受控的金属流动。并且，它们能够有助于移开部件、去除不期望的热以及延长模具寿命。然而，与温成型(warm forming)铝合金操作相比，由于在热成型之前所达到的高坯料温度(这些温度可超过250℃—某些润滑剂不会再起作用的温度。)，在热成型铝合金操作的背景下的润滑剂选择和应用会更加复杂。在此，如下文更详细地解释的，特定配方的润滑剂被施加到热成型工位的模具。

参照图1，用于成型坯料12的制造系统10包括加热装置14、转移机构16和模具组18。在一个示例中，坯料12是F-回火7xxx系列铝合金坯料。然而，也设想了其它合金。如加热装置14的名字所示，加热装置14加热坯料12，并且可以是能够产生足够高的内部温度以将置于其中的坯料12加热至预定的温度(诸如，坯料12的溶解温度(solution temperature))的工业加热炉或烤炉。然而，在一些情况下，加热装置14不会将坯料12加热超过其液相线(熔化)温度。

7xxx系列铝合金的溶解温度可以是大约450℃至490℃。溶解温度(或固溶温度(solid solution temperature))是物质容易混溶的温度，混溶是材料以所有比例混合以形成均匀溶体(solution)的性质。

固相线温度是在相图上的低于其则给定的物质完全为固体的温度的集合。固相线温度量化为物质可开始熔化的温度，而不是物质完全地熔化的温度。对于一些材料而言，固相线温度和液相线温度之间可以存在使得物质由固相和液相同时组成的相。材料温度离固相线温度越近，处于固相的材料越多。材料温度离液相线温度越近，处于液相的材料越多。因此，坯料12可被加热至至少其溶线温度但低于其固相线温度，以提供大体上为固体的坯料，从而便于处理和运输且可更易于成型。溶线温度指示将合金元素硬化进铝基体的溶解度的限制。对于给定的合金，固体溶解温度范围在溶线温度以上。

转移机构16可被构造为移动和放置坯料12。在一些示例中，转移机构16可以是诸如机器人、机械臂或传送装置的操纵器。转移机构16可被构造为将坯料12从加热装置14快速地转移至模具组18，以降低坯料12出现热损失的可能性。例如，系统10和转移机构16可被构造为使得坯料12的温度不降低至或者不低于其临界淬火温度(critical quenchtemperature)。临界淬火温度为必须开始淬火以实现适宜的材料的淬火的温度。对于大部分的7xxx系列铝合金而言，临界淬火温度例如约为400℃。

模具组18被设置为将坯料12成型为具有预定的形状的部件。在一些示例中，模具组18包括第一模具20、第二模具22、至少一个致动器24以及限位装置(staging apparatus)26。第一模具20和/或第二模具22被构造为将坯料12成型为预定的形状。致动器24驱动第一模具20和/或第二模具22朝着彼此运动或远离彼此运动并提供成型坯件12的力。致动器24可以是任何合适的类型的致动器，诸如，液压、气动、机械、电力机械或其组合。模具组18和致动器24还可统称为压床、冲压机或成形淬火机。

限位装置26可被设置为用于将坯料12放置在第一模具20和第二模具22之间并使其与第一模具20和第二模具22间隔开。因此，限位装置26可防止坯料12和模具组18之间的传导性的热传递，从而帮助保持坯料12处于其临界淬火温度或临界淬火温度以上。限位装置26可从转移机构16接纳坯料12并且可以在第一模具20和/或第二模具22闭合并与坯料12接合时释放坯料12。此外，系统10可被构造为使得在从加热装置14移除坯料12和使模具组18闭合之间坯料12几乎没有热损失。在一个示例中，坯料12的温度可降低小于10℃。然而，坯料12可经历较大的温度损失，诸如，假如坯料12被加热至490℃而临界淬火温度为400℃，则温度损失高达90℃。

模具组18可包括管道28，管道28促进第一模具20和/或第二模具22的冷却以及由坯料12成型的部件的淬火。管道28可以是成型到模具组18中的空腔(void)或通道，或者外部连接的管道和通道的任意组合。管道28可连接到冷却源，并且可接收来自冷却源的诸如流体的热传递介质，用于将模具组18冷却至期望的温度(例如，1℃到30℃)。模具组18可以以防止在其一个或更多个表面上形成凝结物的方式进行冷却。在量产的背景下，在对坯料进行成型和淬火之前，可将模具组18的温度冷却至预定的温度范围，以去除从先前的坯料传递到模具组18的热。

将加热后的坯料12成型为部件可以与部件的淬火同时发生。淬火速率影响材料的最终回火强度和抗腐蚀性能。在一些实施例中，随着其例如从400℃到290℃，铝合金的淬火速率可等于或大于150℃每秒。在将部件从模具组18中移出之前，该部件可进一步地冷却至从200℃到25℃的最终温度，以在后续处理期间提供尺寸的稳定性。

系统10可被设计为连续地运转，若干坯料通过一个或更多个加热装置以连续或并行的方式加热，然后被转移到至少一个模具组用于成型和淬火。在坯料成型期间或之后，模具组中的至少一个可能变得高于30℃。

部件可由转移机构16、另一转移装置或由手动从模具组18中移开。随后，部件继续进行后续处理，后续处理可包括卷边(flanging)、修整(trimming)以及自然时效和/或人工时效，以给铝合金部件带来诸如T6或T7x的高强度回火。

为了提高成型期间的淬火表现和金属流动表现，在模具组18闭合之前(例如，在转移机构16将坯料置于模具20和22之间之前)水基润滑剂被涂敷(例如，喷射)到坯料12周围的模具20和22上。由于诸如模具组18的大多数成品模具组上会具有来自维修活动和防腐蚀处理的混杂的油脂，所以表面活性剂被添加到润滑剂配方中，以保持热冲压之前的局部所涂敷的涂层重量。

由于润滑剂配方是水基的，所以它不在模具20和22的表面上累积到与非水基配方相同的程度：模具的面保持相对地干净并且不需要频繁的清洁。其它优势包括：(i)模具20和22可不使用除油器而使用热(例如，60℃)水来清洁，(ii)所述水可包含碱性或酸性浓缩物，以支持合适的表面准备，用于后续预处理或油漆工艺，(iii)在淬火过程中将不产生溶剂基VOC(volatile organic compound，挥发性有机化合物)或烟雾，(iv)涂层重量和润滑剂浓度可根据模具20和22的不同的区域而通过点涂(spot application)来变化，以支持可成型性和淬火效率，(v)工艺窗口指数(process window index)和鲁棒性可通过更加均匀的淬火速率和更大的模具面过切(overcut)来提升。

在一个示例中，润滑剂是在锻造应用中通常使用的模具润滑剂(例如，FORGE EASEAL 278)。最初发现的是，当使用浓度为1:3(润滑剂：异丙醇(IPA))的IPA来稀释这种润滑剂并在温成型之前将其涂敷到铝合金坯料时，该润滑剂表现良好。如此，在热成型的背景下尝试了此配方。然而，由于与热成型相关联的高坯料温度，使得此润滑剂配方被涂敷到模具组，而不是坯料。尽管获得了令人满意的结果，但是应该注意的是，IPA是可燃的。由此，寻找了IPA的替代物。

已发现，炔二醇和醇乙氧基化物的组合的表面活性剂(诸如，DYNOL 800)是IPA的合适的替代物。即，预期非离子型表面活性剂是优于阴离子型表面活性剂或阳离子型表面活性剂的。在一个示例中，发现按体积％的90％水、10％润滑剂、以及添加3％表面活性剂的水、润滑剂以及表面活性剂的比率是有效的。例如，如果水/润滑剂混合物为3000mL，则水的量会是2700mL，润滑剂的量会是300mL，表面活性剂的量会是90mL。

润滑剂配方能够无条痕或无厚膜残留地均匀地被涂敷。由于该配方主要为水，因此提高了与热成型工艺相关联的淬火效率。

参照图2，系统10被示出为包括一个或更多个控制器30，一个或更多个控制器30与加热装置14、转移机构16、致动器24以及喷嘴装置32通信，并被可操作地配置为控制加热装置14、转移机构16、致动器24以及喷嘴装置32。控制器30可以是一组分散式的处理器或单个处理器等。进一步参照图3，在操作34处，控制器30可命令加热装置14将铝合金坯料至少加热至其溶线温度。在操作36处，控制器30可命令喷嘴装置32使用诸如本文中所设想的那些润滑剂配方来喷射模具20和22。如上所述，可改变润滑剂的浓度以实现不同的可成型性和淬火效率目标。例如，具有相对较多润滑剂的润滑剂配方可首先通过喷嘴装置32涂敷到模具20和22的某些部分，而具有相对较少润滑剂的另一润滑剂配方可随后通过喷嘴装置32(或另一喷嘴装置)涂敷到模具20和22的其它部分。在操作38处，控制器30可在坯料被加热时命令转移机构16将坯料放置在模具20和22内，使得坯料不与模具20和22接触。并且，在操作40处，控制器30可命令致动器24使模具20和22闭合，以成型部件，同时对部件进行淬火。

所公开的处理、方法、逻辑或策略可被传送到处理装置、控制器或计算机，并且/或者可通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法、逻辑或策略可以以多种形式被存储为通过控制器或计算机可执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于永久存储在可包括持久型不可写的存储介质(诸如，ROM装置)的各种类型的制品中的信息以及可变地存储在可写的存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)中的信息。所述处理、方法、逻辑或策略也可被实现为软件可执行对象。可选地，它们可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来全部或部分地实现。

说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明可能没有明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各种实施例可能被描述为在一个或更多个期望特性方面提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的总体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (22)

1.一种方法，包括：

将铝合金坯料至少加热至其溶线温度；

使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分；

在所述坯料被加热时将其放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；

使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述表面活性剂包括炔二醇。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述表面活性剂包括醇乙氧基化物。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述润滑剂配方按体积包括比润滑剂和表面活性剂更多的水。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述润滑剂配方按体积包括少于5％的表面活性剂。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金坯料是F-回火铝合金坯料。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述铝合金坯料是F-回火6xxx铝合金坯料。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述铝合金坯料是F-回火7xxx铝合金坯料。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述模具组冷却至1℃到30℃之间的温度。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶线温度至少为450℃。

11.一种制造系统，包括：

加热炉或烤炉，被构造为将铝合金坯料至少加热至其溶线温度；

模具组；

喷嘴装置，被构造为使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分；

转移机构，被构造为在所述坯料被加热时将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；

致动器，被配置为使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。

12.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述表面活性剂包括炔二醇。

13.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述表面活性剂包括醇乙氧基化物。

14.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述润滑剂配方按体积包括比润滑剂和表面活性剂更多的水。

15.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述润滑剂配方按体积包括少于5％的表面活性剂。

16.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述铝合金坯料是F-回火铝合金坯料。

17.如权利要求16所述的制造系统，其中，所述铝合金坯料是F-回火6xxx铝合金坯料。

18.如权利要求16所述的制造系统，其中，所述铝合金坯料是F-回火7xxx铝合金坯料。

19.如权利要求11所述的制造系统，所述制造系统还包括被构造为将所述模具组冷却至1℃到30℃之间的温度的管道。

20.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述溶线温度至少为450℃。

21.如权利要求11所述的制造系统，其中，所述喷嘴装置还被构造为使用另一润滑剂配方来喷射所述模具组的其它部分，以在所述部分和其它部分之间获得不同的可成型性和淬火效率性能。

22.一种制造控制系统，包括：

一个或更多个控制器，被配置为：通过加热装置将铝合金坯料至少加热至其溶线温度；经由喷嘴使用包括水、润滑剂和表面活性剂的润滑剂配方来喷射模具组的部分；在所述坯料被加热时通过转移机构将所述坯料放置在所述模具组中，使得所述坯料不接触所述模具组；通过致动器来使所述模具组在所述坯料上闭合，以将所述坯料成型为部件，同时对所述部件进行淬火。