CN109136498A - 用于形成车辆部件的不同强度区域的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
公开了用于形成车辆部件的不同强度区域的方法和装置。提供一种模具装置，包括第一模具元件、多个第二模具元件、多个致动器和控制器。多个致动器各自安装到所述多个第二模具元件中的一个。控制器被配置为：激活所述致动器，以在单独的压力下接触并压缩设置在所述模具元件之间的毛坯的多个部分，从而影响几何过渡区域、变形区域和接合区域中的一者的微观组织的形成。单独的压力中的施加到毛坯的其中一个部分的压力可以为大约5N/mm2或更小以形成软强度区域。所述大约5N/mm2或更小的压力可以被施加到毛坯的所述一个部分持续大约一至两秒。
Description
技术领域
本公开涉及用于形成车辆部件的不同强度区域的方法和装置。
背景技术
汽车制造商致力于设计具有提高的碰撞性能和降低的燃料消耗的轻量化车辆。对于车辆部件，制造商已经从使用低碳钢(mild steel)转向使用先进的高强度钢和超高强度钢以及铝。车辆部件的热冲压工艺允许形成完全马氏体结构。然而，热冲压工艺可能产生具有不期望的质量的车辆部件。此外，由于热冲压工艺的复杂性，存在许多工艺变量。
本公开致力于解决上述问题和以下总结的其他问题。
发明内容
一种模具装置包括第一模具元件、多个第二模具元件、多个致动器和控制器。所述多个致动器各自安装到所述多个第二模具元件中的一个。控制器被配置为：激活所述致动器，以在单独的压力下接触并压缩设置在所述模具元件之间的毛坯的多个部分，从而影响几何过渡区域、变形区域和接合区域中的一者的微观组织的形成。单独的压力中的施加到毛坯的其中一个部分的压力可以为大约5N/mm2或更小以形成软强度区域。所述大约5N/mm2或更小的压力可以被施加到毛坯的所述一个部分持续大约一至两秒。单独的压力中的施加到毛坯的其中一个部分的压力可以为大约20N/mm2或更大以形成硬强度区域。基于毛坯的厚度，所述大约20N/mm2或更大的压力可以被施加到毛坯的所述一个部分持续一定时间段，以形成完全马氏体微观组织。第一模具元件可以包括具有第一部分和第二部分的冷却剂通道，第一部分与毛坯的其中一个部分间隔开大约20mm或更大，第二部分与毛坯的另一部分间隔开大约8mm或更小。第一模具元件和所述多个第二模具元件在与毛坯的期望软强度区域相邻的第一模具元件位置处可以是具有低热导率的材料，并且在与毛坯的期望硬强度区域相邻的第二模具元件位置处可以是具有高热导率的材料。所述具有低热导率的材料可以是陶瓷材料，并且所述具有高热导率的材料可以是AISI热作模具钢H13。
一种用于形成车辆部件的目标软强度区域的方法包括：激活多个致动器中的一个或更多个致动器，以便抵靠上模具元件以足以使毛坯形成为车辆部件的第一压力对毛坯的期望软强度区域进行单独地压缩持续预定时间段，所述多个致动器各自安装到多个下模具元件中的一个。该方法还包括：释放所述多个致动器中的一个致动器的压缩，并且将所述车辆部件保持在所述多个下模具元件和所述上模具元件之间而不接触所述模具元件，以防止毛坯的期望软强度区域的马氏体转变。该方法还可以包括：激活所述多个致动器中的所述一个或更多个致动器中的另一个，以便抵靠上模具元件以影响毛坯的期望硬强度区域的马氏体转变的第二压力对毛坯进行单独地压缩。所述第二压力可以为大约20N/mm2或更大。该方法还可以包括：使所述软强度区域与冷却剂通道的第一部分对准，所述第一部分与毛坯间隔开第一距离；使所述硬强度区域与冷却剂通道的第二部分对准，所述第二部分与毛坯间隔开小于第一距离的距离。所施加的第一压力可以为大约5N/mm2或更小。所述预定时间段可以为大约一至两秒。
一种用于形成具有不同强度区域的车辆部件的方法包括：将毛坯定位在第一模具元件和多个第二模具元件之间，使得期望的软强度区域与第一模具元件的冷却剂通道的第一部分间隔开第一距离，并且期望的硬强度区域与冷却剂通道的第二部分间隔开第二距离，其中，所述多个第二模具元件各自安装到致动器。该方法还包括：激活致动器，以抵靠第一模具元件以第一压力压缩毛坯以形成车辆部件。该方法还包括：激活致动器中的一个或更多个，以抵靠第一模具元件以第二压力压缩毛坯的硬强度区域。该方法还包括：释放所述压缩并将现在形成的车辆部件保持在所述模具元件之间，使得冷却剂通道内的冷却剂不影响软强度区域的马氏体转变并且影响硬强度区域的马氏体转变。第一压力可以为大约5N/mm2或更小。第二压力可以为大约20N/mm2或更大。该方法还可以包括将形成的车辆部件保持在所述模具元件之间，使得车辆部件的软强度区域不接触任一模具元件。第一距离可以在大约八毫米与二十毫米之间。第二距离可以是大约八毫米或更小。
附图说明
图1是模具装置的示例的示意图。
图2是车辆部件形成系统的示例的框图。
图3是用于形成车辆部件的方法的示例的流程图。
图4是车底组件的前梁(front rail)的示例的侧视图。
图5是保险杠梁组件的示例的透视图。
图6是车底组件的后梁(rear rail)的示例的侧视图。
图7是燃料箱保护组件的透视图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，将理解的是，公开的实施例仅为示例，其他实施例可采用各种可替代的形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，可将参照任一附图示出并描述的各种特征与在一个或更多个其他附图中示出的特征相结合以产生未被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代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被用于特定应用或实施方式。
图1示出了模具装置(在此被称为模具装置10)的示意性示例。模具装置10包括各种部件，其包括第一模具元件和多个第二模具元件。例如，模具装置10可以包括上模具元件14和多个下模具元件。多个下模具元件可以包括第一下模具元件16、第二下模具元件18和第三下模具元件20。上模具元件14可以如箭头19所示地竖直平移或者可以是静止的。多个下模具元件中的每个可以如箭头21所示地竖直平移。在另一示例中，上模具元件14和多个下模具元件的定向可以彼此交换，使得上模具元件14位于多个下模具元件下方。上模具元件14和多个下模具元件可以彼此布置为使得毛坯22可以定位在它们之间。夹具(fixture)23可将毛坯22在模具元件之间保持就位。上模具元件14和多个下模具元件可以使用差温冷却过程和/或压力应用，来通过毛坯22形成沿着车辆部件具有期望的和不同的强度区域的车辆部件。
上模具元件14包括使冷却剂流过其中的冷却剂通道。例如，上模具元件14可具有冷却剂通道26。可基于毛坯22与相应的冷却剂通道之间的期望间距而获得冷却剂通道的其他示例。冷却剂通道和毛坯22之间不同的间距有助于在冷却剂流过冷却剂通道26时沿着毛坯22形成不同的强度区域。
毛坯22和冷却剂通道26之间的大约二十毫米或更大的第一长度29有助于在冷却剂流过冷却剂通道26时形成毛坯22的软强度区域31。软强度区域31可以位于毛坯22或车辆部件的接合位置处，并且可以包括具有珠光体和铁素体中的一者或两者的微观组织并具有400至600MPa的拉伸强度。通常，软强度区域将具有低热导率特性(小于10W/m-k)和低表面吸收率特性(具有反射涂层)。陶瓷是具有低热导率的材料的一个示例。虽然在此示例中软强度区域31位于接合位置，但可以预期的是，软强度区域31可以位于期望获得软强度区域31的关联的微观组织的各种类型的车辆部件区域中。软强度区域的位置的另一示例包括车辆部件上邻近于较硬强度区域的位置，其中，软强度区域布置成在能量到达较硬强度区域之前吸收碰撞能量。
毛坯22和冷却剂通道26之间的大约八毫米或更小的第二长度35有助于在冷却剂流过冷却剂通道时形成毛坯22的硬强度区域37。硬强度区域具有完全马氏体微观组织和1000至1900MPa的拉伸强度。通常，硬强度区域将具有高热导率特性(大于25W/m-k)和高表面吸收率特性。AISI热作模具钢H13是具有高热导率的材料的一个示例。
模具装置10还可以使用压力应用来形成车辆部件的各种强度区域。如上所述，多个下模具元件中的每个可以操作以将毛坯22的一个或更多个部分保持在距上模具元件14的冷却剂通道26期望间距处。每个下模具元件还可以在毛坯22的不同部分处对毛坯22施加压力以形成不同的微观组织。例如，第一下模具元件16可以安装到第一致动器40，第二下模具元件18可以安装到第二致动器42，并且第三下模具元件20可以安装到第三致动器44。在一个示例中，每个致动器都是空气驱动气缸。控制器(图2所示)可以与致动器和冷却剂分配器(图2所示)通信以指导模具装置10的操作。
图2是示出用于形成车辆部件的不同强度区域的系统的示例的框图。该系统包括模具装置(诸如模具装置10)和控制器50。控制器50与第一致动器40、第二致动器42、第三致动器44和冷却剂分配器54通信以指导其操作。控制器50可以指导每个致动器在单独的压力下操作并且指导冷却剂分配器54将冷却剂输送到冷却剂通道(诸如冷却剂通道26)。例如，来自控制器50的单独的压力命令指导每个致动器接触并将压力施加到位于上模具元件14与多个下模具元件之间的毛坯22的不同部分。
为了形成硬强度区域，通过其中一个致动器将大约20N/mm2或更大的量的压力施加到毛坯22。然后可以将形成的车辆部件保持就位直到期望的硬强度区域达到170摄氏度的目标温度为止。例如，如果形成的车辆部件具有1.4毫米的厚度，则可以将形成的车辆部件保持就位持续五至六秒以形成硬强度区域。
为了形成软强度区域，通过其中一个致动器将大约5N/mm2或更小的量的压力施加到毛坯22。基于毛坯22的厚度，压力被保持大约一到两秒。在大约一到两秒之后，致动器的压力被释放，并且现在形成的车辆部件被定向成使得在模具表面和车辆部件之间存在最少的接触或者不存在接触。然后将车辆部件保持就位，直到在大约170摄氏度下在期望位置处形成硬强度区域，同时期望的软强度区域的温度保持在驱使马氏体形成的温度以上为止。车辆部件然后可以被移除并且被存储在用于空气冷却的保持单元中。
图3是示出用于形成具有不同强度区域的车辆部件的方法(称为方法100)的示例的流程图。方法100可以使用模具(诸如模具装置10)和控制器(诸如控制器50)来形成具有不同强度区域的车辆部件。
在操作104中，确定车辆部件设计要求。例如，车辆部件的一部分可被确定为包括用于固定到另一部件的区域的接合位置。与将车辆部件的较硬强度区域彼此接合相比，由于随后的组装过程较容易将软强度区域固定至另一车辆部件，因此较软强度区域对于接合位置可能是优选的。在另一示例中，变形特性可以被确定为车辆部件设计要求。这些变形特性可以基于车辆部件的各个部分的微观组织。变形特性可以包括车辆部件的具有较软强度区域的部分，该部分在接收到负载时变形，以在负载到达车辆部件的相邻部分之前从负载吸收能量。车辆部件的非限制性示例包括车底组件后梁、车底组件前梁、保险杠梁和燃料箱保护组件的横向构件。
在操作106中，可以选择毛坯材料的类型。不同类型的毛坯材料具有不同的特性，这对于特定的热处理应用可能是期望的或者可能不是期望的。毛坯材料的示例包括安普朗不锈钢热成形等级(Aperam Hot Forming Grade)、Ductibor(HF340/480)、Usibor 1500(HF1050/1500)、Usibor 1900(HF1200/1900)、美国钢10B20(US Steel 10B20)、硼(Boron)、20MNB5、22MNB5、8MNCrB3、27MnCrB5和37MnB4。
所选择的毛坯材料可以是被涂覆的或未被涂覆的。可以通过传感器检测对毛坯是否包括涂层以及涂层的类型的确定。涂层可以有助于最小化或防止毛坯的表面在某些热状况(诸如250摄氏度或更高温度的热处理)下的氧化。涂层还可以为稍后可能遭受环境状况的车辆部件提供耐腐蚀的益处。用于涂层的物质的示例包括锌、铝-硅和锌-镍。未被涂覆的毛坯可用于降低生产成本或用于不需要为防止表面腐蚀而设计的车辆部件。
在操作108中，基于先前限定的设计要求，确定处理计划以对毛坯的目标区域进行处理，从而形成车辆部件的预定微观组织或强度区域。处理计划可以包括使用冷却剂通道内的冷却剂来影响奥氏体化以及使用压力应用来影响期望的微观组织的形成。
在操作110中，基于所确定的设计要求，在上模具元件与多个下模具元件之间将毛坯布置于模具装置，以形成预定微观组织。在操作112中，可将处理计划应用于毛坯并且可以由毛坯形成车辆部件。例如，为了形成软强度区域，可以闭合上模具元件和下模具元件，并且通过安装到下模具元件的致动器对毛坯施加大约5N/mm2或更小的量的压力持续一到两秒，以形成期望的部件几何结构和期望的微观组织。
为了形成硬强度区域，可以闭合上模具元件和下模具元件，并且基于毛坯的厚度通过安装到下模具元件的致动器将大约20N/mm2或更大的量的压力施加到毛坯持续一定量的时间。例如，对于厚度为1.4mm的毛坯，可以施加大约20N/mm2或更大的压力持续五至六秒以形成硬强度区域。
图4至图7示出了可以使用上述方法100产生的车辆部件的示例。图4示出了用于车辆车底组件的前梁170的示例，其可以通过方法100进行处理以适应与车辆部件几何过渡处的变形特性有关的设计要求。前梁170可以由方法100产生以形成各种强度区域。例如，前梁170可以包括第一区域172、第二区域174、第三区域176和第四区域178。第三区域176在第二区域174和第四区域178之间延伸。第三区域176可以位于前梁170的一部分处，该部分包括在前梁170的前部与支撑结构180的上端之间的过渡处的弯曲部。第一区域172可以被处理以形成软强度区域。第二区域174和第四区域178可以被处理以形成硬强度区域。第三区域176可被处理以形成比硬强度区域弱的强度区域。
处理第二区域174以形成硬强度区域允许将发动机和变速器连接支架的分开的内外加强部分合并为单个内外部分。
处理第三区域176以形成相对于第二区域174和第四区域178更软的强度区域可以产生较低强度的材料区域，以产生“活动铰链”或铰链式接合部而在前梁170或保险杠梁受到碰撞时吸收能量并使进入下边梁(rocker)、铰链柱和车辆车厢的变形最小化。
处理第四区域178以形成硬强度区域可允许连接到前梁170部分的加强支架被合并成一个部分。合并的加强支架可以是具有强度的AHSS材料，以在前梁170的前部过渡到支撑结构180的位置处支撑几何结构变化而平衡负载方向上的偏移。前梁170可以从向后延伸然后向下和向外延伸的大致直线部分过渡以与车辆支柱或下边梁会合。由于几何结构的变化(向下和向外)，前梁170的后部可能承受大的弯矩。在现有技术示例中，前梁具有几何结构变化的部分通常用支架加强以控制变形。在该示例中，支撑结构180相对于车身纵向地并且向外延伸。与现有技术的前梁相比，前梁170具有减少的数量的部件和接合部，因此组装需要更少的接合操作。
图5示出了车辆的保险杠组件184的示例，其可以被处理以使各种期望的强度区域适应与接合特性有关的设计要求。例如，保险杠组件184包括保险杠梁186，保险杠梁186具有第一端188、第二端190以及在第一端188和第二端190之间延伸的中间部分192。第一端188在一对挤压罐196中的一个的内部和外部延伸。第二端190在一对挤压罐196中的另一个的内部和外部延伸。
第一端188和第二端190可被处理以限定软强度区域。中间部分192可以被处理以形成拉伸强度在1000MPa和1900MPa之间的硬强度区域。区域标识符可以由因上文方法100所述的处理而在车辆部件上产生的微观组织来限定。处理第一端188和第二端190以形成软强度区域提供具有期望接合特性的期望微观组织的布置，以例如将每个挤压罐196接合到第一端188和第二端190中的一个。
图6示出了用于车辆车底组件的后梁200的示例，其可以被处理以适应与几何过渡有关的设计要求。后梁200可以由方法100产生以形成各种强度区域。后梁200包括后部202、第一中间部分204、第二中间部分206和前部208。挤压罐210从后部202延伸。后部202限定第一中心轴线214。第二中间部分206的一部分和前部208限定第二中心轴线216。第一中心轴线214可以在第一平面中并且第二中心轴线216可以在第二平面中。第二中间部分206在几何过渡区域220处从第一中心轴线214延伸到第二中心轴线216。在一个示例中，第二中间部分206可以向下和向外延伸到前部208。
第一中间部分204可以被处理以形成软强度区域，并且第二中间部分206可以被处理以形成硬强度区域。后梁200可被处理，使得后部202和前部208不接收热或接收最少的热或者经受合适的压力应用以保持或形成软强度区域。
后梁200的不同强度区域的布置提供了这样的结构，在该结构中，变形发生在更接近碰撞点的位置，例如，在后部202处的软强度区域，并且最强的强度区域(例如，在第二中间部分206处的硬强度区域)位于后梁200上以在结构上加强过渡区域220处的几何结构变化。
将软强度区域定位在第一中间部分204处提供了较低强度的材料区域，以产生“活动铰链”或铰链式接合部而在后梁200受到碰撞时吸收能量并使进入邻近的下边梁和车辆车厢的变形最小化。
将硬强度区域定位在第二中间部分206处使得由于在来自于碰撞的轴向载荷下在过渡区域220(在没有硬强度区域的情况下)处的几何结构变化(向下和向外)而可能发生在后梁200中的弯曲最小化。
图7示出了用于车辆车底的保护组件的示例，其中的部件可以通过方法100进行处理以适应与目标变形特性相关的设计要求。保护组件包括第一横向构件230、第二横向构件232、第一纵向构件236、第二纵向构件238和一对侧梁(side rail)242。第一横向构件230和第二横向构件232中的每个在一对侧梁242之间延伸。一对侧梁242中的每个安装到一对下边梁246中的一个。第一纵向构件236和第二纵向构件238中的每个在横向构件之间延伸。当受到侧部碰撞和后部碰撞时，保护组件提供结构加强和对车辆部件的保护。例如，车辆部件(诸如燃料箱或座椅组件)可以与保护组件布置为防止或限制由于车辆碰撞而导致的其他车辆部件与所述车辆部件接触。保护组件的部件的目标处理有助于防止或限制所述接触。
例如，第一横向构件230可以通过方法100进行处理，以在中央区域250处形成硬强度区域，并在第一端252和第二端254处在中央区域250的任一侧上形成软强度区域。第二横向构件232可以通过方法100进行处理，以在中央区域260处形成硬强度区域，并在第一端262和第二端264处在中央区域260的任一侧上形成软强度区域。
对第一横向构件230和第二横向构件232的端部进行处理以形成拉伸强度比相应的中央区域更低的强度区域可以产生较低强度材料区域，以形成“活动铰链”或铰链式接合部而吸收能量并使变形最小化。第一横向构件230和第二横向构件232的端部的软强度区域提供额外的碰撞距离或变形距离，以最小化或防止侧部被碰撞的车辆部件进入由所述车辆部件限定的区域。软强度区域定位在挤压接触区域处有助于促进第一横向构件230和第二横向构件232的局部塌陷，而在碰撞载荷到达相应的中央区域的硬强度区域之前提供额外的能量吸收。
虽然上文描述了各种实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或者就一个或更多个期望特性来说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，为了达到期望的整体系统属性，可以对一个或更多个特征或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、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上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，并且可以期望用于特定的应用。
Claims (15)
1.一种模具装置，包括：
第一模具元件；
多个第二模具元件；
多个致动器，各自安装到所述多个第二模具元件中的一个；和
控制器，被配置为：激活所述致动器，以在单独的压力下接触并压缩设置在所述模具元件之间的毛坯的多个部分，从而影响几何过渡区域、变形区域和接合区域中的一者的微观组织的形成。
2.根据权利要求1所述的模具装置，其中，所述单独的压力中的施加到毛坯的其中一个部分的压力为大约5N/mm2或更小以形成软强度区域。
3.根据权利要求2所述的模具装置，其中，所述大约5N/mm2或更小的压力被施加到毛坯的所述一个部分持续大约一至两秒。
4.根据权利要求1所述的模具装置，其中，所述单独的压力中的施加到毛坯的其中一个部分的压力为大约20N/mm2或更大以形成硬强度区域。
5.根据权利要求4所述的模具装置，其中，基于毛坯的厚度，所述大约20N/mm2或更大的压力被施加到毛坯的所述一个部分持续一定时间段，以形成完全马氏体微观组织。
6.根据权利要求1所述的模具装置，其中，第一模具元件包括具有第一部分和第二部分的冷却剂通道，所述第一部分与毛坯的其中一个部分间隔开大约20mm或更大，所述第二部分与毛坯的另一部分间隔开大约8mm或更小。
7.根据权利要求1所述的模具装置，其中，第一模具元件和所述多个第二模具元件在与毛坯的期望软强度区域相邻的第一模具元件位置处是具有低热导率的材料，并且在与毛坯的期望硬强度区域相邻的第二模具元件位置处是具有高热导率的材料。
8.根据权利要求7所述的模具装置，其中，所述具有低热导率的材料是陶瓷材料，并且所述具有高热导率的材料是AISI热作模具钢H13。
9.一种用于形成车辆部件的目标软强度区域的方法，包括：
激活多个致动器中的一个或更多个致动器，以便抵靠上模具元件以足以使毛坯形成为车辆部件的第一压力对毛坯的期望软强度区域进行单独地压缩持续预定时间段，所述多个致动器各自安装到多个下模具元件中的一个；和
释放所述多个致动器中的一个致动器的压缩，并且将所述车辆部件保持在所述多个下模具元件和所述上模具元件之间而不接触所述模具元件，以防止毛坯的期望软强度区域的马氏体转变。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
激活所述多个致动器中的所述一个或更多个致动器中的另一个，以便抵靠上模具元件以影响毛坯的期望硬强度区域的马氏体转变的第二压力对毛坯进行单独地压缩。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二压力为大约20N/mm2或更大。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
使所述软强度区域与冷却剂通道的第一部分对准，所述第一部分与毛坯间隔开第一距离；和
使所述硬强度区域与冷却剂通道的第二部分对准，所述第二部分与毛坯间隔开小于第一距离的距离。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所施加的第一压力为大约5N/mm2或更小。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预定时间段为大约一至两秒。
15.一种用于形成具有不同强度区域的车辆部件的方法，包括：
将毛坯定位在第一模具元件和多个第二模具元件之间，使得期望的软强度区域与第一模具元件的冷却剂通道的第一部分间隔开第一距离，并且期望的硬强度区域与冷却剂通道的第二部分间隔开第二距离，其中，所述多个第二模具元件各自安装到致动器；
激活所述致动器，以抵靠第一模具元件以第一压力压缩毛坯以形成车辆部件；
激活所述致动器中的一个或更多个，以抵靠第一模具元件以第二压力压缩毛坯的硬强度区域；和
释放所述压缩并将现在形成的车辆部件保持在所述模具元件之间，使得冷却剂通道内的冷却剂不影响软强度区域的马氏体转变并且影响硬强度区域的马氏体转变。
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