CN109731980B - 一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺,属于工业制造技术领域。该工艺涉及装置包括压紧固定装置、上模和下模,上模的上模型腔根据零件外形要求修改,压紧固定装置及下模,分别固定于压力机上、下砧板,由压力机提供压紧力。压紧固定装置、上模及下模对应布置,并设计导向限位装置;压紧固定装置、上模分别设置导向孔,导向柱固定于下模上。下模的下模块及下模座凹槽的侧面采用倾斜设计。下模块设置惰性气体进气管道及测温热电偶管道。该工艺在钢板气压胀形过程中,减小成形过程的成形力,适用于包括高强钢在内的金属钢板的成形过程,适用于复杂截面形状的非闭口件生产。

Description

一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺
技术领域
本发明涉及工业制造技术领域,特别是指一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺。
背景技术
随着社会经济的不断发展,对汽车节能、降耗、环保和安全的要求日益严格。世界钢协从20世纪开始就致力于发展先进的汽车材料和制造技术,提高对汽车轻量化、节能和减排的要求,新一代汽车的发展趋势是节能、降耗、环保和安全。需要在保证汽车安全的前提下,实现汽车的轻量化,降低油耗,减少排放。
高强度钢在汽车上的应用是汽车轻量化的有效途径之一,而高强度钢中空结构件(如,管件、方形件及异型截面构件)及非闭口件的开发是高强钢及超高强度钢在汽车上的应用途径之一。高强度钢的热金属气压胀形技术适用于汽车用高强度钢薄壁中空轻质构件及复杂截面的非闭口构件。
随着材料强度的不断提高,高强钢在常温条件下的成形性能普遍较差,且成形应力高,回弹变形大,同时模具的磨损较大,传统的模具及生产工艺已经不能满足高强度钢板的生产要求。根据高温下材料的变形抗力降低的特性,出现了高温条件下的零件成型工艺,如热金属气压成形和快速塑性成形等技术。
在成形复杂截面构件方面,液压成形技术是使用较多的一类技术。专利“保温杯用焊管的胀形模具及胀形方法(申请号CN201711427936.2)”公开了一种防止焊管胀形焊缝开裂的保温杯用焊管的胀形模具,解决焊管管胀形焊缝开裂的技术问题,提高胀形合格率。专利“一种高效密封的胀形封水结构及液压胀形模(申请号CN201721397210.4)”公开了一种高效密封的胀形封水结构及液压胀形模,胀形封水结构主要包括内套和外套,内套安装在外套内并在径向上有一段间隙,此间隙用于安装待加工零件;外套的内表面与待加工零件外表面为紧贴状态实现封水。所述的内套和外套在轴向上呈台阶式端面配合连接。这些液压成形技术使用较为广泛,但所需成形压力大,生产效率也受到一定的影响;无法实现成形后零件的组织、性能控制。
高温气压胀形与传统的热冲压成形技术相比,具有较低的模具成本与模具磨损,在复杂截面构件的成型方面具有明显优势。如“一种高温气胀成形生产线系统及方法(申请号CN201710440022.3)”,公开了一种高温气胀成形生产线系统及方法,可实现最高1100℃下的高温气胀成形,可自由成形几乎所有的金属材料,尤其适用于高强度金属构件。专利“一种金属管类零件热态金属气压成型模具(申请号CN201710006251.4)”,公开了一种金属管类零件热态金属气压成型模具,可以承受1000℃的工作温度,对耐高温的金属管类零件具有较强的普适性。此类技术主要针对中空构件或管状零件,无法实现非闭口件的高温气压胀形,尤其是对于以钢板为原料的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺。
该装置包括压紧固定装置、上模和下模,压紧固定装置上设置导向孔和固定螺栓孔,导向孔位于压紧固定装置中部,固定螺栓孔位于压紧固定装置边缘;上模上设置上模型腔和导向孔,上模型腔位于上模中部,导向孔位于上模边缘;下模上设置导向柱、下模块、下模座、惰性气体进气管道、测温热电偶管道、固定螺栓孔和限位台,下模块位于下模中部,惰性气体进气管道和测温热电偶管道设置在下模块中,下模块旁边设置导向柱,下模块至于下模座上,下模块一边设置限位台,固定螺栓孔位于下模边缘;
压紧固定装置和下模分别固定于压力机的上砧板和下砧板,由压力机提供压紧力;压紧固定装置、上模和下模对应布置,并设计导向限位装置(由导向孔和导向柱构成);下模块及下模座凹槽的侧面采用倾斜设计。
上模型腔位于上模内表面,上模型腔决定钢板成型后零件的最终形状,上模型腔的形状及尺寸根据不同零件的外形要求确定。
压紧固定装置和下模均为矩形板拼接圆柱体结构,上模为圆柱体,压紧固定装置和上模上设置两个导向孔,下模上的两个导向柱穿过压紧固定装置和上模的导向孔,使压紧固定装置、上模、下模依次组装。
导向柱固定在下模上,下模块可拆卸安装在下模座的凹槽中。
上模及下模块方便分拆,可单独预热,用于控制模具及钢板温度。
下模块及下模座凹槽的侧面倾斜角度为2-15°。
该装置用于高强钢板的高温气压胀形工艺步骤如下:
S1:钢板预热:将钢板通过电磁感应加热、电阻加热或单独加热炉加热,根据钢种不同加热至900℃及以上合适的奥氏体化温度,同时将上模及下模块预热至800℃ - 850℃;
S2:钢板、上模及下模块的快速转移:将下模块放置于下模的对应位置,然后分别将钢板及上模依次放置于其上,钢板由导向柱及限位台进行限位;快速合模压紧;
S3:合模后将高压惰性气体通过惰性气体进气管道通入装置内,并匹配气体加压工艺,起始加压速率不超过2.5 MPa/s;加压完毕后,进行短时保压,保压时间10-30s;气压胀形过程在60s –200s时间内完成;
S4:高温气压胀形结束后,开模取出构件,根据不同钢种特点,进行控制冷却或放置于加热炉进行后续热处理,获取所需要的最终零件形状及组织、性能。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
本发明装置用于钢板气压胀形过程,减小成形过程的成形力,适用于包括高强钢在内的金属钢板的成形过程,可用于最终的构件截面形状及组织性能控制。
附图说明
图1为本发明的高强钢非闭口件的高温气压胀形装置结构示意图;
图2为压紧固定装置示意图;
图3为上模示意图;
图4为下模示意图;
图5为下模座示意图;
图6为下模块示意图;
图7为成型所用钢板示意图。
其中:1-压紧固定装置;2-上模;3-下模;4-上模型腔;5-导向孔;6-导向柱;7-下模块;8-下模座;9-惰性气体进气管道;10-测温热电偶管道;11-固定螺栓孔;12-限位台。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺。
如图1所示,该工艺涉及的装置包括压紧固定装置1、上模2和下模3,
如图2所示,压紧固定装置1上设置导向孔5和固定螺栓孔11,导向孔5位于压紧固定装置1中部,固定螺栓孔11位于压紧固定装置1边缘;
如图3所示,上模2上设置上模型腔4和导向孔5,上模型腔4位于上模2中部,导向孔5位于上模2边缘;
如图4、图5和图6所示,下模3上设置导向柱6、下模块7、下模座8、惰性气体进气管道9、测温热电偶管道10、固定螺栓孔11和限位台12,下模块7位于下模3中部,惰性气体进气管道9和测温热电偶管道10设置在下模块7中,下模块7旁边设置导向柱6,下模块7至于下模座8上,下模块7一边设置限位台12,固定螺栓孔11位于下模3边缘;
压紧固定装置1和下模3分别固定于压力机的上砧板和下砧板,由压力机提供压紧力;压紧固定装置1、上模2和下模3对应布置,并设计导向限位装置(即导向孔5和导向柱6),对模具整体及各个分体模具之间的相对位置进行限位;下模块7及下模座8凹槽的侧面采用倾斜设计。
在实际应用中,上模型腔4根据不同零件的外形要求进行必要的修改,满足零件最终外形及尺寸要求。
成型所用钢板如图7所示,成型过程中,将预热至规定温度的上模2、钢板及下模块7放置于下模座8上。将预热后的下模块7放置于下模座8的凹槽内,完成自动定位。然后依次放置钢板及上模2,钢板定位由导向柱6及限位台12实现,上模2放置于钢板上方并通过导向限位装置实现准确定位。
高强钢板的高温气压胀形工艺步骤,分为四步:预热、转移、气压胀形、成型后热处理。
a. 钢板预热,包括:电磁感应加热、电阻加热或单独加热炉加热,根据钢种不同加热至900℃及以上合适的奥氏体化温度。同时将上模及下模块预热至800℃ - 850℃。
b. 钢板、上模及下模块的快速转移。将下模块放置于下模座的对应凹槽位置,然后分别将钢板及上模依次放置于其上,钢板由导向柱及限位台进行限位。快速合模压紧,设备具有不低于100吨的合模力。
c. 合模后,通过下模测温管道内的热电偶,检测实际温度,确保成形温度不低于800℃。将高压惰性气体通过进气管道通入模具内,并匹配合理的气体加压工艺。起始加压速率不超过2.5 MPa/s。加压完毕后,进行相应的短时保压,保压时间10-30s。高温气压胀形过程在60s – 200s时间内完成。
d. 高温气压胀形结束后,开模取出构件,根据不同钢种特点,进行控制冷却或放置于加热炉进行后续热处理,获取所需要的最终零件形状及组织、性能。
具体实施过程如下:
所述原料具备铁素体和珠光体室温组织结构,所述铁素体的体积分数为80%,所述珠光体的体积分数为20%。所述钢板原料的初始化学成分为:C:0.23%,Mn:1.30%,Si:0.30%,P:0.02%,S:0.005%,Cr:0.35%,Ti:0.05%,Al:0.03%,B:0.003%,余量为铁及不可避免的杂质。采用单独的加热炉将钢板加热到900℃奥氏体化,保温5min。同时,采用单独加热炉对上模及下模块进行预热,至850℃以上,确保模具内温度分布均匀。采用工业机器人/手臂,快速拾取和转移加热后的钢板、上模及下模块,并按照下模块、钢板、上模的顺序放置于下模座凹槽内定位。然后由外部压力机将压紧固定装置降下,实现快速合模压紧。压紧后上模、钢板及下模块的温度保持在800℃以上。通过氮气进气管道将高压氮气通入模具工作型腔内,匹配合理的加压工艺;通过外部加压装置,将氮气以2.5 MPa/s的加压速率从0s至4s加压至10 MPa;以1 MPa/s的加压速率从5s至14s加压至20 MPa;以0.5 MPa/s的加压速率从15s至24s加压至25 MPa;然后保压10s。高温气压胀形结束后,开模并采用工业机器人取出构件,进行水淬,获得所需要的最终零件形状及组织、性能。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺,其特征在于:应用于该工艺的高温气压胀形装置包括压紧固定装置(1)、上模(2)和下模(3),压紧固定装置(1)上设置导向孔(5)和固定螺栓孔(11),导向孔(5)位于压紧固定装置(1)中部,固定螺栓孔(11)位于压紧固定装置(1)边缘;上模(2)上设置上模型腔(4)和导向孔(5),上模型腔(4)位于上模(2)中部,导向孔(5)位于上模(2)边缘;下模(3)上设置导向柱(6)、下模块(7)、下模座(8)、惰性气体进气管道(9)、测温热电偶管道(10)、固定螺栓孔(11)和限位台(12),下模块(7)位于下模(3)中部,惰性气体进气管道(9)和测温热电偶管道(10)设置在下模块(7)中,下模块(7)旁边设置导向柱(6),下模块(7)置于下模座(8)上,下模块(7)一边设置限位台(12),固定螺栓孔(11)位于下模(3)边缘;
压紧固定装置(1)和下模(3)分别固定于压力机的上砧板和下砧板,由压力机提供压紧力;压紧固定装置(1)、上模(2)和下模(3)对应布置,并设计导向限位装置,导向限位装置由导向孔(5)和导向柱(6)构成;下模块(7)及下模座(8)凹槽的侧面采用倾斜设计;
所述压紧固定装置(1)和下模(3)均为矩形板拼接圆柱体结构,上模(2)为圆柱体,压紧固定装置(1)和上模(2)上设置两个导向孔(5),下模(3)上的两个导向柱(6)穿过压紧固定装置(1)和上模(2)的导向孔,使压紧固定装置(1)、上模(2)、下模(3)依次组装;
所述下模块(7)及下模座(8)凹槽的侧面倾斜角度为2-15°;
所述导向柱(6)固定在下模(3)上,下模块(7)可拆卸安装在下模座(8)的凹槽中;
所述工艺包括步骤如下:
S1:钢板预热:将钢板通过电磁感应加热、电阻加热或单独加热炉加热,根据钢种不同加热至900℃及以上合适的奥氏体化温度,同时将上模及下模块预热至800℃ - 850℃;
S2:钢板、上模及下模块的快速转移:将下模块放置于下模的对应位置,然后分别将钢板及上模依次放置于其上,钢板由导向柱及限位台进行限位;快速合模压紧;
S3:合模后将高压惰性气体通过惰性气体进气管道通入高温气压胀形装置内,并匹配气体加压工艺,起始加压速率不超过2.5 MPa/s;加压完毕后,进行短时保压,保压时间10-30s;气压胀形过程在60s –200s时间内完成;
S4:高温气压胀形结束后,开模取出构件,进行冷却。
2.根据权利要求1所述的高强钢非闭口件的高温气压胀形工艺,其特征在于:所述上模型腔(4)位于上模(2)内表面,上模型腔(4)决定钢板成型后零件的最终形状,上模型腔(4)的形状及尺寸根据不同零件的外形要求确定。
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