CN113042600A - 适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置及热冲压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置及热冲压方法，属于热成形零部件领域。本发明的热冲压装置，包括凸模底座和凹模底座，以及上下对应设置的凸模和凹模，凸模的两侧对称设有压边模块，压边模块下方设有氮气弹簧；凹模包括侧凹模一和侧凹模二，凹模底座底面开设有安装槽，侧凹模一和侧凹模二顶部对应设有相配合的安装块，侧凹模一和侧凹模二沿安装槽方向滑动配合且两者拼接形成整体凹模。本发明针对目前Zn镀层热冲压钢容易产生裂纹的现状，利用该热冲压装置进行热冲压实验，旨在研究不同大小的应力对Zn(含Zn合金)镀层热冲压钢液致裂纹的影响。

Description

适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置及热冲压方法

技术领域

本发明涉及热成形零部件技术领域，涉及一款应用于涂覆钢板的热冲压装置及冲压方法，更具体地说，涉及适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置及热冲压方法。

背景技术

汽车轻量化技术是适应现代汽车安全、节能、环保趋势的关键技术之一，目前越来越多的汽车车身零部件使用热成形技术，如：汽车保险杠、防撞梁、A柱、B柱、车门防撞杠等。热成形技术是将成形与强化分为两个步骤生产超高强度汽车零部件的一种新工艺，生产的零件具有超高强度、成型精度高、无回弹等优点。

对于热成形钢而言，主要分为带镀层的热成形钢和无镀层热成形钢两大类产品。无镀层热成形钢在热成形过程中需要加热至完全奥氏体化温度并保温，在这个过程中表面易发生氧化，并形成脱碳层；而带有预涂覆的热成形钢产品，表面有一层耐高温镀层，在加热过程中可以阻止基体氧化，并且可以阻止基体与高温空气接触，消除脱碳层，从而获得良好的机械性能。因此，目前带镀层的热成形钢产品是目前用量最多的产品，带镀层热成形钢的需求量约为130万吨/年。

带镀层的热成形钢主要有铝硅镀层和锌镀层，其中锌镀层分为GI和GA两种类型。铝硅镀层在冲压过程中，折弯和侧壁位置也会应因为冲压应力的存在，导致其镀层出现开裂，从而影响后续的涂装和耐腐蚀性能，若裂纹扩展到基体，会进一步危害零件的安全性能；与铝硅镀层不同的是：锌镀层在加热过程中，镀层会发生液化(锌熔点低＜奥氏体化温度)，在随后的热冲压过程中，若成形工艺控制不当，会在零件基体上形成液致裂纹缺陷(LME)，从而影响零件机械性能。

在镀锌热成形钢的使用过程中，液致裂纹缺陷是需要解决的首要问题。因此，如何改善或消除镀锌热成形钢液致裂纹缺陷成为镀锌热成形钢应用技术研究的热点之一。

要解决镀锌热成形钢的液致裂纹缺陷，需要深入了解液致裂纹缺陷的产生机理，并有针对性的优化成形工艺。因此，越来越多的研究人员在实验室开展模拟热冲压实验来重现热成形过程，并通过工艺和组织性能的对应关系来研究导致液致裂纹缺陷的机理，并摸索适合镀锌热成形钢的热冲压成形工艺。

通过论文文献调研，发现很多研究人员使用“V”形模具开展液致裂纹脆性的研究，“V”形模具在使用过程中，主要是让热态的板料在成形过程中受折弯力的作用；然而热成形零件在成形过程中的受力状态非常复杂，不仅仅受折弯力作用，有些部位也会受到拉延力或者挤压力；因此，“V”形模具并不能完全代表热成形零件在成形过程中的受力状态。论文文献中还有一部分研究，利用GLEEBLE等设备开展不同单向拉应力状态下的LME研究，该方法使用的是感应加热，无法精确模拟零件冲压过程中真实的复杂受力状况。因此，有文献用“冒型”模具开展了液致裂纹脆性的研究，分析了冒型件各部位的受力情况，在深拉的侧壁部位会产生微裂纹，其方法能够模拟零件在冲压过程中的受力变形过程，但其并未考虑不同受力大小对液至裂纹的影响，零件在实际冲压过程中，为防止零件起皱，会设置压边装置，不同形状的零件压边条件也不一样，导致各部位零件的受力大小也不一样。

经检索，专利公告号CN105050743B的申请案中，提出了一种通过热冲压成形法对镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行成形来制造冲压成形品的方法，其在加热、保持钢板后，在钢板表面存在液态锌的状态下，在680℃以上、750℃以下的温度开始成形，使钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒-1以下进行成形，能够抑制LME裂纹的发生。

专利公告号CN106232254B的申请案中，提出一种热冲压成品的制造方法：使用具有凹模、压边圈以及凸模的模具对在未处理钢板的表面形成有Zn-Ni镀层而成的表面处理钢板实施热冲压来制造不产生微观裂纹的热冲压成形品(冒型件)，其表面处理钢板被模具的凸模和压边圈夹着加热到Ac3相变点以上且1000℃已下，以100℃/s以上的冷速使表面处理钢板中的受到弯曲-弯曲恢复变形部分、及与纵壁部的下部对应的缘部快冷至550℃以下且400℃以上的温度(与钢板的部分不被快速冷却的情况下)，在模具中冲压淬火成形，有效抑制了Zn-Ni镀层表面处理钢中板宏观裂纹和微观裂纹的影响。

专利公告号CN105050743B和专利公告号CN106232254B的申请案中，通过控制应变速率和在镀层凝固点温度以下成形，能够有效抑制LME裂纹的发生，但其并未考虑冲压时不同大小的应力对热处理钢板液至裂纹的影响。

经上述专利文献调研，认为Zn(含Zn合金)镀层热冲压钢液致裂纹产生的主要原因为液态锌或锌铁相渗入到钢板奥氏体晶界处，在拉应力的作用下引起，而关于不同应力大小对Zn(含Zn合金)镀层热冲压钢液致裂纹的研究甚少。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于针对目前Zn(含Zn合金)镀层热冲压钢容易产生裂纹的现状，拟提供适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置及热冲压方法，利用该热冲压装置进行热冲压实验，旨在研究不同大小的应力对Zn(含Zn合金)镀层热冲压钢液致裂纹的影响。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，包括凸模底座和凹模底座，以及上下对应设置的凸模和凹模，凸模的两侧对称设有压边模块，压边模块下方设有氮气弹簧；凹模包括侧凹模一和侧凹模二，凹模底座底面开设有安装槽，侧凹模一和侧凹模二顶部对应设有相配合的安装块，侧凹模一和侧凹模二沿安装槽方向滑动配合且两者拼接形成整体凹模。

更进一步地，侧凹模一和侧凹模二之间还设有调整镶块，调整镶块通过螺栓紧固在凹模底座上。

更进一步地，侧凹模一和侧凹模二的外侧分别设有定位镶块，定位镶块通过螺栓紧固在凹模底座上，并对中间的侧凹模一和侧凹模二进行定位。

本发明的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，先将板状试样保温奥氏体化处理，然后转移至热冲压装置内冲压淬火：根据板状试样的厚度，调整侧凹模一和侧凹模二之间间隙，将板状试样放置在凸模模面上，驱动凹模向下冲压，冲压过程中，控制调节凸模两侧压边模块的压边力大小；冲压完成后，打开凹模取出样板。

更进一步地，板状试样在箱式电阻炉中进行保温奥氏体化处理，奥氏体化处理温度为700-900℃，奥氏体化保温时间为2-8min。

更进一步地，将板状试样从箱式电阻炉中取出转移至凸模模面上的时间间隔不超过5s。

更进一步地，将板状试样放置在凸模模面上，驱动凹模向下冲压时，压下速率控制在60mm/s以上，成形温度控制650～800℃，凹模压下的时间不大于3s。

更进一步地，压边模块的压边力控制范围为0.5-50吨。

更进一步地，驱动凹模向下冲压，使模面与板状试样充分接触，并保压10-20s。

更进一步地，凸模、凹模以及压边模块内均设有多组冷却水道，保障冲压过程中淬火冷却速率在30℃/s以上。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，通过凹模的分体式结构设计，能够针对不同厚度板状试样进行热冲压工艺模拟，并配合压边模块的压应力可调式设计，可模拟材料在热冲压过程中受到的拉应力和压应力，真实还原材料在热冲压过程中的受力状态，便于对热冲压后Zn或Zn合金镀层热冲压钢的液致裂纹缺陷的产生机理及性能进行研究。

(2)本发明的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，利用可控应力大小的热冲压装置，可在实验室条件下实现对板状试样的热冲压工艺模拟，模拟材料在热冲压过程中的真实受力状态，从而研究不同应力大小对Zn或Zn合金镀层热冲压钢液致裂纹行的影响。

附图说明

图1为本发明的热冲压装置的结构示意图；

图2为图1的主视结构示意图；

图3为图1的右视结构示意图；

图4为本发明中凹模的结构示意图；

图5为本发明中凸模的结构示意图；

图6为本发明中样板的结构示意图；

图7为热冲压淬火后样板的SEM组织典型形貌示意图，1000x；

图8为热冲压淬火后样板的SEM液致裂纹缺陷形貌示意图，500x。

示意图中的标号说明：

100、底基板；101、凸模底座；102、顶基板；103、导杆；104、凸模；105、氮气弹簧；106、导柱；107、压边模块；108、预留槽；109、空位槽；

200、板状试样；300、凹模底座；301、安装槽；302、侧凹模一；303、侧凹模二；304、冷却水道；305、调整镶块；306、安装块；307、定位镶块；308、上模块；309、下模块；310、连接块；311、中间块。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，包括凸模底座101和凹模底座300，以及上下对应设置的凸模104和凹模，凸模104的两侧对称设有压边模块107，压边模块107下方设有氮气弹簧105；凹模包括侧凹模一302和侧凹模二303，凹模底座300底面开设有安装槽301，侧凹模一302和侧凹模二303顶部对应设有相配合的安装块306，侧凹模一302和侧凹模二303沿安装槽301方向滑动配合且两者拼接形成整体凹模。其中侧凹模一302和侧凹模二303之间还设有调整镶块305，调整镶块305通过螺栓紧固在凹模底座300上。侧凹模一302和侧凹模二303的外侧分别设有定位镶块307，定位镶块307通过螺栓紧固在凹模底座300上，并对中间的侧凹模一302和侧凹模二303进行定位。

更具体地，本实施例中凸模104设置于凸模底座101上，凸模底座101的底部和顶部对应设有平行分布的底基板100和顶基板102，底基板100四周分别设有导杆103，导杆103穿过顶基板102并对应配合穿入凹模底座300上的导向孔，通过导杆103对凹模的冲压移动进行导向。凸模104的两侧均设有压边模块107，压边模块107下方两侧同样设有用于导向的导柱106，该导柱106同样底部安装固定在底基板100上，顶部配合穿过压边模块107上对应开设的导柱孔。压边模块107下方通过中部的氮气弹簧105控制调节不同的压边力大小，用于从下方对板状试样200进行支撑，氮气弹簧105的底部安装固定在底基板100上。氮气弹簧105与带有PLC控制的氮气弹簧自动充气机压力控制系统相连，可显示氮气弹簧105的压力值，控制气压的大小可控制弹压力，从而实现不同压边力的调整，改变板状试样200的受力状态。

本实施例中凹模采用分体式拼接设计，具体包括侧凹模一302和侧凹模二303，如图4所示，每个侧凹模均包括：用于与凹模底座300相配合安装的上模块308、用于向下接触板状试样200的下模块309，以及连接在上模块308和下模块309之间的中间块311，且中间块311一端位于上模块308的中部区域，一端与下模块309的内侧端部相连，如图2所示，两侧的侧凹模相对拼接时，形成中部的“几”字形腔室结构，用于将板状试样200冲压形成如图6所示的试样结构。本实施例中上模块308和下模块309的中部之间还设有与中间块311相垂直的连接块310，进一步加强模具整体结构稳定性。

本实施例中凹模底座300的底面上开设的安装槽301可采用T型槽，对应地，上模块308上设有的安装块306采用T形块，通过T型槽和T形块的配合可以有效对凹模水平方向位移进行限位导向，并利用调整镶块305和定位镶块307的紧固配合，可以对凹模进行有效定位固定，防止模具发生晃动，且通过更换中间调整镶块305的宽度，以及更换两侧定位镶块307的宽度，即可灵活调节侧凹模一302和侧凹模二303之间间距，从而适用于对不同厚度规格的板状试样200进行热冲压操作，应用更加符合生产实际需求。

如图2所示，本实施例中凸模104、压边模块107、侧凹模一302与侧凹模二303内部，冲压过程中用于与板状试样200相接触的侧面位置内部均设有冷却水道304，配合安装有冷却系统，每个位置冷却水由水泵提供压力驱动水循环，持续通入循环冷却水，且凹模冷却水、凸模冷却水和压边冷却水的水道上分别设有控制水阀，每个位置的入水口安装有液体流量传感器，通过开合度控制可以调节各位置冷却水的流量和流速，减小不同部位成型温度差异，减小样板因温度不均而产生的变形，提高样板成型精度，保证样板冷却均匀并有足够的冷速。对应地，如图5所示，本实施例中顶基板102上还对应开设有供排布冷却水管道的预留槽108，以及用于避让压边模块107的空位槽109。

本实施例的热冲压装置，凹模采用左右两个对称的侧凹模组成，两个侧凹模之间间距可以调整，适用不同厚度Zn合金镀层热冲压钢的冲压实验；通过设置压边模块107，并可通过改变压边力改变板状试样200所受的应力大小和状态，准确评估不同应力大小对Zn合金镀层热冲压钢液致裂纹缺陷及其性能的影响；通过设置循环冷却，保证冷却的均匀性和足够的冷却能力，冷却速率在30℃/s以上；将凹模设计为“几”字形，在冲压实验过程中，“几”字形顶部R角外侧位置在折弯过程中受拉变形，内侧在折弯过程中受压变形，内侧壁在弯曲过程中压变形，最后纵向受拉变形，外侧壁在折弯过程中受拉变形，最后纵向受拉变形，此外，外表面受摩擦剪应力作用。通过整个装置设计，可以实现热成形过程中侧壁位置所受拉应力大小的调控，能够很好模拟零件在成形过程中的真实受力状态。

实施例2

本实施例的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，先将板状试样200保温奥氏体化处理，然后转移至上实施例1中的热冲压装置内冲压淬火：根据板状试样200的厚度，调整侧凹模一302和侧凹模二303之间间隙，将板状试样200放置在凸模104模面上，驱动凹模向下冲压，冲压过程中，控制调节凸模104两侧压边模块107的压边力大小；冲压完成后，打开凹模取出样板。

具体地，本实施例使用加热能力650-1200℃的箱式电阻炉进行保温奥氏体化处理，具体包括：

a、首先将箱式电阻炉温度升至奥氏体化温度并保持恒定，奥氏体化处理温度窗口为700-900℃；温度低于700℃，板状试样200无法完全奥氏体化，淬火后仍会有残留铁素体，难以满足材料强度和硬度；温度过高时，则会引起表面Zn液挥发，降低其耐蚀性，同时导致表面形成过厚的ZnO层，影响焊接性能。

b、在上述奥氏体化温度窗口内，将板状试样200放入箱式电阻炉中保温2-8min，使奥氏体均匀化，保温时间不应过短或过长，时间低于2min材料无法完全奥氏体化，时间超过8min，则同样会使表面的Zn液挥发和形成过厚的ZnO层，影响其使用性能，另外，时间过长会导致镀层合金化程度过高，从而达不到耐腐蚀性能要求。

本实施例根据板状试样200的厚度优选的保温时间为当板厚在0.5-1.2mm之间时，保温2-5min，当板厚1.0-2.5mm之间时，保温4-8min。

本实施例中板状试样200冲压淬火过程具体如下：

a、首先根据板状试样200的厚度，通过调整侧凹模一302和侧凹模二303之间间距来调整板状试样200与模具间间隙，使板状试样200与模具充分接触，传递热量，保证能够完全淬透。

b、在导杆103的导向作用下，凹模向上提升，模具打开，将板状试样200转移至凸模104模面上，此转移过程时间间隔不超过5s，避免发生奥氏体向铁素贴转变生成铁素体，从而导致降低材料硬度和强度，对于薄试样而言可以进一步缩短转移时间。

c、在导杆103的导向作用下，采用液压动力驱动凹模向下冲压，压下速率控制在60mm/s以上，成形温度控制在600℃以上，优选650～800℃，避免基体发生铁素体转变。

在向下冲压过程中，两侧的压边模块107支撑在板状试样200两边，防止边部起皱，压边模块107与氮气弹簧105相连接，通过控制氮气弹簧105的气压控制压边力大小，每侧压边模块107的压边力控制范围为0.5-50吨，既防止材料流动过快，导致走料均匀性不足局部起皱；又避免材料走料受阻，以致侧壁减薄验严重、出现暗裂等风险。凹模与板状试样200接触后，停止压下，保压10-20s，整个下压时间不得大于3s，避免板状试样200温度降至Ar3以下发生铁素体转变，使材料强度硬度降低。冲压过程中，各部分的冷却水配合协作，淬火冷却速率在30℃/s以上，保证板状试样200温度的均匀性。

d、液压动力装置驱动凹模向上移动，模具打开，取出冲压后的样板。控制氮气弹簧105的弹压力，改变压边力，重复执行上述步骤，对板状试样200模拟冲压。

热冲压后的实验样板如图6所示，在热冲压过程中，c位置在折弯过程中受拉变形，d位置在折弯过程中受压变形，内侧壁e在折弯过程中受压变形，最后纵向受拉变形，外侧壁b在折弯过程中受拉变形，最后纵向受拉变形，此外，外表面a、b、c还受摩擦剪应力作用。通过改变压边力的大小和冲压速率，改变不同部位的应力应变状态，实现对不同受力状态下的Zn或Zn合金镀层热冲压钢的冲压模拟。

热冲压淬火后实验样板的SEM组织典型形貌如图7所示，实验样板的SEM液致裂纹缺陷形貌如图8所示。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，其特征在于：包括凸模底座(101)和凹模底座(300)，以及上下对应设置的凸模(104)和凹模，凸模(104)的两侧对称设有压边模块(107)，压边模块(107)下方设有氮气弹簧(105)；凹模包括侧凹模一(302)和侧凹模二(303)，凹模底座(300)底面开设有安装槽(301)，侧凹模一(302)和侧凹模二(303)顶部对应设有相配合的安装块(306)，侧凹模一(302)和侧凹模二(303)沿安装槽(301)方向滑动配合且两者拼接形成整体凹模。

2.根据权利要求1所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，其特征在于：侧凹模一(302)和侧凹模二(303)之间还设有调整镶块(305)，调整镶块(305)通过螺栓紧固在凹模底座(300)上。

3.根据权利要求1所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压装置，其特征在于：侧凹模一(302)和侧凹模二(303)的外侧分别设有定位镶块(307)，定位镶块(307)通过螺栓紧固在凹模底座(300)上，并对中间的侧凹模一(302)和侧凹模二(303)进行定位。

4.适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：先将板状试样(200)保温奥氏体化处理，然后转移至热冲压装置内冲压淬火：根据板状试样(200)的厚度，调整侧凹模一(302)和侧凹模二(303)之间间隙，将板状试样(200)放置在凸模(104)模面上，驱动凹模向下冲压，冲压过程中，控制调节凸模(104)两侧压边模块(107)的压边力大小；冲压完成后，打开凹模取出样板。

5.根据权利要求4所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：板状试样(200)在箱式电阻炉中进行保温奥氏体化处理，奥氏体化处理温度为700-900℃，奥氏体化保温时间为2-8min。

6.根据权利要求5所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：将板状试样(200)从箱式电阻炉中取出转移至凸模(104)模面上的时间间隔不超过5s。

7.根据权利要求4所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：将板状试样(200)放置在凸模(104)模面上，驱动凹模向下冲压时，压下速率控制在60mm/s以上，成形温度控制650～800℃，凹模压下的时间不大于3s。

8.根据权利要求4所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：压边模块(107)的压边力控制范围为0.5-50吨。

9.根据权利要求4所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：驱动凹模向下冲压，使模面与板状试样(200)充分接触，并保压10-20s。

10.根据权利要求4-9任一项所述的适用于Zn镀层且冲压应力可调的热冲压方法，其特征在于：凸模(104)、凹模以及压边模块(107)内均设有多组冷却水道(304)，保障冲压过程中淬火冷却速率在30℃/s以上。

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