CN114178421A - 一种金属管材加热防氧化输送集成装置及热气胀形工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种金属管材加热防氧化输送集成装置及热气胀形工艺，包括搬运机器人本体、端拾器、加热电源、加热系统和风刀系统，所述加热电源和所述加热系统电性连接，所述风刀系统设置在所述搬运机器人本体的抓手上，所述风刀系统构造为设置有开口的腔体结构，所述风刀系统喷射形成的气体形成一道气帘对所述开口进行封闭，所述端拾器和所述加热系统均设置在所述风刀系统的内腔。本发明设备空间小，减少了加热量和氮气使用量，减少能耗，减少了工位，节省了搬运时间成本低，对工件的防氧化效果好。

Description

一种金属管材加热防氧化输送集成装置及热气胀形工艺
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种金属管材加热防氧化输送集成装置及热气胀形工艺。
背景技术
金属管材热气胀形工艺可以将产品的强度从600～800MPa提升到1400～1600MPa，该技术具备成形件回弹小、强度大幅提升，适用于汽车A柱、B柱、防撞梁、扭力梁、后牵引梁等零件。金属管材热气胀形工艺流程可分为四个阶段，分别是：预成型阶段、加热及保温阶段、坯料转移阶段、气胀成形、保压及冷却阶段。只有深刻认识各加工阶段的目的和任务，严格把控各相关工艺参数，才能避免及消除零件的成形和尺寸缺陷，生产出合格的热成形零件。1)预成型阶段主要由弯管或模具冲压成型，预成型的目的是让工件顺利地进入气胀成型的模具腔体，该阶段的工艺成熟，较容易实现。2)加热及保温阶段的目的是获得均匀、细小的奥氏体组织。加热温度应高于材料的奥氏体化温度，保温时间应根据材料的固有性质和热成形生产节拍的要求来确定。3)坯料转移阶段尽可能缩短传递时间，坯料传递时间即板料从加热设备到模具之间的传递时间，在这段时间内板料的温度会有一定的下降，不利于成形，影响贴模率。奥氏体到马氏体的相变效果。4)气胀成形、保压及冷却阶段的工艺参数需要通过对成形零件进行工艺分析和数值模拟来进行优化，以避免出现起皱、开裂、成形不到位贴模率低。气胀成形后需在模具完成淬火，这是一个保压和冷却并行的过程。保压及冷却的目的是避免和消除零件由于冷却而发生的回弹和翘曲，贴模率低也直接奥氏体到马氏体的相变效果，要求模具内布置有合理的冷却水道，零件在模具内的冷却速率必须大于材料的临界冷却速率。
传统加热方式存在的高成本、低效率的问题，依然在限制着热冲压工艺的广泛普及。不管是适用于板料的热冲压工艺，还是适用于管料的金属管材热态气体胀形与快冷强化工艺，都有将板料或工件加热工序，加热的方法有高温炉中加热、电磁感应加热、自阻加热等，需要加热至需要加热至900～950℃，材料组织形成奥氏体化，保温一定时间使得奥氏体化均匀分布，然后急剧降温淬火完成，奥氏体到马氏体的转化率达到93％以上，产品的强度从600～800MPa提升到1400～1600MPa。
热冲压成形技术虽然得到了很大程度上应用，但是传统加热方式存在的高成本、低效率的问题，依然在限制着热冲压工艺的广泛普及。
现有的装置及工艺在整个过程会出现一些关键的技术难点：管件加热单元与成形单元必需为独立单元，二者之间需要通过机械装置进行工件转移，降低节拍；
为解决上述问题，现有技术中提出了电阻加热工序和热气胀+淬火工序同时并行实现的解决方案，如中国专利CN111203469A公开的一种金属管材热态气体胀形与快冷强化模具组件，包括核心部件和辅助部件；所述核心部件包括下模底板、下模模座、下模镶块、上模顶板、上模模座、上模镶块、级进式模具、侧推密封油缸模块和电极压紧气缸模块，下模底板上依照上下空间顺序依次设置下模模座、下模镶块、级进式模具、上模镶块、上模模座和上模顶板。本发明采用级进式模具，电阻加热工序和热气胀及淬火工序同时并行实现，级进式进料。
又如中国专利CN212042201U公开的金属管材胀形与快冷强化工艺用的安全防护与密封模块，包括上料过渡密封气室、安全防护与密封仓和下料过渡密封气室，上料过渡密封气室和下料过渡密封气室设置在安全防护与密封仓的两侧，所述安全防护与密封仓将模具组件包覆在内，形成正压密封环境。
但是上述装置及工艺仍在一些问题：
1、电阻加热就是把工件当成一个电阻，在其两端接入直流电，小电压(30V)大电流(30000A)，通电20秒使工件处于短路状态，工件发热至900℃。这种加热系统功率大，设备安全系数低。
2、电阻加热到气胀淬火工序，有5秒以上的搬运时间，工件在这个过程温度会下降。影响奥氏体到马氏体的相变效果。
3、该系统有抗氧化的气体保护装置，整条生产线密闭于氮气环境中，理论上可行，实际运作密闭厂房的开发难度大，气体浪费多，进料和出料也存在其他泄漏，批量生产成本高昂。
发明内容
本发明提供一种金属管材加热防氧化输送集成装置及热气胀形工艺，设备空间小，减少了加热量和氮气使用量，减少能耗，减少了工位，节省了搬运时间成本低，对工件的防氧化效果好。
本发明的技术方案如下：
一种金属管材加热防氧化输送集成装置，包括搬运机器人本体、端拾器、加热电源、加热系统和风刀系统，所述加热电源和所述加热系统电性连接，所述风刀系统设置在所述搬运机器人本体的抓手上，所述风刀系统构造为设置有开口的腔体结构，所述风刀系统喷射形成的气体形成一道气帘对所述开口进行封闭，风刀也叫气帘，是将高压惰性气体以一定的速度喷射形成一道隔绝屏障，以隔绝氧气和零件接触。
所述端拾器和所述加热系统均设置在所述风刀系统的内腔。
本发明把加热系统集成到机器人抓手上，节省了空间，避免了现有技术中大空间加热的问题，减小了加热量。传统的热成型或热气胀生产线需要单独设置一个加热工位，本发明的工位融入机器人抓手上，减少了工位，空间更小。机器人抓手上设计了风刀系统，在待加工零件最小的空间充入氮气保护气体，想比在整个生产区域密闭充入氮气，氮气的使用效率提高，减少氮气的浪费；该系统成本低，可靠性强，节省空间及搬运时间，对工件的防氧化效果好。
优选的，所述风刀系统包括氮气接入管、氮气风刀生成器和挡板，所述氮气接入管接入氮气，所述氮气风刀生成器上设置有出风间隙，氮气从所述出风间隙吹出形成气帘。风刀系统包括：5个挡板，挡板的材料采用不锈钢折弯焊接，形成一个半封闭的腔体。气管接入氮气，氮气风刀生成器，实际上是一个细小的间隙，气体按设定的方向吹出，形成气帘即风刀，阻隔风刀系统的开口和外界空气，有效地保证了待加工零件隔绝空气，避免了待加工零件的氧化。
优选的，所述挡板构造为双层结构，所述挡板的内层为隔热板，所述挡板的外层为不锈钢板。所述挡板为双层板，内层是耐高温的隔热板，外层是不锈钢板材，隔热板的材质可选择石棉板、云母板、陶瓷纤维板中的一种，内层起到保温作用，外层起到防锈抗腐蚀作用。
优选的，所述挡板数量为5个，所述挡板焊接形成腔体，5个挡板一个气帘形成一个充满氮气的密闭空间，这个空间可以是长方体，也可以是椭圆体或多边形体，结构简单，加工方便，成本低。挡板将工件5个面进行封闭，留一个面安装风刀，方便工件进出。
优选的，所述氮气风刀生成器包括长条状的气管，所述出风间隙沿轴向设置在所述气管的壁面，所述出风间隙和气管的内腔连通。该圆形腔体的设置，可实现氮气从大空间向小间隙变化，实现风刀系统的气体加速，更好地形成气帘。
优选的，所述端拾器包括第一抓取点、第二抓取点和第三抓取点，所述第一抓取点上和所述第二抓取点上均设置有铜块夹头，所述加热系统包括冷却水管、电缆和铜块夹头，所述电缆一端连接所述加热电源且另一端连接所述铜块夹头，所述铜块夹头成对设置且用于夹持零件；所述第一抓取点上和所述第二抓取点分别用于抓取零件的两端，所述第三抓取点用于抓取零件的中部。机器人从预成型模具中抓取零件，抓取点有3个，其中第一抓取点、第二抓取点有端拾器的作用，也有电极加载作用。三个点可以将工件抓取并传输，如果该装置仅仅需要实现搬运机器人的动作，第一抓取点和第三抓取点均为端拾器即可，在自动冲压线上，机器人搬运的抓手，也叫端拾器，实际上是一个气缸带动一个夹钳，当对应的零件为板料时，它是一个通过气体吸住板材零件。
本发明还提供了一种热气胀形工艺，热气胀形工艺：将空心管材加热至一定温度，在模具内实现内高压成形，淬火处理的一种特种成形工艺；本发明所述的热气胀形工艺采用上述的金属管材加热防氧化输送集成装置，包括如下步骤：
S1：搬运机器人本体从预成型模具中抓取零件；
S2：识别到抓好零件，则加热系统开始通电加热；
S3：零件(6加热到T1，风刀系统开始启动吹氮气；
S4：零件(6加热到T2摄氏度并维持保温时间t，并移动到热胀工序模具旁；
S5：热胀工序间被取走后，进入热胀工序模具的模腔进行气胀淬火；
S6：加热系统(4停止工作，端拾器松夹放件；
S7：继续下一循环，返回S1。
传统的热成型或热气胀生产线，加热以后的工件往热成型或热气胀工位传送，通常需要5～8秒，传输过程工件温度下降，每秒20℃的速度降温，影响后续成型及淬火工艺的效果。并且传输过程容易混入空气，加快高温下的工件出现表面氧化现象也会恶化板料的表面质量。
优选的，所述T1设置范围为420～460℃，所述T2设置范围为890～960℃。选取该温度是因为：钢管零件加热到570℃开始产生氧化，900℃以下氧化速度较小，当温度达到1000℃以后会急剧上升。因此在420～460℃开始充充氮气防止氧化；当温度加热到570℃时，腔体已经充满氮气，对管件加热至960的过程起到较好的防氧化效果；当温度达到1000℃以后会急剧上升，所以T2设置范围为890～960℃。
优选的，所述t设置为10～240秒。保证工件受热均匀，加工效果更好。
本发明的有益效果是：
1、本发明成本低，可靠性强，节省空间及搬运时间，对工件的防氧化效果好，能耗低。
2、把加热系统集成到机器人抓手上，同时传统的热成型或热气胀生产线需要单独设置一个加热工位，本发明将这个工位融入机器人抓手上，节省了空间，加热量少，能耗低。
3、机器人抓手上设计了风刀模块，在工件最小的空间充入氮气保护气体，比在整个生产区域密闭充入氮气，氮气的使用效率提高，减少氮气的浪费。
4、该系统投资少，可靠性强，节省空间及搬运时间，对工件的防氧化效果好。
附图说明
图1是本发明所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置的整体结构示意图。
图2是本发明所述的风刀系统内腔的结构示意图。
图3和图4是本发明所述的风刀系统的外部结构示意图，图4中箭头方向示出了气流方向。
图5是本发明所述的氮气风刀生成器的结构放大图，即图4中A处放大图，图中箭头示出了气流方向。
图6是本发明所述的第一抓取点的结构图。
图7是本发明所述的热气胀形工艺的步骤原理图。
图8是本发明所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置的工作状态示意图。
图中：1-机器人本体、2-端拾器、201-第一抓取点、202-第二抓取点203-第三抓取点、204-铜块夹头、3-加热电源、4-加热系统、401-冷却水管，402-电缆、5-风刀系统、501-氮气接入管、502-氮气风刀生成器、5021-出风间隙、5022-气管、502-氮气风刀生成器、503-挡板、6-零件、7-温度及零件检测系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”，“下”，“前”，“后”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结构必须具有的特定方位、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。
实施例1：
如图1、图3和图4所示，所示，一种金属管材加热防氧化输送集成装置，包括搬运机器人本体1、端拾器2、加热电源3、加热系统4和风刀系统5，所述加热电源3和所述加热系统4电性连接，所述风刀系统5设置在所述搬运机器人本体1的抓手上，所述风刀系统5构造为设置有开口的腔体结构，所述风刀系统5喷射形成的气体形成一道气帘对所述开口进行封闭，所述端拾器2和所述加热系统4均设置在所述风刀系统5的内腔。
本实施例的工作原理是刀风系统做成半封闭腔体，采用风刀也叫气帘，是将高压惰性气体以一定的速度喷射形成一道隔绝屏障，对零件6进行全封闭保护，以隔绝外界氧气和零件6接触。
实施例2：
如图1所示，一种金属管材加热防氧化输送集成装置，包括搬运机器人本体1、端拾器2、加热电源3、加热系统4和风刀系统5；
所述加热电源3和所述加热系统4电性连接，采用了自阻加热结构，加热电源3采用节能IGBT模块；所述风刀系统5设置在所述搬运机器人本体1的抓手上，所述风刀系统5构造为设置有开口的腔体结构，所述风刀系统5喷射形成的气体形成一道气帘对所述开口进行封闭，风刀也叫气帘，是将高压惰性气体以一定的速度喷射形成一道隔绝屏障，以隔绝氧气和零件6接触。
如图2和图3所示，所述端拾器2和所述加热系统4均设置在所述风刀系统5的内腔。
如图2所示，本实施例还包括设置在所述风刀系统5内部的温度及零件检测系统7，包括温度传感器和位置传感器用于检测零件6的所处的温度和位置。
本实施例中，把加热系统4集成到机器人抓手上，节省了空间，避免了现有技术中大空间加热的问题，减小了加热量。传统的热成型或热气胀生产线需要单独设置一个加热工位，本发明的工位融入机器人抓手上，减少了工位，空间更小。机器人抓手上设计了风刀系统5，在待加工零件6最小的空间充入氮气保护气体，想比在整个生产区域密闭充入氮气，氮气的使用效率提高，减少氮气的浪费；该系统成本低，可靠性强，节省空间及搬运时间，对工件的防氧化效果好。
如图3和图4所示，本实施例中，所述风刀系统5包括氮气接入管501、氮气风刀生成器502和挡板503，所述氮气接入管501接入氮气，所述氮气风刀生成器502上设置有出风间隙5021，氮气从所述出风间隙5021吹出形成气帘。如图3所示，风刀系统5包括：5个挡板503，挡板503的材料采用不锈钢折弯焊接，形成一个半封闭的腔体。气管5022接入氮气，氮气风刀生成器502，实际上是一个细小的间隙，气体按设定的方向吹出，形成气帘即风刀，阻隔风刀系统5的开口和外界空气，有效地保证了待加工零件6隔绝空气，避免了待加工零件6的氧化。
本实施例中，所述挡板503构造为双层结构，所述挡板503的内层为隔热板，所述挡板503的外层为不锈钢板。所述挡板503为双层板，内层是耐高温的隔热板，外层是不锈钢板材，隔热板的材质有石棉板、云母板、陶瓷纤维板等，内层起到保温作用，外层起到防锈抗腐蚀作用。
如图3所示，本实施例中，所述挡板503数量为5个，所述挡板503焊接形成腔体，5个挡板503一个气帘形成一个充满氮气的密闭空间，这个空间可以是长方体，也可以是椭圆体或多边形体，结构简单，加工方便，成本低。挡板503将工件5个面进行封闭，留一个面安装风刀，方便工件进出。
如图3所示，本实施例中，所述氮气风刀生成器502包括长条状的气管5022，如图5所示，所述出风间隙5021沿轴向设置在所述气管5022的壁面，所述出风间隙5021和气管5022的内腔连通。该圆形腔体的设置，可实现氮气从大空间向小间隙变化，实现风刀系统5的气体加速，更好地形成气帘。
如图2和图6所示，本实施例中，所述端拾器2包括第一抓取点201、第二抓取点202和第三抓取点203，所述第一抓取点201上和所述第二抓取点202上均设置有铜块夹头204；
如图6所示，所述加热系统4包括冷却水管401、电缆402和铜块夹头204，所述铜块夹头204同时起到加热电极的作用，所述电缆402一端连接所述加热电源3且另一端连接所述铜块夹头204，所述铜块夹头204成对设置且用于夹持零件6；所述第一抓取点201上和所述第二抓取点202分别用于抓取零件6的两端，所述第三抓取点203用于抓取零件6的中部。机器人从预成型模具中抓取零件6，抓取点有3个，其中第一抓取点201、第二抓取点202有端拾器2的作用，也有电极加载作用。三个点可以将工件抓取并传输，如果该装置仅仅需要实现搬运机器人的动作，第一抓取点201和第三抓取点203均为端拾器2即可，在自动冲压线上，机器人搬运的抓手，也叫端拾器2，实际上是一个气缸带动一个夹钳，当对应的零件6为板料时，它是一个通过气体吸住板材零件6。夹持端口既作为工件抓举，又作为通电模块，采用合抱缸，加热平台重量轻，可以集成到机器人抓手上。
实施例3：
如图7和图8所示，本实施例为一种热气胀形工艺，热气胀形工艺是将空心管材加热至一定温度，在模具内实现内高压成形，淬火处理的一种特种成形工艺；本实施例采用上述实施例2所述的金属管材加热防氧化输送集成装置，包括如下步骤：
S1：搬运机器人本体1从预成型模具中抓取零件6；
S2：位置传感器识别到抓好零件6，则加热系统4开始通电加热；
S3：零件6加热到T1，风刀系统5开始启动吹氮气；
S4：零件6加热到T2摄氏度并维持保温时间t，并移动到热胀工序模具旁；
S5：热胀工序间被取走后，进入热胀工序模具的模腔进行气胀淬火；
S6：加热系统4停止工作，端拾器2松夹放件；
S7：继续下一循环，返回S1。
本实施例中所述T1设置范围为420℃，所述T2设置范围为890℃，所述t设置为10秒。
实施例4：
本实施例和上述实施例3的不同之处在于：
本实施例中所述T1设置范围为460℃，所述T2设置范围为960℃，所述t设置为240秒。

Claims (9)

1.一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于包括搬运机器人本体(1)、端拾器(2)、加热电源(3)、加热系统(4)和风刀系统(5)，所述加热电源(3)和所述加热系统(4)电性连接，所述风刀系统(5)设置在所述搬运机器人本体(1)的抓手上，所述风刀系统(5)构造为设置有开口的腔体结构，所述风刀系统(5)喷射形成的气体形成一道气帘对所述开口进行封闭，所述端拾器(2)和所述加热系统(4)均设置在所述风刀系统(5)的内腔。
2.根据权利要求1所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于：所述风刀系统(5)包括氮气接入管(501)、氮气风刀生成器(502)和挡板(503)，所述氮气接入管(501)接入氮气，所述氮气风刀生成器(502)上设置有出风间隙(5021)，氮气从所述出风间隙(5021)吹出形成气帘。
3.根据权利要求2所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于：所述挡板(503)构造为双层结构，所述挡板(503)的内层为隔热板，所述挡板(503)的外层为不锈钢板。
4.根据权利要求2所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于：所述挡板(503)数量为5个，所述挡板(503)焊接形成腔体。
5.根据权利要求2所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于：所述氮气风刀生成器(502)包括长条状的气管(5022)，所述出风间隙(5021)沿轴向设置在所述气管(5022)的壁面，所述出风间隙(5021)和气管(5022)的内腔连通。
6.根据权利要求1所述的一种金属管材加热防氧化输送集成装置，其特征在于：所述端拾器(2)包括第一抓取点(201)、第二抓取点(202)和第三抓取点(203)，所述第一抓取点(201)上和所述第二抓取点(202)上均设置有铜块夹头(204)，所述加热系统(4)包括冷却水管(401)、电缆(402)和铜块夹头(204)，所述铜块夹头(204)同时起到加热电极的作用，所述电缆(402)一端连接所述加热电源(3)且另一端连接所述铜块夹头(204)，所述铜块夹头(204)成对设置且用于夹持零件(6)；所述第一抓取点(201)上和所述第二抓取点(202)分别用于抓取零件(6)的两端，所述第三抓取点(203)用于抓取零件(6)的中部。
7.一种采用上述权利要求1～5中任一项所述的金属管材加热防氧化输送集成装置的热气胀形工艺，其特征在于包括如下步骤：
S1：搬运机器人本体(1)从预成型模具中抓取零件(6)；
S2：识别到抓好零件(6)，则加热系统(4)开始通电加热；
S3：零件(6)加热到T1，风刀系统(5)开始启动吹氮气；
S4：零件(6)加热到T2摄氏度并维持保温时间t，并移动到热胀工序模具旁；
S5：热胀工序间被取走后，进入热胀工序模具的模腔进行气胀淬火；
S6：加热系统(4)停止工作，端拾器(2)松夹放件；
S7：继续下一循环，返回S1。
8.根据权利要求6所述热气胀形工艺，其特征在于：所述T1设置范围为420～460℃，所述T2设置范围为890～960℃。
9.根据权利要求6所述热气胀形工艺，其特征在于：所述t设置为10～240秒。
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