CN202297712U - 超高强钢高温拼接淬火成形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高强钢高温拼接淬火成形装置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分别与上模架、下模架相连接，上下模架由导柱导套导向；所述凸模和凹模均至少由一块镶块组成，凸模与凸模固定板之间、凹模与凹模固定板之间分别设有一层耐高温隔热保温涂层；所述凸模和凹模上分别设有测温元件，测温元件与温度控制系统相连。本实用新型可以确保零件一次热成形完毕后不同区域具有不同的力学性能，可应用于汽车防撞类零件(防撞梁、A柱、B柱、车身地板通道等)的生产。

Description

超高强钢高温拼接淬火成形装置

技术领域

本实用新型涉及一种超高强钢高温拼接淬火成形装置。

背景技术

随着能源和环境问题的日益突出，以及人们对轿车的安全性、可靠性、舒适性等要求的提高，各大汽车制造商努力从改善汽车的结构设计和寻找新的替代材料两个方面减轻汽车的重量；不断改进和采用新的零件制造工艺，提高产品的质量。超高强钢的研究和使用，提高了汽车的碰撞性能，实现了轻量化的要求。但是，超高强钢在室温下变形能力很差。一方面，超高强钢板强度高，在室温下塑性变形范围很窄，所需冲压力大，容易开裂；另一方面，冲压成形后零件回弹增加，导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此传统的冷冲压方法难以解决超高强钢在汽车车身制造中遇到的问题。近几年，国外学者开发出一种新的超高强钢板加热成形工艺-热冲压成形技术。在热冲压工艺中，超高强钢板板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度(900～950℃)，并在奥氏体区保持5分钟，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100％马氏体组织。与其他成形工艺相比，板料的热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形；能够生产具有复杂几何形状的工件，成形零件具有良好的尺寸精度；配以合适的热处理方式，可使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件。另外，最新提出来的激光拼焊板热冲压技术将不同力学属性或不同厚度的高强钢拼焊到一起，然后进行热冲压成形，一方面可获得拼焊板带来的降低车体重量、提高装配精度、简化装配步骤等优点；另一方面兼顾热冲压成形的优势，进一步提高超高强钢板的成形性和最终产品的尺寸精度，从而提高汽车抗碰撞性，更好地满足安全及节能减排的迫切需求。

中国专利CN101288889公开了《一种超高强度钢热冲压成型工艺及成型模具》，该模具包括上模座和固定在上模座上的凸模、下模座和固定在下模座上的凹模，凹模中设有冷却水通道，冷却水通道与一个冷却水循环系统相连接。中国专利CN201231286Y公开了一种《汽车车身零件用热冲压成型模具》，该模具包括上底板、下底板、凹模、凸模、压料圈。冷却液在凸模、凹模型面内循环流动。凸模、凹模采用镶块结构，镶块材料选用高强度的热作模具钢。该类专利所提工艺及模具结构生产的零件只具有高强度，无法满足防撞类零件吸能性的要求。

中国专利CN101486062A公开了一种《高强度钢零件的热成形和切边一体化工艺及模具》，该模具包括上模、下模、上切边工具和下切边工具，在上下模中设有冷却水道上模的上端安装有上模油缸，上模油缸的活塞杆与上切边工具连接，下模的底部安装有下模油缸，下模油缸的活塞杆与一顶杆的下端连接，顶杆的上端与下切边工具连接。该结构利用模具内部的切边工具对热成形零件进行切边。该工艺增加了热成形模具的复杂程度，并且切变力和切变位置受到热成形模具结构的限制。

中国专利CN101717850A公开了《一种超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺及装置》，该工艺根据所要成形的零件的性能要求，对超高强度钢板不同要求区域利用不同的冷却方式进行热处理。该装置包括不同的冷却模块和保温退火模块，各模块紧密排列在一起。该实用新型可以使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能，得到各处性能存在差异的拼合板料。该实用新型获得的是性能各异的拼合钢板，为了获得性能各异的成形零件，需要结合后续的冷冲压工艺。工序繁琐之外，由于实用新型装置的限制，无法获得复杂类、性能任意拼接零件。

中国专利CN101961744A《拼焊板的成形方法及其装置》，该工艺及装置能够实现零件中不同厚度、强度材料的结合，从而降低车重的同时提高零件的吸能性。但拼焊技术也有其缺陷：焊缝的移动会造成板料成形性能的下降、焊缝的移动会造成模具表面的磨损、激光拼焊设备价格昂贵。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超高强钢高温拼接淬火成形装置，在成形及模内冷却过程中零件不同的区域进行程度不一的热传递，使得成形零件的强度和硬度能够按需分布，实现了材料的高强度和吸能性的完美结合，而且能够降低设备的投资，减少生产工序，提高生产效率，产品质量易于控制。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种超高强钢高温拼接淬火成形装置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分别与上模架、下模架相连接，上下模架由导柱导套导向；所述凸模和凹模均至少由一块镶块组成，凸模与凸模固定板之间、凹模与凹模固定板之间分别设有一层耐高温隔热保温涂层；所述凸模和凹模上分别设置测温元件，测温元件与温度控制系统相连。

所述凸模和凹模均为由加热区和冷却区组成的整体式钢制结构。

所述凸模和凹模均为镶块式钢制结构，其包括加热镶块和冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间有隔热间隙。

所述凸模和凹模均为镶块式钢制结构，其包括加热镶块和冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间有特殊的隔热陶瓷。

所述凸模和凹模均为镶块式结构，其由特殊陶瓷镶块和钢制冷却镶块组合而成。

所述凸模和凹模均为镶块式结构，其由特殊陶瓷加热镶块和钢制冷却镶块组合而成。

所述凸模和凸模固定板之间、凹模和凹模固定板之间均通过燕尾槽结构相配合，凸模和凸模固定板之间、凹模和凹模固定板之间均通过侧面的螺钉紧固。

所述凹模面安装有顶部为半球形、可自由伸缩的定位螺钉。

所述凸模和凹模中设有冷却水通道，冷却通道上安装有冷却水进出口接头，却水进出口接头连接供水管及水泵。

所述凸模和凹模中设置加热管，所述加热管与温度控制系统的温控器相连。

该装置为一套高温拼接淬火成形模具，实用新型主要针对凸模、凹模及凸模固定板、凹模固定板及温度控制系统。凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定。凸模固定板和凹模固定板通过螺丝分别与上模架、下模架相连接，上下模架之间通过导柱导套进行导向。

凸模按照需要由一块及以上的镶块拼接而成，不同的镶块采用不同的冷却方式、加热方式甚至材质。为了确保温度在钢板厚度方向分布均匀，而不发生翘曲，凹模的加热、冷却方式及材质与凸模相对应。

凸模采用如下几种组合方式：(一)整体式钢制凸模，其中分为加热区和冷却区；(二)镶块式钢制凸模，其中分为加热镶块、冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间采用一层特殊陶瓷隔热；(三)镶块式钢制凸模，其中分为加热镶块、冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间采用一定距离的间隙隔热；(四)镶块式凸模，其中分为陶瓷镶块、钢制的冷却镶块；(五)镶块式凸模，其中分为陶瓷加热镶块、钢制的冷却镶块。凹模的组合方式与之对应。在相同条件下，组合(一)加热区的冷却速度最快，冷却区的冷却速度最慢；组合(五)加热区的冷却速度最慢，冷却区的冷却速度最快。五种组合方式中，保温镶块的保温性能从组合方式(一)到(五)逐渐提高。组合方式根据实际生产零件需要进行选择。

为方便更换凸模，凸模和凸模固定板之间通过燕尾槽结构相配合，凸模和凸模固定板之间通过侧面的螺钉进行紧固。对应的凹模按照相同情况处理。

凹模面安装有可自由伸缩的定位螺钉，螺钉顶部为半球形，减少了与钢板之间的接触面积，降低了热量的散失。

需要设置冷却水道的凸模，冷却水通道上安装有冷却水进出口接头，接头连接供水管及水泵，冷却水道通过高速流动的水流将热量带走，从而达到局部热处理的目的。对应的凹模按照相同情况处理。

对于制作样件，陶瓷镶块选用高级玻璃陶瓷Macor，该材料拥有良好的机械加工性能，并且具有热导率低、比热高、膨胀系数小等优点，大大降低了与接触钢板之间的热传递，是一种性能优良的保温退火镶块。对于批量生产，陶瓷镶块选用高韧性、高抗弯强度和高耐磨性、优异的隔热性能、热膨胀系数接近于钢的氧化锆ZrO2陶瓷。

加热镶块和冷却镶块之间采用一层特殊陶瓷隔热，该陶瓷选用高级玻璃陶瓷Macor。

凸模和凸模固定板之间涂有耐高温隔热保温涂料，有效减少凸模热量损失。

需要设置加热装置的凸模，安装有加热管。该加热管以金属管为外壳，合金电热丝作为发热体，在一端具有引出线在金属管内填装密实的氧化镁粉绝缘介质，以固定发热体。

所选用加热管为圆柱形，其孔径比模具上需要加热的孔径小0.1mm。

因模具各处加热温度不同，故加热时需要采用测温设备。本实用新型采用外置K型镍铬-镍硅热电偶，测温范围0～1300℃。经凸、凹模上下面的凹槽将热电偶安装在距离凸凹模闭合面2mm处，用来测量凸、凹模的温度。

该K型热电偶通过热电偶补偿导线与温控器相连，将测量的温度值直观显示出来。

该温控器有多个扩展端子，可与多个热电偶相连接。

该温控器与金属加热管相连，可根据测量值与设定值(目标值)之差经过比较(运算)后输出控制指令改变控制器继电器的通断；控制器的调节方式采用PID控制，稳定性好，可自动消除静差。控制系统的工作原理：

热电偶将温度转换为电信号输入仪表，仪表将信号进行处理(放大、非线性补偿)后，一路送至显示电路进行显示，另一路与设定值进行比较后获取温度误差，然后根据该误差按预定的调节方式进行比较(运算)后输出控制指令改变仪表内部继电器的通断，以达到改变外部加热器工作状态从而控制模具温度的目的。

本实用新型凸凹模镶块采用不同热物理性能的材料、不同的加热及冷却方式，依靠PID温度控制系统，使加热奥氏体化后的超高强钢板在成形及保压冷却过程中不同区域处于不同的冷却速度，从而获得不同的微观组织，最终得到各处性能各异的拼接零件，实现了高强度与高吸能性的任意拼接，并确保钢板的高强度区域和低强度区域的力学性能在拼接区均匀过渡。该实用新型能够降低设备的投资，减少生产工序，提高生产效率，产品质量易于控制。

附图说明

图1是本实用新型超高强钢高温拼接淬火成形装置结构示意图；

图2是凸模固定板的结构示意图；

图3是凸模冷却镶块的结构示意图；

图4是凸模加热镶块的结构示意图；

图5是凹模冷却镶块的结构示意图；

图6是凹模加热镶块的结构示意图；

图7温度控制原理简图；

图8某U型梁示意图；

图9钢板在三种模具组合方式中的温度分布图；

图10钢板在不同模具加热温度下的冷却曲线图；

图11钢板进入贝氏体转变区域后的组织形貌图；

图12钢板进入马氏体转变区域后的组织形貌图；

其中1-凸模固定板；2-凸模冷却镶块；3-冷却水道；4-凹模冷却镶块；5-凹模固定板；6-耐高温隔热涂层；7-紧固螺钉孔；8-陶瓷隔热层；9-凹模加热镶块；10-定位销；11-凸模加热镶块；12-热电偶传感器；13-加热管。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型进一步说明。

本实用新型的凸模固定板1与上模架配合的上表面加工有凹槽，凹槽底面钻有若干直径2.5mm的通孔，以备安放热电偶12。凸模固定板1燕尾槽内涂有耐高温隔热保温涂料6。凸模固定板一侧有若干带有螺纹的螺丝孔，以方便通过螺钉固定凸模2、11。凹模固定板5的结构与凸模固定板1的结构相对应。

凸模冷却镶块2内设有冷却水道3，冷却水道3通过连接水管连接。为了保证模具表面温度尽可能均匀，在凸模冷却镶块内部设置有多个进水孔和多个出水孔，冷却水道3一侧为进水孔，一侧为出水孔，进水孔通过水管与水泵相连，出水孔与冷却水回收设备相连。凸模冷却镶块设有若干个与凸模固定板1相对应的直径2.5mm的直孔，直孔下端距离凸模面距离为2mm，热电偶感应端探测此处凸模2的温度，并将温度信息发送至温度控制系统。安放多个热电偶，可以监控多个区域的凸模2温度情况。凹模冷却镶块4的结构与凸模冷却镶块2的结构相对应。

凹模上设置有4个定位销10，定位销10顶部为球形，定位销10可以向凹模5内部自由伸缩，防止加热钢板与凹模5过早接触而导致的温度下降。

凸模加热镶块11设有若干个电加热管，所选用加热管为圆柱形，其孔径比模具上需要加热的孔径小0.1mm，所采用的加热管为单头电加热管，根据模具所需加热温度来确定加热管的功率。凹模加热镶块9的结构与11相对应。

热电偶与温度控制系统相连，温控器可根据测量值与设定值(目标值)之差经过比较(运算)后输出控制指令改变控制器继电器的通断；控制器的调节方式采用PID控制。

以图8所示的某U型梁为例，该梁前端部分承担冲击载荷，要求必须有足够的吸能性；后端部分与驾驶室相连，要求必须有足够的刚性。根据本实用新型的原理，前端部分必须在一定的保温条件下成形，确保冷却速度足够慢；后端部分必须满足一定的传热条件，确保冷却速度足够快。由于本实用新型提出了五种凸、凹模组合方式，即(一)整体式钢制凸模，其中分为加热区和冷却区；(二)镶块式钢制凸模，其中分为加热镶块、冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间采用一层特殊陶瓷隔热；(三)镶块式钢制凸模，其中分为加热镶块、冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间采用一定距离的间隙隔热；(四)镶块式凸模，其中分为陶瓷镶块、钢制的冷却镶块；(五)镶块式凸模，其中分为陶瓷加热镶块、钢制的冷却镶块。凹模的组合方式与之对应。在相同条件下，组合(一)加热区的冷却速度最快，冷却区的冷却速度最慢；组合(五)加热区的冷却速度最慢，冷却区的冷却速度最快。五种组合方式中，保温镶块的保温性能从组合方式(一)到(五)逐渐提高。组合方式根据实际生产零件需要进行选择。

其中后两种相对前三种来说，具有更好的保温性能。因此本实例采用五种凸、凹模组合方式中的前三种来进行对照验证，从而阐明该工艺的实施方式，并证明实用新型的有效性。

将电加热棒通电，依靠温度控制系统采集热电偶的温度信息，进而控制继电器的通断，从而获得需要的模具温度400℃。在此温度下保温5分钟，确保模具各处的温度均匀分布。同时开启供水系统，确保冷却水道水流平稳。热电偶定时采集温度信息，确保模具各处温度达标。将可淬火超高强钢板加热到930～950℃并保温5分钟充分奥氏体化，之后将加热超高强钢板从加热炉中取出并放置于定位销之上，凸模下行至下死点，保温10s，在此过程钢板与选用的凸、凹模组合进行热处理。保温完毕，凸、凹模分离，取出成形零件后自然冷却至室温。

三种凸、凹模组合方式下钢板在过渡区附近沿纵向温度分布曲线如图9所示。可见三种组合方式中组合方式(三)采用间隙隔热保温效果最好，冷却速度最慢。

根据有关研究文献，钢板在不同模具加热温度下的冷却曲线如图10所示。可见，模温在360℃及以上，对应钢板冷却速度25℃/s，可以确保进入贝氏体转变区域，屈服强度可达500～550MPa，抗拉强度可达600～700MPa，可满足U型梁碰撞吸能的实际需要。带有冷却水道的凸模冷却镶块温度保持在50℃以下，对应钢板冷却速度大于50℃/s，奥氏体完全转化为马氏体组织，屈服强度可达1000～1250MPa，抗拉强度达1500～1750MPa，完全满足U型梁防碰撞变形的需要。图11为钢板进入贝氏体转变区后生成的组织形貌，图12为钢板进入马氏体转变区后生成的组织形貌，微观组织形貌验证了所表现出的宏观力学性能。

Claims (9)

1.一种超高强钢高温拼接淬火成形装置，包括凸模和凹模，凸模由凸模固定板固定，凹模由凹模固定板固定，凸模固定板和凹模固定板分别与上模架、下模架相连接，上下模架由导柱导套导向；所述凸模和凹模均至少由一块镶块组成，凸模与凸模固定板之间、凹模与凹模固定板之间分别设有一层耐高温隔热保温涂层；所述凸模和凹模上分别设有测温元件，测温元件与温度控制系统相连。

2.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模均为由加热区和冷却区组成的整体式钢制结构。

3.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模均为镶块式钢制结构，其包括加热镶块和冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间有隔热间隙。

4.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模均为镶块式钢制结构，其包括加热镶块和冷却镶块，加热镶块和冷却镶块之间有隔热的陶瓷。

5.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模均为镶块式结构，其由陶瓷镶块和钢制冷却镶块组合而成。

6.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模均为镶块式结构，其由陶瓷加热镶块和钢制冷却镶块组合而成。

7.如权利要求1-6中任一项所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凸模固定板之间、凹模和凹模固定板之间均通过燕尾槽结构相配合，凸模和凸模固定板之间、凹模和凹模固定板之间均通过侧面的螺钉紧固。

8.如权利要求7所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凹模面安装有顶部为半球形的定位螺钉。

9.如权利要求1所述的超高强钢高温拼接淬火成形装置，其特征是，所述凸模和凹模中设有冷却水通道，冷却通道上安装有冷却水进出口接头，冷却水进出口接头连接供水管及水泵；所述凸模和凹模中设有加热管，所述加热管与温度控制系统的温控器相连。 

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