CN111014398A - 一种热冲压成型方法及预冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热冲压成型方法，包括如下步骤：加热过程，在加热过程中，高强度钢板被加热并保温，使整个钢板变成奥氏体组织；预冷却过程，在预冷却过程中，对加热过程后的钢板中的第一区域接触加压预冷却至预设温度范围；热冲压成型过程，在热冲压成型过程中，将预冷却过程后的钢板置于冲压模具中冲压成形，冷却淬火，保压至钢板的表面温度至预设范围时，将钢板从冲压模具中取出冷却至室温；使钢板中的第一区域变为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织，使第一区域外的钢板变为马氏体组织；本方法使热冲压件的不同部位具有不同的组织和强度，工艺简单、柔性可调。

Description

一种热冲压成型方法及预冷却装置

技术领域

本发明涉及金属塑性成形技术领域，具体涉及一种热冲压成型方法及预冷却装置。

背景技术

汽车轻量化可以有效降低汽车能耗，实现汽车轻量化的有效途径之一是在汽车结构件上更多的应用超高强度钢来替代普通钢材。超高强度钢的抗冲击性能较强，且能减轻车身自重，但是超高强度钢采用传统的冷冲压成形困难，材料塑性差，容易破裂，且成形后产生变形，产品精度差。

超高强度钢热冲压技术是解决上述难题的有效方法，它首先将板料加热到850~950℃，使之均匀奥氏体化，然后快速转移到带有冷却水道的热冲压模具中进行成形，并经保压淬火后，使奥氏体转变为马氏体，最终得到高强度的冲压件。热冲压成形技术不仅具有高强度的特点，而且在成形后产品精度高，因此超高强度钢热冲压技术在汽车制造领域具有极大的应用前景，目前已在一定产品上实现。

由于是通过钢材的马氏体相变获得高强度，导致高强钢热冲压件的塑性极大降低。目前世界各国热冲压生产线的产品，绝大部分为抗拉强度TS1500级超高强度构件。构件钢板基体组织为马氏体，其总伸长率TE仅为6%左右，而构件的强塑积PSE大都低于10GPa%。从汽车抗冲撞安全角度考虑，一旦冲击力超过屈服强度（YS1150MPa左右），构件就会发生脆性断裂。

针对热冲压超高强度钢构件的低塑性问题，长期以来采用激光拼焊板的方法，将韧性差的高强度板和韧性好的中强度板焊接到一起，满足构件强度和韧性的需求。但这种方法增加了焊接工序，同时构件的强韧性存在突变，易于造成突然失效。因此，如何在一块板材上实现强度和韧性的变化成为生产中的关键问题。

公开号CN102212742B的发明给出了一种强度柔性分布的热冲压成形汽车零件及其控制方法。提出了通过控制热冲压模具冷却水管入水口和出水口的应力，实现热冲压件不同位置冷却速度的变化，从而获得不同组织和性能的方法。但该方法对于热冲压件组织和性能分布的控制受到冷却水管分布的限制，而热冲压模具冷却系统的设计与加工需按照一定原则进行，冷却水孔的直径、数量、与模具表面距离等对冷却淬火效果有着直接影响，加工时也受到模具结构和冷却系统进出水的限制。因此，该方法获得的柔性分布是受限制的，与冷却系统的分布密切相关。同时，由于强度高、分布受限，后续的冲孔切边无法采用模具冷冲切，只能采用激光加工，导致生产率下降、成本上升。

公开号CN104438840B的发明给出了一种高强零件多工位热成形装置及热成形方法。提出了在上模架上装有可上升下降的活动加热部件、下模架上有固定加热部件，通过坯料局部快速导电加热实现了板坯在模具内部的区域加热，获得了热冲压件力学性能的功能化分布。但由于加热装置是设置在模具上，采用的坯料快速导电加热原理，使得板坯的温度分布呈中间高两边低的趋势，无法做到板坯温度的复杂分布。同时，在模内加热使得模具结构复杂、成本升高，降低了模具运行的可靠性；没有保护气氛加热，使得板坯容易氧化，热冲压件质量下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热冲压成型方法及预冷却装置，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种热冲压成型方法，包括如下步骤：

加热过程，在所述加热过程中，高强度钢板被加热并保温，使整个所述钢板变成奥氏体组织；

预冷却过程，在所述预冷却过程中，将加热过程后的高强度钢板置于预冷却装置上使所述高强度钢板中的第一区域接触加压预冷却至预设温度范围；

热冲压成型过程，在所述热冲压成型过程中，将所述预冷却过程后的所述钢板置于冲压模具中冲压成形，冷却淬火，保压至所述钢板的表面温度至预设范围时，将所述钢板从冲压模具中取出冷却至室温；使所述钢板中的所述第一区域变为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织，使所述第一区域外的所述钢板变为马氏体组织。

进一步地，在所述加热过程前还包括冷冲压预成型。

进一步地，还包括对热冲压成型后的钢板冲孔切边获取成品。

进一步地，所述加热过程中，将所述高强度钢板置入氮气保护的轨道式加热炉中，加热到930-950℃。

进一步地，所述加热过程中，所述高强度钢板加热并保温，所述保温的时间和所述高强度钢板的厚度呈线性关系。

进一步地，所述预冷却过程中，所述第一区域的预设温度范围为550-750℃。

进一步地，所述热冲压成型过程中，所述钢板的表面温度的预设范围为120-150℃。

进一步地，所述热冲压成型过程中，所述淬火速度为60~80℃/秒。

本发明还提供了一种预冷却装置，所述装置包括立柱、立柱固定套、座板和螺栓；

所述立柱固定套连接在所述座板的顶面，所述立柱固定套内连接有多个立柱，所述螺栓螺纹连接在所述座板上，且所述螺栓的顶端和所述立柱的底端相连接；

转动螺栓使多个所述立柱中的若干个立柱上升相同的高度，所述立柱的顶面形成第一接触区域，其余若干个立柱的顶面形成第二接触区域。

进一步地，所述座板的底面上还对称设有垫块。

根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：

1、通过热冲压成形前的预冷却，可以实现对钢板组织和强度的柔性控制，钢板中第一区域外的区域的高温保证该部位在热成形时有足够的塑性，变形不开裂；第一区域的较低温度使得该部位板材具有较高的抗力，第一区域外的区域在高温下抗力较低，因此可促使钢板第一区域外的区域的变形扩展；第一区域在冷却时相变动力不足，形成为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织，强度可控制在750-800MPa；第一区域外的区域冷却时有足够大的冷却速率，组织为板条马氏体，强度可达到1500MPa；本方法使热冲压件的不同部位具有不同的组织和强度，工艺简单、柔性可调。

2、冲孔切边可以采用模具冷冲切，钢板外边缘为第一区域，采用机械压力机对热冲压成形零件进行第一区域部位的切边、冲孔，减少了激光加工量，提高了切边效率，降低了生产成本；少量的第一区域外的区域的冲孔采用五轴激光加工中心进行。

3、预冷却装置可根据热冲压零件强度要求对装置进行柔性调节，控制钢板与冷却装置的接触，适合不同形状和尺寸的零件，装置具有广泛的适应性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式成型方法的工艺流程图；

图2为本发明具体实施方式冷却装置的示意图；

图3为本发明具体实施方式钢板预冷却的效果图；

其中：1、第二接触区域；2、第一接触区域；3、立柱；4、立柱固定套；5、座板；6、垫块；7、螺栓。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明公开了一种热冲压成形方法，包括以下步骤：

步骤1、下料：选择2mm厚的高强钢22MnB5钢板，采用模具冲裁下料到所需尺寸400mm×400mm。

步骤2、加热：将冲裁得到的高强度钢板，置入氮气保护的轨道式加热炉中，加热到950℃，保温100秒，使板材充分奥氏体化。保温时间根据板厚不同调节，1mm以下板保温40-60s，板厚每增加1mm，保温时间增加60-100s。

步骤3、板坯预冷却：根据热冲压成形需要，如图2所示，调节螺栓7，使热冲压零件中等强度要求区（第一区域）对应的钢板第一接触区域2处的系列立柱3上端面平齐，使热冲压零件高强度要求区（除第一区域外的区域）对应的钢板第二接触区域1处的系列立柱3上端面低于第一接触区域2处上端面5mm。将充分奥氏体化的温度均匀的钢板置于图2所示的装置上，接触加压预冷却，使中等强度要求区降温至650-720℃；对零件高强度要求的钢板区域不接触，使得钢板在热冲压前的温度根据变形需求不均匀分布，见图3，钢板中间4个独立区域温度较高，其周围温度较低。

步骤4、热冲压成形：将预冷却后温度不均匀分布的钢板置于带有冷却系统的热冲压模具中冲压成形，冷却淬火，保压10秒至钢板表面温度120-150℃时从模具中取出，在空气中冷却至室温。淬火速度70℃/秒左右，经淬火后高强度要求的区域为马氏体组织，中等强度区域为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织。

步骤5、冲孔切边：对热冲压成型后的钢板冲孔切边获取成品。

效果图如图3所示，本发明通过热冲压成形前的预冷却，可以实现对钢板组织和强度的柔性控制，钢板中第一区域外的区域的高温保证该部位在热成形时有足够的塑性，变形不开裂；第一区域的较低温度使得该部位板材具有较高的抗力，第一区域外的区域在高温下抗力较低，因此可促使钢板第一区域外的区域的变形扩展；第一区域在冷却时相变动力不足，形成为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织，强度可控制在750-800MPa；第一区域外的区域冷却时有足够大的冷却速率，组织为板条马氏体，强度可达到1500MPa；本方法使热冲压件的不同部位具有不同的组织和强度，工艺简单、柔性可调。

步骤1和步骤2之间还可包括冷冲压预成型过程，热冲压成型有两种，一种是平的板坯加热后直接放入模具进行热成形，另一种是平的板坯先放入模具进行冷冲压成型主要形状，随后加热至奥氏体，进行热成型。此时热成型的主要目的是让预成型后的产品进行充分的冷却淬火，获得完全的马氏体组织。和直接进行热成型相比，先进行冷冲压预成型的优点主要有两个方面：一是不用过多考虑热成型工艺时坯料的高温成型性能，只要保证完全冷却淬火；二是在冷冲压预成型完成后即可进行冷切边、冲孔等加工，因为板坯尚未进行淬火形成马氏体，板坯的强度较低。如果热成型后进行切边、冲孔，板坯过硬，需要采用激光加工。其缺点一方面是：进行冷冲压预成型后，板坯不再是平面形状，其加热面积、效果和加热方式受限制；另一方面是增加了一副冷冲压模具和设备，成本较高。

在本发明中，由于预冷却装置是柔性可调的，只要冷冲压预成型后的零件相应位置是平面，即可调整预冷却装置的对应位置高度。当冷冲压预成型后的零件相应位置是曲面时，也可以根据冷冲压预成型后的零件表面将预冷却装置表面加工成对应形状。

如图2所示，本发明还提供了一种预冷却装置，此装置用于上述钢板预冷却的过程中使用。装置包括立柱3、立柱固定套4、座板5、垫块6和螺栓7。立柱固定套4为方形框架结构，中间有一方形孔，方形孔用于安装立柱3。立柱固定套4内连接有100个立柱3。立柱3的底端和螺栓7连接。立柱固定套4通过螺栓连接在座板5上，立柱3底端的螺栓7贯穿座板5并和座板5螺纹连接。通过转动螺栓7可调节立柱3的高度。座板5的底面对称连接有两块垫块6。垫块6的设置，保证座板5的底面有一定空间，便于转动螺栓7。使用时，转动螺栓7，使立柱形成第一接触区域2和第二接触区域1。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种热冲压成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

加热过程，在所述加热过程中，高强度钢板被加热并保温，使整个所述钢板变成奥氏体组织；

预冷却过程，在所述预冷却过程中，将加热过程后的高强度钢板置于预冷却装置上使所述高强度钢板中的第一区域接触加压预冷却至预设温度范围，使所述第一区域变为过冷奥氏体和珠光体的混合组织；

热冲压成型过程，在所述热冲压成型过程中，将所述预冷却过程后的所述钢板置于冲压模具中冲压成形，冷却淬火，保压至所述钢板的表面温度至预设范围时，将所述钢板从冲压模具中取出冷却至室温；使所述钢板中的所述第一区域变为马氏体、贝氏体和珠光体的混合组织，使所述第一区域外的所述钢板变为马氏体组织。

2.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，在所述加热过程前还包括冷冲压预成型。

3.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，还包括对热冲压成型后的钢板冲孔切边获取成品。

4.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，所述加热过程中，将所述高强度钢板置入氮气保护的轨道式加热炉中，加热到930-950℃。

5.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，所述加热过程中，所述高强度钢板加热并保温，所述保温的时间和所述高强度钢板的厚度呈线性关系。

6.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，所述预冷却过程中，所述第一区域的预设温度范围为550-750℃。

7.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，所述热冲压成型过程中，所述钢板的表面温度的预设范围为120-150℃。

8.根据权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，所述热冲压成型过程中，所述淬火速度为60~80℃/秒。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的预冷却装置，其特征在于，所述装置包括立柱、立柱固定套、座板和螺栓；

所述立柱固定套连接在所述座板的顶面，所述立柱固定套内连接有多个立柱，所述螺栓螺纹连接在所述座板上，且所述螺栓的顶端和所述立柱的底端相连接；

转动螺栓使多个所述立柱中的若干个立柱上升相同的高度，所述立柱的顶面形成第一接触区域，其余若干个立柱的顶面形成第二接触区域。

10.根据权利要求9所述的预冷却装置，其特征在于，所述座板的底面上还对称设有垫块。

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