CN111069331A - 一种超高强度钢的形性梯度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强度钢的形性梯度控制装置，包括传送架，传送架上从输入端到输出端之间依次设置第一加热炉、轧制装置和第二加热炉；传送架的输出端与冲压装置连接；冲压装置包括相匹配的上凸模和下凹模，下凹模面对面设置的侧面上安装伸缩装置，伸缩装置的输出端连接边辊轨道；上凸模和所述下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。还公开一种超高强度钢的形性梯度控制方法，包括以下步骤：预加热、变厚度在线轧制、奥体化及同步定型去应力、热冲压及分区淬火。有效实现超高强度钢板材刚度、强度、韧性梯度的同步控制，使得钢板材的形性具有梯度，在保证刚度设计要求的同时实现轻量化。

Description

一种超高强度钢的形性梯度控制装置及方法

技术领域

本发明属于热冲压成形技术领域，具体涉及一种超高强度钢的形性梯度控制装置及方法。

背景技术

汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，也是高新技术的最大载体。在保证安全性能的前提下，通过在车身中引入轻量化材料结构件，能够降低车身质量，提高燃油率，降低车辆的维护成本。

超高强度钢是一种超高抗拉强度(1380Mpa级以上)，组织为马氏体的一种钢种，因其成本低廉，抗拉强度高，减重效益明显，近年来愈加受到汽车工业的青睐。超高强度钢板一般采用热成形技术制造，该技术是将超高强度钢板料将其加热至奥氏体化，再通过机械手等设备将其送入具有冷却水道的热冲压模具中进行冲压及保压淬火，形成具有高强度和高精度的热冲压零件。

中国发明专利CN201510096852.X，《一种高强度钢材零部件性能梯度化分布的热冲压方法》提出了两次加热和淬火冷却的方法，获得力学性能不同的热冲压成形件。该工艺的缺点工艺相对较为复杂，生产效率较低，不适合规模化的生产。中国发明专利CN201410110908.8，《一种高强钢热冲压成形零件加工的方法》提出了对于热冲压成形后性能均一的零件，对其进行局部的回火或退火处理，利用板料的热传导实现回火或退火温度的梯度化变化，实现性能的梯度化变化。该工艺需要特殊设计感应加热线圈，且淬火加热过程中零件会发生形变。

目前，超高强度钢的热成形一般是制造同等壁厚的钢板，而且实现的性能梯度也是均质的，随着汽车轻量化设计的不断推进，设计研发刚度、强度梯度变化的超高强度钢零件的需求愈来愈强。而通过热处理只能改变强度问题，刚度问题无法解决，需采用截面变形的方法对其刚度进行设计。而目前，强度、刚度梯度变化的热冲压技术还尚未有公开的研究报道。

发明内容

本发明提供了一种超高强度钢的形性梯度控制装置及方法，解决了热冲压技术中形性梯度变化的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超高强度钢的形性梯度控制装置，包括传送架，沿传送架长度方向间隔设置有传送辊，所述传送架上从输入端到输出端之间依次设置第一加热炉、轧制装置和第二加热炉；所述传送架的输出端与冲压装置连接；所述冲压装置包括相匹配的上凸模和下凹模，下凹模面对面设置的侧面上安装伸缩装置，伸缩装置的输出端连接边辊轨道；所述上凸模和所述下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。

进一步地，所述第二加热炉内设有若干组定型辊。起到了使板材在定型条件下去除残余应力的作用。

进一步地，所述下凹模面对面设置的侧面上分别安装连接板，连接板上设有伸缩装置。

进一步地，所述伸缩装置包括与所述连接板固定连接的L型支架，L型支架上连接液压缸或气压缸。

进一步地，所述传送架的输出端与所述边辊轨道的输入端通过一组引导板连接。

进一步地，所述边辊轨道为侧U型，侧U型边辊轨道的内底面上铺设输送辊。

进一步地，所述下凹模顶表面上设有定位销，定位销用于限位待冲压的超高强度钢板材。

一种超高强度钢的形性梯度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉内，在氮气保护下进行预加热并保温一段时间；

将预加热后的超高强度钢板材移出第一加热炉，并进行变厚度在线轧制，使超高强度钢板材的厚度具有梯度化；

将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉内，在氮气保护下继续加热并保温一段时间，使其奥氏体化；

将奥氏体化的红热板材快速转移至冲压装置的待冲压位置，进行冲压及分区淬火。

进一步地，所述第一加热炉内的加热温度为720～760℃，保温时间为t＝d×n；第二加热炉内的加热温度为910～940℃，保温时间为t＝d×m；式中：d为板材厚度，单位为mm；t为保温时间，单位为s；n和m均为常数，n的取值为60～65，m的取值为100～110。

进一步地，所述第二加热炉内设有若干组定型辊；所述冲压装置的上凸模和下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。

本发明所达到的有益效果：

1、基于热成形过程的变厚度在线轧制、奥氏体化同步定型去应力和分区淬火调控马氏体含量的工艺控制，有效实现超高强度钢刚度、强度、韧性梯度的同步控制，为汽车安全件的优化设计提供了解决方案。

2、采用边辊轨道代替机械臂将奥氏体化的红热板材快速转移到冲压装置的待冲压位置。通过边辊轨道的输送速度、边辊轨道在伸缩装置带动下的快速撤出的相互配合，缩短了板材转移时间，避免了转移时板材温度的耗散，也降低了板材表面氧化，可有效降低初始加热温度，提高成形效率和质量。

3、冲压装置的上凸模和下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。在冲压淬火过程中，实现降温速度的精准反馈，从而准确的调节每个冷却水道的冷却速率，获得强度梯度的超高强度钢，满足汽车的轻量化要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明边辊轨道及伸缩装置的示意图；

图3为本发明上凸模和下凹模的示意图。

图中：1-超高强度钢板材；2-机械手；3-传送架；4-第一加热炉；5-轧制装置；6-第二加热炉；7-边辊轨道；8-冲压装置；9-伸缩装置；10-连接板，11-引导板；12-液压缸/气压缸；13-下凹模；14-定位销；15-上凸模；16-热电偶；17-冷却水道；18-L型支架；19-输送辊。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制装置，包括传送架3，沿传送架3长度方向间隔设置有传送辊，待加工板材可在传送架3上移动。传送架3上从输入端到输出端之间依次设置第一加热炉4、轧制装置5和第二加热炉6，传送架3的输出端与冲压装置8通过边辊轨道7连接。第一加热炉4用于对超高强度钢板材1进行预加热；轧制装置5用于将预加热后的板材变厚度在线轧制；第二加热炉6用于将轧制后的板材奥氏体化及同步定型去应力；冲压装置8用于对奥氏体化的红热板材进行冲压及分区淬火。本实施例中，第二加热炉6内设有若干组定型辊，起到了使板材能够在定型条件下去除残余应力的作用。基于热成形过程的变厚度在线轧制、奥氏体化同步定型去应力和分区淬火调控马氏体含量的工艺控制，有效实现超高强度钢刚度、强度、韧性梯度的同步控制，为汽车安全件的优化设计提供了解决方案。

如图3所示，冲压装置8包括相匹配的上凸模15和下凹模13，上凸模15和下凹模13的内部均匀布设若干冷却水道17，每个冷却水道17单独控制，且每个冷却水道7均受热电偶16监控温度。热电偶16通过集成控制器反馈，实现降温速度的精准反馈，从而准确的调节每个冷却水道17的冷却速率，有效完成冲压及淬火，获得强度梯度的超高强度钢。传送架3的输出端与冲压装置8的下凹模13通过一组引导板11连接。本实施例中，上凸模15和下凹模13的内部均布设9个冷却水道17。

下凹模13面对面设置的侧面上安装伸缩装置9，伸缩装置9的输出端连接边辊轨道7，边辊轨道7的长度大于下凹模13的长度，伸缩装置9能够控制该组边辊轨道7相互靠近或相互远离。具体为，下凹模13面对面设置的侧面上分别安装连接板10，如图2所示，连接板10上设有伸缩装置9，伸缩装置9包括与连接板固定连接的L型支架18，L型支架18上连接液压缸或气压缸12，液压缸或气压缸12的输出端与边辊轨道7连接。本实施例中，边辊轨道7为侧U型，侧U型边辊轨道的内底面上铺设输送辊19。采用边辊轨道7代替机械臂将奥氏体化的红热板材快速转移到冲压装置8的待冲压位置。通过边辊轨道7的输送速度、边辊轨道7在伸缩装置9带动下的快速撤出的相互配合，缩短了板材转移时间，避免了转移时板材温度的耗散，也降低了板材表面氧化，可有效降低初始加热温度，提高成形效率和质量。

下凹模13顶表面上设有可压缩定位销14，定位销14用于限位待冲压的超高强度钢板材1，利用光感应或位置感应，当边辊轨道7快速转移红热的板材至冲压装置8内时，定位销14立即作用，使板材能够精准进入待冲压区域，保证了冲压的准确率。边辊轨道7的前半程和后半程辊轮分别正、反转进行分区控制，边辊轨道7从初始速度匀速降为0m/s；且反转输送辊为阻尼材料支撑，使板材迅速停止在定位销处，消除了板材的撞击带来的损坏。

实施例2

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制方法，包括以下步骤：

将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉内，在氮气保护下进行预加热，加热温度为720～760℃，并保温一段时间；保温时间为t，t＝d×n；式中：d为板材厚度，单位为mm；t的单位为s；n为常数，n的取值为60～65。

将预加热后的超高强度钢板材移出第一加热炉，并进行在线轧制，使超高强度钢板材的厚度具有梯度化。

将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉内，在氮气保护下继续加热，加热温度为910～940℃，并保温一段时间，使其奥氏体化；保温时间为t，t＝d×m；式中：d为板材厚度，单位为mm；t的单位为s；m为常数，m的取值为100～110。第二加热炉内设有若干组定型辊，使板材能够在定型条件下去除残余应力。

将奥氏体化的红热板材通过边辊轨道快速转移至冲压装置的待冲压位置，进行冲压及分区淬火。

实施例3

本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制方法，具体包括以下步骤：

1)预加热：将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉内，在氮气保护下预加热至720～760℃；并保温一段时间，t＝d×n；式中：d为板材厚度，单位为mm；t的单位为s；n为常数，n的取值为60～65。

2)变厚度在线轧制：将超高强度钢板材从第一加热炉中通过传送辊移动出来，进行在线轧制，使其厚度具有梯度化；变厚度在线轧制的部分区域变形量控制在30％～50％，同时减薄区域不超过30％。

3)奥氏体化及同步定型去应力：将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉内，在氮气保护下继续加热，加热温度为910～940℃，并保温一段时间，使其奥氏体化；保温时间为t，t＝d×m；式中：d为板材厚度，单位为mm；t的单位为s；m为常数，m的取值为100～110。第二加热炉内设有若干组定型辊，使板材奥氏体化的同时，在保持几何形状的条件下去除残余应力。

4)转移：用边辊轨道快速转移红热的板材至冲压装置的待冲压位置；由下辊输送变成边辊输送。边辊轨道从初始速度0.5m/s匀速降为0m/s。

5)冲压及分区淬火：在已奥氏体化的板材在热冲压装置中的定位完成时，通过液压缸/气压缸将边辊轨道移除(即该组边辊轨道相互远离)，且移除速度≤0.5m/s；实现冲压装置中上凸模和下凹模的闭合和分离。上凸模下压，闭合模具进行热冲压操作；在保持凸模压力的同时，上凸模和下凹模通过冷却水道进行冷却速率的调节，实现分区淬火，获得梯度的组织性能。冷却速率为10℃/s～50℃/s。

6)堆垛：当冲压及分区淬火结束后，由液压缸/气压缸控制该组边辊轨道相互靠近，继续输送超高强度钢板材进行堆垛处理。

实施例4

本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制方法，具体包括以下步骤：

1)冲裁：选择2mm厚的22MnB5超高强度钢板材，将其冲裁1000mm×500mm；

2)预加热：将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉中，在氮气保护下预加热至720℃，并保温120s；

3)变厚度在线轧制：将超高强度钢板材从第一加热炉中通过传送辊移动出来，进行在线轧制，使板材距离边缘宽度10mm内的厚度为1.2mm；

4)奥氏体化及同步定型去应力：将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉中，通过炉内定型辊对板材定型，并在氮气保护下加热至920℃；并保温200s；

5)转移：利用边辊轨道快速转移红热的板材至冲压装置的待冲压位置，即由下辊输送变成边辊输送，转移过程中边辊轨道从初始速度0.5m/s匀速降为0m/s。

6)冲压及分区淬火：在已奥氏体化的板材在热冲压装置中的定位完成时，通过液压缸将边辊轨道移除(即该组边辊轨道相互远离)，且移除速度为0.2m/s；实现冲压装置中上凸模和下凹模的闭合和分离。上凸模下压，闭合模具进行热冲压操作；在保持凸模压力的同时，上凸模和下凹模通过冷却水道进行冷却速率的调节，使超高强度钢在边缘宽度10mm以内的冷却速率为15℃/s、中心区域的冷却速率为40℃/s，实现分区淬火，获得同一板材强度梯度化。

7)当冲压及分区淬火结束后，由液压缸/气压缸控制该组边辊轨道相互靠近，继续输送超高强度钢板材进行堆垛处理。

实施例5

本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制方法，具体包括以下步骤：

1)冲裁：选择3mm厚的27MnCrB5超高强度钢板材，将其冲裁1200mm×700mm；

2)预加热：将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉中，在氮气保护下预加热至740℃，并保温180s；

3)变厚度在线轧制：将超高强度钢板材从第一加热炉中通过传送辊移动出来，进行在线轧制，使板材中心区域宽度100mm以内减薄至1.5mm；

4)奥氏体化及同步定型去应力：将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉中，通过炉内定型辊对板材定型，并在氮气保护下加热至930℃；并保温330s；

5)转移：利用边辊轨道快速转移红热的板材至冲压装置的待冲压位置，即由下辊输送变成边辊输送，转移过程中边辊轨道从初始速度0.5m/s匀速降为0m/s。

6)冲压及分区淬火：在已奥氏体化的板材在热冲压装置中的定位完成时，通过液压缸将边辊轨道移除(即该组边辊轨道相互远离)，且移除速度为0.4m/s；实现冲压装置中上凸模和下凹模的闭合和分离。上凸模下压，闭合模具进行热冲压操作；在保持凸模压力的同时，上凸模和下凹模通过冷却水道进行冷却速率的调节，使超高强度钢在中心区域的200mm以内的冷却速率为50℃/s，边缘的冷却速率为15℃/s，实现分区淬火，获得同一板材强度梯度化。

7)当冲压及分区淬火结束后，由液压缸/气压缸控制该组边辊轨道相互靠近，继续输送超高强度钢板材进行堆垛处理。

实施例6

本发明实施例中提供了一种超高强度钢的形性梯度控制方法，具体包括以下步骤：

1)冲裁：选择1.5mm厚的37MnB4超高强度钢板材，将其冲裁1400mm×500mm；

2)预加热：将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉中，在氮气保护下预加热至760℃，并保温90s；

3)变厚度在线轧制：将超高强度钢板材从第一加热炉中通过传送辊移动出来，进行在线轧制，使板材距离边部宽度20mm以内减薄至1mm；

4)奥氏体化及同步定型去应力：将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉中，通过炉内定型辊对板材定型，并在氮气保护下加热至940℃；并保温165s；

5)转移：利用边辊轨道快速转移红热的板材至冲压装置的待冲压位置，即由下辊输送变成边辊输送，转移过程中边辊轨道从初始速度0.5m/s匀速降为0m/s。

6)冲压及分区淬火：在已奥氏体化的板材在热冲压装置中的定位完成时，通过气压缸将边辊轨道移除(即该组边辊轨道相互远离)，且移除速度为0.5m/s；实现冲压装置中上凸模和下凹模的闭合和分离。上凸模下压，闭合模具进行热冲压操作；在保持凸模压力的同时，上凸模和下凹模通过冷却水道进行冷却速率的调节，使超高强度钢在距离边部宽度20mm以内的冷却速率为60℃/s，边缘的冷却速率为20℃/s，实现分区淬火，获得同一板材强度梯度化。

7)当冲压及分区淬火结束后，由液压缸/气压缸控制该组边辊轨道相互靠近，继续输送超高强度钢板材进行堆垛处理。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高强度钢的形性梯度控制装置，包括传送架，沿传送架长度方向间隔设置有传送辊，其特征在于，所述传送架上从输入端到输出端之间依次设置第一加热炉、轧制装置和第二加热炉；

所述传送架的输出端通过边辊轨道与冲压装置连接；

所述冲压装置包括相匹配的上凸模和下凹模，下凹模面对面设置的侧面上安装伸缩装置，伸缩装置的输出端连接边辊轨道；

所述上凸模和所述下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。

2.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述第二加热炉内设有若干组定型辊。

3.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述下凹模面对面设置的侧面上分别安装连接板，连接板上设有伸缩装置。

4.根据权利要求3所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述伸缩装置包括与所述连接板固定连接的L型支架，L型支架上连接液压缸或气压缸。

5.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述传送架的输出端与所述边辊轨道的输入端通过一组引导板连接。

6.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述边辊轨道为侧U型，侧U型边辊轨道的内底面上铺设输送辊。

7.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的形性梯度控制装置，其特征在于，所述下凹模顶表面上设有定位销，定位销用于限位待冲压的超高强度钢板材。

8.一种超高强度钢的形性梯度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将冲裁好的超高强度钢板材移至第一加热炉内，在氮气保护下进行预加热并保温一段时间；

将预加热后的超高强度钢板材移出第一加热炉，并进行变厚度在线轧制，使超高强度钢板材的厚度具有梯度化；

将轧制后的超高强度钢板材移至第二加热炉内，在氮气保护下继续加热并保温一段时间，使其奥氏体化；

将奥氏体化的红热板材通过边辊轨道快速转移至冲压装置的待冲压位置，进行冲压及分区淬火。

9.根据权利要求8所述的一种超高强度钢的形性梯度控制方法，其特征在于，所述第一加热炉内的加热温度为720~760℃，保温时间为t=d×n；第二加热炉内的加热温度为910~940℃，保温时间为t=d×m；式中：d为板材厚度，单位为mm；t为保温时间，单位为s；n和m均为常数，n的取值为60~65，m的取值为100~110。

10.根据权利要求8所述的一种超高强度钢的形性梯度控制方法，其特征在于，所述第二加热炉内设有若干组定型辊；所述冲压装置的上凸模和下凹模的内部均匀布设若干冷却水道，每个冷却水道单独控制，且每个冷却水道均受热电偶监控温度。

Images