CN103233109A

CN103233109A - 高强钢热成形塑性分布控制方法及其装置

Info

Publication number: CN103233109A
Application number: CN2013101754016A
Authority: CN
Inventors: 张宜生; 王子键; 龙安; 葛锐; 陈寅; 祝洪川; 周少云; 雷泽红; 吴青松
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103233109B

Abstract

本发明所设计的一种高强钢热成形塑性分布控制方法及其装置，该方法包括步骤1：将模具的加热区加热到指定温度；步骤2：将坯料置于加热炉中加热使坯料奥氏体化；步骤3：将坯料从加热炉中取出，根据实际需要将坯料的一部分置于模具的加热区，坯料的另一部分置于模具的冷却区；步骤4：压力机向下运动，带动模具合拢，使模具内的坯料成型。该装置由下模座板、下耐压隔热板、下模加热区镶块、下模冷却区镶块、上模加热区镶块、上模冷却区镶块、加热棒孔穴、可控硅、控制器、热电偶和加热棒构成。本发明能使高强度钢板在不同区域获得不同强度和塑性。

Description

高强钢热成形塑性分布控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体地指一种高强钢热成形塑性分布控制方法及其装置。

技术背景

近年来，随着对汽车轻量化、节能减排和安全性的要求日益提高，超高强度钢越来越多的被用于车体的重要结构件和安全零部件的制造，如A柱、B柱和防撞梁等。由于高强度钢板冷冲压成形后的强度可达1300～1700MPa，所需的成形载荷大，成形后零件的回弹难以控制，导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此，使用高强度钢板来成型汽车安全件时，普遍采用热成形方法。

在汽车安全件应用中，零件力学性能需要与车身安全需求相匹配，不同区域需要不同的强度来满足整体安全性需求，即有些区域需要高强度，而有些区域需要高塑性来吸收碰撞能量。此外，通过控制强度分布还可以降低零件的切边以及打孔难度。

为满足在局部区域实现高强度或高塑性的需求，目前已经有拼焊板(TWB)和特殊轧制的连续变截面薄板(TRB)两种技术。拼焊板即将不同成分不同性能的钢板通过激光拼焊在一起，但拼焊板毛坯加工成本高，焊缝位置难以确定，冲压工艺中焊缝处成形极限难以确定。连续变截面薄板技术即差厚板技术，通过轧制得到厚度不一的板材，但同一规格(轧制成分、力学性能和宽度相同)的小批量连续变截面轧板生产成本高，而且难以实现曲线拼接、三维拼接和扩宽拼接。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高强钢热成形塑性分布控制方法及其装置，该装置和方法能使高强度钢板实现在不同区域获得不同强度和塑性。

为实现此目的，本发明所设计的高强钢热成形塑性分布控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将模具的加热区加热到指定温度；

步骤2：将坯料置于加热炉中加热使坯料奥氏体化，并将坯料保温4~6分钟；

步骤3：将坯料从加热炉中取出，同时在2～4秒内将坯料移至模具上，根据实际需要将坯料的一部分置于模具的加热区，坯料的另一部分置于模具的冷却区；

步骤4：压力机向下运动，带动模具合拢，使模具内的坯料成型，位于模具加热区内的成型坯料保压淬火10～20秒；位于模具冷却区内的成型坯料冷却到马氏体转变温度，得到完全的马氏体组织；与模具加热区接触的成型坯料区域受温度差的影响，冷却速率明显低于与模具冷却区接触的成型坯料区域，因此最后的到为混合组织，强度下降塑性提高。

进一步地，所述步骤2中，坯料奥氏体化温度为900～950℃。

进一步地，所述步骤4中，位于模具冷却区内的成型坯料冷却到马氏体转变温度的冷却速率为50℃/s～100℃/s。

进一步地，所述步骤1中的指定温度为30～450℃。

一种高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：它包括可控硅、控制器、热电偶、下模座板、加热棒、铺设在下模座板上的下耐压隔热板、并排设置在下耐压隔热板上的下模加热区镶块和下模冷却区镶块、与下模加热区镶块匹配的上模加热区镶块、与下模冷却区镶块匹配的上模冷却区镶块，其中，所述下模加热区镶块内开设有沿宽度方向贯穿下模加热区镶块的多个加热棒孔穴，所述上模加热区镶块内也开设有沿宽度方向贯穿上模加热区镶块的多个加热棒孔穴，上述加热棒孔穴内设有加热棒，所述下模加热区镶块或上模加热区镶块侧壁的上部设置热电偶，所述每个加热棒均连接可控硅的控制信号输出端，可控硅的控制信号输入端连接控制器的信号输出端，控制器的信号输入端连接热电偶。

进一步地，所述下模座板上设有板料限位杆，所述板料限位杆位于下模加热区镶块的一侧。

进一步地，所述下模座板的四个角分别设置有导柱，所述每个导柱外设有导套。

进一步地，所述下模冷却区镶块设有贯通下模冷却区镶块宽度方向的冷却水道。

进一步地，所述下模座板和下耐压隔热板上均开设有对应的下模冷却区镶块安装长孔，所述下模冷却区镶块通过螺栓安装在下模冷却区镶块安装长孔上。

更进一步地，它还包括上耐压隔热板，所述上模加热区镶块和上模冷却区镶块并排设置在上耐压隔热板上，所述上耐压隔热板上开设有上模冷却区镶块安装长孔，所述上模冷却区镶块通过螺栓安装在上模冷却区镶块安装长孔上。

本发明的设计原理为：利用分块的模具来实现冷却速率的控制，模具包括加热区和冷却区，加热区模具通过加热装置加热到指定温度，减小模具与接触零件区域的温度差，从而降低该区域的零件冷却速率，得到非完全的马氏体组织，实现组织的软化。同时，针对过渡区对零件整体力学性能的影响，设计了可活动式的冷却区，使得加热区和冷却区模具间隙可以调整。

本发明通过控制模具温度，实现在不同区域具有不同的冷却速率，进而得到强塑性合的板坯。本发明相比传统的差厚板生产方法和拼焊板生产方法，能实现一步成形得到不同强塑性分布的高强钢热成形零件，省去了前处理或者后处理工艺。另外，本发明除了能一步实现强塑性梯度分布的目的外，还能通过调整下模加热区镶块与下模冷却区镶块之间的间距来调节过渡区域的大小，通过合理控制下模加热区镶块与下模冷却区镶块之间的间距和温度参数，最大限度来改善过渡区这一薄弱区域的力学性能。

附图说明

图1为本发明装置的机械部分结构示意图；

图2为本发明装置的电路部分结构示意图；

图3为本发明装置中下耐压隔热板的结构示意图；

图4为本发明装置中上耐压隔热板的结构示意图；

图5为本发明装置中下模座板的结构示意图；

其中，1—下模座板、2—下耐压隔热板、3—板料限位杆、4—下模加热区镶块、5—下模冷却区镶块、6—导柱、7—导套、8—螺栓、9—上模加热区镶块、10—上模冷却区镶块、11—加热棒孔穴、12—可控硅、13—控制器、14—热电偶、15—加热棒、16—下模冷却区镶块安装长孔、17—上耐压隔热板，18—上模冷却区镶块安装长孔、19—冷却水道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1~5所示的高强钢热成形塑性分布控制装置，包括可控硅12、控制器13、热电偶14、下模座板1、加热棒15、铺设在下模座板1上的下耐压隔热板2、并排设置在下耐压隔热板2上的下模加热区镶块4和下模冷却区镶块5、与下模加热区镶块4匹配的上模加热区镶块9、与下模冷却区镶块5匹配的上模冷却区镶块10，其中，下模加热区镶块4内开设有沿宽度方向贯穿下模加热区镶块4的多个加热棒孔穴11，上模加热区镶块9内也开设有沿宽度方向贯穿上模加热区镶块9的多个加热棒孔穴11，上述加热棒孔穴11内设有加热棒15，下模加热区镶块4或上模加热区镶块9侧壁的上部设置热电偶14，每个加热棒15均连接可控硅12的控制信号输出端，可控硅12的控制信号输入端连接控制器13的信号输出端，控制器13的信号输入端连接热电偶14。

上述技术方案中，可控硅12通过比例、积分、微分控制（PID控制）使加热棒15达到指定温度，热电偶14为K形热电偶，焊接于距模具型面1～3mm的侧壁上。

上述技术方案中，下模座板1上设有板料限位杆3，该板料限位杆3保证板料在每次冲压时在模具内位置固定不变，板料限位杆3位于下模加热区镶块4的一侧。

上述技术方案中，下模座板1的四个角分别设置有导柱6，每个导柱6外设有导套7。导柱6和导套7对压力机的上下运动方向进行限位，从而保证模具在冲压方向上垂直上下运动。

上述技术方案中，下模冷却区镶块5设有贯通下模冷却区镶块5宽度方向的冷却水道19。少量生产时，冷却区模具通过自然冷却能使钢板达到马氏体转变的冷却速率；如果是连续生产（即大量生产时）模具温度会升高，则冷却区模具需要在冷却水道19中通入冷却水来使模具维持在室温水平。

上述技术方案中，下模座板1和下耐压隔热板2上均开设有对应的下模冷却区镶块安装长孔16，下模冷却区镶块5通过螺栓8安装在下模冷却区镶块安装长孔16上。它还包括上耐压隔热板17，上模加热区镶块9和上模冷却区镶块10并排设置在上耐压隔热板17上，上耐压隔热板17上开设有上模冷却区镶块安装长孔18，上模冷却区镶块10通过螺栓8安装在上模冷却区镶块安装长孔18上。上述设计可以通过移动冷却区模具来改变与加热区模具的间隙值，从而达到从整体上调控零件强塑性的目的，特别是过渡区域的组织性能。

上述技术方案中，耐压隔热板有很好的隔热效果，而且能承受较大的机械压力，防止在成形过程中因压力过大使得隔热板被压碎。

本发明的高强钢热成形塑性分布控制装置工作时，加热棒15对模具加热区进行加热，焊接在模具上的热电偶14将模具表面的温度反馈到控制器，通过可控硅来调节加热棒功率，使模具加热到指定温度。

试验研究表明，通过温度管理来实现零件强塑性分布控制的方法得到的零件在过渡区域的力学性能最差，因此必须通过优化间隙值来提高过渡区域的力学性能，移动上模冷却区镶块10和下模冷却区镶块5来调整过渡区域的间隙值，间隙值的调节范围是0～10mm。

上述高强钢热成形塑性分布控制装置进行塑性分布控制的方法，包括如下步骤：

步骤1：将模具的加热区加热到指定温度；

步骤2：将坯料置于加热炉中加热使坯料奥氏体化，并将坯料保温4~6分钟，优选为5分钟；

上述技术方案的步骤2中，坯料奥氏体化温度为900～950℃。

上述技术方案的步骤4中，位于模具冷却区内的成型坯料冷却到马氏体转变温度的冷却速率为50℃/s～100℃/s 。

上述技术方案的步骤1中的指定温度为30～450℃。该温度根据需要的零件局部强度确定，局部强度高的零件对应较低的模具的加热区温度，局部强度低的零件对应较高的模具的加热区温度。

说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种高强钢热成形塑性分布控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将模具的加热区加热到指定温度；

2.根据权利要求1所述的高强钢热成形塑性分布控制方法，其特征在于：所述步骤2中，坯料奥氏体化温度为900～950℃。

3.根据权利要求1或2所述的高强钢热成形塑性分布控制方法，其特征在于：所述步骤4中，位于模具冷却区内的成型坯料冷却到马氏体转变温度的冷却速率为50℃/s～100℃/s 。

4.根据权利要求1或2所述的高强钢热成形塑性分布控制方法，其特征在于：所述步骤1中的指定温度为30～450℃。

5.一种高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：它包括可控硅（12）、控制器（13）、热电偶（14）、下模座板（1）、加热棒（15）、铺设在下模座板（1）上的下耐压隔热板（2）、并排设置在下耐压隔热板（2）上的下模加热区镶块（4）和下模冷却区镶块（5）、与下模加热区镶块（4）匹配的上模加热区镶块（9）、与下模冷却区镶块（5）匹配的上模冷却区镶块（10），其中，所述下模加热区镶块（4）内开设有沿宽度方向贯穿下模加热区镶块（4）的多个加热棒孔穴（11），所述上模加热区镶块（9）内也开设有沿宽度方向贯穿上模加热区镶块（9）的多个加热棒孔穴（11），上述加热棒孔穴（11）内设有加热棒（15），所述下模加热区镶块（4）或上模加热区镶块（9）侧壁的上部设置热电偶（14），所述每个加热棒（15）均连接可控硅（12）的控制信号输出端，可控硅（12）的控制信号输入端连接控制器（13）的信号输出端，控制器（13）的信号输入端连接热电偶（14）。

6.根据权利要求5所述的高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：所述下模座板（1）上设有板料限位杆（3），所述板料限位杆（3）位于下模加热区镶块（4）的一侧。

7.根据权利要求5或6所述的高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：所述下模座板（1）的四个角分别设置有导柱（6），所述每个导柱（6）外设有导套（7）。

8.根据权利要求5或6所述的高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：所述下模冷却区镶块（5）设有贯通下模冷却区镶块（5）宽度方向的冷却水道（19）。

9.根据权利要求5或6所述的高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：所述下模座板（1）和下耐压隔热板（2）上均开设有对应的下模冷却区镶块安装长孔（16），所述下模冷却区镶块（5）通过螺栓（8）安装在下模冷却区镶块安装长孔（16）上。

10.根据权利要求5或6所述的高强钢热成形塑性分布控制装置，其特征在于：它还包括上耐压隔热板（17），所述上模加热区镶块（9）和上模冷却区镶块（10）并排设置在上耐压隔热板（17）上，所述上耐压隔热板（17）上开设有上模冷却区镶块安装长孔（18），所述上模冷却区镶块（10）通过螺栓（8）安装在上模冷却区镶块安装长孔（18）上。