CN104174795A - 用于使毛坯热成型的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使毛坯(P)热成型的***，其具有至少一个加热装置(4)和至少一个压制装置(2)，所述压制装置被布置在所述至少一个加热装置(4)的下游，其中在压制装置(2)的下游提供至少一个再加热装置(6)，以用于通过热量至少部分地作用于在压制装置中成型的毛坯(P)上。

Description

用于使毛坯热成型的***和方法
技术领域
本发明涉及一种用于使毛坯热成型的***，以及一种用于使毛坯热成型的相应方法。
背景技术
金属板的热成型在部件的加工中，特别地用于车体，是一个相对新的发展趋势。在本申请的上下文中，被用于该情况中的金属板根据成型技术领域中所用的贸易语言也被称为“毛坯”。毛坯通常由相应地被切割成一定的尺寸、冲压、连接和/或预成型的金属板构成。然而，本发明的方法不仅能够用于相应地制备好的金属板，还能够用于所使用的原料。所以，本发明涉及所有工件和半成品，其能够例如通过压制和/或深冲压在相应的成型操作中被成形。
热成型使得能够自由回跳加工具有复杂几何形状的高强度部件，并且使得能够显著地降低例如其所生产的车体的重量，以及改进例如在相应车辆中的乘客的安全性。
由于对结构部件的强度和刚度有更严格的要求，特别是在车辆中，所以对于这些应用越来越多地使用高强度和超高强度的钢材。增加的强度可以降低车辆的重量，使得特别地，能够降低污染物的排放和燃油消耗。在当前的车型中，热成型部件的使用可以降低超过30kg的重量。
热成型方法本质上是成型和硬化技术的组合。相应钢材的使用，例如，例如锰硼钢可以获得高达1，500MPa的强度。在模压淬火方法中，例如，毛坯被加热到高于完全成奥氏体温度的温度，例如，高于850℃，随后毛坯在工具中被淬火。这样获得具有所需强度的所需马氏体结构。在工具中成型加工和淬火加工的组合有时也被称为模压淬火或成型硬化。
在用于汽车车体的超高强度材料的热成型中，例如，所谓的辊底式炉被用于预热毛坯。这种炉的加热通常借助于被电加热的辐射管或借助于气体燃烧器来实现。为了实现最短加工循环时间，有利的是在***中提供预热部件的一定“储备”。回火钢材的热处理时间是限定相应压制的循环时间的决定性参数。辊底式炉具有高达40米的长度，所以具有相应的结构要求，所述结构要求包括有效除去余热。被用作用于预热部件的辊底式炉的替换的转鼓式窑也具有相应的缺点。它们也借助于辐射管被加热，在效率上很不令人满意。
模压淬火部件的特征在于它们高的强度和刚度。如上所述，这使得可以降低金属板的厚度并且因此降低重量。然而，问题是低的断裂延伸率，这能导致在随后的加工步骤期间例如当焊接在其他部件上时形成裂纹。这是为什么希望以模压淬火的方式实现例如车体部件的某些区域，并且实现相同部件的其他区域使得它们具有较高的延展性并因此能够吸收由于塑性变形而产生的更多能量。
现有技术尝试产生这种局部的不同特性或所谓的“定制特性”，包括有目的地影响相应的半成品的合金构成，所谓的“定制焊接毛坯”的制造，即由不同材料连接成的毛坯，借助于感应加热技术或传导加热技术被部分(局部)加热，借助于局部加热部分地回火模压淬火工具的某些区域并且遮掩某些部件区域，以便抑制相应的辊底式炉中的加热(以及因此成为奥氏体)。然而，这些方法精细复杂，因此常常不令人满意并且非常昂贵。
因此，需要改进的选择方案，以用于制造具有局部不同特性的毛坯。
发明内容
基于这些情况，本发明提出了一种用于使毛坯热成型的***，以及相应的用于使毛坯热成型的方法，其具独立权利要求的各个特征。优选的实施方案形成从属权利要求以及下面的描述。
由于根据本发明所提出的至少部分再加热的操作，所以能以特别有效的方式获得具有局部不同特性的毛坯和部件，其中在压制装置中成型或模压淬火毛坯之后实施所述再加热操作。根据本发明，尤其可以实现具有所需材料特性的非常复杂的形状，例如在任何位置处具有增加的延展性。
如上所述的术语“毛坯”应该在本申请的上下文中被全面地解释。该术语包括金属板、半成品产品、连接的和/或预成型的部件，其在相应的***中被热成型，特别是模压淬火。
本发明的特别有利的方面涉及使用预混合的氢-氧燃烧器或燃气-氧气燃烧器。例如，这种类型的燃烧器基本上从例如DE10345411A1已知。例如，预混合燃气-氧气燃烧器被用于所谓的玻璃部件，特别是铅晶质玻璃或钠钙玻璃的部件的热光滑法。在这种情况下，玻璃部件的至少部分表面通过燃烧器被加热和熔化。相应的燃烧器也被公知为所谓的Hydropox燃烧器，并且以该商标名称被本申请人所出售。
预混合燃气-氧气燃烧器，特别是氢氧燃烧器的特征在于特别高的传热效率。比起所谓的外部混合燃烧器，燃气和氧气的燃料混合物已经被供给到预混合燃气-氧气燃烧器的燃烧器头部，而不是最终在相应的燃烧器头部中产生。预混合燃烧器产生特别强烈的火焰，其适合于熔化较大的表面面积，该表面面积还可能具有凹陷或其他不规则的特征。根据本发明，相比于外部混合的燃烧器，确定这是决定性的优点。外部混合的燃烧器仅仅能够产生柔和的火焰，其特别是不能够穿透到表面的角落、孔或凹陷中。因此，使用预混合燃烧器可以局部加热相应毛坯的某些区域，特别是具有不同形状的区域。尽管通过外部混合燃烧器延长加热也可以实现高温，但是可能发生整个毛坯被加热不是仅仅所需区域被加热。
根据本发明的***的特别优选的实施方案，实现至少一个再加热装置，使得它能够被立体导向和/或立体移动。例如，根据本发明所使用的再加热装置可以被安装在工业机器人上。这使得可以沿着成型毛坯的表面或在该表面上准确地引导和定位再加热装置，使得它能够在所需的区域(部分地)中被均匀地加热到所需的温度范围，例如650℃-850℃，特别是700℃-800℃，优选约750℃。
加热装置(特别是用于在压制装置中成型操作之前完全地加热毛坯)优选以奥氏体化装置的形式被实现。在该情况中完全的奥氏体化是优选的。奥氏体化提供所需的材料特性，其使得可以随后压制并同时冷却或淬火毛坯，然后至少部分加热(再加热)毛坯。特别地，相应的奥氏体化装置被设计用于局部加热毛坯到750-1050℃，特别是800-1000℃，例如850-950℃的温度。相应的温度取决于各个材料并且位于奥氏体化温度之上。例如，上述锰硼钢的奥氏体化温度在大约850℃。如果相应的毛坯被预加热到稍微低于奥氏体化温度的温度，那么通过相应的燃烧器能快速达到奥氏体化温度或者超过，特别是在毛坯的预定区域中。在压制或成型操作期间，在这种冷却加工中，毛坯优选被冷却到100-200℃的温度，其中冷却到室温和250℃之间的任何温度也是可能的。
而且，有利的是，相应的***的特征还在于具有至少一个用于将毛坯装载到***中的装载装置和/或至少一个用于将毛坯传送到***的至少一个压制装置中的传送装置和/或至少一个用于将毛坯传送到再加热装置的传送装置。
所述至少一个加热装置有利地包括至少一个链斗式炉。例如，可以使用通常公知的垂直链斗式炉，其具有改进的能量效率并且特别是传统的辊底式炉的替代品，传统的辊底式炉如上所述具有大的结构尺寸因此具有相应的结构要求。例如，链斗式炉能够被电加热或者通过燃料加热，并且能够在相应的温度范围内操作，使得确保有效的和可靠的加热加工。
根据毛坯的各个材料调节各个温度。如上所述，锰硼钢的完全奥氏体化温度在大约850℃。本领域的技术人员能够容易地从可获得的材料参数中得到相应的温度。
有利的是，还通过至少一个预混合氢-氧燃烧器或燃气-氧气燃烧器来加热装置。这同样可实现对毛坯非常有效的，并且特别是区域加热。
尽管这种加热装置，特别是奥氏体化装置，在本发明中被优选用于毛坯的完全奥氏体化，但是它还可以被用于部分地加热毛坯，特别是用于奥氏体化毛坯，即用于加热或奥氏体化毛坯的某些区域或局部区域。在该情况下，预混合氢-氧燃烧器中的至少一个燃烧器火焰可以被引导至待部分加热，特别是奥氏体化的区域上。因此，相应的燃烧器装置特别地可以实现对区域的限定局部奥氏体化，在所述区域中可随后例如通过模压淬火获得高的局部强度。然而，在模压淬火操作之后在非奥氏体化区域中确保材料足够的延展性。这样，可以想到的是，例如，可以使得在成型操作之前借助于加热装置通过这种部分加热加工在毛坯的第一区域中，以及在随后的成型操作中借助于再加热装置通过加热加工在毛坯的第二区域中具有所需的延展性。
在相应的***中，加热装置，特别地奥氏体化装置，和预加热装置有利地以一个结构单元的形式实现。这使得可以实现紧凑且能量效率的***，该***具有小的结构尺寸并且例如仅仅需要一个隔热。
本发明的方法包括以下步骤：将毛坯装载到本发明的***中，在加热装置，特别是奥氏体化装置中至少局部加热或奥氏体化所述毛坯，在压制装置中通过压制使毛坯成型并且随后在再加热装置中至少部分加热所述毛坯。如上所述，所述压制操作还可以涉及模压淬火加工。
本发明用于使毛坯热成型的***和方法同样地受益于上述优点。
不用说的是上述特征以及下面将描述的特征，不仅仅能够在分别所述的组合中被使用，而且在不偏离本发明范围的情形下能够在其他组合或个体中被使用。
在附图中示意性地图解了本发明的示范性实施例，并且参考附图在下面更详细地描述该实施例。
附图说明
图1显示了根据本发明一个优选的实施方案，用于使毛坯热成型的***的示意图。
图2显示了适用于本发明的一个实施方案的燃烧器头部的示意图。
图3显示了根据本发明一个实施方案，用于使毛坯热成型的方法的流程图。
具体实施方式
如果适用，在附图中相同功能或操作的元件用相同的附图标记来表示，并且出于简化的目的它们的描述不被重复。
图1显示了根据本发明一个优选的实施方案，用于使毛坯热成型的***。该***整体由附图标记10来表示。它的特征是装载装置3，其中相应的毛坯P，例如冲压的金属板件能够沿箭头的方向(下部水平箭头)被装载到相应的***中。提供加热装置4并且其特征是所示意的链斗式炉4a。毛坯P沿箭头的方向被传送到加热装置4的下部区域中，升起(如垂直箭头所表示)，并且在被升起的同时被持续地加热。毛坯可以在链斗式炉4a中以使它们奥氏体化的方式被加热。然而，图1显示的实施方案中，加热装置4的特征是被布置在链斗式炉4a下游的奥氏体化装置4b。在该情况中，链斗式炉用于预热毛坯。
毛坯P再次离开链斗式炉4a的上部区域，即沿箭头的方向(上部水平箭头)。随后，它们通过奥氏体化装置4b，该奥氏体化装置的特征是燃烧器14以三火焰燃烧器的形式表示。燃烧器14可以具有任意个数的燃烧器火焰。燃烧器14还可以移动并且连续地作用在毛坯P的不同区域上。为此，可以提供相应的移动装置，该移动装置还能够例如通过使用相应的控制以完全自动的方式驱使。毛坯P沿箭头的方向通过奥氏体化装置4b，同时被加热到位于相应的材料的奥氏体化温度之上的温度(例如，900℃)。
随后毛坯P到达传送装置5，借助于该传送装置毛坯被传送到压制工具8。压制工具8以所需的方式使毛坯成型，其中毛坯在成型操作期间被同时冷却到约200℃或更低。
由于该优选以超过30K/sec的速率发生的冷却或淬火加工，在毛坯的奥氏体化区域中产生马氏体结构或硬质结构。
如上所述，成型的毛坯在该状态下具有约200℃的温度。在该状态下，现在借助于再加热装置16成型的毛坯被部分地加热，所述再加热装置的特征是至少一个预混合氢-氧燃烧器18或燃气-氧气燃烧器。这样，硬质结构被转变为混合结构，所述混合结构例如在成型毛坯被加热的位置处具有改进的延展性。
例如，再加热装置16可以被安装在(未图示的)工业机器人上，使得燃烧器18能够被立体移动和导向。这使得可以沿着部件表面准确地引导燃烧器18，使得它能够在所需的区域中被均匀地加热到约650至850℃的温度。这样获得的结构改变导致例如降低的硬度和增加的伸长率或延展性。在实验测试中，例如，可以提高延展性高达18％。
燃烧器18可以具有任意的几何形状(还可以具有较小的直径，例如用于焊接点区域)，并且因此能够加热部件的或成型毛坯P的各个区域。在这种情况下，能量传递非常有效，并且处理时间能够被降低到几秒。
相比于其他的加热技术，例如，由于内侧半径不能被恰当地加热而不适用于立体几何形状或毛坯形状的感应加热，本发明具有明显的优点。
相比于传统的激光辅助方法，本发明的方法还提供了优点。尽管激光辅助方法通常能够执行相似的任务，但是高能量密度和相对小的聚焦表面需要非常高的努力，例如用于加热较大的连贯区域，使得该类型的方法在实际应用中效率较低。
本发明的方法可以随后以高度灵活和有效的方式加热毛坯，特别是立体成型的毛坯，例如UHS钢的硬毛坯的部分区域，其中材料的延展性能够增加到足够的值用于有目的的变形。
根据本发明所使用的燃烧器使得可以实现例如表面积高达10乘以20cm2的焦曲面。特别优选的是使用可以实现2cm×2cm或4cm×2cm的焦曲面的燃烧器。
在图2中图解了本发明的燃烧器头部的优选实施方案。
在图2中，由附图标记22来表示根据本发明的适合的预混合燃烧器头部。
根据本发明所使用的预混合氢-氧燃烧器的特征是通道221，氢氧混合物能够通过该通道被供给到燃烧器头部22，并且能够产生非常强烈的燃烧器火焰，确保非常良好的能量传送。这使得可以，特别是，以更可靠的方式将所需的热量作用在具有凹部或更复杂轮廓的区域上。在这种情况下，相应的气体混合物因此已经以混合物的形式退出燃烧器喷嘴223并且在该位置处被点燃。
图3显示了根据本发明一个特别优选的实施方案，方法100的流程图。在第一步骤101中相应的毛坯P由金属板冲压成。在第二步骤102中，这些毛坯例如，借助于装载装置被装载到本发明的热成型***中。该装载过程可连续发生。在步骤103中，毛坯P在***中被预加热，其中上述装置可以用于该目的。然后，在步骤104中发生上述类型的奥氏体化。在奥氏体化之后，在步骤105中，毛坯P借助于传送装置被传送到压制工具中，然后在步骤106中在所述压制工具中毛坯被成型或压制并且同时淬火。在压制工具中淬火加工之后，在该状态下可具有复杂的立体形状的模压淬火毛坯借助于再加热装置，特别是预混合氢-氧燃烧器或燃气-氧气燃烧器以所需的方式被部分加热(步骤107)，使得在加热的区域中能够获得具有所需特性(例如，改进的延展性)的混合结构。

Claims (11)

1.一种用于使毛坯(P)热成型的***，所述***具有至少一个加热装置(4)和至少一个压制装置(2)，所述压制装置被布置在所述至少一个加热装置(4)的下游并且用于使毛坯成型，其特征在于，在压制装置(2)的下游提供至少一个再加热装置(16)，所述再加热装置用于使热量至少部分地作用于在所述压制装置中成型的毛坯(P)上。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述再加热装置(16)的特征是至少一个预混合氢-氧燃烧器或预混合燃气-氧气燃烧器(18)。
3.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述再加热装置(16)能够被立体移动和/或导向。
4.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述加热装置(4)为奥氏体化装置的形式。
5.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述***还具有用于将毛坯装载到***中的装载装置(3)和/或用于将毛坯传送到所述至少一个压制装置中的至少一个传送装置和/或用于将成型的毛坯传送到所述至少一个再加热装置(16)中的至少一个传送装置。
6.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述加热装置(4)包括至少一个链斗式炉。
7.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述加热装置的特征是至少一个预混合氢-氧燃烧器或预混合燃气-氧气燃烧器。
8.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，所述压制装置(8)以如下的方式被实现：在使毛坯成型的同时，将毛坯冷却到室温至300℃，特别是150℃至250℃或者小于200℃的温度。
9.根据前述权利要求之一所述的***，其特征在于，已成型毛坯的部分区域在所述再加热装置(16)中被加热到约650-850℃，特别是700-800℃，优选约750℃的温度。
10.一种用于使毛坯热成型的方法，其中所述毛坯被装载到根据前述权利要求之一所述的***中，在所述***的加热装置中被加热到奥氏体化温度，在压制装置中成型并且同时被冷却，然后在再加热装置中被至少部分地加热到约650-850℃，特别是700-800℃，优选约750℃的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，涂覆毛坯被热成型，特别是涂覆有铝、硅酮或锌的毛坯被热成型。
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