CN110465573B - 一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，本发明属于金属板料成形领域。它解决了传统热冲压成形需要花费大量时间和成本的问题。通过下述步骤实现：根据用户的烤漆工艺、零件设计、制造过程中材料的塑性应变量以及成形后的性能要求等数据，以数据导向的方法进行分析，选择含有特定微观组织的板料，在经实验验证过的数据库中进行检索，获得最优化的成形参数；将金属板料快速加热到目标温度，控制加热速率、快速转移到冷模具中、冲压成形，以不低于临界淬火速率的速率将成形件淬火。本发明提出新的数据为导向快速热成形的方法，用于生产形状复杂的超高强钢、高强铝合金和钛合金材料零件。满足工业中对于零件大批量生产的要求。

Description

一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法
技术领域
本发明涉及一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，属于金属成形领域。
背景技术
根据国家发展和改革委员会能源研究所在2018年发布的“‘十三五’及2030年交通部门节能目标研究”报告中显示，中国乘用车平均比欧盟车重9％、大1％；比美国车轻21％、小10％。而中国车队的平均燃油消耗量比欧盟车高26％；仅比美国车低4％。考虑到车重因素，比美国汽车能源消耗量还高。中国目前正在执行《乘用车燃料消耗限值》第四阶段的标准，其中2015年目标为6.9L/100km，2020年目标为5L/100km。在这样的政策背景下，汽车将大量运用超高强钢、高强铝合金、钛合金等新材料实现车身轻量化。
室温条件下超高强钢、高强铝合金、钛合金的塑性变形范围小，成形性能差。如采用冷冲压成形，所需的冲压吨位大，容易开裂。同时由于冲压回弹大，零件尺寸也难以控制。因此传统的冷冲压方法不适用，促使汽车工业投入巨大的精力来开展热冲压成形技术的研究。板料形状、加热温度、炉内保温时间、冲压温度、冲压速率、保压时间、淬火速率、时效温度和时效时间等因素都会对材料成形性或者成形后零件性能产生直接的影响。
传统的热冲压成形过程及所需时间如图2所示，热冲压成形过程包括40分钟左右的热成形工序以及数小时的人工时效处理工序，各工序都需要耗费大量的时间和能源，特别是人工时效处理工序甚至需要数小时或数日的时间。若能将薄壁钣金零件热成形工艺的生产周期缩短至4-13秒，则超高强钢、高强铝合金以及钛合金能够更加广泛地应用于汽车轻质结构部件的生产，从而达到减轻重量、降低成本的目的。
发明内容
本发明提供一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，从而节省研发时间与成本。本发明通过下述步骤实现：
一、预先经实验验证获得金属板料数据库，金属板料数据库包含各金属板料晶相及其对应的最优化的成形加工参数；
二、根据金属板料数据库，以数据导向的方法对用户的数据要求进行分析，选择合适的含有特定微观组织的初始金属板料；
其中，用户要求数据包括烤漆工艺、零件设计、制造过程中金属板料的塑性应变量以及成形后的性能要求；数据导向是指通过金属板料数据库计算含有特定微观组织的初始金属板料的过程；
三、根据选择的含有特定微观组织的初始金属板料在金属板料数据库中进行检索，获得相应的最优化的成形加工参数；
按照获得的成形加工参数进行如下步骤的加工制造：
四、将含有特定微观组织的金属板料快速加热到目标温度获得热金属板料；
五、将热金属板料快速转移到冷模具中，并保证金属板料转移到冷模具后的温度不小于其成形温度；
六、将冷模具内的金属板料冲压成形，获得成形件；
七、将成形件在冷模具中进行淬火并保压，淬火速率不低于临界淬火速率。
优选地，所述的步骤一中，成形加工工艺参数包括：加热速率、目标温度、成形温度、板料转移时间、板料移动降温速率、模具保压时间、临界淬火速率等。
优选地，所述的金属板料的加热速率在15-200℃/s范围内。
优选地，所述的目标温度(TT)计算公式为：
目标温度(TT)＝成形温度(TF)+金属板料转移时间(s)*金属板料移动降温速率(℃/s)；
其中，金属板料转移时间通过以下方法确定：
金属板料从加热设备到成形模具的转移时间：通过多次试验并记录板料的从加热设备中取出并置于空气中的降温过程，从而确定金属板料从加热设备到成形模具的传递时间。
优选地，所述的金属板料移动降温速率通过以下方法获得：
通过热电偶收集金属板料在移动过程的温度变化，绘制温度的时间变化曲线图，将曲线的斜率作为移动降温速率。
优选地，所述的金属板料为超高强钢、高强铝合金以及钛合金材料中的一种。
优选地，所述的临界淬火速率可以通过以下方法来确定：测试和比较在不同淬火速率下，成形件的各项性能，保证成形件满足用户的要求。
优选地，所述的步骤二中，选择合适的含有特定微观组织的初始金属板料的步骤，通过透射电子显微镜(TEM)观察后确认，以满足数据导向的方法匹配的特定微观组织要求。
优选地，针对用户性能要求数据为：薄壁金零件材料为AA6082铝合金材料，其板料厚度为2mm，成形零件为“U”形构件；基于数据导向法确定的特定微观组织为：25％pre-β”相、25％GP相、40％β”相和10％β相；基于数据导向法确定的成形工艺参数为：加热速率45-55℃/s、成形温度300-325℃、模具保压时间：2s，平均降温速率为80℃/s。
优选地，针对用户性能要求数据为：薄壁钣金零件材料为超高强钢，板料厚度为2mm，成形零件为“U”形构件；选用超高强钢的微观组织含有87％的马氏体、12％的铁素体和1％的奥氏体，以55-65℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度(TT)；成形温度(TF)为425-450℃；保压时间为5秒。
优选地，针对用户性能要求数据为：薄壁钣金零件材料选择TC4钛合金材料，板料厚度为2mm，成形零件为加强筋构件；选用TC4钛合金的微观组织含有50％β相和50％α相，以50-60℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度(TT)；成形温度(TF)为725-750℃；保压时间为6秒。
优选地，所述的金属板料的加热速率在40-60℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在60-80℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在80-1000℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在100-120℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在120-140℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在140-160℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在160-180℃/s范围内。
优选地，所述的金属板料的加热速率在180-200℃/s范围内。
优选地，所述的临界淬火速率可以通过以下方法来确定：测试和比较在不同淬火速率下，成形件的各项性能，保证成形件满足用户的要求。
有益效果：
本发明提出了一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，该方法可用于形状复杂的金属材料零件的大批量生产。例如在汽车制造企业，存在零件设计、烤漆工艺、制造过程中材料的塑性应变量以及成形后的性能要求等数据，通过数据导向的方法进行分析，将信息在经实验验证过的金属板料数据库中进行检索，获得含有特定微观组织的初始金属板料信息和最优化的成形加工参数，用于生产制造。这是本发明优化耗能耗时工序从而实现技术改进的依据。
通过进行超高强钢、高强铝合金以及钛合金材料的快速热成形实验，本发明方法的可行性已经得到验证。本领域技术人员为了提高生产加工效率所容易想到的是减少各工序的时长，但与传统金属板料成形技术相比，本发明的技术改进手段并非通过单纯缩短传统加工方法中各加工工序的时间实现的，而是通过优化了传统成形技术中冗长的成形前热处理工序、以及免去了传统成形技术中用于提高零件性能而进行的人工时效处理工序来缩短加工时间的。所以说本发明实现优化及免去这两个耗能耗时工序的依据是和传统技术有显著区别的且不易想到的，能够大大降低在成形过程中对金属材料加热的时间，并且免去了成形后的时效处理工序，从而提高生产效率。本发明的成形过程包括快速加热、转移、成形、淬火和保压，本发明方法能将薄壁金属板料零件热成形工艺的总生产周期可控制在4-13秒之内，不仅提高了轻量化薄壁钣金零件的生产效率并且扩大了应用。
另外，本发明方法能够制造出轻量化薄壁钣金零件，在保证物理性能的前提下降低车身重量，以降低油耗，达到节能减排的效果。
附图说明
图1是利用本发明方法快速热成形金属材料时的温度曲线以及原理图；
图2是传统热成形和数据导向成形的工艺比较图；
图3是AA6082铝合金的“U”形成形构件图片；
图4是超高强钢的“U”形成形构件图片；
图5是TC4钛合金的加强筋成形构件图片。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，零件的成形通过下述步骤实现：
用户提供的信息如下表所示：
Figure BDA0002178079060000041
一、预先经实验验证获得金属板料数据库，金属板料数据库包含各金属板料晶相及其对应的最优化的成形加工参数；
根据用户(例如汽车制造企业)的烤漆工艺、零件设计、制造过程中材料的塑性应变量以及成形后的性能要求等数据，用数据导向的方法进行分析，选择含有特定微观组织的初始板料。材料的微观组织可以通过透射电子显微镜(TEM)观察后进行确认，从而满足数据导向法匹配的特定微观组织要求。
根据用户例如(汽车制造企业)的烤漆工艺、零件设计、制造过程中材料的塑性应变量以及成形后的性能要求等数据，在经实验验证过的数据库中进行检索，获得最优化的成形参数。成形加工工艺参数包括：加热速率、目标温度、成形温度、板料转移时间、板料移动降温速率、临界淬火速率、模具保压时间等。
二、将含有特定微观组织的金属板料快速加热到目标温度(TT)，获得热金属板料。加热速率在15-200℃/s范围内。
目标温度(TT)通过以下公式计算：
目标温度(TT)＝成形温度(TF)+金属板料转移时间(s)*金属板料移动降温速率(℃/s)；
其中，金属板料转移时间通过以下方法确定：
金属板料从加热设备到成形模具的转移时间：通过多次试验并记录板料的从加热设备中取出并置于空气中的降温过程，从而确定金属板料从加热设备到成形模具的传递时间。
金属板料移动降温速率通过以下方法获得：
通过热电偶收集金属板料在移动过程的温度变化，绘制温度的时间变化曲线图，将曲线的斜率作为移动降温速率。
三、在板料的温度降至成形温度(TF)前，将热金属板料快速转移到冷模具中。
板料从加热设备到冷模具的传递时间可以通过以下方法确定：进行多次实验并记录板料从加热设备中取出并置于空气中的降温过程。板料移动降温速率可以通过以下方法获得：通过热电偶收集板料在移动过程的温度变化，绘制成曲线图，分析曲线斜率得到移动降温速率。
四、冷模具内的金属板料冲压成形，获得成形件。
五、将成形件在冷模具中进行淬火并保压，淬火速率不低于临界淬火速率
临界淬火速率可以通过以下方法来确定：测试和比较在不同淬火速率下，成形件的各项性能，保证成形件满足用户的要求。
具体实施方式二：下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中的薄壁钣金零件材料为AA6082铝合金材料，板料厚度为2mm。成形零件为“U”形构件。
针对用户1和2所提供的信息，根据数据导向法获得的特定微观组织要求以及最优化的成形工艺参数如下：
Figure BDA0002178079060000051
Figure BDA0002178079060000061
本实施方式中采用用户1的零件进行实验验证。
步骤二选用铝合金的微观组织含有25％pre-β”相、25％GP相、40％β”相和10％β相，以45-55℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度(TT)。
步骤三的成形温度(TF)在本实施例为300-325℃。
步骤五的平均降温速率为80℃/s，保压时间在2秒。
采取上述措施后，整个生产周期缩短到10秒以内。与传统热冲压工艺相比，生产周期缩短了98％。图2显示了传统热成形和数据导向成形的工艺比较图。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：下面结合图1、图2和图4具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中的薄壁钣金零件材料为超高强钢，板料厚度为2mm。成形零件为“U”形构件。
针对用户1和2所提供的信息，根据数据导向法获得的特定微观组织要求以及最优化的成形工艺参数如下：
Figure BDA0002178079060000062
本实施方式中采用用户1的零件进行实验验证。
步骤二选用超高强钢的微观组织含有87％的马氏体、12％的铁素体和1％的奥氏体，以55-65℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度(TT)。
步骤三的成形温度(TF)在本实施例为425-450℃。
步骤五的保压时间在5秒。
采取上述措施后，整个生产周期缩短到12秒以内。与传统热冲压工艺相比，生产周期缩短了97％。图2显示了传统热成形和数据导向成形的工艺比较图。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：下面结合图1、图2和图5具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中的薄壁钣金零件材料选择TC4钛合金材料，板料厚度为2mm。成形零件为为加强筋构件。
针对用户1和2所提供的信息，根据数据导向法获得的特定微观组织要求以及最优化的成形工艺参数如下：
Figure BDA0002178079060000071
本实施方式中采用用户1的零件进行实验验证。
步骤二选用TC4钛合金的微观组织含有50％β相和50％α相，，以50-60℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度(TT)。
步骤三的成形温度(TF)在本实施例为725-750℃。
步骤五的保压时间在6秒。
采取上述措施后，整个生产周期缩短到13秒以内。与传统热冲压工艺相比，生产周期缩短了96％。图2显示了传统热成形和数据导向成形的工艺比较图。
其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在40-60℃/s范围内。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在60-80℃/s范围内。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在80-1000℃/s范围内。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在100-120℃/s范围内。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在120-140℃/s范围内。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在140-160℃/s范围内。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在160-180℃/s范围内。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的金属板料的加热速率在180-200℃/s范围内。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于本实施方式中所述的临界淬火速率可以通过以下方法来确定：测试和比较在不同淬火速率下，成形件的各项性能，保证成形件满足用户的要求。

Claims (10)

1.一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤一、预先经实验验证获得金属板料数据库，金属板料数据库包含各金属板料晶相及其对应的最优化的成形加工工艺参数；
步骤二、根据金属板料数据库，以数据导向的方法对用户的数据要求进行分析，选择合适的含有特定微观组织的初始金属板料；
其中，用户的数据要求包括烤漆工艺、零件设计、制造过程中金属板料的塑性应变量以及成形后的性能要求；数据导向是指通过金属板料数据库计算含有特定微观组织的初始金属板料的过程；
步骤三、根据选择的含有特定微观组织的初始金属板料在金属板料数据库中进行检索，获得相应的最优化的成形加工工艺参数；
按照获得的成形加工工艺参数进行如下步骤的加工制造；
步骤四、将含有特定微观组织的初始金属板料快速加热到目标温度获得热金属板料；
步骤五、将热金属板料快速转移到冷模具中，并保证热金属板料转移到冷模具后的温度不低于其成形温度；
步骤六、将冷模具内的金属板料冲压成形，获得成形件；
步骤七、将成形件在冷模具中进行淬火并保压，淬火速率不低于临界淬火速率。
2.根据权利要求1所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤一中，成形加工工艺参数包括：加热速率、目标温度、成形温度、金属板料转移时间、金属板料移动降温速率、临界淬火速率、模具保压时间。
3.根据权利要求2所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述的金属板料的加热速率在15-200℃/s范围内。
4.根据权利要求3所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述的目标温度计算公式为：
目标温度＝成形温度+金属板料转移时间*金属板料移动降温速率；
其中，金属板料转移时间是指，金属板料从加热设备到用于成形的冷模具的转移时间，通过以下方法确定：通过多次试验并记录板料的从加热设备中取出并置于空气中的降温过程，从而确定金属板料从加热设备到冷模具的转移时间。
5.根据权利要求2或4所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述的金属板料移动降温速率通过以下方法获得：
通过热电偶收集金属板料在移动过程的温度变化，绘制温度的时间变化曲线图，将曲线的斜率作为金属板料移动降温速率。
6.根据权利要求5所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤一中，所述的金属板料为超高强钢、高强铝合金以及钛合金材料中的一种。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：所述的步骤二中，选择合适的含有特定微观组织的初始金属板料的步骤，通过透射电子显微镜观察后确认，以满足数据导向的方法匹配的特定微观组织要求。
8.根据权利要求7所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：针对用户性能要求数据为：薄壁钣金零件材料为AA6082铝合金材料，其板料厚度为2mm，成形零件为“U”形构件；基于数据导向法确定的特定微观组织为：25％pre-β”相、25％GP相、40％β”相和10％β相；基于数据导向法确定的成形工艺参数为：加热速率45-55℃/s、成形温度300-325℃、模具保压时间：2s，金属板料移动降温速率的平均值为80℃/s。
9.根据权利要求7所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于：针对用户性能要求数据为：薄壁钣金零件材料为超高强钢，板料厚度为2mm，成形零件为“U”形构件；选用超高强钢的微观组织含有87％的马氏体、12％的铁素体和1％奥氏体，以55-65℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度；成形温度为425-450℃；模具保压时间为5秒。
10.根据权利要求7所述的一种以数据为导向制造轻量化薄壁钣金零件的方法，其特征在于，针对用户性能要求数据为：薄壁钣金零件材料选择TC4钛合金材料，板料厚度为2mm，成形零件为加强筋构件；选用TC4钛合金的微观组织含有50％β相和50％α相，以50-60℃/s的加热速率进行快速加热，使板料快速升温至目标温度；成形温度为725-750℃；模具保压时间为6秒。
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