CN113976683A - 在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法，所述装置包括上模、下模组件、加热***与温控***。下模组件包括下模、侧板、横梁、拉伸弹簧、挂钉、连接柱；加热***包括浮动加热块、陶瓷绝缘管、电热丝与电源线。折弯前，拉伸弹簧将横梁向上方拉动，由限位钉限定横梁初始位置；浮动加热块可沿垂直方向上、下移动，折弯前浮动加热块上表面高出下模上表面2～5mm；折弯时，高强钢板放在下模上，利用贯穿浮动加热块的陶瓷绝缘管内部的电热丝对高强钢板的折弯位置加热。所述方法通过高强钢板在不同温度下的成形性能测试确定温成形温度。本发明可实现折弯区的在线局部精确加热，减小开裂几率，且对材料组织性能影响小，适用于大批量生产。

Description

在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法
技术领域
本发明属于金属塑性成形领域，尤其涉及一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法。
背景技术
按加热与否，金属的塑性成形可分为冷成形和热成形两大类。严格来讲，区分冷、热成形的温度界限是根据金属的再结晶温度(或高强钢的奥氏体化温度)，但由于大多数工程金属材料的再结晶温度(或奥氏体化温度)远高于室温，故常常将室温下的塑性成形称作冷成形。冷成形无需加热，制件精度和表面质量好，一般应优先考虑采用。但金属冷成形时可能存在塑性变形能力差、成形载荷高且回弹大等问题，实际生产中通过成形工艺与模具无法解决这些问题时，就只能采用热成形。热成形可克服金属在常温下变形能力差、成形载荷高以及回弹量大的不足，但生产效率低、成本及技术要求高，而且高温下金属的组织结构会产生一系列冶金学变化，导致制件性能下降、表面氧化严重、加工精度差。为此，人们又提出了坯料加热温度介于冷、热成形之间(或室温与再结晶温度之间)的“温成形”工艺。相比冷成形，温成形虽然增加了加热环节，但可在一定程度上增加材料的塑性、提高成形能力，同时降低成形载荷、减少材料内部应力；相比热成形，则对组织结构影响很小，可缩短或省略热处理工序，且制件表面氧化、脱碳倾向小，模具寿命更长。但由于加热温度不高，温成形对材料塑性变形能力的提升以及对成形载荷的降低幅度有限。
近年来，为减轻车身重量、实现节能减排，各类高强钢在汽车领域的应用比例日益增大，强度指标也在不断提升。随着高强钢强度的增加，其冷变形能力急剧下降，因此目前强度级别在1200MPa以上的高强钢板已普遍采用热成形，塑性变形后再通过模具内的快冷得到合适的材料组织结构状态，技术要求与生产成本高。由于不同板料成形工艺的差异以及成形设备的限制，仍有大量高强钢板制件只能采用室温下的冷成形。例如，折弯是一种常用的钢板成形工艺，由于折弯变形区只涉及到板坯的局部位置，不适合采用传统的加热炉内的整体加热，目前高强钢板的折弯大多在冷态下进行。但随着高强钢板强度级别的不断提升、塑性变形能力下降，高强钢板折弯生产中出现开裂的几率不断增加，成品率受到很大影响。鉴于温成形集成了冷、热成形的优点，高强钢板的温成形技术近年来得到了关注，如文献【龙军峰,赵阳,等.Docol 1200M超高强钢板温成形性能研究.锻压技术.2014,39(2):37-39；王慧敏.22MnB5钢板温成形极限的数值模拟及试验研究.燕山大学,硕士学位论文,2018；王凯迪,李迪,等.先进高强钢DP780板料的温成形极限预测研究.机械强度,2021,43(5):1177-1183】的工作。但这些研究主要通过拉伸试验等方法验证了温成形可以提高材料的塑性变形能力，较少涉及具体的板料成形工艺。如何对板料进行准确、可靠的加热，是温成形成功与否的关键。上述研究主要借用了热成形的加热技术，即在加热炉内利用热辐射进行板料的整体加热，板料加热后需要转移到模具中再进行成形。由于板料的“比表面积”大、散热很快，对本身加热温度不高的温成形而言，这种“离线”的炉内加热方式很难精确控制板材的温度。此外，炉内加热能量损耗大、效率低、灵活性差，而且存在对未变形区组织和性能的改变以及表面氧化严重等问题。为此，一些学者提出了利用电流的自阻加热方式【李析隆.热冲压用高强钢自阻加热工艺研究.湖北汽车工业学院,硕士学位论文,2017】，但实际应用中如何控制自阻加热的电流与温度存在很大困难。考虑到温折弯成形所需加热温度相对较低，而且只需加热折弯变形的局部区域，Lee等人【EH Lee,J S Hwang,C W Lee,D YYang,W H Yang.A local heating method by near-infrared rays for forming ofnon-quenchable advanced high-strength steels.Journal of Materials ProcessingTechnology,2014,214:784–793】提出了一种红外加热的方式，采用弧面热辐射反射装置来增强加热效果。Vorkov等【V Vorkov,A T García,J R Duflou.Bending Parameters inHeat Assisted Air Bending of High Strength Steels.Procedia Manufacturing,2020,47:1314–1318】也提出了类似的思路。但通过热辐射对折弯变形区进行加热，也很难精确控制加热的范围与温度，且加热时间长、效率低，实用价值有限。此外，还有一些研究采用了感应加热，但由于板料外形多样、尺寸大，感应加热装置安装困难，难以满足不同工艺的要求。
综上所述，温成形能够提升高强钢板折弯时的变形能力、减小开裂几率，但要实现折弯变形区的精确、高效加热，还需要开发合适的加热方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法。
所述在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，用于折弯机上对高强钢板进行折弯成形，包括上模，下模组件，以及安装在下模组件上的加热***与温控***。
所述高强钢板温折弯成形装置的上模，与折弯机上使用的折弯模具的上模相同，在工作状态下与折弯机的上滑块连接。
所述下模组件安装在折弯机的工作台面上，包括下模，侧板，横梁，拉伸弹簧，挂钉，连接柱；其中，下模为长条形块体，下模上表面的中间位置加工有与高强钢板折弯线平行的凹槽，所述长条形块体的两个端面分别贴有一块侧板，侧板与下模采用螺钉连接在一起，侧板中间与所述下模的凹槽的对应位置开有缺口；侧板相对于下模的外侧各有一根水平放置的长条形的横梁，所述长条形横梁与高强钢板的折弯线垂直，横梁的两端分别有一个连接柱，连接柱与垂直放置的拉伸弹簧的下端相连，所述拉伸弹簧的上端固定在***侧板的挂钉上；折弯成形前，一方面拉伸弹簧将横梁向上方拉动，另一方面，横梁的两端被侧板上安装的限位钉从上方挡住，从而限定了横梁的初始位置。
所述加热***包括浮动加热块，陶瓷绝缘管，电热丝与电源线；浮动加热块为横断面为矩形的长条形块体，所述矩形横断面的四个角加工有倒角，矩形横断面的中间沿长条形块体的长度方向加工有通孔，通孔内插有圆筒状的陶瓷绝缘管，电热丝穿过陶瓷绝缘管并在陶瓷绝缘管的一端与电源线连接；浮动加热块的长度大于下模的长度，两端穿过所述下模组件的侧板的缺口并通过螺钉固定在所述下模组件的横梁上；在横梁与拉伸弹簧的共同作用下，浮动加热块可以沿垂直方向上、下移动；折弯成形前，浮动加热块的上表面高出下模的上表面2～5mm。
折弯成形时，接通电源使电热丝发热，电热丝的热量透过陶瓷绝缘管传导至浮动加热块，浮动加热块的温度上升；利用红外测温仪测量浮动加热块上表面的温度，如果测得温度达到高强钢板温成形的温度值，则将待折弯的高强钢板放在下模上，并通过折弯机的定位装置对高强钢板进行定位；此时，浮动加热块在高强钢板重量的作用下被压下，浮动加热块的上表面下降为与下模上表面齐平，同时由于高强钢板的下表面在折弯线位置与浮动加热块的上表面接触，浮动加热块开始对高强钢板沿折弯线附近进行加热。
利用红外测温仪测量高强钢板折弯线位置的上表面温度，如果达到高强钢板温成形的温度，记录从放置高强钢板到达到高强钢板温成形温度时刻的加热时间，并开始折弯成形；此时，折弯机控制上模向下运动，在折弯线位置对高强钢板的上表面施压，上模和下模的共同作用使高强钢板产生弯曲变形；在此过程中，浮动加热块上表面被高强钢板向下压，浮动加热块向下运动并通过两个横梁拉动拉伸弹簧，在横梁与拉伸弹簧的共同作用下，浮动加热块的上表面与高强钢板的下表面始终保持贴合，从而保证热传导能够稳定进行；当上模向下运动到设定位置，折弯结束，上模向上退回；在拉伸弹簧的作用下，横梁带动浮动加热块、陶瓷绝缘管、电热丝与电源线组成的加热***向上运动，横梁与加热***回到由侧板上的限位钉确定的初始位置，并为下一次的折弯成形做好准备。
为精确控制浮动加热块的温度，浮动加热块内部装有温度传感器，可以实时采集温度数据，并通过安装在浮动加热块一侧的信号线传入温控***；如果温度传感器传送的数据高于设定的数值，温控***断开电源线的电流，电热丝停止加热；如果温度传感器传送的数据低于设定的数值，则温控***接通电源，电热丝进行加热，从而保证浮动加热块的温度始终维持在一个确定的范围。
所述在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形方法，包括以下步骤：
(1)从室温到高强钢板的热成形温度之间，按50～100℃的梯度递增，对高强钢板进行不同温度下的成形性能测试，获取高强钢板的成形性能参数随温度的变化曲线；找出具有最大成形性能参数的温度，作为高强钢板温成形的参考加热温度W；
所述不同温度下的材料成形性能测试方法包括单向拉伸实验和胀形实验，通过单向拉伸实验获取不同温度下的断后伸长率，通过胀形实验获取不同温度下的成形极限图FLD；
(2)根据待折弯成形高强钢板的材料类型、厚度与折弯线长度，确定电热丝的功率与尺寸；根据电热丝的尺寸和折弯机的安装使用要求，完成高强钢板温折弯成形装置的设计、制造；
(3)将高强钢板温折弯成形装置安装在折弯机上；
(4)接通电源线的电源，电热丝对浮动加热块进行加热；利用红外测温仪测量浮动加热块上表面的温度，每秒钟记录一次数据，获取浮动加热块的上表面温度与加热时间的关系；
(5)当浮动加热块的上表面温度达到参考加热温度W，记录从接通电源到此时的加热时间T0，并将待折弯成形的高强钢板放置在下模的上表面，利用折弯机的定位装置对高强钢板进行定位；
利用红外测温仪测量高强钢板上表面的折弯线中间位置的温度，每秒钟记录一次数据，获取高强钢板的上表面折弯线中间位置的温度与加热时间的关系；
(6)当高强钢板的上表面折弯线中间位置的温度数值达到参考加热温度W，记录从放置高强钢板到高强钢板的上表面折弯线中间位置达到参考加热温度W时刻的加热时间T1；启动折弯机进行折弯成形，当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回并取出制件；
(7)将第二件待折弯的高强钢板放置在下模的上表面，利用折弯机的定位装置对高强钢板进行定位，静置时间T1后，启动折弯机进行折弯成形；当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回并取出制件；
重复以上步骤，直到完成所有高强钢板制件的成形。
本发明具有以下有益效果：
本发明能够对高强钢板的折弯变形区进行精确、高效的局部加热，从而满足高强钢板温折弯成形的要求、减小变形区开裂的几率；由于只对折弯线附近区域进行局部的加热，热影响区很小，且加热温度在再结晶温度以下，对材料本身的机械性能影响小；采用浮动加热块对高强钢板之间的接触加热方式，利用金属传热能力强的特点，加热速度快、可调节的温度范围宽，还能够准确控制加热温度，从而满足不同高强钢板材料、厚度以及弯曲角度的折弯需求；整个装置机构简单，易于实现机械化、自动化，适用于大批量生产。
此外，板料折弯的弯曲变形区具有外侧(下模侧)受拉、内侧(上模侧)受压的受力特征，因此裂纹通常是从外侧开始。本发明采用的浮动加热块从高强钢板外侧开始加热，且折弯过程中一直保持接触，因此可充分保证很好的加热效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置折弯成形前的初始状态示意图；
图2为本发明的高强钢板温折弯成形装置折弯成形过程中的示意图；
图3为本发明的高强钢板温折弯成形装置折弯成形过程中的侧视图；
图4为本发明的高强钢板温折弯成形方法的流程图；
图5为Docol 1200M高强钢板的断后伸长率随温度的变化曲线；
图6为本发明的下模组件的横梁示意图；
图7为本发明的下模组件的下模示意图；
图8为本发明的加热***的浮动加热块示意图；
图9为本发明的高强钢板温折弯成形装置的上模示意图；
图10为本发明的下模组件的侧板示意图。
图1～10中，
1-侧板 2-挂钉 3-拉伸弹簧 4-限位钉 5-横梁 6-电源线 7-电热丝 8-陶瓷绝缘管 9-浮动加热块 10-销钉 11-螺钉 12-连接柱 13-下模 14-高强钢板 15-温度传感器16-上模
具体实施方式
下面以Docol 1200M高强钢板的温折弯成形为例，对本发明进行进一步说明。Docol1200M是SSAB公司生产的冷轧马氏体高强钢，屈服强度是1000MPa，抗拉强度1200～1400MPa。
本实施例中，Docol 1200M高强钢板的在线局部接触加热温折弯成形装置如图1～图3所示。
本实施例中，Docol 1200M高强钢板的在线局部接触加热温折弯成形方法包括以下步骤：
(1)从室温到Docol 1200M高强钢板的热成形温度之间，按100℃的梯度递增对Docol 1200M高强钢板进行不同温度下的成形性能测试，获取材料的成形性能参数随温度的变化曲线。
本实施例采用单向拉伸实验来测量Docol 1200M高强钢板在不同温度下的温成形性能，并采用断后伸长率作为成形性能参数。根据Docol 1200M高强钢板热成形的奥氏体化温度，选择室温、100℃、200℃、300℃、400℃和500℃共计六个实验温度进行单向拉伸实验，得到材料在不同温度下的断后伸长率。
图5为Docol 1200M高强钢板的断后伸长率随温度的变化情况。可见，随着温度的升高，Docol 1200M的断后伸长率逐渐增加，说明温度使材料的塑性升高。但在200℃和300℃之间断后伸长率有所降低，这是因为在该温度范围材料受到第一类回火脆性和蓝脆的影响，存在中温脆性区。实际温折弯成形时，加热温度应避开此范围。当温度超过300℃以后直到500℃，断后伸长率随着温度的升高而迅速增加，说明该范围中温度对材料的塑性影响很大。虽然根据实验结果最大断后伸长率的温度范围在500℃左右，但综合考虑生产成本、加热效率、材料性能以及表面质量等因素，本实施例中最终确定400℃为Docol 1200M高强钢板温折弯成形的参考加热温度。
(2)待折弯成形的Docol 1200M高强钢板的厚度为5mm，电热丝的加热功率确定为1000KW；根据电热丝尺寸和折弯机的安装使用要求，完成Docol 1200M高强钢板温折弯成形装置的设计、制造；
(3)将温折弯成形装置安装在折弯机上；
(4)接通电源，电热丝对浮动加热块进行加热；利用红外测温仪测量浮动加热块上表面的温度，每秒钟记录一次数据，获取浮动加热块上表面温度与加热时间的关系；
(5)当浮动加热块上表面温度达到400℃，记录此时的加热时间T0，并将待折弯成形的高强钢板放置在下模的上表面，通过折弯机的定位装置进行定位；利用红外测温仪测量高强钢板的上表面折弯线位置的温度，每秒钟记录一次数据，获取高强钢板上表面折弯线位置的温度与加热时间的关系。
(6)如果高强钢板上表面折弯线位置的温度数值达到400℃，记录此时的加热时间T1。由于金属导热性强，浮动加热块对Docol 1200M高强钢板的加热速率可以达到50℃/s以上，因此在10s以内可以将坯料从室温加热至400℃；
启动折弯机，开始成形，此时上模向下运动并在折弯线位置使高强钢板产生弯曲变形；
当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回，取出制件；
(7)将第二件待折弯成形的高强钢板放置在下模的上表面，并通过折弯机的定位装置进行定位，静置时间T1后，启动折弯机开始折弯成形；当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回并取出制件；
重复上述步骤，直到所有高强钢板制件的折弯成形完成。
利用本发明的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置与方法，能够对折弯变形区进行高效、精确的局部加热，满足高强钢板的温折弯成形要求，且热影响区以及对材料整体机械性能的影响很小，加热速度快、加热温度范围宽，适用于大批量生产。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，所述装置包括上模，下模组件，以及安装在下模组件上的加热***与温控***。
2.如权利要求1所述的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，高强钢板温折弯成形装置的上模，与折弯机上使用的折弯模具的上模相同，在工作状态下与折弯机的上滑块连接；
所述下模组件安装在折弯机的工作台面上，包括下模，侧板，横梁，拉伸弹簧，挂钉，连接柱；其中，下模为长条形块体，下模上表面的中间位置加工有与高强钢板折弯线平行的凹槽，所述长条形块体的两个端面分别贴有一块侧板，侧板与下模采用螺钉连接在一起，侧板中间与所述下模的凹槽的对应位置开有缺口；侧板相对于下模的外侧各有一根水平放置的长条形的横梁，所述长条形横梁与高强钢板的折弯线垂直，横梁的两端分别有一个连接柱，连接柱与垂直放置的拉伸弹簧的下端相连，所述拉伸弹簧的上端固定在***侧板的挂钉上；折弯成形前，一方面拉伸弹簧将横梁向上方拉动，另一方面，横梁的两端被侧板上安装的限位钉从上方挡住，从而限定了横梁的初始位置。
3.如权利要求1所述的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，所述加热***包括浮动加热块，陶瓷绝缘管，电热丝与电源线；浮动加热块为横断面为矩形的长条形块体，所述矩形横断面的四个角加工有倒角，矩形横断面的中间沿长条形块体的长度方向加工有通孔，通孔内插有圆筒状的陶瓷绝缘管，电热丝穿过陶瓷绝缘管并在陶瓷绝缘管的一端与电源线连接；浮动加热块的长度大于下模的长度，两端穿过所述下模组件的侧板的缺口并通过螺钉固定在所述下模组件的横梁上；在横梁与拉伸弹簧的共同作用下，浮动加热块可以沿垂直方向上、下移动；折弯成形前，浮动加热块的上表面高出下模的上表面2～5mm。
4.如权利要求1所述的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，折弯成形时，接通电源使电热丝发热，电热丝的热量透过陶瓷绝缘管传导至浮动加热块，浮动加热块的温度上升；利用红外测温仪测量浮动加热块上表面的温度，如果测得温度达到高强钢板温成形的温度值，则将待折弯的高强钢板放在下模上，并通过折弯机的定位装置对高强钢板进行定位；此时，浮动加热块在高强钢板重量的作用下被压下，浮动加热块的上表面下降为与下模上表面齐平，同时由于高强钢板的下表面在折弯线位置与浮动加热块的上表面接触，浮动加热块开始对高强钢板沿折弯线附近进行加热。
5.如权利要求1所述的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，利用红外测温仪测量高强钢板折弯线位置的上表面温度，如果达到高强钢板温成形的温度，记录从放置高强钢板到达到高强钢板温成形温度时刻的加热时间，并开始折弯成形；此时，折弯机控制上模向下运动，在折弯线位置对高强钢板的上表面施压，上模和下模的共同作用使高强钢板产生弯曲变形；在此过程中，浮动加热块上表面被高强钢板向下压，浮动加热块向下运动并通过两个横梁拉动拉伸弹簧，在横梁与拉伸弹簧的共同作用下，浮动加热块的上表面与高强钢板的下表面始终保持贴合，从而保证热传导能够稳定进行；当上模向下运动到设定位置，折弯结束，上模向上退回；在拉伸弹簧的作用下，横梁带动浮动加热块、陶瓷绝缘管、电热丝与电源线组成的加热***向上运动，横梁与加热***回到由侧板上的限位钉确定的初始位置。
6.如权利要求1所述的在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形装置，其特征在于，浮动加热块内部装有温度传感器，可以实时采集温度数据，并通过安装在浮动加热块一侧的信号线传入温控***；如果温度传感器传送的数据高于设定的数值，温控***断开电源线的电流，电热丝停止加热；如果温度传感器传送的数据低于设定的数值，则温控***接通电源，电热丝进行加热。
7.一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)从室温到高强钢板的热成形温度之间，按50～100℃的梯度递增，对高强钢板进行不同温度下的成形性能测试，获取高强钢板的成形性能参数随温度的变化曲线；找出具有最大成形性能参数的温度，作为高强钢板温成形的参考加热温度W；
(2)根据待折弯成形高强钢板的材料类型、厚度与折弯线长度，确定电热丝的功率与尺寸；根据电热丝的尺寸和折弯机的安装使用要求，完成高强钢板温折弯成形装置的设计、制造；
(3)将高强钢板温折弯成形装置安装在折弯机上；
(4)接通电源线的电源，电热丝对浮动加热块进行加热；利用红外测温仪测量浮动加热块上表面的温度，每秒钟记录一次数据，获取浮动加热块的上表面温度与加热时间的关系；
(5)当浮动加热块的上表面温度达到参考加热温度W，将待折弯成形的高强钢板放置在下模的上表面，利用折弯机的定位装置对高强钢板进行定位；
利用红外测温仪测量高强钢板上表面的折弯线中间位置的温度，每秒钟记录一次数据，获取高强钢板的上表面折弯线中间位置的温度与加热时间的关系；
(6)当高强钢板的上表面折弯线中间位置的温度数值达到参考加热温度W，记录从放置高强钢板到高强钢板的上表面折弯线中间位置达到参考加热温度W时刻的加热时间T1；启动折弯机进行折弯成形，当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回并取出制件；
(7)将第二件待折弯的高强钢板放置在下模的上表面，利用折弯机的定位装置对高强钢板进行定位，静置时间T1后，启动折弯机进行折弯成形；当上模向下运动到预定位置，折弯结束，上模返回并取出制件；
重复以上步骤，直到完成所有高强钢板制件的成形。
8.一种在线局部接触加热的高强钢板温折弯成形方法，其特征在于，所述不同温度下的材料成形性能测试方法，包括单向拉伸实验和胀形实验。
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