CN114929905A - 工艺方法和用于形成物件的产品线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种形成金属部件(20)的工艺方法，该工艺方法包括以下步骤：加热涂覆有保护层的金属坯料(20)；在受限空间(14)中冷却所述金属坯料(20)，所述冷却包括通过气体冷却，所述气体通过与所述受限空间(14)内的散热器(22)的冷却表面进行热交换而被冷却，其中低频声波被提供到所述受限空间(14)中以改善气体与至少一个散热器(22)的冷却表面之间以及气体与金属部件之间的热交换(20)，其中将加热的涂覆的坯料冷却到低于所述保护层熔点的温度，并将所述涂覆的坯料成形为部件。本发明还涉及用于执行该工艺方法的生产线。

Description

工艺方法和用于形成物件的产品线
技术领域
本发明涉及一种工艺方法和一种用于形成金属部件的产品线，其金属部件可用作为汽车制造的部件。
背景技术
在部件制造中，例如在汽车工业中，部件通常分步加工，从热轧，经过冷却步骤到成形步骤，最后冷却到环境温度。为了获得最佳效率并避免时间损失，所有步骤都应快速执行，并且由于整体效率由最慢的步骤控制，因此应尽可能保持每个步骤的效率。
通常，在成形步骤之前对零件进行冷却的冷却步骤包括空气冷却，因此是最耗时的步骤。因此，如果可以减少冷却步骤的时间，则总时间可以减少冷却步骤的时间减少的倍数，因为该方法的每个步骤可以同样缩短。
如上所述，空气冷却通常对于有效冷却来说太慢，尤其是在几个步骤相继执行的过程中。然而，有一些方法可以提高空气冷却中的冷却速度。
众所周知，通过应用次声波来改善空气冷却，以增加与周围空气的热交换。在SE462374B中描述了一种低频声音发生器。这是有利的，但迄今为止尚未在工业应用中成功实施。
与热金属部件的冷却相关的另一个问题是，来自例如金属片材生产的热金属将由于暴露于氧气而形成氧化皮外层。氧化皮是不需要的，因为它会影响金属片材的后续加工，例如通过压制成不同形状的后续成形，通常与冷硬化相结合。然后必须在金属部件的压制和冷硬化之前去除氧化皮。因此，如果材料能够如此快速地冷却以减少氧化皮堆积，那将是有利的。
处理金属部件的另一个方面是金属坯料涂有保护层时。这在许多应用中通常是有利的，因为例如保护层可以增加对腐蚀或其他环境影响的保护。保护层通常包括锌，或铝，或铝和硅树脂的组合。
在生产方面，如果可以在加热和成形步骤之前对坯料进行涂层，那将是有利的。在这方面的一个问题是坯料被加热到高于锌或铝保护层的熔点的温度。如果将加热后的坯料在这些温度下放入成形单元中，保护层的材料会在成形过程中进入坯料钢的晶界，例如压制和拉伸，并会导致所谓的液态金属脆化。为了避免这种情况，必须在加热和成形步骤之间将坯料冷却一段时间，使其温度低于保护层的熔点，从生产角度来看，这通常是一个太长的时间。
发明内容
本发明的目的是弥补冷却部件，特别是金属部件的缺点。该目标通过具有独立专利权利要求的特征的工艺方法和生产线来实现。本发明的优选实施例形成从属权利要求的主题。
根据本申请，其涉及一种用于形成金属部件的工艺方法。所述工艺方法可以包括加热涂有保护层的金属坯料的步骤。进一步的步骤可以是在受限空间中冷却金属坯料，其中冷却涉及通过气体进行冷却，并且其中可以通过与受限空间内的散热器的冷却表面进行热交换来冷却气体。
根据一种优选的方案，可以在受限空间中提供低频声波，以改善气体与至少一个散热器的冷却表面之间，以及气体与金属部件之间的热交换。优选地，可将加热的涂覆的坯料冷却至低于保护层熔点的温度，然后可在成形步骤中将涂覆的坯料成形为部件。这使得金属坯料能够在制造部件的过程的加热和压制步骤之前涂上保护层，因为增加了低频声波的快速冷却，这会在冷却箱的气体和至少一个散热片之间产生这种湍流和交换，这大大减少了冷却时间，从而大大减少了形成覆盖有保护层的部件的周期时间。
根据一种可行的解决方案，保护层可以包括锌，锌具有良好的防腐蚀保护性能。作为替代方案，保护层可以包含铝并且可能另外包含硅。由于铝/硅薄层可防止金属坯料的钢氧化，该保护层还具有高度的耐腐蚀性。
优选地，可将加热的涂覆的部件冷却至约550℃。这是低于保护层熔点的温度，并且将能够在随后的成形步骤中的压制中进行冷却并由此进行冷硬化。作为替代方案，成形步骤可以包括多个子成形步骤，直至部件的最终形式。这样做是为了在金属坯料成形为涂有保护层的部件时获得最佳的金属坯料材料强度特性。在这方面，子成形步骤还可以包括坯料的切割和/或冲压。
根据本发明的一个重要方面，金属坯料可以包括具有空气硬化特性的钢合金。与放置在压力机模具中的冷却期间金属部件的硬化相比，空气硬化特性将使压力机中的时间周期短得多。涂有保护层的金属坯料可以在通过模具在压力机中加热时形成，然后从模具中取出并在周围空气中硬化。通过快速冷却和空气硬化，这将大大减少生产具有保护层的部件的周期时间。
通常，金属坯料在加热步骤中可以加热到约890℃。此外，冷却步骤的声波具有优选低于50Hz，更优选低于20Hz的频率。关于声波，它可以从受限空间的第一端提供，以便传播穿过受限空间并在受限空间的与其第一端相对的第二端离开。
如果部件是平板金属坯料，其中声波可以在坯料的两侧传播，同时在坯料的两侧提供有效的冷却，这可能是特别有益的。与此相关，在受限空间中待冷却的部件可以沿大致横向于声波方向的方向上从第一端传送到第二端。在此，可以在具有沿横向传播的驻波的一个方向上获得组件的连续运动。
根据另一方面，提供一种用于执行上述工艺方法的生产线，包括加热单元、冷却单元和成形单元以及往返于各所述单元之间的输送机。
本发明的这些和其他方面以及优点将从以下本发明的详细描述和附图中变得显而易见。
附图简要说明
在本发明的以下详细描述中，将参考附图，其中
图1是用于冷却热物件的装置的实施例的示意性剖视图；
图2是用于冷却热物件的装置的替代实施例的示意性透视图；
图3是图2所示的冷却箱的示意性剖视图；
图4显示了将在图1和图2的装置中使用的脉动器的第一实施例；
图5显示了将在图1和图4的装置中使用的脉动器的第二实施例；
图6-9示出了脉动器在不同工作模式下的第三实施例；和
图10是生产线的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于通过冷却气体(例如，有或没有蒸汽的空气或任何其他气体)冷却部件(例如汽车部件20)的装置10。根据装置放置位置的湿度，冷却气体可以是干燥空气，这在潮湿环境中可能很重要。该装置包括布置在冷却箱16内的受限空间14，该冷却箱16具有用于接收待冷却的部件20的开口18。优选地，开口是可重新关闭的。冷却箱16优选地在冷却箱16内设置有多个散热器22，用于冷却气体。散热器22可以通过导管24、26连接到冷却介质，使得冷却介质流循环通过散热器22。散热器22还可以包括冷却法兰28，图3，增加整体冷却表面。对本领域技术人员显而易见的是，冷却效率将随着散热器22的总冷却表面的增加而增加，但是冷却也将在仅一个散热器22的小冷却表面的情况下产生效果。装置10还包括至少一个次声脉动器30和32，其设置成向所述冷却箱16提供次声波，以改善冷却气体与至少一个散热器22的冷却表面之间以及冷却气体与待冷却的部件20之间的热交换。
图2和图3示意性地公开了装置和冷却箱16的示例。冷却箱16通常是矩形的，具有四个侧壁34、一个顶部36和一个底部38，形成受限空间14。在其中一个侧壁中布置第一开口40'，包括至少一个细长孔，即狭缝形开口，该细长孔布置成将钢坯20等从侧面接收到冷却箱16的受限空间10中。此外，冷却箱16可以设置有第二个这样的开口40”，其中两个开口40'、40”优选地布置在冷却箱16上彼此相对，如图3所示，使得待冷却的物件20冷却液可在冷却箱16的一侧进入，冷却后在冷却箱16的另一侧取出。因此，该实施例特别适用于有效冷却坯料，例如金属片材。开口40'、40”可以设置有柔性窗帘或可摆动的门(未显示)，这些柔性窗帘或可摆动的门被布置成覆盖开口但允许金属坯料进入和/或退出。布置这种窗帘或门是为了使声音污染最小化并且在受限空间14内尽可能完整地保持次声驻波，从而使冷却效果最大化。
如图2和3所示，导向元件42可以布置在每个开口12处，以在它们之间引导部件20(例如汽车部件)。在所示实施例中，导向元件42由布置成在它们之间接收和引导坯料的传送辊组成。作为传送辊的替代方案，可以提供允许热金属坯料在其上滑动的任何表面，优选地与用于传送所述金属坯料通过冷却箱16的受限空间14的装置相结合。此外，传送辊44或任何其他类型的导向元件可以布置在冷却箱内，参考图1和图3。显然，传送辊或其他类型的导向元件需要以均匀的间隔距离布置在彼此之间，该距离小于待冷却的部件20的长度。此外，冷却箱可以布置有止动元件45，部件20可以抵靠在止动元件45上，以便停止用于冷却过程的运动。当部件被冷却到所需温度时，止动元件45可以移动脱离接触，从而可以将部件传送到随后的处理站。冷却箱如图2和图3的实施例还设置有至少一个散热器22或类似的冷却装置。为了提高散热器的效率，可以提供冷却法兰28。与图1所示的实施例一样，冷却导管24、26优选地布置成提供冷却流体，例如水，以冷却所述散热器22。
图1和图2提供了次声发生器单元50，其具有通过第一谐振器导管52连接到冷却箱16的第一次声脉动器30，其中第一次声脉动器30布置在该第一谐振器导管52的第一外端54处。次声发生器单元50还设置有第二次声脉动器32，其通过第二谐振器管道56连接到冷却箱16，该第二次声脉动器56设置在所述第二谐振器管道56的第二外端58处。如图2所示，第二谐振器导管52和56可以是管状的，沿它们的整个长度具有基本相同的横截面。然而，它们可能包括不同横截面的通道。从一个横截面区域到另一个横截面区域的过渡可以称为扩张段。在图1所示的实施例中，这样的扩张段分别布置在第一和第二谐振器导管52和56的外端54和58处，以及在谐振器导管52、56和冷却箱16的受限空间14之间的过渡60和62处。管状谐振器导管52、56可以是弯曲的或直的。如从图1和2中的实施例，特别是从图2中的箭头所见，很明显，脉冲冷却空气CA大致横向于待冷却物品的进给方向FD移动，特别是本文的前述和下述中。
图4-9显示了三种不同类型的脉动器。次声脉动器30、32可以是P-脉动器或S-脉动器。P-脉动器是泵入空气脉冲的脉动器，S-脉动器是泵出或释放空气脉冲的脉动器。交替泵入或泵出空气脉冲的脉动器称为PS-脉动器。或者在***的两端设置一个P-脉动器和一个S-脉动器，或者在两端设置一个PS-脉动器。两端的脉动器需要相互同步，以便在脉动器之间抑制驻声波。通常，这种同步是通过允许脉动器以受驻声波控制的自然步速摆动并通过在所述自然步速方向上添加力来增强运动来设置的。
在图4中，显示了第一种类型的PS-脉动器30'。在气缸内来回移动的活塞70被布置成用作PS-脉动器。所示的脉动器30'在第一管状谐振器导管52的第一外端54处与导管72连接。优选地，在第二管状谐振器导管7的第二外端5的相对端处提供相应的PS-脉动器。相对设置的PS-脉动器布置成彼此异相工作，使得其中一个处于其最内位置，而另一个处于其最外位置。通过相互作用，脉动器将相对于彼此异相半波长。从而，将分别在管状谐振器导管52和56的相应外端54和58之间产生半波长的驻波。
在图5中，示出了替代的脉动器30”，该脉动器通过导管72连接到第一谐振器导管52的第一外端54并通过导管74连接到第二谐振器导管56的第二外端58。利用这种配置，活塞70将向谐振器导管的一个外端54、58提供压力，同时从另一谐振器导管的外端58、54释放压力。
在图6-9中以不同的模式显示了用于产生高强度声波的特定类型的脉动器30”'。脉动器30”'包括弹簧偏置活塞80。脉动器30”'包括具有阀入口开口84的入口腔室82和具有阀出口开口88的出口腔室86。弹簧偏置活塞80包括活塞端口90，其被布置成朝向阀入口开口84和阀出口开口88。入口腔室82连接到连续压力源(未显示)，出口腔室86连接到连续负压源(未显示)。
当弹簧偏置活塞80移动时，活塞端口90交替地将入口腔室82通过阀入口开口84连接到活塞80的内部，或者将出口腔室86通过阀出口开口88连接到活塞80的内部。阀入口开口84和入口腔室82与活塞80内部的连接由弹簧偏置活塞80的位置控制。这些开口布置成使得阀入口开口84和阀出口开口88中一次只有一个与活塞端口90对齐。
在图6中，弹簧偏压活塞80处于其最内位置，其中保持弹簧偏压活塞80的弹簧92处于其最压缩状态。从这个位置，弹簧92将作用在弹簧偏压活塞80上，以便将其向内推动以压缩第一谐振器导管52的外端54中的空气，从而在第一谐振器导管52中产生一个脉冲，经过冷却箱16并穿过第二谐振器导管56。
在图6所示的位置，活塞端口90与阀入口开口84对齐，以将入口腔室82连接到活塞80的内部，从而进一步增加谐振器管道中的压力并建立在所述谐振器导管中的驻波。
在图7所示的位置，活塞80已经从它的最外位置移动，并且仍在其向内朝向谐振器导管的运动中加速，以便进一步压缩所述谐振器导管中的空气。活塞端口90仍然至少部分地与阀入口开口84对齐，以将入口腔室82连接到活塞80的内部，从而进一步增加谐振器管道中的压力。
在图8所示的位置，活塞80已经移动到弹簧92开始向外作用的位置，即在与活塞80的运动相反的方向上，以使所述活塞80的运动减速。此外，在经过与弹簧的未偏置位置基本相同的位置时，活塞端口90从与阀入口开口84的连接过渡到与阀出口开口88的连接，使得空气将从活塞80的内部通过阀出口开口88被吸入出口室并到达负压源(未示出)。
在图9所示的位置，活塞80已经移动到其最里面的位置，它将从该位置返回并开始向外移动。弹簧92伸长，向外拉活塞80以释放谐振器管道中的压力，并且由于活塞端口90连接到阀出口开口88而增强了作用，从而空气将从活塞80的内部朝向出口腔室86吸入。
从图9所示的位置，活塞80将分别通过图8和图7所示的位置反向地朝图6所示的位置移动。脉动器30”'因此是自调节的，因为半波长的驻波将通过脉动器30”'和在谐振器导管的相对端的相应脉动器产生和抑制，其中另一个脉动器将自我调节以与第一个脉动器30”'相差一个半长。
如图1和2所示，第一谐振器导管52和第二谐振器导管56优选地具有相似的长度，并且从第一次声脉动器30到第二次声脉动器32产生驻波，其中，第一次声波发生器30被布置成产生驻波，该驻波的半波长对应于第一谐振器导管52和第二谐振器导管56以及冷却箱16的组合长度。因此，第一脉动器30和第二脉动器32彼此异相半波长。
从上面可以明显看出，驻波的波长取决于***的长度，即分别在第一第二脉动器30和第二脉动器32之间的长度。优选地，频率为50Hz或更小，这将产生波长为6.8米的声音，因此要求脉动器之间的长度为3.4米。然而，冷却效果将随着较低频率而增加，并且在特定实施例中，脉动器之间的长度约为8.5米，这将产生频率约为20Hz的声波。为了达到非常高的冷却效率，频率可以保持在20Hz或以下，优选16Hz，并因此第一谐振器导管52和第二谐振器导管56以及冷却箱11的组合长度应为大约8.5米或更长，以达到获得上述非常高的冷却效率。
对于一些应用，如图2，次声冷却装置可以进一步包括用于保护气体的至少一个入口100。根据一个实施例，入口放置在谐振器导管52、56之一或两者中。入口100可以是布置为连接到导管102的喷嘴，导管102又连接到保护气体源104，保护气体源104中的气体可以被供应或注入到谐振器导管52、56中。气体的类型可以优选地是惰性气体，不会与环境发生化学反应。最常用的气体之一是具有成本效益且对环境无害的氮气。然而，应当理解，其他气体或气体混合物也可用于相同目的。例如，可能有气体及其混合物表现出增强的传热特性，这可能有利于冷却过程。此外，颗粒捕集器106可以布置到谐振器导管52、56。颗粒捕集器106将确保防止来自冷却箱内的已处理和冷却部件的任何颗粒进入脉动器。颗粒捕集器优选地是通过合适的导管110连接到真空源108的某种喷嘴单元。
图10显示了用于执行根据有利解决方案的工艺方法的生产线。坯料预先已经涂有保护层，例如锌层或铝层，或者铝-硅层。生产线包括加热单元201，例如设有加热元件的熔炉。熔炉优选地设置有用于待加热的金属坯料的入口和用于加热的坯料的出口。通常，金属坯料被加热到800-900℃范围内的温度，优选是890℃。然后通过传送装置205将坯料从熔炉201的出口传送到具有前述功能的冷却单元202。
在冷却单元202中，经涂覆的加热的坯料被冷却至低于保护涂层熔点的温度。对于锌和铝/铝硅涂层，温度应优选低于550℃，以避免在后续成形步骤中发生液态金属脆化。在这方面，冷却单元优选地布置有可以测量金属坯料的表面温度的传感器。如果需要，冷却单元可以设置有多个连续放置的冷却箱，以便能够将金属坯料冷却到所需温度。
冷却的金属坯料然后由传送装置205传送到成形单元203，在所示的实施例中，成形单元203可以是具有两个压力机，该两个压力机具有互补形状的半模。金属坯料放置在半模之间，在一定时间内将半模压在一起以形成成品部件。在压制期间，部件被冷却和硬化。
如果金属坯料包括表现出空气硬化特性的钢合金，则获得进一步的优点。然后可以将金属坯料冷却到特定温度，步骤204中，在成形单元中压制并在最终冷却过程中取出并在周围空气中硬化。这与例如汽车工业中通常使用的传统钢合金形成对比，后者在冷却过程中在成形单元中硬化。与传统的合金钢相比，压制单元的周期时间大大缩短。
关于压制步骤，成形单元203可以包括多个所谓的子单元，其中每个子单元执行非最终形式的成形。以这种方式，坯料通过子单元的多步骤成形而形成其成品部件。这些子单元还可以包括用于在部件中制作切口和孔的切割和冲压工具。
应当理解，上述和附图中所示的实施例仅被视为本发明的非限制性示例，并且可以在专利权利要求的范围内以多种方式对其进行修改。

Claims (13)

1.用于形成金属部件(20)的工艺方法，所述工艺方法包括以下步骤：
-加热涂有保护层的金属坯料(20)；
-在受限空间(14)中冷却所述金属坯件(20)，所述冷却包括通过气体进行冷却，所述气体通过与所述受限空间(14)内的散热器(22)的冷却表面进行热交换而被冷却，其中，将低频声波提供到所述受限空间(14)中，以改善所述气体与至少一个散热器(22)的冷却表面之间，以及所述气体与所述金属部件之间的热交换(20),
-其中，将加热的涂覆的坯料冷却至低于所述保护层熔点的温度，和
-将所述涂覆的坯料成形为部件。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其中，所述保护层包含锌。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其中，所述保护层包括铝。
4.根据权利要求3所述的工艺方法，其中，所述保护层还包括硅。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的工艺方法，其中，将所述加热的涂覆的部件冷却至约550℃。
6.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，所述成形步骤包括直到最终部件成形的多个子成形步骤。
7.根据权利要求6所述的工艺方法，其中，所述子成形步骤还包括对所述坯料的切割和/或冲压。
8.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，所述金属坯料包括具有空气硬化特性的钢合金。
9.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，在所述加热步骤中，将所述金属坯料加热至约890℃。
10.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，所述冷却步骤的所述声波具有优选低于50Hz、更优选低于20Hz的频率。
11.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，从所述受限空间的第一端提供所述声波，以便传播穿过所述受限空间(14)并在所述受限空间(14)的第二端离开，所述第二端与所述受限空间(14)的所述第一端相对。
12.根据前述权利要求中任一项所述的工艺方法，其中，在所述受限空间中待冷却的组分从所述加热步骤的第一端沿大致横向于所述声波方向的方向传送到第二端，并且从所述第二端传送到所述成形步骤。
13.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的工艺方法的生产线，包括加热单元(201)、冷却单元(202)和成形单元(203)以及往返于各所述单元之间的传送机。
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