CN115301835B - 一种管状零件的热冲压制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热冲压工艺技术领域，具体涉及一种管状零件的热冲压制造方法，包括以下步骤：步骤(1)，根据零件尺寸大小，选取管坯直径的初始尺寸D3；步骤(2)，将管坯放置加热炉中进行加热，采用分区梯度加热方式，管坯通过炉辊传输，匀速依次通过每个加热区间；步骤(3)，将步骤(2)加热后的管坯转移至模具，模具压合分两步进行；步骤(4)，保压2‑4s，将冷却介质冲入管内，进行零件淬火，完成零件的成型。本发明的管状零件热成型和淬火一体化，管类零件非等厚、性能梯度明显，满足整体功能要求，解决管类热冲压零件制造工艺问题。

Description

一种管状零件的热冲压制造方法

技术领域

本发明涉及一种管状零件的热冲压制造方法，属于热冲压工艺技术领域。

背景技术

汽车制造所应用的管状零件主要包括车身类、底盘***类、发动机及驱动***类，车身类管件比如仪表盘支架、散热器支架、座椅框、车顶侧梁，底盘***类管件主要包括的扭力梁、前后副车架、保险杠，发动机及驱动***类管件比如排气管、连接管等，管状零件在汽车制造业中的应用种类众多。管状零件的主要实现工艺采用液压成型，但是液压成型对设备条件要求极高，生产零件材料强度最高只能到达1000MPa。

目前的高强钢管状零件的制备加工方法主要有两种，一种方法是先将管件在低强度情况下进行辊压或冲压制管，然后对管进行加热淬火，但是零件易在后道工序淬火过程中发生严重变形，产品尺寸较难保证；第二种方法是采用传统加热及热气胀工艺，产品加热后管类零件应力释放，管坯变形较大，且此种工艺产品成型气体压力特别高，模具合模后再充气，管坯料与模具接触后零件快速冷却，导致零件成型过程极易开裂。另外，现有的热成型管产品成型工艺，管胚产品截面尺寸选择方法一般选择为设计零件的最大或最小截面尺寸，直接导致管坯在成型过程中管坯减薄和增厚起皱情况比较严重，使管状零件的性能无法满足需求。如尺寸采用截面最小尺寸的管坯通过内高压介质成型到零件最大截面尺寸，零件减薄严重，且需要较高的介质压力；如尺寸采用最大截面尺寸的管坯通过内高压成型，则管坯局部由于先与模具表面接触，管坯温度降低，材料流动性降低，管坯缩径尺寸较大位置易产生叠料及起皱现象。另外，由于产品在成型过程中，管坯的初始形状对后续定位及成型精度影响较大，传统的等温快速升温可能会导致管坯变形扭曲，严重的会影响管坯上料定位，导致产品废品率较高。

因此，需要一种提高管状零件强度、实现整车轻量化、减少废品率的管状零件的加工方法。

发明内容

本发明针对现有热成型管状零件强度较低、成型过程中管坯出现增厚起皱或者减薄的情况严重、管状零件在淬火工序中易发生变形的情况，提供一种管状零件的热冲压制造方法，成型压力小，可生产更高强度的管状零件，通过强度的提升使管状零件厚度可以减薄，进而实现整车轻量化的效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种管状零件的热冲压制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)，根据零件尺寸大小，选取管坯直径的初始尺寸D3，D3值依据以下公式Ⅰ选取：

D3＝(D1+D2)/2*N1,N1＝0.9-1.1 公式Ⅰ

其中，D1为管状零件的截面最大外径周长，D2为管状零件的截面最小外径周长；

N1值的选择：当(D1-D2)/D1≥8％时，N1＝0.9-1.0；当(D1-D2)/D1＜8％时，N1＝1.0-1.1；

步骤(2)，将管坯放置加热炉中进行加热，采用分区梯度加热方式，管坯通过炉辊传输，匀速依次通过每个加热区间；

步骤(3)，将步骤(2)加热后的管坯转移至模具，模具压合分两步进行：第一步，上模下压，上模运动至合模位置M1,打开气源阀门一，开始充气，充气时间T1，气体压力P1；第二步，上模继续下压，上模运动至合模位置M2，关闭气源阀门一，打开气源阀门二，开始充气，充气时间T2，气体压力P2；

步骤(4)，保压2-4s，模具保持闭合状态，然后进行气体泄压，同时将冷却介质冲入管内，冲入时间t，进行零件淬火，完成零件的成型。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：

进一步，所述步骤(2)中，所述加热炉加热分8-14个区，每个区域加热温度830-940℃，每个区域加热时间20-30秒。

进一步，所述步骤(2)中，加热炉配备保护气氛。

进一步，所述保护气氛为氮气。

进一步，所述步骤(3)中，

所述T1＝1-5s，所述P1＝5-10MPa，

所述T2＝1-5s，所述P2＝15-100MPa，

所述M1＝D3*Z+N2，其中，N2＝0.5-2mm，Z＝1+(8‰～10‰)，

所述M2＝D3*N3，其中，N3＝0.8-0.9。

进一步，所述步骤(3)中，所述模具包括上模和下模，所述模具的一端设有密封头一，所述模具的另一端设有密封头二，所述密封头一与高压气源连通，所述密封头一接触所述管坯的一侧设有进气口；所述密封头二与冷却设备相连通，所述密封头二接触所述管坯的一侧设有进冷却介质口。

进一步，所述高压气源设有第一出气管道和第二出气管道，所述第一出气管道上设有气源阀门一，所述第二出气管道上设有气源阀门二，所述密封头一设有进气管道，所述进气管道与所述第一出气管道和第二出气管道连通。

进一步，所述冷却设备设有出冷管道，所述出冷管道与所述密封头二相连通，所述出冷管道上设有阀门三，所述冷却设备内设有冷却介质。

进一步，所述冷却介质为液体或者气体。

进一步，所述步骤(4)中，t＝1-10s。

本发明的优点在于：

(1)本发明根据管状零件的尺寸选取管坯尺寸，可以有效降低管坯成型介质的压力值，进而降低对内高压介质产生设备要求，减少了管坯在加工过程中的变形量，使管状零件产品的成型难度大大降低，使产品的增厚与减薄情况分布更加均匀，提升零件整体性能；

(2)本发明采用分区梯度加热方式，可以让零件均匀受热，缓慢升温，在保证达到奥氏体化温度的前提下，使管坯均匀升温，避免快速升温导致零件受热变形，提升零件定位精度，降低产品废品率；

(3)本发明的管状零件热成型和淬火一体化，管类零件非等厚、性能梯度明显，满足整体功能要求，解决管类热冲压零件制造工艺问题。

附图说明

图1为本发明的热冲压加工工艺图；

图2为合模至M1位置的过程示意图；

图3为合模至M1位置的侧视图；

图4为合模至M2位置的过程示意图；

图5为合模至M2位置的侧视图。

附图标记记录如下：1、上模；2、下模；3、密封头一；4、密封头二；5、高压气源；6、第一出气管道；7、第二出气管道；8、进气管道；9、气源阀门一；10、气源阀门二；11、冷却设备；12、阀门三；13、出冷管道；14管坯。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参见图1-5，以加工汽车A柱产品为例，对本发明的管状零件热冲压制造方法作进一步说明，具体包括以下步骤：

步骤一，首先分析管状零件的最大及最小截面尺寸，确认最大截面尺寸D1＝60mm，最小截面D2＝50mm，然后开展管坯14尺寸选择工作；

确定系数N1数值，(D1-D2)/D1＝(60-50)/60＝16.7％＞8％，所以系数N1范围确定为N1＝0.9-1.0,在此范围内，采用CAE分析技术，最终成型管状零件增厚区域和减薄区域相比初始管坯14尺寸增厚或减薄不大于17％，最终确认N1＝1，管坯14最终成型后增厚减薄不超过17％的情况下，说明管坯14尺寸适当，如果增厚或减薄超过17％，则管坯14尺寸不适合，最终产品尺寸可能会开裂或起皱。

最终确定管坯14尺寸D3,D3＝(D1+D2)/2*N1＝(60+50)/2*1＝55mm。

管坯14尺寸确认完成后，进行管坯14加工制造。

步骤二，将管坯14放置于加热炉中进行加热，加热炉需配备保护气氛N2，为避免管坯14加热膨胀变形，加热炉采用分区梯度加热方式，加热炉可分8-14个加热分区，本实施例加热炉分14个区，对于加热炉的梯度加热分区数量根据产品的尺寸选定，每个区域加热温度区间为830-940℃，每个区域加热时间20-30秒，通过炉辊传输管坯14，控制炉辊传输速度为100mm/s，使管坯14匀速通过每个加热区间。

由于产品在成型过程中管坯14的初始形状对后续定位及成型精度影响较大，传统的等温快速升温可能会导致管坯14变形扭曲，严重影响管坯14上料定位，导致产品废品率较高，本实施例采用分区梯度加热方式，管坯14匀速通过各个加热区，可以让零件均匀受热，缓慢升温，在保证达到奥氏体化温度的前提下，使管坯14均匀升温，避免快速升温导致零件受热变形，提升零件定位精度，降低产品废品率。

步骤三，加热后的管坯14转移至模具，所述模具包括上模1和下模2，所述模具的一端设有密封头一3，所述模具的另一端设有密封头二4，所述密封头一3与高压气源5连通，所述密封头一3接触所述管坯14的一侧设有进气口；所述密封头二4与冷却设备11相连通，所述密封头二4接触所述管坯14的一侧设有进冷却介质口。所述高压气源5设有第一出气管道6和第二出气管道7，所述第一出气管道6上设有气源阀门一9，所述第二出气管道7上设有气源阀门二10，所述密封头一3设有进气管道8，所述进气管道8与所述第一出气管道6和第二出气管道7连通。所述冷却设备11设有出冷管道13，所述出冷管道13与所述密封头二4相连通，所述出冷管道13上设有阀门三12，所述冷却设备11内设有冷却介质，所述冷却介质为液体或者气体。

步骤三的具体操作为：模具的上模1和下模2打开，放入管坯14，模具两端通过密封头一3和密封头二4的夹紧对零件进行夹紧定位和轴向密封，模具压合分两步进行：

参见图2-3，第一步，模具上模1开始下压，上模1运动至模具合模位置M1,打开气源阀门一9,开始充气，充气时间T1，气体压力P1；

合模位置M1数值确定：M1＝D3*Z+N2，结合CAE分析技术的产品成型模拟分析过程，N2＝1mm，Z＝1+8‰＝1.008，则M1＝55*1.008+1＝56.44mm，即第一步上模1下压距离为56.44mm；

充气时间T1＝2s；充气压力P1＝10MPa。

参见图4-5，第二步，模具上模1继续下压，上模1运动至模具合模位置M2，关闭气源阀门一9，打开气源阀门二10开始充气，充气时间T2，气体压力P2；

合模位置M2数值确定：M2＝D3*N3，结合CAE分析技术的产品成性模拟分析过程，确认N3＝0.85，则合模位置M2＝55*0.85＝46.75mm，即第二步上模1下压距离为46.75mm；

充气时间T2＝2s；充气压力P2＝15MPa。

步骤四，保压4s后，模具保持闭合状态，密封头一3打开进行气体泄压，同时打开阀门三12，由密封头二4将冷却介质冲入管内，冲入时间t＝5s，进行零件淬火。

零件成型完成，最终零件性能经测试，各项性能检测满足如下要求：

表1性能要求数据表

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管状零件的热冲压制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1），根据零件尺寸大小，选取管坯直径的初始尺寸D3，D3值依据以下公式Ⅰ选取：

D3=(D1+D2)/2*N1,N1=0.9-1.1公式Ⅰ

其中，D1为管状零件的截面最大外径周长，D2为管状零件的截面最小外径周长；

N1值的选择：当(D1-D2)/D1≥8%时，N1=0.9-1.0;当(D1-D2)/D1＜8%时，N1=1.0-1.1；

步骤（2），将管坯放置加热炉中进行加热，采用分区梯度加热方式，管坯通过炉辊传输，匀速依次通过每个加热区间；

步骤（3），将步骤（2）加热后的管坯转移至模具，模具压合分两步进行：第一步，上模下压，上模运动至合模位置M1,打开气源阀门一，开始充气，充气时间T1，气体压力P1；第二步，上模继续下压，上模运动至合模位置M2，关闭气源阀门一，打开气源阀门二，开始充气，充气时间T2，气体压力P2；

所述T1=1-5s，所述P1=5-10MPa，

所述T2=1-5s，所述P2=15-100MPa，

所述M1=D3*Z+N2，其中，N2=0.5-2mm，Z=1+(8‰～10‰)，

所述M2=D3*N3，其中，N3=0.8-0.9；

所述模具包括上模和下模，所述模具的一端设有密封头一，所述模具的另一端设有密封头二，所述密封头一与高压气源连通，所述密封头一接触所述管坯的一侧设有进气口；所述密封头二与冷却设备相连通，所述密封头二接触所述管坯的一侧设有进冷却介质口；

所述高压气源设有第一出气管道和第二出气管道，所述第一出气管道上设有气源阀门一，所述第二出气管道上设有气源阀门二，所述密封头一设有进气管道，所述进气管道与所述第一出气管道和第二出气管道连通；

步骤（4），保压2-4s，模具保持闭合状态，然后进行气体泄压，同时将冷却介质冲入管内，冲入时间t，进行零件淬火，完成零件的成型。

2.根据权利要求1所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述加热炉加热分8-14个区，每个区域加热温度830-940℃，每个区域加热时间20-30秒。

3.根据权利要求1所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述步骤（2）中，加热炉配备保护气氛。

4.根据权利要求3所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气。

5.根据权利要求1所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述冷却设备设有出冷管道，所述出冷管道与所述密封头二相连通，所述出冷管道上设有阀门三，所述冷却设备内设有冷却介质。

6.根据权利要求5所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述冷却介质为液体或者气体。

7.根据权利要求1所述的热冲压制造方法，其特征在于，所述步骤（4）中，t=1-10s。