基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺及装置

摘要

一种热处理塑性成形技术领域的基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺及装置，该方法根据待成形产品断面的几何特征中除直线段以外每个圆弧部分，对应位置的热成型模具均可分为位于上模中的凸角区域、凹角区域以及平面区域和位于下模中的凹角区域以及平面区域；然后将硼钢钢管在加热装置中加热至奥氏体化并置于热成型模具中并在450～850℃的范围内通过压力机作用进行成形处理；最后保持热成型模具闭合的同时向半开放冷却气道中输入冷却气体，使半开放冷却气道内的冷却气体流动并直接对工件进行冷却，冷却气体最终通过冷却气体回路直接排入大气或循环回收。本发明既可以在成形阶段通过模具冲压使工件顺利成形，又可以在保压冷却阶段实现冷却气体直接冷却工件。

权利要求

1.一种基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、根据待成形产品断面的几何特征，将热成型模具中对应的位置分为位于上模中的凸角区域、凹角区域以及平面区域和位于下模中的凹角区域以及平面区域，其中：凸角区域的型面设置为与成品外形完全相同的形状，并分别在上模和下模的平面区域的表面以及凹角区域的弧面设置若干条相互连通的半开放冷却气道，该半开放冷却气道的首端与末端分别与热成型模具的冷却气体接口相连组成冷却气体回路；

第二步、成形阶段：硼钢钢管在加热装置中加热至奥氏体化以后，置于热成型模具中并在450～850℃的范围内通过压力机作用进行成形处理；

第三步、保压冷却阶段：保持热成型模具闭合的同时向半开放冷却气道中输入冷却气体，使半开放冷却气道内的冷却气体流动并直接对工件进行冷却，冷却气体最终通过冷却气体回路直接排入大气或循环回收；

所述的连通是指：位于上模部分和下模部分中的半开放冷却气道分别连通并分别构成一个或几个入口和出口，所述入口和出口分别与压力机的出口和入口相连接；

所述的上模内部设置有封闭冷却气道。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，所述的奥氏体化的温度为850～950℃。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，所述的凹角区域的弧面设置是指：根据待成形产品断面凹角区域的圆弧半径的大小，向圆弧半径减小的方向偏置0～(L-3)mm的位置设置半开放冷却气道，其中：L为凹角区域的圆弧长度。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，所述的冷却气体为常温或低温压缩空气、压缩氮气或压缩二氧化碳；所述的冷却气体对工件的冷却速度大于等于50℃/秒。

5.一种实现权利要求1-4中任一上述工艺的装置，其特征在于，包括：加热装置、零件传送装置、压力机、带有凸角区域、凹角区域以及平面区域的上模、带有凹角区域以及平面区域的下模、分别设置于上模和下模中凹角区域的弧面以及平面区域的表面的若干条半开放冷却气道、以及压力机为模具提供的冷却气体供给装置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述的半开放冷却气道的截面为圆弧形凹槽结构、倒梯形凹槽结构、矩形凹槽结构或其组合。

说明书

基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种热处理塑性成形技术领域的方法和设备，具体是一种基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺及装置。

背景技术

[0002] 硼钢钢管作为一系列热成形钢管，生产工艺如图1所示，分为成形和淬火冷却2个阶段，其中：成形阶段需要在高温下由模具冲压成形；淬火冷却阶段需要通过控制一定的冷却速度，可以发生从奥氏体微观组织向马氏体微观组织的转变，得到极高的强度和硬度：根据硼钢种类不同，其强度可以达到500～2000MPa。常见热成形后强度达到1500MPa的硼钢化学成分为：

[0003]C Si Mn P S Cr B
min 0.20 0.20 1.00 - - 0.15 0.0015
max 0.25 0.35 1.30 0.025 0.015 0.25 0.0050

[0004] 目前常见的模具淬火冷却方式，是在模具内部布置冷却水回路。即高温下的硼钢工件，在通过模具冲压成形以后进入保压冷却阶段，首先将热量传递给模具钢，模具钢再将热量传递给布置在其中的冷却水，从而实现对硼钢工件的冷却；这种方式工件的冷却效率，不仅取决于冷却水路的排布，同时受限于模具钢的传热效率，属于冷却液间接冷却工件的热成形加工工艺。

[0005] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102939221A，公开日2013-02-20，公开了一种保险杠下部增强材料的制造方法，其包括：按规定长度切断淬火性元素添加钢管的切断步骤；以成型温度对切断的钢管进行加热的热处理步骤；通过利用挤压模具对上述加热的钢管进行热压成型来成型为在两侧具备平面部的水平部件的形状的热压成型步骤；以及对在闭合上述挤压模具的状态下所成型的水平部件进行快速冷却的冷却步骤。但该技术在通过模具冲压成形以后进入保压冷却阶段，首先将热量传递给模具钢，模具钢再将热量传递给布置在其中的冷却水，从而实现对硼钢工件的冷却；这种方式工件的冷却效率，不仅取决于冷却水回路的排布，同时受限于模具钢的传热效率，属于冷却液间接冷却工件的热成形加工工艺。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺及装置，既可以在成形阶段通过模具冲压使工件顺利成形，又可以在保压冷却阶段实现冷却气体直接冷却工件。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明涉及一种基于硼钢钢管的热成形模具的冷却气体直冷工艺，包括以下步骤：

[0009] 第一步、根据待成形产品断面的几何特征，将热成型模具中对应的位置分为位于上模中的凸角区域、凹角区域以及平面区域和位于下模中的凹角区域以及平面区域，其中：凸角区域的型面设置为与成品外形完全相同的形状，并分别在上模和下模的平面区域的表面以及凹角区域的弧面设置若干条相互连通的半开放冷却气道，该半开放冷却气道的首端与末端分别与热成型模具的冷却气体接口相连组成冷却气体回路。

[0010] 第二步、成形阶段：硼钢钢管在加热装置中加热至奥氏体化以后，置于热成型模具中并在450～850℃的范围内通过压力机作用进行成形处理。

[0011] 所述的奥氏体化的温度为850～950℃。

[0012] 所述的连通是指：位于上模部分和下模部分中的半开放冷却气道分别连通并分别构成一个或几个入口和出口，所述入口和出口分别与压力机的出口和入口相连接。

[0013] 第三步、保压冷却阶段：保持热成型模具闭合的同时向半开放冷却气道中输入冷却气体，使半开放冷却气道内的冷却气体流动并直接对工件进行冷却，冷却气体最终通过冷却气体回路直接排入大气或循环回收。

[0014] 所述的冷却气体为常温或低温压缩空气、压缩氮气或压缩二氧化碳；所述的冷却气体对工件的冷却速度大于等于50℃/秒。

[0015] 所述的凹角区域的弧面设置是指：根据待成形产品断面凹角区域的圆弧半径的大小，向圆弧半径减小的方向偏置0～(L-3)mm的位置设置半开放冷却气道，其中：L为凹角区域的圆弧长度。

[0016] 本发明涉及实现上述工艺的装置，包括：带有凸角区域、凹角区域以及平面区域的上模、带有凹角区域以及平面区域的下模以及分别设置于上模和下模中凹角区域的弧面以及平面区域的表面的若干条半开放冷却气道。

[0017] 技术效果

[0018] 与现有技术相比，本发明优点包括：

[0019] 1)本发明的核心在于：充分利用工件成形为模具凸角成形、凹角不起成形作用的这一规律，在模具凹角区域布置冷却气体通路，既不影响工件的成形，又能够实现冷却气体和工件的直接接触，从而实现成形、冷却一次完成。

[0020] 2)本发明将工件成形和冷却气体直接冷却淬火集成到一个工位实现。现有技术中，有使用冷却气体、油等冷却气体直接冷却硼钢钢管工件的工艺，但必须在工件成形以后，在成形工位以外增加一个工位并配备不同的工况、工装和设备来实现。

[0021] 3)冷却气体直接冷却工件，冷却效率高。现有技术中，有使用内部布置冷却水的模具钢间接冷却工件的，可以实现工件成形和冷却淬火在一个工位完成，但冷却水不能直接冷却工件，热量通过模具钢传导，冷却的效率通常不是取决于冷却水的供给效率，而是取决于模具钢的传热效率。使用此工艺，可以有效提高冷却效率。

[0022] 空心区域冷却。特别是对于管型件，有些区域出于产品的需要，内部为空心(上下凸凹模无接触)，这时传统的模具钢间接冷却技术凸凹模之间就无法施加保压力，从而无法有效冷却工件。使用本发明的技术，在凸凹模无接触、无保压力的空心状态下，一样可以供给冷却气体，对工件进行有效冷却。

[0023] 4)本发明可以和现有模具钢间接冷却工件的间接冷却技术配合使用。在一个特定的工件上，以下几种情况很难实现均匀冷却：

[0024] i)产品几何特征复杂，间接冷却水路难以均匀排布，甚至出现冷却死角；

[0025] ii)产品为激光拼焊板(Tailored Welded Blank)，管料本身由两种或几种不同厚度的板材激光拼焊卷管而成。不同区域由于厚度不同，传统间接冷却的方法冷却效率难以做到和其他区域一致；

[0026] iii)产品为不等料厚板(Tailored Rolled Blank)，管材本身由特殊冷轧工艺轧制成两种或几种不同厚度的钢管。不同区域区域由于厚度不同，传统间接冷却的方法冷却效率难以做到和其他区域一致；

[0027] 以上情况下，根据实际需要，不同区域可以自由选择冷却气体直接冷却或冷却气体直接冷却结合间接冷却，相互补充，达到均匀冷却，同时提高生产效率的目的。

附图说明

[0028] 图1为现有热成形技术示意图；

[0029] 图中：a为加热后成型；b为通过保压淬火冷却。

[0030] 图2为本发明的模具结构断面示意图；

[0031] 图中：上模1、凸角区域2、设置于凹角区域的半开放冷却气道3、设置于平面区域的半开放冷却气道4、下模5、产品工件6、封闭冷却气道7。

[0032] 图3为实施例中半开放冷却气道示意图。

具体实施方式

[0033] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0034] 实施例1

[0035] 如图2所示，本实施例包括：上模1、下模5以及分别设置于上模1和下模5表面的若 干条半开放冷却气道3、4。半开放冷却气道统一为D6半圆形凹槽，凹槽中心间距统一为12mm。压力机为150T热成型专用压力机，提供4组常见工业空冷气源，每组的初始温度为-18℃，流量为1000g/分钟，额定功率为7.5KW。

[0036] 工件为1.5mm厚硼钢钢管，长度100mm，钢管管径为D50mm，转角处圆角为R6，即弧长37.68mm。

[0037] 如图2所示，在高温成形过程中，由于凸角区域2的存在，可以保证工件按照产品设计成形；保压冷却阶段，排布的系列冷却气道3、4供应冷却气体，直接对工件进行冷却；为进一步优化冷却效果，在上模1的凸角区域2中设置传统的间接冷却的封闭冷却气道7。

[0038] 上述成形装置通过以下步骤进行具体热处理：

[0039] 1、硼钢管料备料

[0040] 2、在加热装置中加热至900℃将板料完全奥氏体化

[0041] 3、在6秒钟内将硼钢管料放置在模具中

[0042] 4、压机初始开口高度600mm，并以300mm/s的速度闭合、成形

[0043] 5、压力机保持闭合状态，维持150T的压力，同时以4*1000g/Min注入-18℃冷却空气，直接对工件进行快速冷却5秒，获得最终需要的强度为1500MPa的马氏体组织。

[0044] 实施例2

[0045] 如图2所示，本实施例包括：上模1、下模5以及分别设置于上模1和下模5表面的若干条半开放冷却气道3、4。半开放冷却气道统一为D6半圆形凹槽，凹槽中心间距统一为12mm。压力机为150T热成型专用压力机，提供8组常见工业空冷气源，每组的初始温度为-18℃，流量为1000g/分钟，额定功率为7.5KW。

[0046] 工件为1.5mm厚硼钢钢管，长度200mm，钢管管径为D50mm，转角处圆角为R6，即弧长37.68mm。

[0047] 如图2所示，为进一步优化冷却效果，在上模1的凸角区域2中设置传统的间接冷却的封闭冷却气道7。

[0048] 如图3所示，为满足计算所需的冷却气体路流量，半开放冷却气道根据需要可以有不同的截面，既可以是圆弧形凹槽结构(图3a)，也可以是倒梯形(图3b)或者矩形凹槽(图3c)结构，还可以是圆弧和矩形或者梯形的组合结构(图3d)，完全根据产品的变化、冷却的需要、加工制造的方便性等做适度调整。

[0049] 上述成形装置通过以下步骤进行具体热处理：

[0050] 1、硼钢管料备料

[0051] 2、在加热装置中加热至900℃将板料完全奥氏体化

[0052] 3、在6秒钟内将硼钢管料放置在模具中

[0053] 4、压机初始开口高度600mm，并以300mm/s的速度闭合、成形

[0054] 5、压力机保持闭合状态，维持150T的压力，同时以4*1000g/Min注入-18℃冷却空气，直接对工件进行快速冷却5秒，获得最终需要的强度为1500MPa的马氏体组织。

[0055] 实施例3

[0056] 如图2所示，本实施例包括：上模1、下模5以及分别设置于上模1和下模5表面的若干条半开放冷却气道3、4。半开放冷却气道统一为3mm宽、9mm深矩形凹槽，凹槽间距统一为12mm。压力机为150T热成型专用压力机，提供6组常见工业空冷气源，每组的初始温度为-18℃，流量为1000g/分钟，额定功率为7.5KW。

[0057] 工件为2.5mm厚硼钢钢管，长度1000mm，钢管管径为D50mm，转角处圆角为R6，即弧长37.68mm。

[0058] 如图2所示，为进一步优化冷却效果，在上模1的凸角区域2中设置传统的间接冷却的封闭冷却气道7。

[0059] 上述成形装置通过以下步骤进行具体热处理：

[0060] 1、硼钢管料备料

[0061] 2、在加热装置中加热至900℃将板料完全奥氏体化

[0062] 3、在6秒钟内将硼钢管料放置在模具中

[0063] 4、压机初始开口高度600mm，并以300mm/s的速度闭合、成形

[0064] 5、压力机保持闭合状态，维持150T的压力，同时以6*1000g/Min注入-18℃冷却空气，直接对工件进行快速冷却5秒，获得最终需要的强度为1500MPa的马氏体组织。