用於金屬板成形的液壓壓力機的操作方法與流程
2023-05-11 04:11:50 2
本發明涉及使金屬合金板構件特別是鋁合金板構件成形的改進方法。該方法尤其適於形成那些不容易通過已知技術形成的形狀複雜的成形構件。
背景技術：
為了改善機動車的環境性能，車輛的原始設備製造商(OEM)正朝著採用輕合金製造成形構件的方向發展。過去，在所用合金的強度和合金的可成形性之間存在相當嚴重的對立。然而，新的成形技術如已允許通過高強度輕合金等級如2xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列鋁合金來形成更複雜的構件。
時效硬化的鋁合金板件通常在T4條件(固溶熱處理和淬火)下冷成形，然後經過人工時效處理以獲得更高強度，或在T6條件(固溶熱處理、淬火和人工時效)下冷成形。任一條件都引起許多內在問題，例如難以解決的回彈和低成形性。熱壓制可以增強成形性並減少回彈，但它破壞了所需的微結構。因此需要成形後固溶熱處理(SHT)來恢復微結構，但這導致成形構件在SHT後的淬火期間變形。在使用其它材料成形工程構件時也遇到這些缺點。
為了克服這些缺點，已進行了各種努力並且已經發明了特殊方法以克服特定類型構件成形中的特定問題。
一種這樣的技術利用如本發明人在其早期申請WO2008/059242中描述的固溶熱處理、成形和冷模淬火(HFQ)。在該方法中，將鋁合金坯進行固溶熱處理並快速移送到一組冷模中，所述冷模立即閉合以形成成形構件。成形構件在冷卻成形構件的期間被保持在冷模具中。
對於HFQ技術的進一步發展，如本發明人在EP2324137中所描述，涉及非常快速的模具閉合。這允許生產高質量構件。然而，用傳統的壓力機不能實現模具的這種高速閉合，並且需要製造專用工具或進行重大升級，這顯著增加了設置成本。
在EP2324137所述的方法中，熱壓制可能需要高於100mm/s的衝壓行程速度，且為了獲得具有最佳性能的構件，可能需要400mm/s或更高的衝壓速度。更傳統的壓力機以低得多的速度操作，例如它們通常具有小於50mm/s的最高動力行程速度。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種鋁合金構件成形方法，其減少或改善現有技術的至少一個問題，或提供有用的替代方案。
根據本發明的第一方面，提供一種用於成形金屬合金構件的方法，包括：
在加熱站將金屬合金板坯至少加熱至其固溶熱處理溫度；
將被加熱的板坯移送至壓力機；
通過以第一速度閉合壓制模具啟動構件的成形，然後通過以第二速度閉合壓制模具完成所述成形，所述第二速度比所述第一速度慢；和
在冷卻成形構件期間將該成形構件保持在該模具中。
如技術人員將理解地，固溶熱處理(SHT)溫度是進行固溶熱處理的溫度。SHT溫度範圍根據所處理的合金而變化。通常，這需要將合金至少加熱到其固溶溫度，但低於固相線溫度。
通過以第一速度閉合壓制模具啟動構件的成形可包括使用壓力機的無動力行程，或它可包括壓力機的低動力高速行程。例如可使用壓力機的快速接近模式。無動力行程可包括允許壓力機在重力下閉合。第一速度可為至少100mm/s。可對無動力行程進行部分限制或約束例如以控制閉合速度。在一個實施例中，通過限制或約束進入壓力機的液壓流體流量控制第一速度。
通過以第二速度閉合壓制模具完成所述成形可包括使用壓力機的動力行程。例如動力行程可以包括液壓動力行程或氣壓動力行程。第二速度可以小於100mm/s。在一個實施例中，第二速度小於50mm/s。第二速度可以是壓力機的最高動力速度。
該方法能夠在不需要對壓力機進行重大改造的情況下進行。壓力機可以是液壓壓力機類型和/或可以具有至少100mm/s的快速接近速度。快速接近模式常被用於在成形之前降低工具穿過空隙。在所述發明中，該模式也可被用於在大部分成形行程中壓制板坯。例如第一速度可以包括快速接近速度。然後，液壓系統可被完全啟用或部分啟用以完成構件成形，且隨後在荷載下保持該成形構件，直到淬火。可能有利的是，在可行最低壓制位置，例如絕對底部10mm以上或絕對底部2mm以上，或者如果在成形壓力機上可以具有足夠精度且在一些實施例中在絕對底部之上0.5mm處，啟用動力行程。「絕對底部」是指模具圍繞板坯完全閉合的位置。
在諸如HFQ的熱成形方法中，發明人已經發現，板坯可以在整個成形行程以相對較小的阻力成形。因此，與標準冷壓制相比，所需的成形力非常低。事實上已經發現，與壓力機的能力相比，用於構件初始深拉的成形力可忽略不計。這允許使用壓力機壓頭的自由落體能量、例如在壓力機快速接近模式期間完成成形的第一部分。
成形速度對於諸如的工藝的深拉潛能是關鍵的，因為坯件拉入在熱成形溫度下是極其依賴速度的，且快速成形速度既增加材料拉入，又有助於成形過程的穩定。然而，在成形的最後階段，大部分深拉已經完成，且剩餘成形行程主要涉及形成構件細節，例如收緊彎曲半徑和賦予板材正確輪廓。以前的邏輯是在整個行程中需要快速成形，因為已知更快的總速度導致更好的材料拉入和更好的總體材料厚度分布。
在金屬合金未處於預時效硬化狀態的情況下，該方法可包括保持固溶熱處理溫度直到完成固溶熱處理。當對析出硬化或固溶硬化負責的所需量的合金元素進入溶液時，固溶熱處理完成。例如當一種或多種合金元素的至少50％進入溶液時，可完成固溶熱處理。或者，當一種或多種合金元素的至少60％、70％、75％、80％、90％、95％或基本上100％進入溶液時，固溶熱處理可完成。
將金屬合金板坯加熱到其固溶熱處理溫度可以包括將板坯至少加熱到其固溶溫度。該方法可包括將坯料加熱至其固溶溫度以上但低於其溶質溫度。在一個實施例中，坯件被加熱到470℃至580℃之間。
金屬合金可以包括鋁合金。例如合金可以包括來自6xxx或7xxx合金族的鋁。或者，合金可包括鎂合金。
被加熱的板坯可在從加熱站移除後的10秒內被移送到壓力機。在一個實施例中，在從加熱狀態移除的10秒內啟動成形，以使板坯熱損失最小化。壓力機可包括一組未加熱的或冷的模具。附加地或替代地，模具可以被冷卻。
在一系列實施例中，第一速度為至少100mm/s。啟動構件的成形可包括在高於350℃的溫度使坯件成形。啟動構件的成形可包括將壓制模具閉合到第一位置。第一位置可包括將模具閉合至模具絕對底部位置的至少30mm內。或者，第一位置可以在距絕對底部位置25mm、20mm、15mm、10mm、8mm、6mm、5mm、4mm、3mm、2mm、1mm或0.5mm內。完成成形可包括閉合壓制模具經過從第一位置到絕對底部位置的剩餘距離。完成成形可包括使壓制模具閉合經過比啟動成形時更小的距離。
該過程可包括在以第一速度閉合模具和以第二速度閉合模具之間的暫停。暫停可以小於5秒，或者其可以小於4秒、3秒、2秒、1秒、0.75秒、0.5秒或0.25秒。
在冷卻成形構件期間將成形構件保持在模具中可包括保持該成形構件直到淬火。例如，坯件可以淬冷至低於200℃。
以第一速度閉合模具可在模具絕對底部位置的0.5mm或更小範圍內進行。
大多數液壓壓力機具有「快速下降」特徵，用於朝向裝入坯件快速下降頂部工具。該特徵的設計目的是快速經過工具與坯料之間的開放空間，該開放空間是裝入板坯和卸載壓制構件所必需的。
當以「快速下降」模式使用時，可用於移動衝頭和頂部工具的能量主要源於衝頭和工具的組合質量的重力勢。可通過限制進入柱塞缸的液壓流體的流速來控制或限制下降速度。可通過增加進入缸體的液壓油的最大返回速率、如通過增大相關管道和閥的直徑來增大壓力機的最高快速下降速度。這是相對便宜的修改。
在快速下降模式下可用的壓力最小，因此並不知曉被用作使坯件成形的手段。相反，動力行程模式被啟用，其中液壓流體被泵送到柱塞缸中以提供成形力。該行程的速度通常小於50mm/s，這太慢以致不能使用熱成形工藝如來成功成形幾乎最簡單的淺拉伸構件。
在熱成形中通過使用快速下降模式來使部分成形構件、隨後是較慢的動力模式來完成成形會獲得以下優點：
·增大的傳統液壓壓力機的構件複雜性和拉深深度；和
·當工具閉合時(與動力快速行程相比)減弱的動態衝擊。
附圖說明
現在將通過示例並參考附圖來描述本發明的實施例，其中：
圖1是示出根據常規工藝的操作曲線的簡圖；
圖2是根據本發明的示出新的操作曲線的簡圖；和
圖3是表示整個成形過程中金屬構件的溫度分布的曲線圖。
具體實施方式
現在轉向圖1，示出了運轉常規工藝的液壓壓力機的衝頭位移對時間的曲線圖。
在階段A中，液壓壓力機完全打開而模具分離，以能夠將金屬板坯裝載入壓力機中和從中卸除。一旦坯件被裝載，就開始成形過程。在步驟B中，使用液壓油缸的快速下降特徵閉合模具，以便儘量減小板坯在被壓制前從加熱站出來的時間量。在快速下降模式B期間，模具被快速閉合，直到它們與金屬板坯接觸或者幾乎與金屬板坯接觸。通常在快速下降模式中，模具在重力作用下落下，而不是由液壓系統、氣動系統或類似系統驅動。
一旦完成快速下降且模具與板坯接觸或相鄰，則啟用液壓系統且以快速衝壓模式操作壓力機。在該示例中，快速衝壓模式以與快速下降模式大致相同的速度進行，並且保持快速衝壓模式直到模具完全閉合且構件被成形。理想地，在構件成形開始之前啟用快速衝壓模式，以便對板坯提供順暢連續的壓制力。
此時，模具保持閉合D，並且構件在冷模具或冷卻模具之間被淬火。一旦完成淬火步驟，可打開模具並根據需要移除構件用於進一步處理。
現在轉到圖2，示出了本發明的改進型材。初始階段與現有技術相同，完全打開模具以裝入金屬板坯。裝入預固溶熱處理的坯件並啟用快速下降模式。然而，與現有技術相反，一旦模具接觸板坯或鄰近板坯，並不解除快速下降模式。相反，快速下降模式被維持並被用於構件成形的初始階段。由於固溶熱處理的板坯的低電阻和改善的可延展性，快速下降模式的低功率足以開始成形並進行大部分的成形步驟。
一旦達到預定水平，則結束快速下降模式2，並啟用液壓系統以按照標準成形模式3操作壓力機。在標準成形模式3期間，成形構件的精細細節和鋒利邊緣可以高水平質量形成。最終階段與現有技術相同，其中將構件保持在閉合模具之間直到淬火。一旦完成淬火，可以打開模具且可以移除並例如通過時效進一步處理構件。通常，因動力行程啟動中的任何延遲而在第一模式和第二模式之間存在暫停，但這對於本發明的功能並非至關重要。
對成形過程的這種改動可使用不具有快速衝壓模式的壓力機進行，因此，可使用現有設備進行該過程，而不需要昂貴的重新裝配或全新的系統。儘管部分工藝以緩慢的成形速度進行，但可使用高速壓力機僅按高標準形成複雜構件。
現在轉到圖3，示意性概述了該過程。首先，坯件被加熱至其固溶熱處理(SHT)溫度11(例如對於AA6082為525℃)，然後如果需要完全固溶熱處理(SHT)，則材料在該溫度下保持所需時間(例如對於AA6082為30分鐘)12。然後，固溶熱處理的板坯被立即轉移到壓力機並放置在下模上13。這種轉移應該足夠快速以確保從鋁坯到周圍環境的最小熱損失(如小於5秒)。
然後如上所述並參照圖2進行成形階段14。通過以至少100mm/s的第一速度閉合壓制模具來開始構件成形。通過將模具閉合到在壓力機的絕對底部位置的大約10mm內的第一位置，保持第一速度直到完成大部分成形。通過以大約50mm/s的速度以第二速度閉合壓制模具、經過剩餘距離到達絕對底部位置來完成成形。在開始成形和完成成形之間存在不到1秒的短暫停頓，這是由於需要啟用為壓頭供能的機構。然後將壓力機保持在關閉位置，並且成形構件在模具之間被淬火15，直到構件已經冷卻到低於200℃。
一旦充分冷卻，可移除構件並進行自然時效處理16。然後進行人工時效處理17以增加最終構件的強度(即對於AA6082在190℃下為9小時)。如果需要隨後塗覆成形產品，則時效處理可以與烘烤過程結合。