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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410740138.5 (22)申请日 2014.12.08 B21D 26/047(2011.01) B21D 37/16(2006.01) (71)申请人 无锡朗贤汽车组件研发中心有限公 司 地址 214115 江苏省无锡市新区鸿达路 111 号 (72)发明人 陈扬 (74)专利代理机构 无锡市大为专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32104 代理人 刘海 (54) 发明名称 硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模 具 (57) 摘要 本发明涉及一种硼钢钢管的高压气体胀形热 成形分段强化模具，包括上模座和下模座，其特征 是 ：。
2、在所述上模座下表面安装上模硬区成形镶块 和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模 硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成 形镶块、下模硬区成形镶块、下模软区成形镶块、 下模软区成形镶块的成形面分别对应于硼钢钢管 工件上的硬区和软区 ；在所述工件的两端分别设 置封头，封头的前端与工件的管端接触，封头的后 端与轴向液压缸或气缸连接，在封头中心分别设 置高压气体通路，高压气体通路的前端与工件的 内部连通，高压气体通路的后端连接高压气站。本 发明可以生产根据产品设计需要分区与定制的、 截面形状和周长变化的零件。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 。
3、权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104438543 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104438543 A 1/1 页 2 1.一种硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，包括上模座和下模座，其特征 是 ：在所述上模座下表面安装上模硬区成形镶块（1）和上模软区成形镶块（3-1），在下模座 上表面安装下模硬区成形镶块（2）和下模软区成形镶块（3-2），上模硬区成形镶块（1）、下 模硬区成形镶块（2）、下模软区成形镶块（3-1）、下模软区成形镶块（3-2）的成形面分别对 应于硼钢钢管工件（4）上的硬区和软区 ；在所述工件（4）的两端分别设置封头。
4、（6），封头（6） 的前端与工件（4）的管端接触，封头（6）的后端与轴向液压缸或气缸连接，在封头（6）中心 分别设置高压气体通路（5），高压气体通路（5）的前端与工件（4）的内部连通，高压气体通 路（5）的后端连接高压气站。 2.如权利要求 1 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：在 所述上模硬区成形镶块（1）的下部和下模硬区成形镶块（2）的上部分别设置冷却水路（7）。 3.如权利要求 1 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：在 所述上模软区成形镶块（3-1）和下模软区成形镶块（3-2）上接近工件（4）的一侧区域设置 用于加热的软区加热通路（8）。
5、，软区加热通路（8）内部放置模具加热元件。 4.如权利要求 1 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：在 所述封头（6）内部沿封头（6）的外轮廓布置封头通路（9），封头通路（9）内部排布冷却水管 路或模具电加热元件。 5.如权利要求 1 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：所 述封头（6）的前端直径小于后端直径。 6.如权利要求 2 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：所 述冷却水路（7）采用在上模硬区成形镶块（1）和下模硬区成形镶块（2）上打孔的方式，孔径 为 3 20mm，上模硬区成形镶块（1）上的冷却水路（7）距离上模。
6、硬区成形镶块（ ）的下表 面 3 20mm，下模硬区成形镶块（2）上的冷却水路（7）距离下模硬区成形镶块（ ）的上表 面 3 20mm。 7.如权利要求 3 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：所 述软区加热通路（8）采用在上模软区成形镶块（3-1）和下模软区成形镶块（3-2）上打孔的 方式，孔径为 5 20mm，软区加热通路（8）距离上模软区成形镶块（3-1）或下模软区成形镶 块（3-2）外表面 3 20mm。 8.如权利要求 4 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：所 述封头通路（9）作为冷却水路时，采用在封头（6）内部打孔的方式，孔径为 3。
7、 20mm，距离 封头（6）外表面 3 20mm。 9.如权利要求 4 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征是 ：所 述封头通路（9）作为电加热管路时，采用在封头（6）内部打孔的方式，孔径为 5 20mm，距 离封头（6）外表面 3 20mm。 10.如权利要求 3 或 4 所述的硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，其特征 是 ：所述模具加热元件为加热棒。 权 利 要 求 书CN 104438543 A 1/5 页 3 硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具 技术领域 0001 本发明涉及一种硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具，属于热处理塑性 成形技术领域。 背。
8、景技术 0002 汽车硼钢钢管作为一种新兴超高强度热成形钢管，为分段强化技术提供了可 能同一个零件，可以根据汽车设计的需要，在该零件的不同区域采用不同的热处理工 艺，从而获得不同强度和塑性。热成形硼钢材料的软区技术的生产工艺分为 4 个阶段 ： 0003 1) 加热 ：将硼钢钢管加热至热处理所需要的温度 ； 0004 2) 传输 ：将硼钢钢管传送至待冲压的模具中 ； 0005 3) 成形 ：在高温下由模具冲压成形 ； 0006 4) 淬火冷却 ：在不同区域控制不同的冷却速度，可以发生 ： 0007 a) 硬区快速冷却 (25 / 秒 )。从奥氏体微观组织向马氏体微观组织的转变，得 到强度和硬度。
9、极高、塑性较低的零件。其强度可以达到 1500 2000MPa，塑性大于 5 ； 0008 b) 软区慢速冷却 (25 / 秒 )。通过控制不同的冷却速度，在奥氏体组织转化的 过程中，可以缓慢冷却，向铁素体和珠光体微观组织的转变，得到强度和硬度较高、塑性良 好的零件 ；也可以较快冷却，向贝氏体微观组织的转变，得到强度和硬度很高、塑性适中的 零件。 0009 可获得不同强度及塑性的硼钢材料典型分为 ： 0010 表1 0011 序号 材料规格 屈服强度 (Mpa) 抗拉强度 (Mpa) 延伸率 (A50) 硬度 (HV2) 1 HS400 400+/-50 600+/-50 15 170 220。
10、 2 HS550 550+/-50 750+/-50 7 220 255 3 HS700 700+/-50 900+/-50 6 270 300 4 HS1150 1150+/-50 1500+/-50 5 400 520 0012 该类硼钢最常见一种可达到 1500MPa 强度 (HS1150) 的化学成分为 ： 0013 表2 0014 C Si Mn P S Cr B min 0.20 0.20 1.00 - - 0.15 0.0015 说 明 书CN 104438543 A 2/5 页 4 max 0.25 0.35 1.30 0.025 0.015 0.25 0.0050 0015 。
11、另一方面，管件内高压成形工艺，利用高压流体产生的压力，充塞在管件 A 内部充 当凸模，外部随产品形状的模具钢 B 充当凹模，经历投料、模具闭合、管件内预充流体、加 压、同时轴向液压缸轴向推料成形和开模取料几个阶段完成管件成形。其中，根据产品及成 形性的需要，过程先后会有交叉。 0016 管件内高压成形工艺，通常其前道要配合有弯管和 / 或预成型工艺，在内高压成 形工艺之前，得到与最终工件形状尺寸基本相似的零件，同时避免高压成形模具闭合过程 中产生夹料，避免成形过程中出现开裂和起皱等缺陷。如果以上问题可以避免，可以省去弯 管和 / 或预成型工艺，直接进行内高压。为简略计，弯管和 / 或预成型工艺。
12、本发明不再详细 讨论。 0017 目前常见管件成形工艺为常温下内高压成形。受限于制管工艺及材料自身机械性 能的限制，所应用的管件强度有限，抗拉强度很难超过 1000MPa。 0018 目前常见硼钢钢管热成形多为普通热冲压工艺，成形过程内部无高压媒介，只能 适应等截面周长的产品，产品形状十分受限。 发明内容 0019 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种硼钢钢管的高压气体胀形 热成形分段强化模具，可以生产出材料机械强度在5001500MPa范围内，根据产品设计需 要分区与定制的、截面形状和周长变化的零件。 0020 按照本发明提供的技术方案，所述硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模。
13、 具，包括上模座和下模座，其特征是 ：在所述上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软 区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成形 镶块、下模硬区成形镶块、下模软区成形镶块、下模软区成形镶块的成形面分别对应于硼钢 钢管工件上的硬区和软区 ；在所述工件的两端分别设置封头，封头的前端与工件的管端接 触，封头的后端与轴向液压缸或气缸连接，在封头中心分别设置高压气体通路，高压气体通 路的前端与工件的内部连通，高压气体通路的后端连接高压气站。 0021 进一步的，在所述上模硬区成形镶块的下部和下模硬区成形镶块的上部分别设置 冷却水路。 0022 进一步的，在所述上模软区。
14、成形镶块和下模软区成形镶块上接近工件的一侧区域 设置用于加热的软区加热通路，软区加热通路内部放置模具加热元件。 0023 进一步的，在所述封头内部沿封头的外轮廓布置封头通路，封头通路内部排布冷 却水管路或模具电加热元件。 0024 进一步的，所述封头的前端直径小于后端直径。 0025 进一步的，所述冷却水路采用在上模硬区成形镶块和下模硬区成形镶块上打孔的 方式，孔径为 3 20mm，上模硬区成形镶块上的冷却水路距离上模硬区成形镶块的下表面 3 20mm，下模硬区成形镶块上的冷却水路距离下模硬区成形镶块的上表面 3 20mm。 0026 进一步的，所述软区加热通路采用在上模软区成形镶块和下模软区。
15、成形镶块上打 孔的方式，孔径为 5 20mm，软区加热通路距离上模软区成形镶块或下模软区成形镶块外 说 明 书CN 104438543 A 3/5 页 5 表面 3 20mm。 0027 进一步的，所述封头通路作为冷却水路时，采用在封头内部打孔的方式孔径为 3 20mm，距离封头外表面 3 20mm。 0028 进一步的，所述封头通路作为电加热管路时，采用在封头内部打孔的方式，孔径为 5 20mm，距离封头外表面 3 20mm。 0029 进一步的，所述模具加热元件为加热棒。 0030 与现有技术相比，本发明具有以下优点 ： 0031 (1) 本发明可以得到强度最高达 1500MPa( 延伸率。
16、 5左右 ) 的高强度钢管 ； 0032 (2) 本发明可以得到延伸率最高达 15 ( 强度 600MPa 左右 ) 的高强度钢管 ； 0033 (3)本发明可以根据产品设计的需要，在任意位置，在抗拉强度5001500MPa，相 应延伸率 15 5的范围内任意实现工件的机械性能 ； 0034 (4)本发明充分利用气体内高压吹胀成形，可以得到横向截面周长变化的产品。现 有技术中，有利用硼钢管件进行热成形的工艺，得到的大多是断面周长不变的产品，限制了 产品设计的自由 ；本发明允许在材料成形性能许可的范围内，自由变化产品的断面周长，使 产品达到不同的强度、刚度、装配和空间要求，为零部件功能的优化提供。
17、了更大的空间 ； 0035 (5) 本发明在高温下对工件进行气胀成形，可以有效降低成形需要的压力机成形 力。随着温度的升高，硼钢材料的屈服强度迅速降低，延伸率提高，因此，和常温下内高压成 形工艺比较，压力机成形力大为降低。要达到同等或相似强度的零件，和常温下内高压成形 相比较，热成形气胀所需压力机压力可以降低到常温下内高压成形的 1/3 甚至更低，例如 汽车用DP1000双相钢的强度为1000MPa，比热成形后硼钢的强度1500MPa要低很多，但是常 温下内高压 DP1000 钢管所配备的压力机通常为 5000 吨，而热成形气胀钢管所配备的压力 机可设为 1200 吨 ； 0036 (6) 本。
18、发明在淬火过程中，向管件内通入高压气体，可以有效调节硼钢的淬火冷却 速度。由于管件成形上下模均为凹模，在现有管件直接热成形技术中，没有凸模而只能在两 侧尽量用芯棒完成凸模的功能，所以在管件的芯棒无法达到的区域便没有凸模，工件的贴 模性很差 ；没有足够的压力，热量无法快速传导到冷却介质模具上，得到的产品在该区 域强度难以满足设计要求。本发明利用高压气体充当凸模，工件贴模性好，能够提供足够的 保压压力，从而得到合适的冷却速度，得到的产品强度在任一区域均可满足要求 ； 附图说明 0037 图 1 为本发明所述模具工作状态的示意图。 0038 图 2 为所述模具打开状态的示意图。 0039 图中序号 。
19、：上模硬区成形镶块 1、下模硬区成形镶块 2、上模软区成形镶块 3-1、下 模软区成形镶块 3-2、工件 4、高压气体通路 5、封头 6、冷却水路 7、软区加热通路 8、封头通 路 9。 具体实施方式 0040 下面结合具体附图对本发明作进一步说明。 0041 如图 1 所示 ：本发明所述硼钢钢管的高压气体胀形热成形分段强化模具包括上模 说 明 书CN 104438543 A 4/5 页 6 座和下模座，上模座和下模座用于连接模具和设备，同时传递和承载设备给硼钢钢管工件 施加的压力，上模座和下模座的材质选择QT600、HT300、GM241等铸件，也可选择45#等钢板 拼接而成 ；在所述上模座。
20、下表面安装上模硬区成形镶块 1 和上模软区成形镶块 3-1，在下模 座上表面安装下模硬区成形镶块 2 和下模软区成形镶块 3-2，上模硬区成形镶块 1、下模硬 区成形镶块 2、下模软区成形镶块 3-1、下模软区成形镶块 3-2 的成形面分别对应于硼钢钢 管工件 4 上的硬区和软区 ；在所述上模硬区成形镶块 1 的下部和下模硬区成形镶块 2 的上 部分别设置冷却水路 7，通过冷却水路 7 中的冷却水在成形加压时对工件 4 进行快速冷却， 冷却水路 7 直接或通过上模座和下模座与设备的水管相连 ；在所述上模软区成形镶块 3-1 和下模软区成形镶块3-2上接近工件4的一侧区域设置用于加热的软区加热通。
21、路8，软区加 热通路 8 内部放置模具加热元件 ( 如加热棒 )，对工件 4 进行缓慢冷却，模具加热元件与生 产设备加热系统相连 ；在所述工件 4 的两端分别设置封头 6，封头 6 的前端与工件 4 的管端 接触，封头 6 的后端与轴向液压缸或气缸连接，封头 6 的前端直径小于后端直径，在工件 4 两端的封头 6 中心分别设置高压气体通路 5，高压气体通路 5 的前端与工件 4 的内部连通， 高压气体通路 5 的后端连接高压气站 ；在所述封头 6 内部沿封头 6 的外轮廓布置封头通路 9，封头通路 9 内部根据工件 4 材料流动的工艺需要排布冷却水管路或模具电加热元件 ( 如 加热棒 )。 0。
22、042 如图 1 所示，所述冷却水路 7 可以采用在上模硬区成形镶块 1 和下模硬区成形镶 块2上打孔的方式，孔径优选为320mm，上模硬区成形镶块1上的冷却水路7距离上模硬 区成形镶块 1 的下表面 3 20mm，下模硬区成形镶块 2 上的冷却水路 7 距离下模硬区成形 镶块 2 的上表面 3 20mm ； 0043 所述软区加热通路 8 作为模具电加热通路，可以采用在上模软区成形镶块 3-1 和 下模软区成形镶块3-2上打孔的方式，孔径优选为520mm，软区加热通路8距离上模软区 成形镶块 3-1 或下模软区成形镶块 3-2 外表面 3 20mm ； 0044 所述封头通路 9 作为冷却水。
23、路时，采用在封头 6 内部打孔的方式，孔径为 3 20mm，距离封头 6 外表面 3 20mm ；所述封头通路 9 作为电加热管路时，采用在内部打孔的 方式，孔径为 5 20mm，用于放置加热棒等加热元件，该孔距离封头外表面 3 20mm。 0045 所述上模硬区成形镶块 1、下模硬区成形镶块 2、上模软区成形镶块 3-1 和下模软 区成形镶块 3-2 的材质选用用 SKD61、Cr7V、8407、Divar、QRO-90 等优质热作模具钢 ； 0046 所述封头 6 的材质与上模硬区成形镶块 1 和下模硬区成形镶块 2 一致。 0047 实施例一 ：一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，硼钢钢管的材。
24、质 ：硼钢 22MnB5，料厚 2.6mm，圆管外径 100mm，长度 850mm。欲成形工件长度不变，两端区域截面周长不变，仍为 100mm，中央区域膨胀成形，从100mm渐变至中心位置截面周长105mm。工件的材料性能在两 端区域要求为硬区 HS1150，中央膨胀变形区域为分段强化软区 HS400 ； 0048 上述工件通过以下步骤进行具体加工处理 ： 0049 1、硼钢直管备料，料厚 2.6mm，外径 100mm，长度 1000mm ； 0050 2、在加热装置中加热至 900将硼钢管完全奥氏体化，同时通过加热设备对热成 形模具软区成形镶块进行热成形前的预热，温度 550 ； 0051 。
25、3、在 6 秒钟内将硼钢管料放置在模具中，压机初始开口高度 800mm ； 0052 4、模具两侧轴向缸推动其前端封头封住管件，形成密闭腔体，通过模具封头前端 说 明 书CN 104438543 A 5/5 页 7 气体通路，向管件密闭腔体内充入高压气体，压强 25MPa，压机压力 300 吨，压机以 300mm/s 的速度下行，模具闭合、成形，如图 1 所示 ； 0053 5、热成形完成后，压力机继续停留在达下死点位置，保持闭合状态，维持 300 吨的 压机压力和 25MPa 的气体压强 15 秒，零件保压淬火完成 ； 0054 6、取出工件，两端得到HS1150强度为1500MPa的马氏体组织，中央区域得到HS400 强度为 600MPa 的铁素体珠光体组织 ； 0055 8、镭射热压胀形件两端，得到所需尺寸工件。 说 明 书CN 104438543 A 1/1 页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104438543 A 。