一种结合在线淬火控温的弯曲型材短流程加工方法和装置 【技术领域】
本发明涉及材料加工工程领域， 具体是指实现挤压、 弯曲和淬火的科学结合， 通过 一道工序由挤压坯料生产出合格的弯曲型材的方法和装置。背景技术
长久以来， 铝合金型材主要以民用建筑型材为主， 而民用建筑型材在挤压矫直后 便可直接使用， 不需要后续弯曲加工。随着汽车工业的发展， 以及随之带来的能耗， 排放、 环保和安全等问题， 铝框架结构车身因具有重量轻、 抗撞击性能好等优点， 日益受到汽车制 造厂商的重视。由于车身造型的需要， 车身框架用往往要进行弯曲加工后使用。因此， 近 二十年来型材弯曲逐渐成为材料加工领域的研究热点。国外研究集中在挪威科技大学、 美 国德克萨斯州大学、 德国埃尔兰根大学以及法国雷诺、 德国柏林工业大学、 德国奥迪汽车、 美国通用等大型汽车公司 ； 近年来国内在这方面也做了不少工作， 燕山大学、 北京航空航天 大学、 西北工业大学和东南大学等在型材弯曲成形设备、 试验方法、 数值模拟等方面做出了 许多的成果。
在实际生产中应用的弯曲型材， 普遍是通过多道工序加工而成。一般工序是先将 坯料挤压成所需要断面形状的直型材， 然后采用拉弯或滚弯等方式弯曲成形。弯曲阶段是 整个成形过程的关键， 因为弯曲过程完成后会产生回弹， 而且回弹量的大小难以精确控制， 从而影响了挤压型材一次性精确成形的难度， 而且挤压型材的横截面各不相同， 冷弯时会 造成型材截面畸变， 而无法达到原挤压型材的截面尺寸要求。需要加芯杆或填料后再进行 弯曲， 之后再取出芯杆和填料， 因而这种多道工序生产弯曲状态的挤压型材的方法生产效 率低， 工艺复杂， 需要大型设备， 生产成本昂贵， 使得弯曲状态的挤压型材的应用受到了很 大的限制。
经对现有技术的文献检索发现有以下几种相关专利 ：
一种用于生产弯曲挤压型材的方法和设备申请的美国发明专利 ( 专利申请号 ： US6634200， Method and device for the production of curved extruded profiles， 名 称： 挤压型材弯曲方法及设备 )， 该方法将模具与挤压方向成一定角度， 型材出模后将向一 侧弯曲， 通过该方法可以加工曲率较小的弯曲工件。
一种挤压弯曲成形工艺及设备申请的美国发明专利 ( 专利申请号 ： US5305626， Extrusion Method and Extrusion Apparatus， 名称 ： 挤压方法及挤压设备 )， 该方法通过 调整模具工作带来获得非均匀的材料流动， 使型材一侧的材料流速大于另一侧， 以达到弯 曲成形的目的。同时该专利为保证成形精度， 增加了一种带有辊轮的引导装置。该方法一 套模具仅能生产一种弯曲弧度的工具。
一种用于制作汽车车架弯曲件的工艺及设备申请的欧洲发明专利 ( 专利申请号 ： EP0706843B1， Method and device for the production of curved workpieces， 名称 ： 弯 曲件的制作方法及设备 )， 该方法是挤出的型材直接受具有一定运动轨迹的导引轮作用， 型材的前端随导引轮一起运动， 型材末端在挤压模具出料口边缘的约束下， 形成弯曲件。以上几种方法由于弯曲变形主要发生在挤压模具出口处， 因此模具的磨损十分严重， 另外， 由于弯曲变形时应变速率大， 对于薄壁空腔类的型材， 很难保证弯曲件截面的形状不发生 畸变。
一种用于挤压弯曲成形的设备 ( 专利申请号 ： US6634200， ExtrusionApparatus， 名称 ： 挤压设备 )， 该方法在模具出口增加引导装置， 该引导装置在型材外形的一侧施加偏 转作用力， 使型材弯曲成形。 该装置包含两块独立的引导圆盘， 并建议为获得最好的加工效 果， 在热弯曲过程中应避免多余的加工变形， 同时应该使弯曲成形从工作带处开始。
一种用于生产弯曲型材的直接挤压弯曲成形工艺申请的日本发明专利 ( 专利申 请号 ： JP2137612， Extrusion Machine， 名称 ： 挤压机 )， 该方法通过在传统挤压模具出口处 放置一个可以移动的金属引导板来调整型材的弯曲弧度。
一种用于生产汽车结构件、 保险杠、 侧围等类似弯曲工件的铝合金挤压弯曲工艺 申请的日本发明专利 ( 专利申请号 ： JP2179313， Manufacture of aluminumextruded/bent products as automobile frame， bumper， side seal， and the like， 名称 ： 一种用于生产 挤压弯曲工件如汽车结构件、 保险杠、 侧围等的方法 ) 该方法通过在传统挤压机出口处放 置两块可以移动的金属引导板来调整型材的弯曲弧度。第一块金属引导板正对挤压中心， 第二块金属引导板可以自由运动， 以调整弯曲弧度。 镁合金型材挤压弯曲一体化成形方法申请的中国发明专利 ( 专利申请号 ： 200710171857.X， 名称 ： 镁合金型材挤压弯曲一体化成形方法 )， 该方法通过在原有卧式挤 压机的出料口附近布置一套三轮辊弯装置， 镁合金锭坯经过热挤压形成型材， 型材在冷却 之前直接进入辊弯机构， 由同一平面内的三个滚轮对型材施加弯矩， 实现弯曲成形， 控制辊 轮的运动及位置得到所需弯曲角度与弯曲半径。
以上几种方法由于弯曲变形在挤压出口很高温度条件下进行， 型材强度和硬度较 低， 在外力作用下型材截面容易压塌变形， 表面容易产生划伤。
发明内容 本发明要解决的技术问题是， 针对现有技术存在的缺陷， 包括传统型材弯曲生产 效率低、 产品尺寸难以保证， 以及已有的挤压弯曲一体化成形中存在的截面变形和表面划 伤等问题， 提出一种结合在线淬火控温的弯曲型材短流程加工方法和装置 ； 它通过将型材 的挤压、 弯曲和淬火有机结合， 通过一道工序便可以由挤压坯料生产出合格的弯曲挤压型 材， 通过在线淬火装置使型材弯曲变形温度控制在中等水平， 既有较好的成形性， 又能减少 回弹、 截面变形和表面划伤等缺陷， 同时还完成在线淬火 ； 由此提高生产效率和产品成品 率， 降低生产成本。
本发明的技术方案之一是， 所述结合在线淬火控温的弯曲型材短流程加工方法 为， 在由挤压机实施挤压生产型材过程中， 挤出型材在挤压出口出来后进入弯曲变形区， 其 技术特点是 ：
设置在线淬火区且所述弯曲变形区位于在线淬火区域内， 使挤出型材的弯曲和淬 火在线进行 ；
通过对不同加工过程的数值仿真结合实验验证而获得所述在线淬火区与弯曲变 形区之间的相对位置， 以及淬火介质的的种类和流量 ；
通过调整以下因素中的至少一种来控制挤压型材在进入弯曲变形区时的温度及 控制弯曲变形区的温度分布， 以保证型材的良好弯曲成形性， 减少回弹， 又保证其在弯曲过 程中不发生截面塌陷和表面划伤， 同时还要保证型材弯曲变形后能够充分淬透 ：
a. 在线淬火区与弯曲变形区之间的相对位置 ；
所述在线淬火区与弯曲变形区之间的相对位置用线淬火区起始端与弯曲变形区 起始端之间的距离 D 表示 ( 参见图 1) ；
b. 淬火介质的种类和流量 ；
淬火介质的种类可以是空气、 水雾和水柱。
所述通过对不同加工过程的数值仿真结合实验验证而获得所述在线淬火区与弯 曲变形区之间的相对位置， 以及淬火介质的的种类和流量， 其步骤如下 ：
(1) 通过实验方法结合反求技术， 获取材料在不同变形条件下的本构、 摩擦和热边 界条件 ；
(2) 将步骤 (1) 获得的材料变形本构和边界条件以及实际成形工艺引入商业有限 元软件， 对整个成形过程进行仿真， 从而获得型材出模口后的温度分布 ；
(3) 调整在线淬火区与弯曲变形区的相对位置、 淬火介质的流量或种类， 来控制挤 压型材在进入弯曲变形区时的温度及控制弯曲变形区的温度分布， 使其达到预期分布。
由在线淬火区与弯曲变形区出来的弯曲型材进入卸料台， 飞锯根据测量仪反馈的 信息对型材进行定长裁切， 运送到辊道后由卸料机械手将其运走。
本发明方法在实际的挤压生产过程中， 挤出型材在挤压出口处受外力作用发生弯 曲， 通过调整淬火区与弯曲变形区之间的相对位置 (D) 和淬火介质的种类和流量来合理控 制挤压型材在进入弯曲变形区的温度， 使其具有足够高的弯曲变形温度， 保证良好的弯曲 性能， 避免弯曲回弹 ； 同时又可防止由于型材温度过高而使其在弯曲过程中发生截面塌陷 和表面划伤。
本发明的技术方案之二是， 所述结合在线淬火控温的弯曲型材短流程加工装置 为， 它由在常规挤压机模口后直接添加在线淬火装置、 弯曲装置而组成， 包括依次排列的常 规挤压机、 弯曲装置、 在线测量剪切装置， 其结构特点是， 在所述弯曲装置所在位置设有在 线淬火装置， 且所述弯曲装置位于在线淬火装置中。
参见图 2， 所述在线淬火装置的结构是， 由多节装有顶盖的小淬火槽依次铰接组成 长条形大淬火槽， 每节小淬火槽内腔的上、 下和两个侧面都设有冷却介质喷射系统， 其流量 都可以独立控制 ； 如果淬火介质是水， 槽底部还设有淬火介质 ( 水 ) 收集槽。在线淬火装置 的位置还可沿型材移动方向 ( 即相对弯曲装置 ) 进行调节。
通过调整各节小淬火槽之间的角度可形成一个圆弧状的所述大淬火槽， 大淬火槽 的曲率可随型材弯曲曲率变化而变化， 因此可以适合于不同曲率弯曲型材的在线淬火。同 时， 所述在线淬火装置的位置还可沿型材移动方向调节， 即通过调整淬火区与弯曲变形区 之间的相对位置 (D)， 来控制型材进入弯曲变形区时的温度。 在线淬火装置使用的淬火介质 可以是空气、 水雾和水柱， 通过调整淬火装置中淬火介质的的种类和流量可以控制淬火冷 却速率， 从而调节型材在弯曲变形区的温度。
图 1 所示装置中的弯曲装置 8 所在区域即为所述弯曲变形区， 在线淬火装置 9 所 在区域即为所述在线淬火区。由以上可知， 本发明为一种结合在线淬火控温的弯曲型材短流程加工方法和装 置； 它通过将型材的挤压、 弯曲和淬火合理结合， 通过一道工序便可以由挤压坯料生产出合 格的弯曲挤压型材， 通过在线淬火装置使型材弯曲变形温度控制在中等水平， 既有较好的 成形性， 又能减少回弹、 截面变形和表面划伤等缺陷， 同时还完成在线淬火 ； 由此提高了生 产效率和产品成品率， 降低了生产成本。附图说明
图 1 为在线淬火控温的弯曲型材短流程加工装置的一种实施例 ( 俯视 ) 结构示意 图；
图 2 为图 1 中 I-I 向， 即一节小淬火槽的一种实施例断面结构示意图 ；
图 3 为 6063 铝合金 “目” 字型材结构示意图， 三段圆弧曲率半径依次为 538mm， 1966mm， 538mm ；
图 4 是图 3 所示型材的断面结构图 ；
图 5 为 6061 铝合金 “目” 字型材结构示意图， 两段圆弧曲率半径依次为 160mm， 160mm， 其余为直线段 ； 图 6 为图 5 所示型材的断面结构图 ；
图 7 为 6061 铝合金异型 “目”字型材结构示意图， 三段圆弧曲率半径依次为 1083mm， 3384mm， 1083mm ；
图 8 为图 7 所示型材的断面结构图。
在图中 ：
1- 挤压机液压缸， 2- 挤压杆， 3- 挤压筒，
4- 挤压坯料， 5- 挤压模具， 6- 挤压机前梁，
7- 装料装置， 8- 弯曲装置， 9- 在线淬火装置，
10- 飞锯， 11- 测量仪， 12- 挤压型材，
13- 辊道， 14- 卸料装置， 15- 水箱，
16- 毡辊， 17- 顶盖， 18- 喷嘴 ；
具体实施方式
实施例 1 ： 用本发明的方法， 在 2750T 挤压机的出模口位置安装所述结合在线淬火 控温的弯曲型材短流程加工装置 ( 参见图 1 和图 2)， 挤压 6063 铝合金 “目” 字型材， 挤压 坯料直径 203mm， 长度为 300mm。坯料初始挤压温度 500℃， 挤压模具温度初始温度 450℃， 挤压筒和挤压垫初始温度为 420℃， 挤压速度为 4mm/s， 淬火介质为水雾 ； 在线淬火区起始 端与弯曲变形区起始端之间的相对距离 (D) 为 0.6m， “目” 字型材三段圆弧曲率半径依次为 538mm， 1966mm， 538mm， 成形后三段圆弧曲率半径依次为 540mm， 1970mm， 540mm， 能满足装配 要求， 成形后的型材表面无划伤， 无开裂， 无起皱。
实施例 2 ： 用本发明的方法， 在 2750T 挤压机的出模口位置安装所述结合在线淬火 控温的弯曲型材短流程加工装置 ( 参见图 1 和图 2)， 挤压 6061 铝合金 “目” 字型材， 挤压坯 料直径 203mm， 长度为 300mm。坯料初始挤压温度 500℃， 挤压模具温度初始温度 450℃， 挤 压筒和挤压垫初始温度为 420℃， 挤压速度为 4mm/s， 淬火介质为水柱喷射， 在线淬火区起始端与弯曲变形区起始端之间的相对距离 (D) 为 0.2m， 弯曲 6061 铝合金 “目” 字型材两段 圆弧曲率半径依次为 160mm， 160mm， 其余为直线， 成形后两段圆弧曲率半径依次为 157mm， 156mm， 能满足装配要求， 成形后的型材表面无划伤， 无开裂， 无起皱， 。
实施例 3 ： 用本发明的方法， 在 2750T 挤压机的出模口位置安装所述结合在线淬火 控温的弯曲型材短流程加工装置， 挤压 6061 铝合金异型 “目” 字型材， 挤压坯料直径 198mm， 长度为 500mm。 坯料初始挤压温度 500℃， 挤压模具温度初始温度 460℃， 挤压筒和挤压垫初 始温度为 430℃， 挤压速度为 4mm/s， 淬火介质为水柱喷射， 在线淬火区起始端与弯曲变形 区起始端之间的相对距离 (D) 为 0.15m， 弯曲 6061 铝合金异型 “目” 字型材， 三段圆弧曲率 半径依次为 1083mm， 3384mm， 1083mm， 成形后三段圆弧曲率半径依次为为 1078mm， 3380mm， 1079mm， 能满足装配要求， 成形后的型材表面无划伤， 无开裂， 无起皱。