热冲压加热炉和热冲压的方法与流程

本公开涉及一种用于制造适用于机动车辆的热冲压部件的装置和方法。更具体地，一种加热炉(furnace)包括多个加热区域，该多个加热区域用于将坯件的不同部分加热至不同温度以产生在选择区域中具有软化区域的热冲压部件，从而便于所述部件与车辆的其他部件的下游组装。

背景技术：

压力硬化合金钢(press-hardenedsteelalloy)用于车身结构中所包含的可利用铆钉或焊接装配在一起的金属板件。压力硬化钢的一个示例是以名称22mnb5进行销售的硼钢。压力硬化钢可水冷或油冷至从450hv到520hv的期望的硬度水平。压力硬化钢可退火以将硬度减小至140hv。

压力硬化钢部件可通过焊接装配到其他钢部件。但是，新的汽车装配可包括由不同材料(诸如铝)制成的部件和复合材料部件的组合。通过压力硬化形成的超高强度钢(uhss)梁与复合材料部件或铝部件在焊接操作中不能有效地接合到一起。用于接合这样的部件组件的优选的方法是铆接或以其他方式将部件紧固在一起。由于铆钉难以穿透uhss梁，因此这种高强度部件的硬度在大批量制造操作中造成了极大的挑战。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种热冲压加热炉包括：壳体，限定被分隔为隔室的加热室，所述隔室被配置为具有不同温度。所述加热室包括由门至少部分地覆盖的开口，所述门可移动地安装在壳体上。所述门被构造为在其处于关闭的位置时仅延伸覆盖所述开口的一部分。可拆卸的面板从所述门的边缘延伸使得所述面板延伸覆盖所述开口的所述门未延伸覆盖的那一部分。

根据另一实施例，一种热冲压加热炉包括壳体，壳体限定具有开口的加热室。隔壁将所述加热室划分为各自均延伸到所述开口的第一区域和第二区域。第二区域被配置为具有高于第一区域的温度。门，被安装到所述壳体并包括面板，所述面板被布置为覆盖第二区域前面的开口但不覆盖第一区域前面的开口。

根据本发明的一个实施例，所述门限定边缘并且所述面板从所述边缘延伸至第一距离，所述门还包括另一面板，另一面板从所述边缘延伸至小于第一距离的第二距离。

根据本发明的一个实施例，所述隔壁限定空心的内部。

根据本发明的一个实施例，所述门限定承套，所述面板限定可滑动地接纳在所述承套中以将所述面板附连到所述门的板头。

根据又一实施例，公开了一种在加热炉中对部件进行热处理的方法。所述加热炉至少具有第一隔室和第二隔室，被配置为具有不同的温度；以及门，包括面板。所述方法包括：将所述部件通过所述加热炉的开口插入，使得所述部件的第一部分位于第一隔室中而所述部件的第二部分位于第二隔室中。所述方法还包括：将所述第一隔室加热至这样的温度，所述温度被计算为在预定的时间内将所述部件的第一部分加热至高于ac3温度；以及将所述第二隔室加热至这样的温度，所述温度被计算为在预定的时间内不将所述部件的第二部分加热至高于ac1温度。所述方法还包括：关闭所述开口的上方的门，使得所述门仅部分地覆盖所述开口并且使得所述面板完全地覆盖第一隔室前面的开口而不覆盖第二隔室前面的开口。

根据本发明，提供一种热冲压加热炉，包括：壳体，限定包括前部、后部、顶板以及具有定位特征阵列的底板的加热室，所述定位特征在所述前部与所述后部之间延伸并且在所述底板的整个宽度方向上分布；以及隔壁，设置在所述加热室中，使得所述隔壁的下端与所述定位特征中的一个接合并且上端邻近所述顶板以将所述加热室划分为被配置为具有不同温度的第一区域和第二区域。

根据本发明的一个实施例，所述隔壁中的至少一个限定被构造为在部件被放置在所述加热室中时支撑所述部件的部件接纳区域。

根据本发明的一个实施例，所述隔壁中的至少一个限定空心的内部。

根据本发明的一个实施例，所述定位特征包括从所述底板向上延伸的立柱。

根据本发明的一个实施例，所述隔壁的下端限定接纳所述立柱的顶部的槽。

根据本发明的一个实施例，所述定位特征是限定在所述底板中的槽。

附图说明

图1示出了示例性热冲压工艺；

图2是用于热冲压工艺的示例性加热炉的透视图；

图3是加热炉的加热室的一部分的示意性透视图；

图4是加热炉的示意性主视图；

图5是加热炉的示例性门组件的透视图；

图6是门组件沿着剖切线6-6截取的截面形式的侧视图；

图7是加热炉的一部分的截面形式的侧视图；

图8具有辊子组件的另一加热炉的示意性透视图；

图9是又一加热炉的透视图；

图10是b立柱的透视图；以及

图11是又一加热炉的主视图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其他实施例可采用各种可替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其他附图中示出的特征组合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

参照图1，示出了用于制造uhss车身部件的热冲压工艺20。热冲压(也被称为热成形或压力硬化)是一种在闭式模具中在金属非常热(通常超过900℃)时对坯件进行冲压并随后对成形后的坯件进行淬火的工艺。热冲压工艺将低强度的坯件转化为高强度部件。例如，成品部件可具有约为150千磅每平方英寸(ksi)至230千磅每平方英寸的屈服强度。

在示例性的工艺20中，硼钢坯件22(为可压力硬化的钢)被置于加热炉24中并加热至高于形成奥氏体的ac3温度。ac3温度是铁素体完全地转变为奥氏体的温度。例如，坯件22可以在加热炉24中以900℃到950℃加热预定的时间。烘烤时间和炉温根据坯件22的材料和所期望的成品部件的性能而变化。在加热之后，机器人传送系统26可将奥氏体化的坯件22传送至具有模具装置(diearrangement)30的压力机28。在坯件22还是热的时，模具装置30将坯件22冲压成期望的形状以从坯件22成型为一个或更多个部件32。然后，在模具装置30仍关闭时利用水或其他冷却方法对部件32进行淬火。在行程的底部以20℃/秒到150℃/秒的冷却速度淬火预定时间。淬火使坯件的微观结构从奥氏体变为马氏体。在淬火之后，在部件还是热的(例如，大约150℃)时将部件32从压力机28中移出。然后，部件32可在架子上进行冷却。

与诸如冷冲压的其他高强度钢的成形方法相比，热冲压可提供许多优点。热冲压的一个优点是减小弹性后效(springback)和翘曲(warping)。热冲压还允许在模具的单个行程中形成复杂的形状。这会减少下游处理并可提高车身部件的制造效率。

热冲压部件已在汽车工业中得到了广泛的应用。热冲压部件既轻质又坚固。通过热冲压形成的示例性的汽车部件可包括：车身立柱、门槛、车顶纵梁、保险杠、防撞梁、承重的底部结构、安装板、前通道、前后保险杠、加强构件、纵梁以及被设计来抵抗碰撞期间的变形的其他部件。

热冲压部件可能难以结合到其他部件。例如，热冲压部件可能需要经由自冲铆钉(self-piercingrivet)来紧固到另一部件。由于热冲压部件的高强度和低延展性，铆钉可能难以穿透热冲压部件的马氏体微观结构。在另一示例中，热冲压部件可能需要焊接到低碳钢部件。将热冲压部件焊接到低碳钢部件可能是不可行的。

为了解决这些问题和其他问题，可利用一种特殊的加热炉以在坯件中所选择的位置处形成软化区域。这些软化区域在冲压和淬火阶段保持柔软并且也存在于成品部件中。软化区域被专门设置在部件将要附连到其他部件的位置。软化区域可具有包括铁素体和珠光体的微观结构，铁素体和珠光体相对于马氏体具有更低的屈服强度和更高的延展性。例如，软化区域可具有比马氏体低30％到40％的屈服强度和高30％到40％的延展性。由于软化区域存在更低的强度和更高的延展性，所以自冲铆钉能更容易地穿透软化区域。软化区域处的材料特性还便于将压力硬化后的部件焊接到低碳钢部件或铝部件。此处使用的“软化区域”或“软区域”应被理解为表示部件中未完全奥氏体化的任何区域。

为了形成马氏体，必须使钢完全地奥氏体化。如果坯件的某些部分保持在ac3温度以下，则在淬火期间那些区域中将不会形成马氏体。因此，软化区域可通过不将这些区域加热至奥氏体开始形成的温度(ac1)以上来形成。示例性的ac1温度为800℃。

附图和相关的文字公开了示例性的加热炉，该加热炉被构造为将坯件22的不同部分加热至不同的温度以在选择的位置产生软化区域。参照图2和图3，加热炉50包括：壳体52，具有前部54、后部56、顶部58、底部60以及相互连接以限定加热室64的相对的侧壁62。加热室64被构造为将坯件接纳在其中并将坯件加热至某一期望的温度或某些期望的温度。加热室64包括：底板(floor)66；顶板(ceiling)68；后部70；以及相对的侧壁72。加热室64包括在前部54中限定的开口74。坯件通过开口74被接纳在加热室中或通过开口74移出加热室。多个定位特征76被设置在底板66上。例如，多个立柱(pillar)76被设置在底板66上，其中，每个立柱均向上朝顶板延伸。立柱76也是在底板66之上为加热元件产生间隙的间隔元件。立柱防止坯件不慎接触加热元件。立柱还用作平台，其他部件可附连到该平台。

加热炉50可被构造为在加热室64内具有温度不同的多个腔室或区域以将坯件的不同部分加热至不同温度。产生这些区域的一种方式是物理地将加热室64分隔为单独的隔室(compartment)或区域。例如，一个或更多个隔壁(partition)80被设置在加热室64内，以将加热室划分为至少两个隔室。隔壁80可包括：顶部表面82，与加热室64的顶板68接合或几乎接合；以及底部表面84，与立柱76中的一个接合。在一个实施例中，底部表面84限定槽88，所述槽接纳立柱76的顶部表面78以将隔壁80连接到立柱76。隔壁80还包括与后部70接合或几乎接合的后表面85。因此，隔壁80在底板66与顶板68之间延伸，并且在后部70与开口74之间延伸，以完全地划分加热室64。隔壁80包括主侧部86，每个主侧部形成其中一个区域的边界。隔壁80还限定部件接纳区域94。部件接纳区域94可以是将坯件接纳在其中以在加热室64内支撑坯件的槽或类似的特征。在示出的实施例中，每个隔壁80均包括相互配合以形成槽94的上部90和下部92。隔壁80是可在加热室64内各处移动以产生不同加热区域构造的模块化的结构。加热室64包括所述多个立柱76以为隔壁80提供多个不同的安放位置。应理解的是，加热室64可包括多于或少于三个的不同的区域。

在示出的实施例中，加热炉50包括将加热室64划分为第一区域96、第二区域98以及第三区域100的一对隔壁80。每个区域均可被设置为不同的温度，或者所述区域中的两者可以是相同的温度而第三个区域是不同的温度。第一区域96可以是被设置为低于ac1温度(例如，低于850℃)的较冷区域，并且/或者被设置为这样的温度，该温度被计算为在预定的烘烤时间内不会将坯件加热至高于ac1温度。第三区域100也可以是较冷区域。第二区域98可以是被设置为处于或高于ac3温度(例如，高于900℃)的较热区域，并且/或者被设置为这样的温度，该温度被计算为在预定的烘烤时间内将坯件加热至高于ac3温度。应理解的是，加热室64可通过增加或减少隔壁的数量而包括多于或少于三个的不同的区域。每个区域均可包括其自身的加热元件组97。每个加热元件组97均可通过加热炉50的控制模块被独立地控制为不同的温度。加热元件(例如)可以是电加热元件或者可以是红外线加热元件。

加热炉50包括可移动的门102，该门可安装在前部54上以覆盖开口74从而减少从加热室64通过开口74损失的热。门102在打开位置、关闭位置及在这二者之间的多个位置之间可移动。术语“关闭位置”不一定意味着门102完全地覆盖开口74的整个表面区域。例如，门可被构造为使得门在关闭的位置仅部分地覆盖开口74。门102可以是沿着竖立的门轨104上下运动以在打开位置与关闭位置之间运动的滑动式门。在其他实施例中，门可随着铰链在打开位置与关闭位置之间转动。门轨104可设置在前部54上。诸如机械式齿轮马达或液压缸的门致动器116使门沿着门轨上下运动。门102可包括平面主体106，平面主体限定背向加热炉50的前面板108、面向开口74的后面板110、顶部边缘112以及底部边缘114。门102可成形为矩形的、板类结构(如所示的)或者可以是本领域技术人员已知的任何形状。

参照图4，门102可包括一个或更多个面板118，所述面板118从门102延伸以增加开口前面的门的表面面积，从而减小选择的区域中(诸如，在热的区域的前面)从加热室64损失的热。面板118覆盖门不覆盖的开口区域。面板118可与门102大体平行并且在一些情况下可与门大体共面。在一些实施例中，面板与门102一体地形成，并且在其它一些实施例中面板是利用本领域已知的任何方法(诸如紧固件、焊接以及互锁特征)来附连到门的可移除的部件。面板118可以是根据加热炉50的加热需求的可添加到门或者从门上移除的模块化部件。这使得针对大量不同的部件的基础加热炉易于构造。

在示出的示例中，加热室64包括两个较冷区域96、100以及较热区域98。图4示出了处于关闭位置的门102，在该位置上，底部边缘114可设置在开口74的竖直方向的中点附近。(底部边缘114的位置可基于加热需求而变化。)面板118从底部边缘114延伸超过开口74的底部边缘136以在较热区域98处完全地覆盖开口74。面板118可包括限定顶部126、底部128以及相对的侧部134的平面主体120。前表面122和后表面124在平面主体120的顶部、底部以及相对面上的侧部之间延伸。前表面122背向加热炉50，而后表面124面向加热室64。面板118可具有使得每个侧部134均设置在一个隔壁80的前面的尺寸(即，面板118的宽度可接近或可略微地大于隔壁之间的距离)以完全地覆盖较热区域98的开口。

所示出的实施例示出了从打开位置向下运动到关闭位置的门。但是，加热炉还可被构造为使得门从打开位置向上运动到关闭位置。本文中，面板从门的顶部边缘112延伸。当然，门还可以是从打开位置回转到关闭位置的铰链式门。在那种情况下，面板可根据门相对于加热室的开口的竖直方向的定位而置于顶部或底部上。

参照图5和图6，至少一个模块化的且可运动的面板118可滑动地连接到门102的底部边缘114。底部边缘114可限定接纳板头(head)130的承套(journal)132，所述板头限定在面板118的顶部126中。承套132可沿着底部边缘114的长度方向延伸并且可包括可滑动地接纳面板的板头130的至少一个开口端。承套132可以是包括槽140的圆筒形的通道138，所述槽沿着该通道的底部延伸。板头130可以是具有对应于承套的内径的直径的圆柱形主体。面板118的主体120在安装时延伸通过槽140。通过使面板118滑动通过承套132直至面板被放置在期望的位置，而将面板118置于期望的位置。

图7示出了根据一个实施例的隔壁80，隔壁包括空心的内部146。空心的内部146改善了区域之间的隔热。如所示出的，空心的内部146可遍布整个隔壁80，或可仅位于隔壁的选择部分。隔壁80还可包括改善区域之间的隔热的其他特征。例如，隔壁80可具有将辐射能反射回到辐射能所来自的那个区域中的反射表面。

图8示出了另一加热炉150，该加热炉包括许多与上面所描述的加热炉50类似的部件。在此将不再具体地讨论大多数类似的部件。加热炉150包括被构造为将坯件加热至一个或更多个期望温度的加热室152。与加热炉50类似，加热炉150被构造为在加热室152内具有多个加热区域或加热室。加热室152可以是包括顶板154、底板156以及相互连接的壁的盒状结构。多个立柱158从底板156向上延伸。辊子组件(rollerassembly)160可设置在加热室152内以允许坯件辊送到加热室152中或辊送出加热室152。这可使插入坯件或将坯件从加热炉中移除变得更加容易。辊子组件160可包括一对框架构件162，每个框架构件均限定底部表面166。每个框架构件162的底部表面166均设置在每个立柱158的顶部上。底部表面166可限定接纳立柱158的顶部的槽168。多个辊子164在相对的框架构件162之间延伸。为了将加热室152划分为多个腔室或区域，可将一个或更多个隔壁170附连到顶板154并且所述隔壁向下朝着辊子组件160延伸。隔壁170可与框架构件162中的一个在竖直方向对齐以限定部件接纳区域172。部件接纳区域172可以是限定在框架构件162与隔壁170之间的间隙。间隙172可包括虽略微大于坯件的厚度但接近坯件的厚度的竖直高度。隔壁170与框架构件162配合以通过阻挡辐射能来将加热室152划分为多个区域。

参照图9，另一加热炉180包括具有开口184的加热室182。门186被安装到加热炉180的前面并能够从打开位置运动到关闭位置以覆盖开口184的至少一部分。门186可以是如上面所描述的滑动式门。该门可被构造为在处于关闭位置时仅覆盖开口184的一部分。一个或更多个面板可从门延伸以覆盖门所不覆盖的开口部分。例如，门186可包括第一面板188、第二面板190以及第三面板192。所述面板可以是一致的尺寸，或者可以是不同的尺寸。在示出的实施例中，第一面板188和第三面板192尺寸相同，而第二面板190更短。每个面板均可从门186的底部边缘垂下，并且每个面板均可包括底部边缘202。第一面板188和第三面板192可从门向下延伸使得在门处于关闭位置时底部边缘202低于加热室182的底板194。第二面板190可从门向下延伸使得底部边缘202在底板194之上以限定开口204，坯件可通过所述开口204插入。

在一个实施例中，加热室182可被设置为具有大体均匀的温度(即，单个区域)。在此，将坯件196插入到加热室182中使得坯件的第一部分198被置于加热室内，而坯件的第二部分200在加热室182的外面。如图9所示，开口184用作允许第二部分200伸出加热室182的窗口。第一部分198与成品部件中将成为uhss的那部分相对应，而第二部分200与成品部件中将成为较软的钢的那部分相对应。由于第一部分198被置于炉内，所以第一部分被加热到ac3温度以上，以使第一部分奥氏体化从而使第一部分在完成适当的淬火之后变为马氏体。第二部分200未被置于炉内并且不会达到ac1温度。因此，在淬火期间不会形成马氏体。

在另一实施例中，加热室182可被构造为具有如上参照图2和图3所描述的多个加热区域。第一面板188和第三面板192可覆盖所述较热区域，而第二面板190被布置为覆盖所述较冷区域。开口204使热从较冷区域中散发出去。所述区域可通过如上所述的隔壁来划分。

图10示出了采用热冲压工艺制造的成品部件，所述热冲压工艺采用能够进行可变的加热的加热炉。该部件可以是大部分由uhss212(具有全部为马氏体晶体的结构)组成的b-立柱210。b-立柱210可使用(例如)自冲铆钉来紧固到另一部件。为了便于铆接工艺，b-立柱210包括位于将被铆接的区域中的软区域214。软区域214包括珠光体和/或铁素体。软区域214对应于坯件中被曾经置于加热室的较冷区域中且未被加热至ac1温度以上的部分。高强度区域212对应于坯件中曾经位于加热室的较热区域中且被加热至ac3温度以上的部分。软区域214还可位于b-立柱将被焊接到非uhss部件的位置。

图11示出了又一加热炉250。加热炉250包括壳体252，该壳体可以是具有前表面254、后部、顶部、底部以及侧壁的矩形主体。壳体252限定加热室256，该加热室将坯件接纳在其中以将坯件加热至某一期望的温度或某些期望的温度。加热室256包括底板260、顶板262、后部264以及相对的侧壁266。加热室256包括限定在前表面254中的开口268。坯件通过开口268被接纳到加热室中或者通过开口268从加热室268中取出。当门(未示出)关闭时，门关闭开口268。

底板260限定定位特征270阵列。定位特征270可以是槽(未示出)或者可以是突起(protrusion)、支托(bracket)或本领域已知的其他任何特征。槽270可从后部264延伸到前部254。槽270可以(例如)以诸如3英寸、6英寸、9英寸的间隔的间隔距离沿着加热室256的宽度方向(即，在侧壁266之间)间隔开。

加热室256包括将加热室划分为被配置为具有不同的温度的区域或隔室的一个或更多个隔壁258。每个隔壁均可以是在底板260与顶板262之间延伸并且在后表面264与前表面254之间延伸的板类结构。隔壁258与定位特征270配合以在加热室256内定位隔壁。在一些实施例中，定位特征270也是附连特征。在示出的实施例中，每个隔壁的下部272均设置在一个槽270内以使隔壁258定位和保持在期望的位置中。隔壁258中的每个均可限定如上面的其他实施例中所描述的坯件接纳区域274。

虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明可能没有明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各种实施例可能被描述为在一个或更多个期望特性方面提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的总体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。