专利名称：卡车纵梁感应热处理设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于汽车生产技术领域，更确切地说涉及应用于卡车车架纵 梁的感应淬火以及限制其淬火变形的工艺装备。
背景技术：
车架纵梁是载重卡车重要的承载部件。卡车的车架纵梁车架纵梁横截 面一般为C型结构，长度为5~12米，纵梁板厚度为4~ 10mm，腹面高为 230-320mm，属于典型的细长槽形梁结构，如图1所示。国内使用的纵梁 一般是平板经由冲压或者滚压冷加工而成型，其材质为低碳低合金钢，含碳 量0,10% ~0.35%。
随着卡车整车轻量化的发展，对车架纵梁材料的强度提出了更高的要
求。为满足对纵梁材料强度不断提高的要求，国内钢铁供应厂商加大了更高 强度级别的钢种的开发，高强度级别的钢种不断出现。但是由于纵梁成型工 艺性的特殊要求，高强钢对开巻、矫平、剪切以致常用的冲压成型等工艺以 及加工设备都提出了更高的要求，这极大的限制高强度级别钢种的应用。
国内目前还未有针对车架槽形纵梁长梁结构的热处理技术。车架纵梁由 于在加工成型过程中带有残余应力，在热处理过程中急剧加热以及冷却，在 加工残余应力、热应力以及热处理相变产生的组织应力等的综合作用下极易 产生变形。变形方式有两翼面内收或者外张、腹面凹陷或者上凸、沿纵梁长 度方向出现拱形，侧弯以及整体出现扭曲等。如不釆用约束变形措施，纵梁 在热处理后两翼面内收或外张可达10mm以上，长度方向旁弯可达2~ 3mm/m以上，而且变形难以控制，后续整形工艺耗时长，且效果不够理想。
在国际上热处理卡车纵梁工艺已经有了一定的应用。如美国的专利，专 利号US5968293,提及了 一种纵梁热处理的工艺方法及相应的设备。但其使 用的纵梁材料一般属于中碳钢的范畴，含碳量大于0.30%,含碳量的差异决 定了技术路线的差异。其感应热处理工艺一般为釆用高频感应热处理设备， 包括预热、加热和后热回火三个工艺过程，加热过程过多，从而导致散热过程过长，能源利用效率不高的缺点。且国外热处理纵梁为不带有孔成型，加 热均勻性控制相对容易。
实用新型内容
本实用新型尤其针对的是成型并完成冲孔后的纵梁。带有工艺孔以及安 装孔的纵梁在加热过程中，孔的周围易形成过热区域，热处理加热控制困难。
本实用新型提供一种卡车纵梁感应热处理设备，即针对低碳低合金钢c型卡
车纵梁的热处理方法，包括感应加热、淬火冷却以及限制其淬火变形的的工 艺装备。
本实用新型所述的卡车纵梁感应热处理设备包括加热装置，由加热炉
及其控制器组成；冷却装置，包含加热炉体冷却、喷淋冷却两部分；矫形装 置，由矫形装置前段、加热炉后矫形辊、主矫形段、后续辅助矫形段构成； 计算机控制装置，包括上位机模块、可编程控制器模块，变频电机、红外温 度传感器、位置传感器设备。矫形装置前段后连接加热装置，然后连接加热 炉后矫形辊，而后为冷却装置;冷却装置后连接主矫形段，其后是后续辅助 矫形段。在计算机控制装置中，上位机模块同可编程控制器模块连接，存储 可编程控制器模块传送来的工艺过程中的数据并对其进行分析；变频电机为 矫形装置提供动力；红外温度传感器安装在加热炉后，测量加热后纵梁的温 度，并把温度信号传送给可编程程序控制器，可编程程序控制器根据温度信 号对加热炉发出相应指令，从而形成温度闭环控制。
上述矫形装置，根据矫形功能以及位置可细分为由矫形装置前段、加热 炉后矫形辊、主矫形段、后续辅助矫形段；矫形装置前段，夹持纵梁在加热 炉前端部分，提高纵梁的刚性，减少其在加热及冷却过程产生的变形；加热 炉后矫形辊，直接同加热后处于红热状态的纵梁相接触，通过调节可限制红 曰状态的总量产生变形或者给予其淬火喷淋冷却变形一个相反方向的预变 形从而减少冷却过程中纵梁产生的变形；主矫形段，抑制纵梁在淬火冷却过 程中产生的变形；以及后续辅助矫形段，夹持冷却后的纵梁，提高纵梁的刚 性，减少其在加热及冷却过程产生的变形。
本实用新型所述的卡车纵梁感应热处理设备还可以包括送料装置、出料装置 和检测装置。送料装置连接加热装置前，矫形装置后连接出料装置和检测装本实用新型具有如下技术效果.-
(1) 通过本实用新型所述的卡车纵梁感应热处理工艺设备，可将纵梁
材质(含碳量0.10% ~0.35% )含抗拉强度从510MPa提升至900MPa以上， 显著提高材料利用率，从而为实现整车降低自重，提升燃油等能源利用率， 大幅度降低生产制造成本创造了必要条件。
(2) 本实用新型较好的限制了卡车纵梁感应热处理过程中的多种变形 方式，最终实现两翼面同腹面角度在89° ~91°之间，长度方向偏差小于 0.5mm/m,能够满足车架装配的要求。
(3) 本实用新型处理强化后的纵梁可在同样载荷的情况下，降低整车 自重，减少材料消耗，减少工艺流程，单车钢材消粍可降低100~200公斤。
(4) 本实用新型可以在不改变现有热轧板材开卷、矫平、剪切、成形 等工艺流程及相关加工设备基础上，提升纵梁材质力学性能，免除成型后冲 孔等工艺过程，提高了生产效率。
图l是变截面纵梁剖面图。 图2是纵梁热处理设备系统的配置图。 图3是中频加热炉的通用炉体形状图。 图4是中频加热炉的C型仿形炉体形状图。 图5是中频加热炉的改进炉体形状图。 图6是热处理矫形辊道处放大图。 图7是一种矫形辊组合图。 图8是另一种矫形辊组合图。 图9是雾化喷淋器的喷头布置图。
图io是普通喷淋器的喷头布置图。
各标号部件名称
1-纵梁2-横向上料单元3-垂直导向辊4-水平传送辊5-水平矫形驱动 辊5a-上辊5b-下辊6-动力单元7-加热炉8-加热炉体的电源以及控制装置 9-喷淋装置10-喷淋控制装置及喷淋液存储箱体11-主矫形段12-横向下料单元
具体实施方式
实施例1。下面参照附图详细说明本实用新型的实施例。
参照附图，说明本实用新型所述的卡车纵梁感应热处理工艺装备如下 如图2所示，纵梁1并排摆放在横向上料单元2上，横向上料单元2同 纵梁纵向传送装置相连接。纵向传送装置由水平传送辊4驱动纵梁向加热炉 方向水平传输，水平传送辊4之间布置垂直导向辊3，垂直导向辊主要起侧 向定位及导向作用。纵向传送装置同矫形装置前段向连接，矫形前段装置主 要由三组水平矫形驱动辊5构成，其间也布置垂直导向辊4。加热炉7布置 在这3组水平矫形驱动辊5的后面，加热炉电源及控制装置8布置在加热炉 7侧面。加热炉7后仍有一组水平矫形驱动辊5，此后为喷淋装置9，喷淋 控制装置及喷淋液存储箱体10。紧邻喷淋装置后为主矫形段11,主矫形段 11负责在纵梁冷却的同时限制其变形。之后仍是两组水平矫形驱动辊5,其 间布置垂直导向辊3。其后为纵向传送装置，横向下料单元12同其相连。
(1) 送料装置送料装置由横向上料单元2、水平传送辊4、垂直导向 辊3组成。横向上料单元2主要完成纵梁横向送至纵向送料单元，其结构采 用链条传送方式。水平传送辊4同纵梁下腹面相接触，通过摩擦力将纵梁沿 水平向加热炉送进。多组垂直导向辊3通过限制纵梁两翼面外表面进行限位 并且导向，保证纵梁在传送过程的直线度。
(2) 加热装置加热装置主要起到将通过加热区域的纵梁部分快速加 热至奥氏体化温度以上的功用。加热炉可以考虑能够迅速加热纵梁的方式如
感应加热、快速火焰喷射加热等。由于感应加热炉加热效率高，加热效果更 好。感应加热频率为1000 4000Hz甚至更高，通过调整感应加热频率、加 热功率以及纵梁通过感应加热区域的速度获得具有不同淬火深度，即不同硬 化层厚度的纵梁，从而满足不同的产品性能要求。
加热炉形状可以有口形、同纵梁形状相仿形的C形或改进型加热炉。口 形加热炉，如图3，可以有更好的纵梁通过性，便于加热变截面纵梁。为获 得更加均衡的加热效果，加热炉的线圈缠绕时有一定锥度。C形仿形的加热 炉具有更高的加热效率，如图4。此种形状炉体，在纵梁内表面的加热效果
更好，效率更高。图5是改进型加热炉形状，确保纵梁翼面加热温度均匀，通过加热炉在纵梁腹面加热位置的形状变化可以促使纵梁腹面温度降低200 °C~40(TC， 一方面减少由于纵梁腹面工艺孔、安装孔等的存在带来的孔周 围区域过热的问题，另一方面则可以更加充分利用车架纵梁腹面中心应力向 两翼面逐渐增加的特点，从而减少加热及后续冷却过程中的变形，提高整根 纵梁的承载性能，并为车架后续孔的加工带来极大的便利。
(3) 喷淋淬火装置奥氏体化的纵梁区域在通过喷淋淬火区域时，在 冷却液(气液混合)的强烈冷却作用下，获得微观组织为低碳马氏体的纵梁。 经过这一过程，纵梁的承载性能得到显著提髙，可以获得900MPa以上抗拉 强度，而且由于微观组织为低碳马氏体，其仍具备一定的韧性。冷却液可以 采用水、盐、碱以及其他能够实现快速冷却的冷却液。
喷淋淬火装置可以有两种实现方式。 一种喷淋装置如图IO所示。喷淋 装置表面由均匀布置的小孔组成，喷淋液通过喷淋小孔均匀的喷淋至纵梁的 内外表面，均勾迅速冷却纵梁。喷淋冷却液压力为0.2~0.5MPa,喷淋液流 量为20 ~ 60mVhour。喷淋装置内部根据纵梁的不同位置如外腹板、外圆角、 外翼面及内腹板、内圆角、内翼面等分隔成不同的单独空腔，各个位置的喷 淋压力、流量单独调节，通过调节纵梁横截面不同位置的冷却速度来调节纵 梁最终的变形量，结合矫形装置实现限制纵梁最终变形的目的。
另外一种喷淋装置如图9所示喷淋液冷却方式可以釆用气液混合雾 化，通过调节水、气流量与压力混合比，来调节纵梁材质奥氏体化后的冷却 速度，从而获得不同要求的纵梁金属微观组织，以此得到要求的力学性能。 这种冷却方式可以使纵梁获得更加均匀的冷却，冷却后的组织更加稳定。
(4) 矫形装置矫形装置主要由一系列水平矫形驱动辊和纵向导向辊 等构成如图7、图8所示；根据矫形功能以及位置可细分为矫形装置前段、 加热炉后矫形辊、主矫形段以及后续辅助矫形段。矫形装置前段位于送料装 置后。加热炉后矫形辊位于加热炉后喷淋装置前。主矫形段位于喷淋装置后。 后续辅助矫形段位于主矫形段后，下料装置前。
A )矫形装置前段纵梁通过送料装置输送至矫形装置前段，通过三 对水平矫形驱动辊5的带动下传送至加热炉。水平压紧辊由液压系统提供压 紧力。三组压紧辊在纵梁腹面垂直方向压紧纵梁， 一方面可以保证纵梁通过 加热炉时行进速度均匀，另一方面可以在保持纵梁在其长度方向上保持平直，从而对加热冷却过程沿纵梁长度方向上的变形进行限制。水平矫形驱动
辊5分为上辊5a、下辊5b,上辊5a与下辊5b在髙度方向都具备可调整性， 可以针对纵梁在腹面法向的变形进行调整。上下两辊在液压系统驱动下可沿 纵梁送进垂直平面内移动，当纵梁变截面段通过时，上下辊分离，保证了纵 梁的通过性。多组立辊3保证纵梁传送进加热炉过程的直线度。
B) 加热炉后矫形辊见图6,加热炉7后为一组矫形辊5。此处矫形辊 的主要作用为平整加热后纵梁腹板的变形，并通过调整根据需要可在纵梁红 热状态下预先给纵梁施加一个反变形以减少纵梁经过冷却后的变形。
C) 主矫形段主矫形段跟随在喷淋装置之后，由水平矫形驱动辊5及 垂直导向辊3紧密复合组成。垂直导向辊3分为两组分别位于水平矫形驱动 辊5前后。其中位于前面的垂直导向辊3紧随喷淋装置9之后，作用为在纵 梁喷淋冷却的同时限制纵梁两翼面的变形。位于水平矫形驱动辊5后的垂直 导向辊3起补充限制翼面变形作用以及导向作用。
图7中所示为水平矫形驱动辊5在限制纵梁腹面变形的同时兼起到限制 纵梁翼面外张变形的作用，翼面向内方向变形则由一对垂直导向辊3限制。
图8中为另一种矫形方式，翼面方向的变形完全由两对垂直导向辊3限 制，而纵梁腹面变形由水平矫形驱动辊5限制。两种方式中，水平矫形驱动 辊下滚5b宽度小于上滚5a,保证了翼面矫形辊的安装空间。
D) 后续辅助矫形段在主矫形段11后是由两组水平矫形驱动辊5及 垂直导向辊3相间而成的辅助矫形装置。两组水平矫形驱动辊5在液压力的 作用下夹紧纵梁腹面并驱动纵梁向前传送，同时起到防止纵梁出现拱形变形 的作用。
本实用新型适用纵梁在完成冲孔(钻孔)工艺后，进行热处理，即纵梁 热处理前带有零部件安装孔、工艺孔及各种管线通过孔，热处理后不再进行 冲孔(钻孔工艺)。同样适用于纵梁在热处理后再进行零部件安装孔、工艺 孔及各种管线通过孔的冲孔(钻孔)工作，则纵梁热处理过程温度控制更加 稳定，热处理后孔成型精度更佳。
针对含碳量在0.10%~0.18%区间的纵梁材料，本实用新型所述的卡车纵 梁感应热处理方法包括如下步骤
(l)加热成型后的纵梁在加热炉加热至96(TC以上，达到完全奥氏体化温度，加热频率为1000~4000Hz。
(2) 淬火冷却纵梁淬火时温度高于91(TC,经过喷淋冷却带强烈冷 却到约40(TC下，形成低碳马氏体组织。
(3) 限制变形在上述步骤(2)的同时，限制纵梁在急剧加热及冷却 过程中产生的变形，即纵梁在冷却的同时即在冷却液喷淋带上通过腹面矫形 辊和两翼面矫形辊，在腹面矫形辊和两翼面矫形辊的限制作用下冷却，实现 两翼面同腹面角度在89。
~91°之间，长度方向偏差小于0.5mm/m。
步骤(l)加热纵梁在本实用新型所述的工艺装备上，在向前行进过 程中快速通过加热炉。通过加热炉的纵梁部分迅速加热至奥氏体化温度以上 5(TC-10(TC。对于含碳量0.1~0.18%范围的低碳低合金钢，其加热温度不 低于960°C。
加热炉可以采用能够迅速加热纵梁的方式，如感应加热、快速火焰喷射 加热等。
感应加热炉加热效率高，加热效果更好，本方法釆用感应加热方式。感 应加热频率为1000~4000Hz，在这个频率下可使板厚为5~ 12mm的纵梁形 成透热效果。
如釆用更高的加热频率4000Hz以上可以在不透热的情况下，纵梁厚度 方向内外面附近2 3mm范围内获得充分奥氏体化，而中心温度较低，从而 在冷却过程中获得外部区域为低碳马氏体，而中心为珠光体组织，可以获得 更好的韧性。
加热炉形状有口形以及同纵梁形状相仿形的C形，也可以釆用改进型加热炉。
口形加热炉可以有更好的纵梁通过性，便于加热变截面纵梁，如图3所示。
C形仿形的加热炉具有更高的加热效率，如图4。
图5是改进型加热炉形状将加热炉对应纵梁内外腹面部分的感应线圏 分别向外弯曲，加大其同纵梁内外腹面部分的距离，确保纵梁两个翼面加热 温度均匀的同时，加热炉在纵梁腹面加热位置的形状变化可以促使纵梁腹面 温度降低20(TC-40(TC, —方面减少由于纵梁腹面工艺孔、安装孔等的存 在带来的孔周围区域过热的问题，另一方面则可以更加充分利用车架纵梁腹面中心应力向两翼面逐渐增加的特点，从而减少加热及后续冷却过程中的变 形，提高整根纵梁的承载性能，并为车架后续孔的加工带来极大的便利。
加热区域是纵梁在加热炉中的区域，随着纵梁向前行进从而加热整根纵 梁或者选择区域进行加热。所谓有选择的加热是指根据车架设计时车架不同 区域不同的受力要求，对有强化要求的纵梁区域进行热处理强化。这点不同 于北美现在的整根纵梁一次性热处理的方法，能充分利用材料性能，并节约 能源。
步骤(2)冷却纵梁加热后的区域经过冷却区域时，通过冷却液的强 烈喷淬，促使其从奥氏体化温度迅速冷却至马氏体形成温度，约400'C下， 从而获得微观组织为低碳马氏体的纵梁。
经过冷却这一过程，纵梁的承载性能得到显著提高，可以获得卯OMPa 以上抗拉强度，而且由于微观组织为低碳马氏体，其仍具备一定的韧性。
上述冷却液可以釆用水、盐、碱以及其他能够实现快速冷却的冷却液。 通过如图10所示喷淋装置，均句的喷淋至纵梁的内外表面，均句迅速冷却 纵梁。喷淋冷却液压力为0.2~0.5MPa，喷淋液流量为20~60m3/hour。
喷淋液冷却方式还可以釆用气液混合雾化，通过调节水、气流量与压力 混合比，来调节纵梁材质奥氏体化后的冷却速度，从而获得不同要求的纵梁 金属微观组织，以此得到要求的力学性能。该冷却方式可以使纵梁获得更加 均匀的冷却，冷却后的组织更加稳定，如图9。
加热后的低碳低合金纵梁通过冷却喷淋液(雾)的压力及流量调节，可 以控制纵梁经过冷却区域后的温度在200'C左右，利用余温完成自回火程，
从而获得更好的韧性及综合力学性能，免去的淬火后的回火过程，简化工艺， 降低能源消耗。
步骤(3)限制变形加热后的纵梁区域在离开加热炉7后，在冷却的 同时即在冷却液喷淋带上通过腹面矫形辊5，两翼面矫形辊3的限制作用下 冷却，较好的限制了上述热处理过程中的多种变形方式，最终实现两翼面同 腹面角度在89。
-91°之间，长度方向偏差小于0.5mm/m，能够满足车架 装配的要求。
在步骤l基础上，在加热后的纵梁区域离开加热炉7后，还可通过在加 热炉后淬火喷淋装置前增加预矫形辊，则可&获得更加良好的矫形效果。针对含碳量在0.18%~0.25%区间的纵梁材料。其中在步骤l中加热温度为 950°C;在步骤2中淬火时温度高于卯0'C，冷却后温度低于400'C ，其余条件 同实施例l。
针对含碳量在0.25°/。~0.35%区间的纵梁材料。其中在步骤l中加热温度为 900°C;在步骤2中淬火时温度高于850'C，冷却后温度低于355'C ，其余条件 同实施例l。
以上实施例皆适用于纵梁在完成冲孔(钻孔)工艺后，进行热处理，即 纵梁热处理前带有零部件安装孔、工艺孔及各种管线通过孔，热处理后不再 进行冲孔(钻孔工艺)。如纵梁在热处理后再进行零部件安装孔、工艺孔及 各种管线通过孔的冲孔(钻孔)工作，则纵梁热处理过程温度控制更加稳定， 热处理后孔成型精度更佳。
本实用新型参照附图和实施例进行说明，但保护范围不限于此，在本实 用新型技术范围内具有普通技术人员可以经过简单的变换，而获得本实用新 型同样的技术效果，同样在本实用新型的保护范围内。
权利要求1. 一种卡车纵梁感应热处理设备，其特征是主要由加热装置、冷却装置、矫形装置、计算机控制装置构成；加热装置，由加热炉及其控制器组成；冷却装置，包含加热炉体冷却、喷淋冷却两部分；矫形装置，主要由一系列水平矫形驱动辊和纵向导向辊构成，包括主矫形段和后续辅助矫形段；计算机控制装置，包括上位机模块、可编程控制器模块，变频电机、红外温度传感器、位置传感器设备；矫形装置前段后连接加热装置，然后连接加热炉后矫形辊，而后为冷却装置，冷却装置后连接主矫形段，其后是后续辅助矫形段，加热炉及冷却装置位于矫形装置各段中。
2. 如权利要求1所述的一种卡车纵梁感应热处理设备，其特征是所述 的矫形装置根据矫形功能以及位置可细分为矫形装置前段、加热炉后矫形 辊、主矫形段、后续辅助矫形段；矫形装置前段，夹持纵梁在加热炉前端部 分；加热炉后矫形辊，直接同加热后处于红热状态的纵梁相接触；主矫形段， 连接在冷却装置后；以及后续辅助矫形段，在主矫形段后，夹持冷却后的纵 梁。
3. 如权利要求1或2所述的一种卡车纵梁感应热处理设备，其特征是 还包括送料装置、出料装置和检测装置，送料装置连接加热装置前，矫形装 置后连接出料装置和检测装置。
专利摘要一种卡车纵梁感应热处理热处理设备，主要包括加热装置、冷却装置、矫形装置、计算机控制装置。通过本实用新型所述的卡车纵梁感应热处理工艺设备，可提高纵梁材质抗拉强度，从而为实现整车降低自重，提升燃油等能源利用率，大幅度降低生产制造成本创造了必要条件，并且较好的限制了卡车纵梁感应热处理过程中的多种变形方式，降低整车自重，减少材料消耗，减少工艺流程，免除成型后冲孔等工艺过程，提高了生产效率。
文档编号C21D9/00GK201228275SQ20082012800
公开日2009年4月29日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者曹海鹏, 王孔传, 罗国建, 陈军绪, 陈立中, 韩振强 申请人:一汽解放青岛汽车厂