专利名称：用于制造淬火的成型构件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造淬火的成型构件的方法和装置，特别是用于制造汽车的结构部件或车身构件。
背景技术：
为了减轻重量和提高碰撞强度，在汽车工业中使用高强度的钢板，这种钢板被热成形加工为成型构件并进行加压淬火。对金属板进行热成形加工和加压淬火本身是已知的，例如DE 24 524 86 Al中就公开过。在此，对金属板坯进行加热，直到材料的特定的奥氏体化温度范围中的一个温度，这就是说，加热到超过转化温度ACl的一个温度，优选是大于AC3，加热是在一热处理设备中进行的，然后将该金属板坯放进压制模具中，并进行成形加工。成型构件被夹持在压制模具中，通过冷却加以淬火硬化。就淬火所需的冷却而言，分为间接冷却和直接冷却。间接冷却是通过冷却通道实现的，这些冷却通道以钻孔或缝隙的形式(甬道冷却)离成形表面一定距离地加设于模具中。一种冷却剂(通常是水)通过这些冷却通道流过，该冷却剂将从热的成型构件传递到模具上的热量向外排出。采用直接冷却时，成型构件在热成型模中直接地与冷却介质相接触。按DE 10 2005 028 010 B3中所介绍的热成型模，压型机的下模具处于一个液体浴内。在此，模具几何构形的各部分甚至全部的模具几何构形都可以处在液面之下。要进行热成形和要进行淬火的板材成型件则被置于液面之上，在压型机行进时，便通过上模具而浸入液体浴中并被深拉到下模具中。此外，DE 26 03 618 Al也公开了在热成型模中直接冷却的方法。在下模具和上模具的成形面上，加设有同心的环形槽，通过模具所导引的冷却通道都通入这些环形槽中。 冷却液通过这些冷却通道被一直引入到环形槽中而直接地与要淬火的板材成型件相接触。 这种直接冷却至少在理论上可以期待获得一种改进的冷却，因为冷却液直接与成型构件相接触。在实际中，接触压力或者说是在成型构件和热成型模之间的接触条件对热传输和热排出有很大的影响。模具都是使用计算机数控的机器(CNC-机)制成的，精密度达百分之几毫米，随后加以刮研处理，借以使成型构件和模具之间的隙缝保持尽可能的小。尽管做出了各种努力，但仍可能在构件出现拉伸的区域内或者在陡直的侧面的区域内，在构件和模具之间产生空隙，这种空隙有很强的绝缘作用，从而在此使热传输受损。由于磨损之故， 构件和模具之间的空隙也是不能避免的。作为冷却剂或冷却液，大都使用水，其高的汽化焓有利于冷却过程。视成型构件上的表面温度的高低而定，在冷却剂和成型构件之间进行接触时便会出现不同的蒸发现象。在高的表面温度情况下，水便汽化，并在成型构件表面上形成一层蒸汽膜，该蒸汽膜由于相比液体有小得多的导热能力之故而起着绝热作用。在膜蒸发的区域内， 成型构件因此只能比较缓慢地冷却下来。当待冷却的表面未超过所谓的莱顿冷冻温度(Leidenfrosttemperatur)时，就会局部地和不规则分布地在成型构件表面上在液体和成型构件之间出现直接的接触。被冷却下来的热流在这些区域内升高。一旦冷却剂的温度低于蒸发温度，就不再产生蒸发，热量便会在成型构件表面完全被润湿的情况下对流地被传导。冷却剂的上述蒸发现象或者说相态在冷却期间可能导致在成型构件上出现局部以及时间上不同的和不可控制的冷却过程。这一点对成型构件的特性和最终对产品质量都是有影响的。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是，开发出一种方法和一种装置，用于制造淬火的成型构件，以提高热传导的效率，并从而改进冷却作用，以及借以能够精确地、在工艺上可靠地和可重现地调整成型构件的材料特征值。上述目的的第一个解决方案见权利要求1中所述。本解决方案的核心思想规定 对冷却剂的聚集态进行控制。通过利用压力和冷却剂量对聚集态的有针对性的控制和通过对液相及汽态相和/或气相的调整，便可在改进的冷却过程控制条件下，排出高的热流。此外，还可在硬度和抗拉强度方面完全地或部分地不同程度调整成型构件的材料特征值。针对发明目的的方法部分的第二个解决方案如权利要求3中所述，是在于这样一种方法，其中，将成型构件在热成型模中通过利用冷却剂进行的直接冷却而加以淬火。依本发明，成型构件至少部分地用冷却剂加以冷却，其压力是在该冷却剂的蒸汽压力以上，其中，冷却剂以达到25MPa的压力被送入到前室中。为了改善接触，并从而改善从成型构件至热成型模的热量导出，将模具造型空间中在成型构件和模具之间或者说接触面之间的、不合乎要求的空隙加以封闭，为此，将冷却剂以在该冷却剂的蒸汽压力以上的压力送入到造型空间中或上模具和下模具之间的模具间隙中。因此，本发明的这一方面的目标是在冷却过程中获得冷却剂的一种稳定的液相。 冷却剂的汽化是通过在蒸汽曲线以上的一个提高的压力范围内的工作而受到制止的。通过被送入造型空间中或送入到成型构件和模具的接触面之间的间隙中的冷却剂，与否则存在气垫的情况相反，极大地提高了热传导作用。这种热传导现在就理想地相当于良好的模具接触情况下的热传导。本发明提出的方法的一些有利的发展是各从属权利要求的主题。在造型空间中用冷却剂对成型构件加载，以便将其冷却和淬火，可以全面积地在整个构件表面上实施，或者局部地限于在成型构件的某些区域上实施。于是便可获得一种全面加压淬火的成型构件或一种部分淬火的或局部不同淬火的成型构件。还可以对成型构件的不同区域进行不同冷却，从而赋予这些区域互不相同的硬度值和强度特性。将具有达到25MI^压力的冷却剂送入到造型空间中，而且是以很高的体积流量送入。冷却剂供给的持续时间和/或压力的高低也可加以改变。根据一项有利的发展，在造型空间中对成型构件的构件温度加以测量。另外，也可以在造型空间的接触面的区域内对模具温度加以测量。根据构件温度和/或模具温度来控制冷却剂供给的起始时间点和终止时间点。此外，在一种方法变型中提出造型空间中的冷却剂分配是能够可变地进行控制的。在此，成型构件的某些(第一)区域以冷却剂加载，而其它(第二)区域则不以冷却剂加载。也可将彼此不同的区域在时间上错开地以冷却剂加载，借以有针对性地或精确地调整在这些区域中适配于相应构件的材料特性。尤其是，当构件在某些区域中不同地加以冷却时，有利的是，成型构件在从热成型模中取出之后固定地保持于一冷却站中。这样就可避免成型构件由于热应力之故造成的变形。为了有针对性地调整冷却剂的聚集态，冷却剂被送入或者说注入到造型空间中所用的压力在冷却阶段期间在控制技术上应适配于冷却剂的蒸汽压力。视注射压力而定，可以在模具间隙中产生一种具有良好导热能力的水层或者产生一种具有另一种导热能力的湿蒸汽。如前所述，压力可按时间控制和/或按温度控制，特别是，根据对热成型模中的成型构件上和/或对热成型模上的温度测量来进行调整。此外，冷却剂可以间歇性地注入到造型空间中。这样就可获得两种在控制技术上即使在大批量生产的范围内也可合理转化的参数-脉冲时间和频率。通过对每一脉冲的冷却剂量以及其时间顺序的有针对性的控制，便可排出高的热流。针对发明目的的物的部分(装置部分)的解决方案是在于具有权利要求13所述特征的一种热成型模。该热成型模包含上模具和下模具。在上模具上和/或在下模具中配置了流入通道，经由这些流入通道可以将冷却介质导入到在上模具和下模具之间所形成的造型空间中，或者说导入到封闭的造型空间的模具间隙中。冷却剂的聚集态是可调的。这一点可通过对压力的高低的控制予以实现，该压力指的是用于在冷却过程期间将冷却剂注入或压入到造型空间中的压力。为此，要为热成型模配备所有各种必要的控制及调节技术装置和机组，特别是高压泵，压力转换器，高压存储器，注射控制装置和/或冷却剂量控制装置。本发明提出的热成型模的一些有利的和适宜的发展见权利要求14至16中所述。冷却剂能够以一定压力注入到造型空间中，在此，该压力的高低和/或冷却剂的注射时间是可以控制的。在上模具中和/或在下模具中，为冷却剂配置了供应管路。从供应管路分支出注射管路，注射管路通入造型空间中。按照热成型模的一种改型，在造型空间的接触面中设置有用于影响(调控)热传导的机构。对于该机构，可以特别是加热元件、释放出空装置、空隙、用具有较小或较高导热能力的材料制成的嵌件或者陶瓷嵌件。这种设计特别适用于制造局部不同淬火的成型构件。
下面将参照附图和通过对不同实施例所作的说明，对本发明进行解释。附图表示图1热成型模的第一个实施形式的示意垂直剖视图；图2热成型模的第二个实施形式的示意垂直剖视图；图3水的蒸汽压力曲线；图4水的蒸汽压力曲线，示出了不同压力高度的两个点，在这两个点上水存在不同的聚集态。
具体实施例方式图1示出一个热成型模1。该热成型模主要包含一个上模具2和一个下模具3， 它们可以相对移动，并在它们之间形成一个造型空间4。可以看出，在造型空间4中，夹持着一个用钢制成的、尚未加工成形的成型构件5。 由上模具2和下模具3之间的封闭的造型空间4所形成的模具间隙以6表示。为了制造出成型构件5，将一个用可淬火的钢制成的板坯加热到一种在奥氏体化温度以上的淬火温度， 然后将之引送到热成型模1中，并加以成形加工。夹持在造型空间4中的成型构件通过快速冷却到马氏体起始温度以下而被冷却和被淬火。在上模具2中和在下模具3中配置了一些供应管路7，从供应管路分支出通往造型空间4的注射管路8。为了成型构件5的冷却，将冷却剂KM(通常是水)从供应管路7经由注射管路8注入到造型空间4中，或者说，注入到模具间隙6中和处于成型构件5和造型空间4的接触面9之间的空隙10中。属于热成型模1的部件，此外还有在图中未示出的增压器和/或施压器，以及用于冷却剂压力调整、冷却剂量调整、冷却剂供给的持续时间调整的控制及调节设备和温度测量元件。在造型空间4中，通过注入或压入冷却剂KM和通过冷却剂KM与成型构件5的接触，实现一种直接冷却。冷却剂供应系统包括供应管路7、注射管路8及配属的压力技术装置和仪表，其属于第一冷却系统。第一冷却系统在高压区工作，在此，冷却剂KM的压力和聚集态都是可调的。此外，还可看出，在上模具2和下模具3上有冷却通道11。这些冷却通道属于第二冷却系统，通过该第二冷却系统实现对成型构件5的一种间接冷却。冷却介质被引导通过冷却通道11，该冷却介质吸收从热的成型构件5传递给热成型模1即上模具2和下模具 3的热量，并将之向外排出。作为冷却剂这里也优选使用水。在第二冷却系统中，冷却剂最好在一种冷却循环回路中以回复冷却方式加以导引。在第一冷却系统中的冷却剂KM处于高压之下，而在第二冷却系统中的冷却剂则处在6巴以下的工作压力之下。图2中所示的热成型模12从配有上模具2和下模具3的基本结构而言，相当于前面参照图1所说明的热成型模1。因此，彼此相当的构件或构件部分都以相同的标记代号表示。重复内容不再赘述。热成型模12与热成型模1的不同之处在于取消了间接冷却，在上模具2上和在下模具3中未配备单独的冷却通道，即没有借以排出热成型模12的热量的单独的冷却通道。基本原理热成型模1的设备设计能够实现下述目的冷却剂KM以在冷却剂KM的蒸汽压力 Pd以上的压力Pkm送入到造型空间4中和模具间隙6中。这一点能确保冷却剂KM有一种稳定的液相。从而可保证实现高的热传导或高的热排出，因此可实现一种非常良好的冷却。由制造原因和磨损原因所致，在造型空间4的接触面9和成型构件5之间所形成的空隙10被冷却剂KM封闭。由于冷却剂KM(现为水)处于一种在蒸汽压力pD以上的高压力pKM之下， 故可防止在其与成型构件5的热的构件表面相接触时发生汽化。冷却是均勻地在整个成型构件表面上进行的。导热不良的区域通过蒸汽形成而得以避免。图3表示水的蒸汽压力Pd 的曲线。按本发明的基本原理，调整冷却剂KM的一种液体聚集态，在此状态下，冷却剂KM 的压力Pkm在冷却阶段期间在蒸汽压力Pd以上的范围内进行调整。水这时以达到25MPa的压力Pkm加以按时间控制地在很高的体积流量的情况下被压喷到封闭的热成型模1的造型空间4中或者说空隙10中。通过被注入到造型空间4中或模具间隙6中和空隙10中的、 处于高压下的水，便可保证非常良好的热传输，从而获得高的冷却效应。避免了水的汽化， 从而避免了不利的、绝热性的蒸汽膜。热传输至少近似地相当于在全面积的模具接触情况下的传热。实施例1 通过对注射起始和注射终止的时间控制以及压力高低，便可有针对性地控制成型构件的硬度。在此，最低硬度形成这样的硬度，该硬度在成型构件上无注射冷却的情况下在一定闭模维持时间内达到，直至最大的硬度，该硬度与构件材料的材料特性和合金设计有关。对注射起始和注射终止的控制也可以通过在模具中或相比较地在模具上的成型构件温度的在线测量，予以实现。为此，在造型空间4中对成型构件5的构件温度Tb加以测量。此外，也可在造型空间4的接触面9的区域内对模具温度Tw加以测量。冷却剂供给的起始时间点Ta(注射起始)和终止时间点Te(注射终止)是根据构件温度Tb和/或模具温度1 加以控制的。实施例2 通过热成型模1的可能极短的闭模维持时间，便可制造出部分淬火的成型构件5， 在此，只有成型构件5的某些部位在造型空间4中受到冷却剂KM加载。在造型空间4的一些可控制的区域内实施分区段的冷却剂注射，并相应地对成型构件5的那些在取出之后应该是淬硬的部位实施注射。在成型构件5的那些在热成形和加压淬火过程之后应具有较小强度的区域内，还可以附加地使用安置在造型空间4的接触面9中的机构(该机构用于影响热传导)来延缓冷却。这类机构例如指的是加热元件、释放出空装置、空隙、用具有较小或较高导热能力的材料制成的嵌件或者陶瓷嵌件。从热成型模1中取出成型构件5，该成型构件具有至少两个彼此有不同温度的区域。该成型构件5为了进一步冷却而固定地保持于一个专门的冷却站上。这种措施对于一些软的、不淬火的或不甚强烈地淬火的区域的确定冷却可起到有利的作用，并防止成型构件5变形。实施例3 通过注射持续时间的改变，结合注射压力Pkm的改变，便可自由地在一个成型构件 5上分布开地调定不同的传热系数。视注射压力而定，可以在造型空间4中或者在处于上模具2和下模具3之间的模具间隙6中形成一个具有良好导热能力的水层，或者产生一个具有另一种较差导热能力的湿蒸汽。冷却剂压力的这两个工作点见图4标示。点1处在蒸汽压力Pd的曲线上面的一个稳定液相的范围内；点2处在蒸汽压力Pd的曲线下面的湿蒸汽范围内。这样就存在另一种有针对性地调整构件特性的可能性。实施例4 通过在湿蒸汽范围内高压注射冷却的运行，可以有利地构建没有常规冷却的热成型模。因此可采用如图2中所示的一种热成型模12，在此，放弃了间接冷却系统。
在湿蒸汽范围内操作的情况下，可将从成型构件传导出的热能平面地用于下述目的将水从液相转换到气相。为了在模具间隙6中不产生封闭的水膜，对注射压力Pkm按时间控制或通过温度测量而适配于成型构件5。或者作为选择，有比较地测量热成型模1上的模具温度Tw，或者说测量在造型空间4的接触面9区域内的模具温度，并使之恒常地适配于
蒸汽压丈I Pd。
附图标记
1热成型模
2上模具
3下模具
4造型空间
5成型构件
6模具间隙
7供应管路
8注射管路
9接触面
10空隙
11冷却通道
12热成型模
KM冷却剂
Pkm冷却剂压力
Pd蒸汽压力
权利要求
1.用于制造淬火的成型构件的方法，特别是用于制造汽车的结构部件或车身构件，其中，对金属板坯进行加热，然后在热成型模(1)的造型空间(4)中将该金属板坯热成形加工为成型构件(5)，并通过与所述热成型模(1)的造型空间(4)中的冷却剂(KM)接触进行淬火，为此，所述冷却剂(KM)通过流入通道(7、8)被导入到所述造型空间(4)中，其特征在于对所述冷却剂(KM)的聚集态进行调整。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述冷却剂(KM)以达到25MPa的压力(pA) 被送入到所述造型空间中。
3.用于制造淬火的成型构件的方法，特别是用于制造汽车的结构部件或车身构件，其中，对金属板坯进行加热，然后在热成型模(1)的造型空间(4)中将该金属板坯热成形加工为成型构件(5)，并通过与所述热成型模(1)的造型空间(4)中的冷却剂(KM)接触进行淬火，为此，所述冷却剂(KM)通过流入通道(7、8)被导入到所述造型空间(4)中，其中，所述成型构件(5)至少局部地用冷却剂(KM)加以冷却，其压力(Pkm)是处在该冷却剂(KM)的蒸汽压力(Pd)以上，其特征在于所述冷却剂(KM)以达到25MPa的压力(pA)被送入到所述造型空间(4)中。
4.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于改变冷却剂供给的持续时间和/或改变压力(Pkm)的高低。
5.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于在造型空间(4)中测量成型构件(5)的构件温度(Tb)。
6.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于在造型空间(4)的接触面(9) 的区域内测量模具温度(Tw)。
7.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于根据构件温度(Tb)和/或模具温度(Tw)控制冷却剂供给的起始时间点(Ta)和终止时间点(Te)。
8.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于对造型空间中的冷却剂分配能进行可变控制；特别是，成型构件(5)的一些第一区域以冷却剂(KM)加载，而成型构件(5)的一些第二区域不以冷却剂(KM)加载，或者一第一区域和一第二区域在时间上错开地以冷却剂(KM)加载。
9.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于成型构件在从热成型模(1) 中取出之后被固定地保持于一冷却站中。
10.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于冷却剂(KM)以一定压力 (Pkm)被送入到造型空间中，该压力(Pkm)在冷却阶段期间在控制技术上适配于冷却剂的蒸汽压力(Pd)。
11.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于压力(Pkm)按时间控制和/ 或按温度控制，特别是，根据热成型模(1)中成型构件( 上的温度测量和/或根据热成型模(1)上的温度测量进行调整。
12.按以上权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于冷却剂(KM)被间歇性地注入到造型空间中。
13.用于金属板的成形加工和淬火的热成型模，其包括上模具( 和下模具(3)，其中， 模具0，3)中的至少一个具有流入通道(7，8)，经由该流入通道能将冷却剂(KM)导入到在上模具( 和下模具( 之间所形成的造型空间(4)中，其特征在于所述冷却剂(KM)的聚集态是可调的。
14.按权利要求13所述的热成型模，其特征在于冷却剂(KM)能以一定压力(pKM)注入到造型空间中，该压力(Pkm)的高低和/或注射持续时间(Te)是可控的。
15.按权利要求13或14所述的热成型模，其特征在于在上模具O)中和/或在下模具(3)中设置有用于冷却剂(KM)的供应管路(7)和从所述供应管路(7)分支出来的并通入造型空间中的注射管路(8)。
16.按权利要求13至15中至少一项所述的热成型模，其特征在于在造型空间(4)的接触面(9)中设置有用于影响热传导的机构。
全文摘要
本发明涉及用于制造淬火的成型构件的方法和热成型模，特别是用于制造汽车的结构部件或车身构件。对金属板坯进行加热，直到材料的特定奥氏体化温度范围内的一个温度，然后在热成型模(1)的造型空间(4)中将该金属板坯热成形加工为成型构件(5)，并通过与热成型模(1)的造型空间(4)中的冷却剂(KM)接触进行淬火。为此，冷却剂(KM)通过流入通道(7、8)被导入到造型空间(4)中。按本发明的第一个方面，成型构件(5)至少局部地用冷却剂(KM)加以冷却，其压力(pKM)是处在该冷却剂(KM)的蒸汽压力(pD)以上。本发明的第二个方面规定冷却剂(KM)的聚集态是可调的。
文档编号B21D22/02GK102198465SQ20111006017
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月14日 优先权日2010年3月23日
发明者C·希尔舍, M·佩尔曼 申请人:本特勒尔汽车技术有限公司