专利名称：用于成形汽车金属部件的模具及方法
技术领域：
本发明属于汽车金属部件成形领域。具体地说，本发明涉及一种用于成形汽车金属部件的模具及方法。
背景技术：
随着可持续发展战略与以人为本思路的日益深入，轻量化与安全性能成为目前车身开发中的两大重要目标，高强度钢板因此而得到了越来越广泛的应用。一种叫做热冲压冷作模具淬火的生产工艺在近年来被开发，专门成形车辆安全部件，例如保险杠，侧门碰撞梁，碰撞缓冲梁，侧边横杆组件和防侵入梁等。其流程包括:加热可淬火硼钢板至奥氏体化温度，给予足够的时间实现奥氏体的全部转变，然后转移钢板至水冷模具，进行快速零件成形及冷却，使奥氏体在冷却过程中全部转化为马氏体。此工艺过程能够部分提高材料高温成形性能、可一次完成复杂的冲压成形；同时，通过冷作模具淬火，能够提高材料强度并消除回弹影响，所以，该成形技术近年来在业内得到了广泛关注，并致力于发展完善的生产线。这种生产工艺美中不足的是马氏体延展性低，导致有时超高强度的部件反而不能实现最好的吸能效果。拼焊技术是一项对应此方面需求的新成形工艺，也在近年来得到广泛应用。这种技术先将具有不同机械性能或者不同部分的部件拼焊成一个整件，然后再进行成形。设计者可以根据部件不同部位的性能要求选择具有合适属性的材料，所以最终实现的部件既比单一材料部件制成的部件质量轻、还可以有效地改善部件结构的性能。这项技术提供的缺点是工艺繁琐、对生产时间与成本要求高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于成形汽车金属部件的模具，其能够实现部件根据具体的性能要求而局部具有足够的强度、局部能够展现良好的延展性，同时使得工艺简单、经济省时。在此基础上，本发明还提供了一种使用上述模具成形汽车金属部件的方法，其同样具有相应的优点、实现了良好的技术效果。为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案。根据本发明的第一方面提供了一种用于成形汽车金属部件的模具，其特征在于，所述模具包括分别用于冷却所述金属部件的不同部分的多组冷却模，所述多组冷却模之间通过机械连接件连接，并且每组冷却模由位置相应的多个冷却模组成从而在所述金属部件的表侧进行冷却，
其中，所述多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上分别设置有不同的凹凸纹理图案从而构成不同的换热表面，或者分别设置有具有不同热交换率的材料，从而对所述金属部件的相应部分进行不同的冷却过程。可选地，在如前所述的模具中，在所述接触表面上分别设置有具有不同热效换率的材料的情况下，其中一种所述材料选为陶瓷或渗氮材料。可选地，在如前所述的模具中，所述多组冷却模之间是分开的，并且其间还设置有绝热材料。可选地，在如前所述的模具中，所述多组冷却模中的每组冷却模内均设置有介质通道，其中通有用以调节所述冷却模至期望温度的热介质。可选地，在如前所述的模具中，所述热介质为电热棒和/或冷却液。可选地，在如前所述的模具中，所述多组冷却模中的各组为呈平板形式的上、下冷却模并且其接触表面形成为平面以处理具有平表面的金属部件。可选地，在如前所述的模具中，所述机械连接件为呈平板形式的上、下模具架，并且，至少一组所述上、下模具架上设置有滑槽，穿过所述滑槽设置有将相应的上、下冷却模安装到所述上、下模具架的螺栓，通过沿所述滑槽移动所述螺栓的位置能够实现所述上、下冷却模的位置调整。可选地，在如前所述的模具中，各组所述下模具架上设置用于限定所述下冷却模的位置的定位销。可选地，在如前所述的模具中，所述定位销限定在相应的下模具架上的销孔内，其配合方式为过盈配合或螺纹配合。可选地，在如前所述的模具中，所述上、下模具架之间设置有承载上模具架及上冷却模的重量的螺旋弹簧，所述螺旋弹簧中设置有导向柱以保持所述螺旋弹簧的位置。根据本发明的第二方面提供一种使用前述中任一项所述的模具成形汽车金属部件的方法，所述方法包括如下步骤:
步骤A:将所述上、下冷却模装配到压力装置上；
步骤B:根据汽车金属部件的尺寸以及微观组织分布要求，确定各组冷却模的相对位
置；
步骤C:将高温金属部件迅速放置在下冷却模上预定的位置上；以及步骤D:使用所述压力装置将所述上、下冷却模闭合，实现上、下冷却模接触金属部件并实现下、下冷却模对金属板件的换热冷却。可选地，在如前所述的方法中，在冷却模中设置有介质通道并且通有热介质的情况下，所述方法在步骤B和步骤C之间还包括如下步骤:
步骤E:调节所述热介质的温度以将所述冷却模调节至期望温度。从以上可以看出，根据本发明的用于成形汽车金属部件的模具及相应的方法中，模具包括分别用于冷却金属部件的不同部分的多组冷却模，并且所述多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上具有不同的凹凸纹理图案或具有不同热交换率的材料，从而对金属部件的相应部分进行不同的冷却过程；进而，在优选的技术方案中还采用了热介质来调整冷却模的温度。由于待成形金属部件是从加热炉中取出的高温奥氏体，从而能够通过冷却进行相变。上述模具及方法是基于申请人发现了可淬火硼钢的如下材料特性，即，其在高温奥氏体状态下进行不同速率的冷却，会经历不同的相变，形成具有不同机械性能的微观组织结构。例如，利用现行的热冲压冷作模具淬火技术，钢板经快速冷却完全变为马氏体，具有超高强度；而如果适当降低冷却速率，将会有贝氏体产生，材料强度降低延展性增强；如果更大程度地降低冷却速率，实现从奥氏体向铁素体和珠光体的转换，则材料强度将进一步降低而延展性大大增强。本发明正是利用以上客观规律而设计了前述模具及方法，实现了汽车金属部件根据具体的性能要求而局部具有足够的强度、局部能够展现良好的延展性，同时使得工艺简单、经济省时。
参照附图，根据以下非限制性实施方式的具体说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得更加显然。图中:
图1示意性地示出了根据本发明的用于成形汽车金属部件的模具的一个实施方式的立体图；以及
图2示出了根据本发明的用于形成汽车金属板的方法的一个实施方式的流程图。
具体实施例方式下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行更加详细的说明。图1示意性地示出了根据本发明的第一方面的用于成形汽车金属部件的模具的一个实施方式的立体图。在此首先要说明的是，待处理的工件可以是处于高温奥氏体的部件(例如刚从加热炉中取出)，例如可以为淬火硼钢或具有相似性质的材料。从图中可以看出，这种用于成形汽车金属部件的模具100包括两组冷却模101A、IOlB及一组模具架102，所述冷却模101AU01B位于所述模具架102之间。两组冷却模101AU01B分别包括上冷却模101A’、101B’与下冷却模101A’’、101B’’，模具架102包括上模具架102，和下模具架102”。如图所示，上、下冷却模101A’、101A’’可以通过螺栓103固定在上、下模具架102’、102’’上相应的滑槽内，从而，通过在滑槽内滑动螺栓103能够调整上冷却模101A’、101B’的位置。上、下 冷却模101B’、101B’’也分别安装在上、下模具架102’、102’’上。同时，下冷却模101A’ MOlB^通过定位在下模具架102’ ’上的多个定位销104进行定位；从图中可以看出，定位销104能够分别插设在下模具架上相应的销孔内；可以了解，其配合方式包括但不限于过盈配合、螺纹配合等。上、下模具架102’、102’’之间通过导向柱105而设置有套设在其外的螺旋弹簧106，用以支撑住上模具架102’并从而承载上冷却模101A’、101B’。在图示的实施方式中，上冷却模101A’、101B’和下冷却模101A’’、101B’’上相对的内侧表面分别作为接触表面，在成形汽车金属部件的过程中，它们分别通过接触呈平板形式的金属部件(未图示)的下、下两侧而对其进行冷却。上、下冷却模101AU01B的接触表面分别包括相对应的、能产生不同冷却效果的接触部分，即在本例中具体为冷却模101A’和101A”的相应的接触部分、冷却模101B，和101B”的相应的接触部分。冷却模101A，和101A’’以及冷却模101B’和101B’’的相对应的接触部分位置通过前面已经简单介绍过的定位销104以及改变模具架上的滑槽与螺栓103的相互位置关系、从而调整各组冷却模的位置来进行保证。另外，具有不同温度的冷却模101AU01B之间也可以放置绝热材料以防止温度场的相互影响。上冷却模和下冷却模分别由相对应的、能产生不同冷却效果的部分构成。例如，从图中可以看出，冷却模101A’和101A’’的接触部分的表面上设置有图案、而冷却模101B’和101B’’的接触部分的表面上则没有设置图案(可以理解为图案为平面或者凹凸特征减少的极限情况)，这种不同的设置导致了不同的换热速率。所以，在图中的具体实施方式
中，冷却模的不同的换热系数是通过各接触部分上不同的凹凸纹理图案实现。从图中可以看出，上、下冷却下模101A’、101A’’的接触部分的接触表面上设置有呈阵列分布的沟纹，所以在热处理时只有突起部分与金属部件接合，由于部件与冷却模的接触面积减少(相对于整个冷却模的表面积)从而实现较慢的热传递；而上、下冷却模101B’、101B’’的接触部分的接触表面设置成平面，其整个表面可以与前述的一组冷却模101A’、101A’’的表面图案的顶表面平齐从而完全接触金属部件以实现较快速的换热效果。当然，在可选的实施方式中，可以在各接触部分上均设置有图案，通过图案中突起部的面积的大小来实现不同的换热速率。在可选的实施方式中，不同的换热系数也可以通过上、下冷却模不同接触部分的不同表面材料实现，例如，在各接触表面上可以分别设置陶瓷或渗氮材料从而改变换热速率；通过在冷却模的各表面上设置不同的表面材料，能够有效地改变(加快或减慢)换热速率、灵活有效地实现期望的金属相变过程。在本例中，还优选地在上、下冷却模101A、101B内分别设置有多个介质通道107A、107B，介质通道107A、107B的布置可根据具体的温度场分布要求而定，在各组冷却模之间的分布密度、通道直径、所用介质均可不同。介质通道107AU07B内根据情况可以采用不同的热介质，例如，在需要较高的冷却模初始温度以减小金属部件冷却温差的接触部分处，热介质可以为插在介质通道107A内的(电)加热棒；在需要较低的冷却模初始温度以增大金属部件冷却温差的接触部分处，热介质也可以是流过介质通道107B的冷却液。以上结合图1中的实施方式对成形汽车金属部件的模具进行了示例性说明。本领域的技术人员可以了解，本发明的实施方式可以包括多种改型。例如，用于成形汽车金属部件的模具中的冷却模可以具有不只两组101AU01B，而是可以包括多组冷却模，它们分别用于冷却金属部件(例如外周面上)的不同部分，这些多组冷却模之间通过机械连接件连接，并且每组冷却模由位置相应的多个冷却模(沿外周面的两个或以上)组成从而在金属部件的表侧进行冷却。多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上也可以设置有不同的凹凸纹理图案或具有不同热交换率的材料，从而对金属部件的相应部分进行不同的冷却过程。与前述实施方式类似，多组冷却模之间还可以设置有绝热材料。相应地，前述多组冷却模中的每组冷却模内也可以均设置有介质通道，其中通有用以调节冷却模至期望温度的热介质。在优选的实施方式中，热介质可以为电热棒和/或冷却液。也就是说，图1中的示例是这种更为一般的模具的特殊形式，其中的多组冷却模中的各组可以为呈平板形式的上、下冷却模并且其接触表面形成为平面以处理具有平表面的金属部件，从而这种机械连接件为呈平板形式的上、下模具架，模具架上分别设置有滑槽，穿过滑槽设置有将上、下冷却模分别安装到上、下模具架的螺栓，通过沿滑槽移动螺栓的位置能够实现上、下冷却模的对齐，而且上、下模具架之间还可以设置有承载上模具架及上冷却模的重量的螺旋弹簧，螺旋弹簧中设置有导向柱以保持螺旋弹簧的位置。图2示出了根据本发明的用于形成汽车金属板的方法的一个实施方式的流程图。从图中可以看出，在这种使用前述模具成形汽车金属部件的方法中，首先将上、下冷却模(包括模具架)装配到压力装置(例如压力机)上，稳固好上、下模具架的位置，然后，根据汽车金属部件的尺寸以及微观组织分布要求，确定各组冷却模的相对位置，以便于在金属部件被加热到适当的温度时放置金属部件、并且冷却金属部件上适当的位置。在金属部件达到适当的温度之后，将高温金属部件迅速放置在下冷却模上预定的位置上，使用压力装置将上、下冷却模闭合，实现上、下冷却模接触金属部件并实现下、下冷却模对金属板件的换热冷却。在可选的具体实施方式
中，在冷却模中设置有介质通道并且通有热介质的情况下，方法在将高温金属部件放置在冷却模上之前还包括如下步骤:调节热介质的温度以将冷却模调节至期望温度(有时还需要对冷却模的相对位置进行调整)。应当了解，在前述方法中，相应于本发明在前相应于用于成形汽车金属部件的模具的描述，模具也包括分别用于冷却金属部件的不同部分的多组冷却模，并且所述多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上具有不同的凹凸纹理图案或具有不同热交换率的材料，从而对金属部件的相应部分进行不同的冷却过程；进而，在优选的技术方案中还采用了热介质来调整冷却模的温度。这样，由于待成形金属部件是从加热炉中取出的高温奥氏体，所以能够通过冷却在不同的部位进行不同的相变。这主要是考虑到I)使钢板经快速冷却完全变为马氏体会具有超高强度；2)适当降低冷却速率，将会有贝氏体产生，材料强度降低延展性增强；3)更大程度地降低冷却速率，实现从奥氏体向铁素体和珠光体的转换，则材料强度将进一步降低而延展性大大增强。本发明通过提出前述模具及方法，对金属部件的不同部分实现不同速度的冷却，使金属部件在快速冷却区域可以生成高强度的金相结构(例如马氏体结构)，在慢速冷却区域改善材料的延展性(例如铁素体和珠光体，具体微观结构取决于对冷却速率的控制)。具体地，为了对快速冷却区域最大程度地保证换热系数，在图1的实施方式中同时保证了模具表面的光滑又通过通冷却水为模具降温，使模具与部件间具有较大的温差；对于慢速冷却区域，本例中通过对模具表面进行纹理加工来降低换热系数，同时再插入加热棒以对模具加热、提高其初始温度，降低模具与金属部件间的温差以减缓换热。这样有利地实现了汽车金属部件根据具体的性能要求而局部具有足够的强度、局部能够展现良好的延展性，同时使得工艺简单、经济省时。特别地，本发明对于技术思路和工艺方法的创新创造有以下几点在此特别强调说明:
1、为了通过降低接触面积来降低换热系数的模具表面，其纹理可具有多样性，图1中所示只是示例。其一个极端情况是模具与部件不接触，相应区域的部件与空气接触，换热缓慢，材料转变成低强度延展性好的铁素体和珠光体；其另一个极端情况是模具的接触部分与金属部件完全接触的表面，其上的凹纹个数为零，材料转变成超高强度的马氏体；
2、关于模具与部件之间的温差，对模具降温与升温的方式具有多样性，图1所示只是示例手段之一。在其它的实施方式中，可以设置有更多的、具有不同的初始温度和不同的换热系数的接触部分，以实现更加复杂的部件成形；
3、调整换热系数的手段还包括调整模具表面的材料。快冷区域使用导热系数高的模具材料，慢冷区域选用低导热系数材料，以及延展到对模具表面进行渗氮或者在模具表面镶嵌陶瓷材料等多种实施手段；
4、根据具体需处理的工件的形状特征，其并不必需是平板形状的，相应地，冷却模和模具架也并不必需是平板形状的，图1中的实施方式仅为示例性的。
如上所述，根据附图对本发明的优选实施方式进行了详细的描述。所属技术领域的技术人员可以了解，虽然在此限于篇幅的原因没有完全对所有变型和改型进行详细的描述，但是已经揭示了本发明的技术方案的基本原理，从而本技术方案的其它变型和改型实质上已由本说明书公开的具体实施方式
所函盖、并且也将落入由本发明的权利要求书所限定的保护范围内。
权利要求
1.一种用于成形汽车金属部件的模具，其特征在于，所述模具包括分别用于冷却所述金属部件的不同部分的多组冷却模，所述多组冷却模之间通过机械连接件连接，并且每组冷却模由位置相应的多个冷却模组成从而在所述金属部件的表侧进行冷却， 其中，所述多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上分别设置有不同的凹凸纹理图案从而构成不同的换热表面，或者分别设置有具有不同热交换率的材料，从而对所述金属部件的相应部分进行不同的冷却过程。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于，在所述接触表面上分别设置有具有不同热效换率的材料的情况下，其中一种所述材料选为陶瓷或渗氮材料。
3.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述多组冷却模之间是分开的，并且其间还设置有绝热材料。
4.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述多组冷却模中的每组冷却模内均设置有介质通道，其中通有用以调节所述冷却模至期望温度的热介质。
5.如权利要求4所述的模具，其特征在于，所述热介质为电热棒和/或冷却液。
6.如权利要求1至4中任一项所述的模具，其特征在于，所述多组冷却模中的各组为呈平板形式的上、下冷却模并且其接触表面形成为平面以处理具有平表面的金属部件。
7.如权利要求6所述的模具，其特征在于，所述机械连接件为呈平板形式的上、下模具架，并且，至少一组所述上、下模具架上设置有滑槽，穿过所述滑槽设置有将相应的上、下冷却模安装到所述上、下模具架的螺栓，通过沿所述滑槽移动所述螺栓的位置能够实现所述上、下冷却模的位置调整。
8.如权利要求7所述的模具，其特征在于，各组所述下模具架上设置用于限定所述下冷却模的位置的定位销。
9.如权利要求8所述的模具，其特征在于，所述定位销限定在相应的下模具架上的销孔内，其配合方式为过盈配合或螺纹配合。
10.如权利要求6所述的模具，其特征在于，所述上、下模具架之间设置有承载上模具架及上冷却模的重量的螺旋弹簧，所述螺旋弹簧中设置有导向柱以保持所述螺旋弹簧的位置。
11.一种使用如前述权利要求中任一项所述的模具成形汽车金属部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤A:将所述上、下冷却模装配到压力装置上； 步骤B:根据汽车金属部件的尺寸以及微观组织分布要求，确定各组冷却模的相对位置； 步骤C:将高温金属部件迅速放置在下冷却模上预定的位置上；以及 步骤D:使用所述压力装置将所述上、下冷却模闭合，实现上、下冷却模接触金属部件并实现上、下冷却模对金属板件的换热冷却。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在冷却模中设置有介质通道并且通有热介质的情况下，所述方法在步骤B和步骤C之间还包括如下步骤: 步骤E:调节所述热介质的温度以将所述冷却模调节至期望温度。
全文摘要
根据本发明涉及一种用于成形汽车金属部件的模具及使用其成形汽车金属部件的方法。所述模具包括分别用于冷却所述金属部件的不同部分的多组冷却模，所述多组冷却模之间通过机械连接件连接，并且每组冷却模由位置相应的多个冷却模组成从而在所述金属部件的表侧进行冷却，其中，所述多组冷却模中的各组冷却模的接触表面上分别设置有不同的凹凸纹理图案从而构成不同的换热表面，或者分别设置有具有不同热交换率的材料，从而对所述金属部件的相应部分进行不同的冷却过程。本发明实现了汽车金属部件根据具体的性能要求而局部具有足够的强度、局部能够展现良好的延展性，同时使得工艺简单、经济省时。
文档编号B21D37/16GK103182452SQ20111045401
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者李楠, 高卫民, 汤晓东, 杜汉斌, 王大志, 叶平 申请人:上海汽车集团股份有限公司