热成型模具淬火的制作方法

本申请要求于2014年6月16日提交的欧洲专利申请EP14382233.6的权益。

技术领域

本公开涉及用于热成型(和)模具淬火的工具，其用于制造具有高强度区域和增加延展性区域(软区)的热成型车辆结构部件。

背景技术：

汽车工业对减轻重量的需求已带来轻量材料及相关制造工艺和工具的开发和实施。对乘员安全的日益增长的关注还引起采用在碰撞期间提高车辆的完整性同时还改善能量吸收的材料。

称为热成型模具淬火(HFDQ)的工艺使用硼钢板来产生具有超高强度钢(UHSS)特性的冲压部件，其拉伸强度高达1500MPa。强度的增加允许使用更薄规格的材料，这导致相对于常规冷冲压的低碳钢部件的重量节省。

可以使用HFDQ工艺制造的典型车辆部件包括：门梁、保险杠梁、横梁/侧梁、A/B支柱加强件和腰梁加强件。

硼钢的热成型由于其优异的强度和可成型性在汽车工业中变得越来越流行。因此，传统上由低碳钢冷成型的许多结构部件被热成型的等同物代替，这提供了强度上的显着增加。这允许在保持相同强度的同时减小材料厚度(且因此减小重量)。然而，热成型部件在所形成的条件下提供非常低水平的延展性和能量吸收。

为了改善诸如梁的部件的关键区域中的延展性和能量吸收，已知在相同部件内引入较软的区域。这在局部上改善延展性，同时保持整体所需的高强度。通过局部调整某些结构部件的微观结构和机械特性，使得它们包括具有非常高的强度(非常硬)的区域和具有增加的延展性(较软的)的区域，可能改善它们的总体能量吸收，并在碰撞情况期间保持其结构完整性，并且还减小它们的总重量。这种软区域还可有利地改变在冲击下部件塌陷情况下的运动学行为。

在车辆结构部件中产生具有增加的延展性的区域(软区)的已知方法涉及提供包括一对互补的上部模具单元和下部模具单元的工具，单元中的每个具有单独的模具元件(钢块)。模具元件设计成在不同的温度下工作，以便在淬火工艺期间形成的部件的不同区域中具有不同的冷却速率，并且从而在最终产品(软区域)中产生不同的材料特性。例如。可以冷却一个模具元件，以便以高冷却速率并通过快速降低部件的温度淬火正在制造的部件的相应区域。另一个相邻的模具元件可以包括加热元件，以便确保正被制造的部件的相应部分以较低的冷却速率冷却，并且因此当其离开模具时保持在比部件的其余部分更高的温度。

与这种制造相关的一个问题是在不同温度下工作的模具元件彼此接触，可能存在大的温差，这产生从温模元件到冷模元件的热流。温模元件因此变得稍微更冷，并且较冷的模具元件变得稍微更暖。结果可能是在部件的软区和硬区之间产生相对宽的过渡区。因此，组件的行为和特性可能不太好定义。

这个问题的一个解决方案可以是将模具元件彼此物理分离和热绝缘，例如通过在它们之间提供空闲间隙(idle gap)和/或通过在间隙中提供绝缘材料。文献US3703093描述了这种方法和工具。在最终形成的部件中的制造缺陷(例如褶皱或其它不规则性)可能因此出现在产品的未被模具元件适当地支撑或接触的那些区域中。

其它已知的方法通过用激光加热产生具有增加的延展性的区域。但是这些方法相当缓慢和麻烦，因为激光加热在HFDQ工艺之后进行。

本公开的一个目的是提供用于制造具有高强度区域和延展性增加的其它区域(软区)的热成型车辆结构部件的改进的工具。

技术实现要素：

在第一方面，提供了一种用于热成型具有局部不同的微结构和机械特性的模具淬火硼钢结构部件的工具。该工具包括上部配合模具和下部配合模具，并且每个模具由两个或更多个模具块形成，该两个或更多个模具块包括在使用中面向要形成的结构部件的工作表面和侧面。上部模具和下部模具包括适应于在不同温度下操作的至少两个相邻的模具块，其对应于具有局部不同的微结构和机械特性的要成型的结构部件的区域，其中相邻模具块在它们的侧面之间布置有间隙，并且接近工作表面的相邻模具块的侧面的端部被设计成使得它们在使用中接触。

根据该方面，当操作时侧面的端部接触的事实保证整个坯件在其正在成型时与模具块接触。这意味着没有坯件的未支撑部分，因此避免或至少减少制造缺陷，诸如例如最终形成的部件中的褶皱或其它不规则性。同时，在侧面之间提供的间隙提供了模具块之间的热绝缘，从而减少了相邻模具块之间的热流，即能够实现相对窄的过渡区，从而为部件提供基本上明确限定的区域，以及同时能够避免或至少减少不规则性。

在一些示例中，间隙可以至少部分地填充有绝缘材料。这增强了适应于在不同温度下操作的相邻模具块之间的间隙的绝缘特性，从而增强了所形成的部件的每个区域的技术特性。

在这些示例中的一些中，与接近工作表面的端部相对的相邻模具块的侧面的端部也被设计成使得它们在使用中接触。这增强了在间隙内绝缘材料的提供。

在一些示例中，与工作表面相对的模具块的表面可以由具有冷却系统的冷却板支撑，该冷却系统可以与适应于在较高温度下操作的模具块相对应地设置。这避免或至少减少了模具支撑结构的加热。

附图说明

下面将参考附图描述本公开的非限制性示例，其中：

图1示出了根据示例的用于制造热成型结构部件的工具的一部分；

图2示出了根据另一示例的用于制造热成型结构部件的工具的类似部分；

图3示出了根据又一示例的用于制造热成型结构部件的工具的一部分；以及

图4示出了根据示例从下部模具或上部模具中的另一个观察的下部模具或上部模具。

具体实施方式

图1示出了根据示例的用于制造热成型结构部件的工具的一部分。该工具可以包括上部配合模具和下部配合模具。在图1中，仅示出了下部模具10。下部模具10可以包括适应于在不同温度下操作的两个相邻模具块11和12。例如，模具块11可以包括热源，以便适应于实现比模具块12更高的温度(“热块”)，该模具块12可以包括冷却系统，以便适应于实现比模具块11更低的温度(“冷块”)。在另外的示例中，可以在单个工具(和在每个配合模具中)中设置更多的模具块，并且还可以预见使块适应在较低或较高温度下操作的其它方式。

在整个本说明书和权利要求书中，较高温度通常可理解为落在350-550℃范围内的温度，而较低温度可理解为落在低于200℃范围内的温度。

在图1的示例中，模具块11和12可各自包括工作表面111和121，其在使用中可与要成型的坯件20和侧面112和122接触。在相邻块11和12的侧面112和122之间可以设置间隙13，并且模具块11和12可以进一步设计成使得接近工作表面111和121的侧面112和122的端部113和123在当它们被加热时接触。这意味着当工具未被使用并且块尚未被加热时，在端部113和123之间也可能存在间隙，以便当块被加热时允许块膨胀，以使得当被加热(膨胀)时，端部113和123接触。

在图1中所示的示例中，间隙13可以完全用绝缘材料14填充。在替代示例中，间隙可以部分地用绝缘材料填充(参见图3)，或者其甚至可以是“空的”，即充满空气。

在另外的示例中，相同的参考标记已经用于指示相同的部分或部件。

图2示出了根据另一示例的用于制造热成型结构部件的工具的一部分。图2的示例与图1的示例的不同之处在于，与端部113和123相对的相邻块11和12的侧面112和122的端部114和124也可以被设计为使得在它们使用时接触。这样，以与上面结合图1所解释的类似的方式，在加热块11和12之前，可以在端部114和124之间提供间隙(未示出)，以便允许块11和12在它们被加热时膨胀。在该示例中，凹部13′可以留在相邻模具块11和12的侧面112和122之间。凹部13′也可以完全填充有绝缘材料14，如结合图1所解释的，或者可以部分地填充或甚至是“空的”，即充满空气。在另外的示例中，凹部可以形成为块的侧面中的开口或缺口，即凹部可以不必设置在侧面的整个长度或宽度上。

图3示出了根据又一示例的用于制造热成型结构部件的工具的一部分。图3的示例与图2的示例的不同之处在于，可以提供三个模具块11、12、15。块12和15可适应于在较低温度下操作(“冷块”)，且可布置在块12和15之间的块11可适应于在较高温度下操作(“热块”)。模具块11和12以及模具块11和15可以被认为是相邻块。类似于结合图1所述的模具块11和12所解释的，模具块15还可包括工作表面151，其在使用中可与要成型的坯件20和侧面152接触。在相邻块11和15的侧面112和152之间，也可以设置间隔(间隙)，并且模具块11和15也可以设计成使得接近它们的工作表面111和151的它们的侧面112和152的端部113和153在它们被加热时接触。

在图3中所示的示例中且类似于结合图2所述的模具块11和12所解释的，与端部113和153相对的相邻块11和15的侧面112和152的端部114和154也可以设计成使得它们在使用中接触。

在图3中所示的示例也与图2的示例不同之处在于，设置在相邻模具块11和12(或11和15)的侧表面112和122(或112和152)之间的间隔可以不完全填充绝缘材料14′，但是在每个侧表面112和122(或112和152)和绝缘材料14′之间可以留有间隙13″。间隙13″实际上可以填充有空气，其也能够用作绝缘体。

在图3中，适应于在较低温度下操作的模具块12和15(“冷块”)可以设置有包括用于循环例如冷水或任何其它冷却流体的冷却通道16的冷却系统。还可以预见用于使模具块适应于在较低温度(低于200℃)下操作的其它替代方案。

在图3中，适应于在较高温度下操作的模具块11(“热块”)可以设置有电加热器17和温度传感器18，以控制模具块11的温度。用于使模具块适应在更高的温度(在350-550℃内)下操作的其它替代方案也可以被预见，例如嵌入式筒式加热器。传感器可以是热电偶。

此外，图3所示的下部模具10′可以由冷却板30支撑，该冷却板30包括与模具块11(即“热块”)相对应布置的冷却系统31。冷却系统可以包括用于循环冷水或任何其它冷却流体的冷却通道，以避免或至少减少模具支撑结构的加热。

用基本上如结合图3所述的具有上部模具和下部模具的模具制成的成型结构最终产品产生具有与具有增加的屈服强度的块12和15(“冷块”)接触形成的区域以及与具有改进的能量吸收特性的块11(“热块”)接触形成的区域的部件。在高动态载荷(例如碰撞)下保持部件的结构完整性从而被实现。

虽然图3的示例包括布置在两个冷块12、15之间的热块11，但是其它构造也是可能的。例如，热块可以在其四个侧面被冷块包围，考虑正方形块或矩形块，并且它也可以被布置为靠近限定更大“热区”的另一热块。在涉及正方形块和矩形块的其它示例中，三个侧面可具有相邻的冷块或甚至仅一侧(具有冷块)，这取决于要成型的部件的几何形状和机械特性。

应当理解，尽管附图描述了具有基本上正方形或矩形形状的块(冷块和热块)，但块可以具有任何其它形状(参见图4的块E3-E8)，并且甚至可以具有部分圆形的形状，只要连续的块具有互补的侧面，因此它们能够放在一起，好像它们是成型上部模具和下部模具的拼图(puzzle)件。

此外，形成用于制造热成型结构部件的工具的每个上部模具和下部模具可以由可互换的多个模具块成型。例如，具有冷块的任何区域可以改变为具有热块的区域，反之亦然，以改变要成型的部件和/或其机械特性。

图4示出了根据示例从下部模具或上部模具中的另一个观察的下部模具或上部模具40。图4的示例示出了用于热冲压B柱的下部的模具40。在该示例中，模具40可以包括八个模具元件E1-E8。每个模具元件可以包括多个热电偶41(由黑点表示)。涉及更多个热电偶的块可以是被设计成冲压(stamp)热成型部件的几何形状变化的块。在这个意义上，在平面几何形状中，可以仅使用一个或两个热电偶(参见块E1)，而更复杂的几何形状使用更多的热电偶。

每个热电偶41可以限定工具在预定温度下操作的区域。此外，每个热电偶41可以与加热器或加热器组相关联，以便设置该区域的温度。每个区域(块)的总功率量可限制将加热器分组在一起的能力。

热电偶可以与控制面板相关联。因此，即使在相同的块内，每个加热器或加热器组也可以独立于其它加热器或加热器组被启动。因此，使用合适的软件，用户将能够设置相同的块内的每个区域的关键参数(功率、温度、设置温度限制、水流量开/关)。

例如，在图4中，可以在成型任何上部模具或下部模具的八个块E1-E8中提供二十四个热电偶41。在这种情况下，每个模具可以包括二十四个区域(或热电偶)，并且完整的工具(对于该B柱的该部分)可以因此涉及四十八个区域。在这种情况下，软件可以控制多达四十八个不同(独立)的区域。这允许非常精确地控制相同的块内的每个区域中的温度，在一些示例中甚至为0.1℃的量级。

软件还可以能够连接或至少关联不同的热电偶。通过这样做，如果热电偶工作不正常，它能够与最近的热电偶连接。这仅仅是可能的，如果这些热电偶在相同或基本相似的温度下工作，无论它们属于相同的块还是设置在相邻的模具块中。

在一些示例中，绝缘材料可以是陶瓷材料，例如陶瓷耐火纤维纸。在示例中，绝缘材料可以是可生物降解的高性能陶瓷、无机纤维、填料和有机粘合剂(诸如岩棉和纤维素、硅酸盐填料和有机粘合剂)的组合物。

在上述示例中，上部模具可具有与下部模具所显示的基本相似或甚至相同的构造，以便与下部模具配合。

尽管这里仅公开了若干示例，但是其它替换、修改、使用和/或其等效也是可能的。此外，还涵盖了所描述的示例的所有可能的组合。因此，本公开的范围不应受特定示例的限制，而是应仅通过对所附权利要求的公正阅读来确定。