一种可生产分区强度热冲压件的加热装置、生产线和方法与流程

本发明涉及热冲压成形技术领域，尤其是一种适合生产具有分区强度的热冲压零件的加热装置，具有该加热装置的生产线以及热冲压成形方法。

背景技术：

在当前热冲压产品中，要求不同强度分区的产品越来越多。而且在一个产品上要求不同位置出现软区的要求也越来越多。例如，汽车b柱加强板，除了要求在车身位置的下部具有强度较低的软区外，还要求在b柱的两侧边的焊接位置设置软区，这个焊接软区与硬区的过渡区要求非常窄。这给按现有技术制造软区带来了空前的挑战，现有技术无法很好地满足这个要求。

在热压制件上制造软区主要有两种思路：一个是降低软区部位的加热温度。热压件的通常强度要求是抗拉强度1500mpa。这需要将坯料加热到板材的ac3温度即完全奥氏体相变温度以上，即860℃以上，然后快速冷却，即以超过27℃/s的平均冷却速度实施模具冷却。才能获得以马氏体为主体的抗拉强度为1500mpa的超高强度淬火组织，即硬区。如果板材上某个区域加热温度不到ac1温度即奥氏体相变起始温度即700℃以下，板材中该区域的原组织铁素体/珠光体没有转变为奥氏体，模具成形并保压淬火冷却以后的组织仍将是基材原有的强度较低的铁素体或珠光体组织。这样就实现了在热压零件上局部区域的软区即低强度区域。

现有技术中，采用在辊底式加热炉内分不同的加热温度区域：参见图2，料片在辊底炉中做横向送进，炉内设置挡板将炉子截面宽度方向分为两个或者数个加热和降温区域:高温区和低温区。料片在横向送进时，沿料片的长度方向将被加热成两个或者数个不同的温度。料片上温度低的区域保压淬火后的强度低，以实现上述软区。例如，公开号为cn103028645，名称为“一种变强度分布高强钢板材零件的热冲压成形方法”的专利申请即公开了这一技术。

然而，这项技术具有以下不足：

1)料片在辊底炉内作横向送进时非常不稳定，远远不如纵向送进稳定。料片出炉时的位置很不稳定，导致报废率高。

2)由于炉内高低温区不能截然分离，加之料片在送进中的跑偏，导致料片上的强度分区之间的过渡区域的位置和宽度控制不准确。

3)由于炉内高低温区是由挡板分隔的，而料片需要一直作送进运动，这就使得在炉内设置不同加热区是非常不方便的，不同温度加热区的分界线不易改变，并且不同强度分区界线必须与炉内挡板平行。这要求料片上的不同强度区的分界线要与料片在辊底炉子中的送进方向平行。如果制件产品上的不同强度分区的分界线是任意方向的，就无法实现如此要求的软区。当料片上的低强度区在料片上呈任意分布时，无论让料片在炉中做哪个方向的送进，都无法同时满足不同强度区被炉内挡板分隔成不同温度区。如图2所示，现有的辊底炉内虽然可以设置高温区(501)和低温区(502)以分别实现对汽车b柱加强板的硬区(1)和下部软区(3)的区分加热，然而却无法完成对两侧软区(2)的低温加热。

在热压制件上制造软区的另一种思路为：即使板材全部区域被加热到了完全奥氏体化温度以上，通过在局部区域延缓冷却速度，使该区域室温组织不是马氏体组织，而是铁素体/珠光体/贝氏体组织，达到降低该区域强度的目的。

上述思路的实现方式是：加热炉内不做加热和冷却分区，但在热成形模具中通过对局部镶块中埋入加热管对镶块实施加热，或镶块中不具有冷却通道而模具其它部分具有冷却通道。板料在模具中被成形并保压淬火时，与温度高的镶块接触时的降温速率比较慢，从而制件该区域的强度低。例如，公开号为cn104889218，名称为“一种获得变强度热冲压零件的方法及模具”的专利即公开了这一技术。

但由于镶块具有三维型面，要埋入足够的加热管使模具镶块的表面温度均匀达到500-600℃是很不容易的。且冷热镶块的间隙要尽量减小，以避免对产品压制后的型面造成缺陷。然而冷热镶块的接触会导致相邻区域温度不受控制，从而制件在软硬区域交界的过渡区的位置和宽度不符合产品要求。因此，该工艺无法满足目前b柱两侧很窄的过渡区要求。

现有技术中还存在一些其它热冲压工艺，其各有优缺点。例如，加热炉内不做加热分区，也不在热成形模具内对模具镶块进行加热，而是对热冲压后的制件实施离线局部退火，退火的区域强度低。例如公开号为cn103339268，名称为“通过后热成型工艺提供的定制性能”的专利公开了该技术。这实在是不得已而为之的手段。抛开成本高不提，热处理变形问题一直是薄冲压件做热处理难以克服的问题。由于热冲压制件一般都是厚度不超过3mm的薄壁三维零件。这样的冲压件一旦在无约束的加热环境中做热处理，必然导致严重变形。温度越高，变形越严重。采用冲压后的退火热处理来降低制件局部的强度，会使制件的尺寸控制非常困难。

又如，公开号为cn103878237，名称为“一种高强钢热冲压成形零件加工的方法”的专利公开了一种利用高频感应加热方法，通过线圈的合理布置，控制不同区域的不同加热温度。这种利用感应线圈直接对料片加热的方式会使料片上的温度很不均匀。特别是当利用感应线圈的不同加热参数来控制加热区域的不同温度实现高低温区时，由于加热不均匀无法生成高低温区之间的精确边界线及狭窄的过渡区域，由此导致产品软硬分区的边界不精确及过宽的软硬过渡区。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题为：现有技术中的各种制造软区的工艺均不理想，当热压产品中要求软区与硬区的分界线是任意曲线和任意方向，并且软硬区的过渡区很窄时，现有技术是无法实现的。因此，需要提出一种更为优化的热冲压成形工艺。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种适合生产具有分区强度的零件的加热装置，包括：分离的加热和冷却装置与终加热装置，其中，所述加热和冷却装置包括：

相对布置的上绝热壳体和下绝热壳体；

与所述上绝热壳体和下绝热壳体中的一个或者两个连接的加压装置，所述加压装置控制所述上绝热壳体和下绝热壳体相对移动；

所述上绝热壳体和下绝热壳体的相对布置的表面中的至少一个表面上具有仿形传热板和冷却块，所述仿形传热板和冷却块相邻布置，所述仿形传热板处设置有加热器，所述冷却块内设置有冷却水道。

优选的，所述上绝热壳体以及下绝热壳体上分别设置上加热器、上仿形传热板、上冷却块以及下加热器、下仿形传热板、下冷却块，所述上冷却块与上仿形传热板相邻布置，所述下冷却块与下仿形传热板相邻布置，所述上冷却块以及下冷却块内分别设置冷却水道。

优选的，所述仿形传热板与冷却块之间具有间隙，所述间隙内设置有固定至上绝热壳体或下绝热壳体的绝热挡板。

优选的，所述加热和冷却装置设置在升降台上，所述升降台包括传送辊，所述下绝热壳体包括布置于所述传送辊上的托料板以及位于托料板顶部的下绝热层。

一种具有如上所述的适合生产具有分区强度的零件的加热装置的生产线，包括依次布置的：拆垛小车，预加热装置上料机器人，预加热装置，加热和冷却装置上料机器人，加热和冷却装置，终加热装置上料机器人，终加热装置，加压机上料机器人，加压机，下料机器人以及下料传送带。

一种具有如上所述的适合生产具有分区强度的零件的加热装置的生产线，包括依次布置的：拆垛小车，加热和冷却装置上料机器人，加热和冷却装置，终加热装置上料机器人，终加热装置，加压机上料机器人，加压机，下料机器人以及下料传送带。

一种如上所述的生产线的热冲压成形方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，预加热：料片由预加热装置上料机器人送入预加热装置；

第二步，局部加热和局部冷却：料片经预加热装置加热后，由加热和冷却装置上料机器人送入加热和冷却装置，置于下绝热壳体顶部的准确位置；加压装置将加热和冷却装置的上、下绝热壳体与料片压合，加热和冷却装置中的冷却块对料片局部部位实施冷却，同时加热和冷却装置中的加热器对料片其他部位实施加热；

第三步，终加热：终加热装置上料机器人将料片送入终加热装置进行进一步加热和保温；

第四步，保压淬火：加压机上料机器人将加热后的料片送入加压机，进行保压淬火，并由下料机器人将制件置于下料传送带。

亦或者，局部加热和局部冷却步骤中，不具备加热和冷却装置中的加热块对料片其他部位实施加热。

亦或者，预加热步骤可以省略。

本发明中的料片在加热和冷却装置内静止，加热和冷却装置中的仿形传热板和冷却块的轮廓与产品不同强度区域的轮廓相对应布置。因此，可以满足不同强度区域的位置、曲线和方向任意布置的热压产品的生产。加热和冷却区域可以严格精确控制，加热温度也可以严格精确控制，可以满足软硬过渡区很窄产品的生产。

本发明的更多结构特征以及优点将在具体实施方式中进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中辊底炉炉内料片正常送进示意图；

图2为现有技术中辊底炉炉内料片分区加热示意图；

图3为本发明提出的第一种加热和冷却装置示意图；

图4为图3中a-a方向的剖视图；

图5为图3的局部放大图；

图6为料片具有任意软区的预加热示意图；

图7为第一种热成形生产线示意图；

图8为第二种热成形生产线示意图；

图9为第二种加热和冷却装置示意图；

图10为第三种热成形生产线示意图；

图11为图10中带冷热装置的升降台的放大图。

图中所示：1、硬区；2、两侧软区；3、下部软区；1a、硬区；1b、软区；1c、过渡区；

10、拆垛小车；20、预加热装置；30、加热和冷却装置；50、终加热装置；51、加料升降或固定台；52、出料升降或固定台；70、加压机；90、下料传送带；

21、预加热装置上料机器人；22、加热和冷却装置上料机器人；23、终加热装置上料机器人；24、加压机上料机器人；25、下料机器人；

500、传送辊；501、高温区；502、低温区；

300，绝热挡板；301、上绝热壳体；302、下绝热壳体；303、上仿形传热板；304、下仿形传热板；305、上加热器；305a、上感应加热线圈；306、下加热器；306a、下感应加热线圈；307、上冷却块；308、下冷却块；309、冷却水道；

40、带冷热装置的升降台；401、升降台本体；402、传送辊；403、托料板；404、下绝热层；405、上绝热壳体；406、感应加热线圈；407、仿形传热板；408、冷却块；409、冷却水道。

具体实施方式

为了便于理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例进行阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。对于这些实施例的多种修改对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中得以实现。

本发明的主要特点就是:在将料片送入最终加热装置加热至大于900℃之前，先对料片实施预加热和局部冷却。将对料片的加热分为分离的三部分:第一步预加热，第二步局部加热和局部冷却，和第三步终加热；在加热和冷却装置上安装与产品各个不同强度区域相对应的仿形传热板和冷却块。实施第一步预加热的目的就是让al-si涂层在加热时与基材中的fe相互扩散形成熔点更高的fe-al-si三相组织，但温度控制在奥氏体相变开始温度以下如690度以下。实施第二步局部加热和局部冷却的目的就是在加热炉外部比较容易采用冷热板的加热和冷却技术在坯料片上预先造成比较大的温差。料片上的温差在料片被送入后续加热炉继续进行一体化加热到预定温度时仍将存在，利用这个料片上的温度差，在后续的保压淬火后，制件的强度就会不同。当料片是不带涂层的裸板时，则或者不需要预加热装置，料片直接由加热和冷却装置将高温区从室温加热到700度左右(可以超过奥氏体相变开始温度)而低温区由冷却块保持室温；或者可以由预加热装置将料片整体加热至(奥氏体相变开始温度以下)690度以下，加热和冷却装置只装有冷却块而不需要加热板。依靠冷却块将料片软区部位冷却至室温。在预加热装置加热至690度以下时，料片没有进入奥氏体相变区。

【实施例一】

参见图3～5所示的一种加热和冷却装置30，从整体而言，该加热和冷却装置30包括仿形加热器及加压装置，所述加压装置对仿形加热器进行加压。所述加压装置优选使用液压缸，为现有技术，并非本发明重点，图中未显示。

所述加热和冷却装置30包括：相对布置的上绝热壳体301和下绝热壳体302，所述上绝热壳体301和下绝热壳体302中的一个或者两个连接至所述加压装置，并由加压装置推动。分别设置在所述上绝热壳体301和下绝热壳体302的相对布置的表面上的上仿形传热板303和下仿形传热板304，分别设置在所述上绝热壳体301和下绝热壳体302的所述相对布置的表面上的上冷却块307和下冷却块308。上冷却块307与上仿形传热板303相邻布置，下冷却块308与所述下仿形传热板304相邻布置。所述上绝热壳体301和下绝热壳体302上分别安装有上加热器305和下加热器306，例如为位于绝热壳体内的电加热管，用于向仿形传热板提供热源。所述上冷却块307和下冷却块308内优选设置冷却水道309，以加速冷却过程。参见图5，所述上仿形传热板303与上冷却块307之间具有间隙，所述间隙内设置有固定至上绝热壳体301的绝热挡板300；所述下仿形传热板304与下冷却块308之间具有间隙，所述间隙内设置有固定至下绝热壳体302的绝热挡板300。

所述上仿形传热板303和下仿形传热板304是平板式加热器，加热区域与被加热料片上需要加热的区域，即硬区1的轮廓相对应，加压装置使得仿形传热板与被加热料片紧密接触，从而实现对料片的传导加热。所述的上冷却块307和下冷却块308与被加热料片上不需要加热的区域，即两侧软区2以下部软区3的轮廓相对应，加压装置使得冷却块同样与被加热料片紧密接触，从而对该区域实施冷却。

所述上冷却块307和下冷却块308分别与上绝热壳体301和下绝热壳体302相对固定，而所述上仿形传热板303能够相对上绝热壳体301移动，所述下仿形传热板304能够相对下绝热壳体302移动，移动方向为平行于上绝热壳体301与下绝热壳体302的相对移动方向。在预加热过程中，当需要降低料片升温速率时，保持冷却块始终对合，压住料片，而上仿形传热板303、下仿形传热板304分别抬高、降低，与料片产生少许距离，接着两个仿形传热板再对合做一定频率往复运动，通过减少与料片的接触时间来减少热传导，从而降低料片升温速率。

参见图7所示的具有图3～5所示加热和冷却装置30的热成形生产线示意图。该热成形生产线包括依次布置的：拆垛小车10，预加热装置上料机器人21，预加热装置20，加热和冷却装置上料机器人22，所述加热和冷却装置30，终加热装置上料机器人23，所述终加热装置50，加压机上料机器人24，加压机70，下料机器人25以及下料传送带90。所述加热和冷却装置30即为图3～5所示的加热和冷却装置。所述预加热装置20以及终加热装置50是普通的多层或单层辊底式加热炉，多层或单层箱式加热炉之一，其两侧分别具有加料升降或固定台51和出料升降或固定台52。

在具体实施方式中，上述加热和冷却装置30可以为一台，也可以为多台。

以具有软硬分区的超高强度钢零件为例，其热冲压成形工艺过程为：

第一步，预加热：坯料片由预加热装置上料机器人21送入预加热装置20进行加热，将料片加热至温度最高不超过700度。

第二步，局部加热和局部冷却：料片由加热和冷装置上料机器人22送入加热和冷却装置30，置于下绝热壳体302顶部的准确位置。料片的准确位置可以通过料片上的定位孔和下仿形传热板的浮动定位销来确定。

加压装置将加热和冷却装置30的上、下绝热壳体301、302与料片压合，加热和冷却装置30对料片实施局部加热和局部冷却。此时，上绝热壳体301和下绝热壳体302上都包含上下相对应的不同加热温度的加热区及冷却区。各不同温度的加热区和冷却区的分界线与产品上不同强度区域的分界线相对应。被冷却/加热料片经过传导冷却和加热，在不同区域快速地被加热到不同的温度。

需要冷却的料片区域被含冷却水道309的冷却块307、308同时冷却以保持温度处于室温附近。

当需要降低料片升温速率时，仿形传热板303、304抬离、降离料片少许距离再对合做一定频率往复运动，同时保持冷却块307、308始终对合压住料片。

将坯料片加热至预定温度后，例如，高温部位达到600℃～700℃时，低温部位为室温，二者温差600℃以上。加压装置将上绝热壳体301提起，顶升机构将料片顶离下绝热壳体302。

需要说明的是，本发明的第二步加热和冷却是在上下仿形传热板加压闭合时进行的，而且传导式加热速度很快，不会产生任何氧化皮。

第三步，终加热：终加热装置上料机器人23将料片送入终加热装置50进行进一步加热和保温。在该终加热装置50，例如多层辊底式加热炉/辊底式加热炉/箱式加热炉内加热保温后，料片从出料升降台52自动滚出。通过第三步加热，冷热区域之间的温差由600℃以上逐渐缩小，但仍然能够满足生产强度上的要求。例如，当高温部位达到880℃以上出炉时，原冷却区域的温度只升到了600℃左右，而奥氏体相变起始温度为700℃，600℃不足以引起相变，此部分区域即成为软区。

第四步，保压淬火：加压机上料机器人24将加热后的料片送入加压机70，进行保压淬火，制件由下料机器人25置于下料传送带90。至此，热压工艺完成，由于采用保压淬火，制件的尺寸精度容易控制。

【实施例二】

本实施例与实施例一基本相同，主要区别在于加热和冷却装置30的结构。

上述实施例一中，料片的软区2、3位于外周，而本实施例中，料片的软区1b位于内部，参见图6。该料片的软区1b与硬区1a之间是限定尺寸的过渡区1c。

本发明提出的加热和冷却装置30同样能够很好地适应图6所示的料片的热成形工艺。具体解决方式也与实施例一类似，即：在绝热壳体上设置相邻布置的仿形传热板以及冷却块，所述仿形传热板对应于硬区1a的轮廓，所述冷却块对应于软区1b的轮廓，所述冷却块被仿形传热板包围。所述仿形传热板与冷却块之间具有间隙，所述间隙内设置固定至绝热壳体的绝热挡板300，该绝热挡板300对应于所述过渡区1c的轮廓。所述绝热挡板300固定设置在所述绝热壳体上，或者与所述绝热壳体一体成型。由于加热区域可以严格精确控制，加热温度也可以严格精确控制，所述过渡区1c的位置和宽度可以精确控制，仿形传热板和冷却块之间的间隙设置以不在料片上产生凹痕为宜。

【实施例三】

进一步的，如果针对更为复杂的料片软硬区域布置，本发明的思路同样适用。例如，某个料片具有硬区、次硬区以及软区，其中硬区需要实现完全奥氏体相变，因此终加热之后的温度在860℃以上，优选在900℃以上；次硬区需要实现部分奥氏体相变，因此终加热之后的温度在700℃～860℃之间，优选在750℃～820℃之间；软区不需要实现奥氏体相变，因此终加热之后的温度低于700℃，优选仅在600℃左右。

相应的，所述加热和冷却装置30的结构布置为：所述绝热壳体上对应于所述硬区、次硬区以及软区分别设置：第一仿形传热板、第二仿形传热板以及冷却块。各个仿形传热板分别与被加热料片上需要加热的区域的轮廓相对应。至少所述第二仿形传热板能够相对绝热壳体移动，以通过该第二仿形传热板的往复运动来减少与料片的接触时间，从而减少热传导，降低料片升温速率，满足该次硬区的加热温度。

通过调整加热器的温度以及第二仿形传热板与料片的接触时间，完成预加热之后，料片的硬区达到600℃～700℃；次硬区达到500℃～600℃，优选在400℃～500℃；而软区保持室温。之后，料片送至终加热装置并进行后续加工。

【实施例四】

如实施例一介绍，图7所公开的热成形生产线是全套完整的生产线。当料片是不带涂层的裸板时，则或者不需要预加热装置，可以对该生产线进行简化。

例如，图7中的加热和冷却装置30仅安装冷却块，而不安装仿形传热板。预加热装置20将料片加热至690度以下，加热和冷却装置30依靠冷却块将料片软区部位冷却至室温。

亦或者，参见图8，该生产线未采用图7中的预加热装置20以及预加热装置上料机器人21，因而料片直接由加热和冷却装置30将高温区从室温加热到700度左右而低温区由冷却块保持室温。

【实施例五】

参见图9所示的第二种加热和冷却装置，相比图3所示的第一种加热和冷却装置，图9中使用上感应加热线圈305a替代上加热器305、使用下感应加热线圈306a替代下加热器306。本实施例采用磁通进行感应加热，相比传统的电加热具有精确控温、节约能源的优点，并且热量是通过仿形传热板303、304间接传导至料片，能够避免现有技术中直接采用磁通对料片进行加热的缺陷。在其它实施例中还可以采用其余类型的加热装置，本专利对加热装置的结构不进行限制。

【实施例六】

参见图10所示的第三种热成形生产线，相比图7所示的生产线，图10的生产线不具备独立的加热和冷却装置30，而是将加热和冷却功能组合至升降台上，形成带冷热装置的升降台40，该带冷热装置的升降台40位于所述预加热装置20与终加热装置50之间。。当升降台40两侧的预加热装置20和终加热装置50为单层辊底式加热炉时，升降台40可以是固定的，不升降的。料片经过预加热装置20加热后，可以直接滚入升降台40进行加热和冷却，然后再直接滚入终加热装置50。当产品不需要软区时，料片可以迅速通过不装冷热装置的升降台40由预加热装置20滚入终加热装置50。

所述带冷热装置的升降台40的具体结构参见图11，包括升降台本体401，位于升降台本体401内的传送辊402，布置在所述传送辊402上的托料板403，位于托料板403顶部的下绝热层404，该托料板403与下绝热层404构成了实施例一中的下绝热壳体；以及位于升降台本体401内的上绝热壳体405，位于上绝热壳体405的朝向所述下绝热层404的一侧面上的仿形传热板407以及冷却块408，所述仿形传热板407以及冷却块408相邻布置，位于上绝热壳体405内的感应加热线圈406，位于冷却块408内的冷却水道409，且所述托料板403与所述上绝热壳体405连接至加压装置，并由加压装置推动，以实现料片的取放与压紧加热。

以上通过具体实施方式对本发明的核心思想进行了详细描述。本领域技术人员在不偏离本发明精神的情况下，很容易由它们得到另外的各种形式或细节。因此，可以理解的是，本发明的保护范围并不仅局限于以上具体实施方式。