一种用于高强钢变径管状件的预成型方法与流程

1.本发明涉及一种用于高强钢变径管状件的预成型方法，属于金属成形加工技术领域。


背景技术：

2.高强钢具有高的质强比，具有优异的减重效果，也因此，高强钢其在汽车行业得到快速发展和广泛应用，从而达到汽车的轻型化，安全性强等目的。但是高强钢作为管件使用，其加工方法尚有不足，不能保证管件的强度。车身上有各种管状件，现有的金属管件的加工通常采用如下的两种方法：一种是先在软态下成形，再进行淬火提高高强钢管状件强度的工艺路线，此方法在模外淬火，易于保证热处理效果，但缺点是淬火变形无法避免；另一种是热气胀技术，此方法的存在的缺点在于：所需气压过大、高强钢管状件壁厚减薄严重、淬火不均匀、管状件破裂、起皱成形缺陷等一系列问题。在本领域中，如何提高管件的强度，就成了本领域人员研究的方向。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，提供一种用于高强钢变径管状件的预成型方法。
4.本发明是通过如下的技术方案，解决上述技术问题：
5.一种用于高强钢变径管状件的预成型方法，包括选管坯，准备管坯成形模具，其特殊之处在于，所述管坯成形模具包括预成型模具和终成形模具；所述用于高强钢变径管状件的预成型方法包括如下步骤：步骤一，密封充压；步骤二，电极加热；步骤三，定温预成型；步骤四，保温移模；步骤五，终成形；
6.其中，步骤三，定温预成型具体为：将管坯加热至温度t，300℃≤t≤1200℃，保温5-20s后，预成型模具合模，将管坯收缩，预成型压缩后，预成型模具开模；
7.步骤四，保温移模具体为：经过预成型的管坯，在温度t1下，700℃≤t1 ≤1300℃，继续保温5～20s后，将其移动至终成形模具。
8.上述技术方案的优点是：将成形分为预成型和终成形两个阶段；预成型主要将截面周长改变至与最终零件相等，且是将管坯加热至0.7t温度以上时进行预成型，终成形主要是成形出所需的截面形状，并在过程中完成组织转换。利用金属材料的电阻热完成对管坯的加热，利用温度升高实现压力自动升高。管坯，在温度t1下，700℃≤t1≤1300℃，继续保温5～20s后，将其移动至终成形模。保温可起到的作用有两个：一是消除预成型区域的温度下降，二是等待组织转换的完成。
9.在上述技术方案的基础上，发明人对上述技术方案，做出如下的完善及改进：
10.进一步，所述步骤一，密封充压，将管坯两端密封，并向腔内充气至压力p， 0.1mpa≤p≤2mpa。本技术的工艺过程中，充压选择较低的压力，便于实施，尤其是将0.1mpa-0.8mpa是工程上的成熟且成本低的气动压力，成功的应用到了本技术的工艺当中。
11.进一步，所述的密封充压还可以采用流体充压。
12.进一步，所述步骤二，电极加热，是将管件两端分别连接电源的两极，采用通电的方式对管件进行加热。本技术的工艺中，使用电加热是基于电加热效率高，所有电能全部转换为热能，电能直接转换成热量，较传统的炉内加热，效率高，因为炉内加热利用热传导和热辐射来加热，升温受表面状态影响很大，如果表面有些地方有锈或者是油渍，该地方的温度就会和别的地方不一样，称为面域温度不均，会影响后续的组织转变。不同于炉子的热传导加热，热传导加热靠近热源的地方温度高，远离热点的地方温度低，要想达到均温，需增加保温时间，因此炉子加热需要保温，而电加热则不需要，这些都促进了生产效率的提高；相比炉子加热，因电能直接转为热量，没有炉壁的吸温，能量利用率也高，电加热省空间，相比感应加热，电加热更均匀，特别是感应加热到了 700℃后效率极具下降。
13.进一步，所述步骤三，定温预成型，在预成型模具开模后，保压5-20s，打开管坯两端的密封。定温预成型中的温度主要是使钢材进入奥氏体化，该温度下成形能利用上钢材动态回复再结晶的物理特性，避免传统预成型(室温下或者是非奥氏体话下预成型)随着变形量的增大材料强化而变脆导致预成型失败。因此本发明利用动态回复再结晶的物理性能可实现不限量的变形程度。
14.上述的技术特征在本技术中的有益效果是：保压5-20s的作用是使被压缩处的截面形状在内压作用下实现轮廓的自光顺。
15.进一步，所述步骤五，终成形，在预成型管坯移动过程中或者是移动结束后完成将两端端部密封，待成形模具与预成型管坯开始接触之后向管腔内充 2～20mpa的压力，并快速完成合模，快速合模时间控制在10s，并保压5～30s。由于预成型中零件的周长已经与终成形件相等，终成形只需改变截面形状，最大的优点是：沿轴向各处材料与模具同时接触(因为如果要将周长改变放在终成形，则周长大于终成形件的部位会先与模具接触，周长小于终成形件的部位会最后才接触)这样保证了沿轴向各处的淬火效果一致。
16.进一步，所述终成形保压5～30s后，卸掉内压，开模取件，并利用冷却水或低温高压气体清理终成形模腔。
17.进一步，所述管坯成形模具依据变径管状件沿轴线不同管段的管径截面形状及周长，分成不同的上模和下模组合段，上模和下模配合后形成的模腔与相应段的管件相适应。
18.上述的技术特征在本技术中的有益效果是：根据需要，管件应用的位置不同，在管件的不同位置，需要管件截面具有不同的形状，因此，模具也需要具有相应结构的模腔。
19.进一步，所述下模模腔的侧壁具有直壁段a，所述上模的模腔的侧壁具有直壁段b，直壁段a和直壁段b的夹角大于45
°
。
20.上述的技术特征在本技术中的有益效果是：上模和下模，二者闭合构成预成型模腔，内腔的周长与其所对应零件的截面周长相等。为了获得大的压缩量，下模设有直壁段a，上模设有直壁段b，直壁段a与上下模开合方向平行，直壁段b与上下模的开合方向形成夹角，一般大于45
°
；直壁段a的长度要大于两倍的截面变化量，直壁段b的长度大于10mm。直壁段a的作用是相比带弧度管坯，直壁管坯更容易被压缩。直壁段b的作用是避免直线段b与直线段a 相接处出现圆弧过渡。
附图说明
21.图1为本技术一种用于高强钢变径管状件的预成型方法的立体结构示意图；
22.图2为图1中a-a方向剖视图；
23.图3为图1中b-b方向剖视图；
24.图4为图1中c-c方向剖视图；
25.图5为以c-c剖面的管坯成形模具的剖视图；
26.图6为管坯组织转换前金相图；
27.图7为管坯组织转换后金相图。
28.附图标记记录如下：上模-1，下模-2，直壁段a-3，直壁段b-4，管坯-10。
具体实施方式
29.以下实施例结合附图，仅是为了对权利要求书中所记载的技术方案加以说明，并非是对权利要求保护范围的限制。
30.一种用于高强钢变径管状件的预成型方法，包括选管坯10，准备管坯成形模具，所述管坯成形模具包括预成型模具和终成形模具，预成型模具与终成形模具具有相似的结构，根据成形管件的实际结构与成形过程中的需求，对模具内腔的结构作出相适应的调整；所述用于高强钢变径管状件的预成型方法包括如下步骤：
31.步骤一，密封充压；将管坯10两端密封，并向腔内充气至压力p，0.1mpa ≤p≤2mpa；
32.步骤二，电极加热；是将管件两端分别连接电源的两极，采用通电的方式对管件进行加热；
33.步骤三，定温预成型；定温预成型具体为：将管坯加热至温度t，300℃≤ t≤1200℃，保温5～20s后，预成型模具合模，将管坯收缩，预成型压缩后，预成型模具开模；
34.步骤四，保温移模；保温移模具体为：经过预成型的管坯，在温度t1下， 700℃≤t1≤1300℃，继续保温5～20s后，将其移动至终成形模具；
35.步骤五，终成形；在预成型管坯移动过程中或者是移动结束后完成将两端端部密封，待成形模具与预成型管坯开始接触之后向管腔内充2～20mpa的压力，并快速完成合模，快速合模时间控制在10s，并保压5～30s；所述终成形保压5～30s 后，卸掉内压，开模取件，并利用冷却水或低温高压气体清理终成形模腔。
36.其中，所述的密封充压还可以采用流体充压；
37.另外，所述步骤三，定温预成型，在预成型模具开模后，打开管坯两端的密封；
38.所述管坯成形模具依据变径管状件沿轴线不同管段的管径截面形状及周长，分成不同的上模和下模组合段，上模和下模配合后形成的模腔与相应段的管件相适应；所述下模模腔的侧壁具有直壁段a，所述上模的模腔的侧壁具有直壁段b，直壁段a和直壁段b的夹角大于45
°
。
39.以下，以一具体的管件为例，说明本技术的方法，是如何加工变径管状件的：
40.图1中所示管状零件，材料为高强钢，沿着管件的轴向有三种不同的截面，各个截面的周长不等，截面形状均不同，在图中以a-a、b-b和c-c三个位置剖切，形成如图2-4所示的截面，并将截面周长分别为c1、c2和c0，c1＞c2 ＞c0。
41.选管坯10，该管坯各处的截面周长各处相等且为c1；
42.准备管坯成形模具：其中，预成型模，参见图5，仅以c-c截面部分模具为例；分为上
模1和下模2，二者闭合构成预成型模腔，内腔的周长与其所对应零件的截面周长相等；为了获得大的压缩量，下模设有直壁段a 3，上模设有直壁段b 4，直壁段a 3与上下模开合方向平行，直壁段b 4与上下模的开合方向形成夹角，一般大于45
°
；直壁段a 3的长度要大于两倍的截面变化量，直壁段 b4的长度大于10mm；针对不同截面的预成型模的运动一般相对独立，好处是各个预成型模可以沿着各自的合模方向开合，实现对截面上不同方为的压缩。例如a-a沿着竖直方向，b-b沿着水平方向，具体沿着那个方向运动，应根据终成形零件相应截面处的具体需要。
43.第一步：对管坯10两端密封，并向腔内充气至压力p，p控制在0.1mpa～2mpa；
44.第二步：在管坯10的两端分别接电源的两极，通电对其进行加热；
45.第三步：待管坯10被加热至温度t后，300℃≤t≤1200℃，保温5～20s，然后预成型模合模，将对应部位的周长进行收缩；因为高温下材料容易压缩，内部又有p的气压支撑，且该气压受管坯升温的影响会在保温过程中升高，避免周长收缩时发生起皱；利用预成型模将截面a-a的周长压缩为c1，将截面 b-b的周长压缩为c2；密封打开，卸掉内压，预成型模打开；
46.第四步：管坯10，在温度t1下，700℃≤t1≤1300℃，继续保温5-20s后，将其移动至终成形模。保温可起到的作用有两个：一是消除预成型区域的温度下降；二是等待组织完成奥氏体转化。
47.第五步：终成形。终成形模的模腔与零件完全相同。在管坯移动过程中或者是移动结束后完成端部密封，待模具与管坯开始接触之后向管腔内充 2～20mpa的压力，并快速完成合模，合模时间控制在10s内完成，并保压5～30s，完成马氏体转化；图6显示为原始组织为性能很软的铁素体和较软的珠光体，图7显示的为成形后转变为硬度高的马氏体，因此成形后，零件强度可以由原来的400mpa达到1400mpa以上。
48.第六步：卸掉内压，开模取件，并利用冷却水或低温高压气体清理终成形模腔。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。