梯度力学性能铝合金车身零件成形装置及方法与流程

本发明涉及一种铝合金板材热处理加工成形工艺，具体涉及一种梯度力学性能铝合金车身零件成形装置及方法。

背景技术：

由于节能和环保的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而减少燃料消耗，降低排放污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。汽车轻量化发展，对材料提出了新的要求，而铝合金的应用是汽车轻量化的重要途径。车用铝合金材料具有一系列优良特性，诸如密度小(约为钢的三分之一)、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导热、良好的加工成型性以及高的回收再生性等。

高性能车身零件用铝合金材料多是可热处理强化变形铝合金，通过固溶、热冲压及人工时效强化工艺过程，可以达到良好的冲压成形工艺性能及零件的力学性能。铝合金的时效强化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的成分、时效工艺，还取决于合金在生产过程中造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效强化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。铝合金在固溶时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内，形成过饱和固溶体。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的析出扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。而硬化区的大小和数量取决于固溶温度与淬火冷却速度。固溶温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的铝合金都符合这一条件。

铝合金的这种特殊之处决定，欲“以铝代钢”的实现汽车轻量化，就必须寻求“因材制宜”的加工制造方法。目前钢的冲压工艺，尤其是高强钢的热冲压加工，其方法极少能实现梯度温差加工以达到单一零件的多性能要求，即使有，但对于热冲压温度较低且导热性较好的铝合金来说也不适用。目前还有通过热障涂层控制冷却速度或模具的模块化差温成形，但其存在温差梯度分布位置既定不能改变和梯度温差范围不能调节等缺点，对于牌号众多，热处理各异的变形铝合金来说也不适用。关键是铝合金板材在冲压前必须进行固溶处理，冲压后又必须进行时效强化，其梯度性能很大程度取决于固溶后不均匀变形和后期差温淬火与人工时效的配合，而钢只需奥氏体化处理，没有时效强化的需要，所以，基于铝合金的特殊处理，欲针对铝合金板材的热冲压加工，实现单一零件的多性能要求，即梯度力学性能零件，就要“量身定制”，设计出达到梯度温差加工、差温模内淬火及差温人工时效等一体式的加工方法。

技术实现要素：

根据上述问题与要求以及铝合金的固溶时效原理，本发明的目的在于提供一种梯度力学性能铝合金车身零件成形装置及方法，它通过对坯料进行固溶-梯度温差冲压成形-差温模内淬火-差温人工时效处理，可以得到高性能铝合金车身零件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种梯度力学性能铝合金车身零件成形装置，该装置包括梯温冲压成形/淬火模具和差温人工时效模具，所述梯温冲压成形/淬火模具包括相对设置的冲压凸模和冲压凹模以及冲压压边圈，所述梯温冲压成形/淬火模具还包括冲压加热机构和冲压冷却机构；其中，

所述冲压加热机构包括第一加热棒、第一电流调节器、第一电源、第一温度传感器和第一电子温控器，多个第一加热棒沿冲压凸模和冲压凹模的结合面间隔一定距离设置在冲压凸模和冲压凹模内，每个第一加热棒通过对应的第一电流调节器与第一电源连接，每个第一加热棒处设置有对应的第一温度传感器，所有第一电流调节器和第一温度传感器分别与第一电子温控器连接；

所述冲压冷却机构包括第一冷却水孔、第一电磁节流阀和第二温度传感器，多个第一冷却水孔沿冲压凸模和冲压凹模的结合面间隔至少一个第一加热棒设置在冲压凸模和冲压凹模内，所述第一冷却水孔设置在梯度温度的梯度节点处，每个第一冷却水孔的入口处设置有第一电磁节流阀和第二温度传感器，所有第一电磁节流阀和第二温度传感器分别与第一电子温控器连接。

按上述技术方案，位于所述冲压凸模和冲压凹模的中间位置处所述第一加热棒连续布置，位于所述冲压凸模和冲压凹模的两端位置处所述第一加热棒和第一冷却水孔交替布置。

按上述技术方案，所述差温人工时效模具包括两个夹持模、设置在两个夹持模之间的多个中间模以及设置在每个夹持模和中间模内的时效加热机构和时效冷却机构；

所述时效加热机构包括第二加热棒、第二电流调节器、第二电源、第三温度传感器和第二电子温控器，至少一个第二加热棒设置在夹持模或中间模的中间位置处，每个第二加热棒通过对应的第二电流调节器与第二电源连接，每个第二加热棒处设置有对应的第三温度传感器，所有第二电流调节器和第三温度传感器分别与第二电子温控器连接；

所述时效冷却机构包括第二冷却水孔、第二电磁节流阀和第四温度传感器，所述第二冷却水孔设置在第二加热棒的两端，每个第二冷却水孔的入口处设置有第二电磁节流阀和第四温度传感器，所有第二电磁节流阀和第四温度传感器分别与第二电子温控器连接。

按上述技术方案，所述第二加热棒的数量为两个。

相应的，本发明还提供一种基于上述装置的梯度力学性能铝合金车身零件成形方法，包括以下步骤：

S1、固溶前处理：将铝合金坯料放入电阻炉中进行固溶处理；

S2、梯温冲压成形：

S201、冲压前，打开第一电源，第一电子温控器根据设定的梯度温度调节对应的第一电流调节器的电流大小，进而控制相应的第一加热棒的加热温度，加热冲压凸模和冲压凹模，建立初步的梯度温度；

S202、一段时间后，向第一冷却水孔内通冷却液，对热传导进行阻截，以防止因热传导而引起梯度温差在冲压加工的过程中逐渐趋同而失稳，第一电子温控器根据接收到的第二温度传感器采集到的对应的第一冷却水孔的温度数据，调节相应的第一电磁节流阀，进而控制该第一冷却水孔内冷却液的通断或流量大小，同时，第一电子温控器根据接收到的第一温度传感器采集到的对应的第一加热棒的温度数据，调节相应的第一电流调节器的电流大小，进而控制该第一加热棒的加热温度，建立动态平衡的梯度温度，以将梯温冲压成形/淬火模具的温度控制在设定的梯度温度值并保持恒定；

S203、将步骤S1中经过固溶处理后的铝合金坯料快速放置到步骤S202中已设定好梯度温差的梯温冲压成形/淬火模具上并定位夹紧；

S204、梯温冲压成形/淬火模具闭合进行冲压，在冲压凸模下行的过程中，已建立起梯度温差的冲压凸模和冲压凹模，通过热传导将此梯度温差传递到动态冲压成形的铝合金坯料上，使其也达到相同的梯度温差，并冲压成形，得到铝合金工件。

按上述技术方案，还包括步骤：

S3、差温模内淬火处理：

S301、将步骤S204中得到的具有梯度温差的铝合金工件在梯温冲压成形/淬火模具中保压1～60s；

S302、保压的同时，根据设定的梯度温度向第一冷却水孔内全流量的通入不同温度的冷却液，冷却液的温度从中心向两端逐渐减小，建立初步的梯度温度；

S303、一段时间后，第一电子温控器根据接收到的第二温度传感器采集到的对应的第一冷却水孔的温度数据，调节相应的第一电磁节流阀，进而控制该第一冷却水孔内冷却液的通断或流量大小，实现温差淬火时温差的动态恒定，以将梯温冲压成形/淬火模具的温度控制在设定的梯度温度值；

S304、淬火处理过程中，温度渐升波动，重复步骤S302和步骤S303，直至梯温冲压成形/淬火模具的温度梯度再次建立并平衡，淬火处理完成后，得到淬火后的铝合金工件。

按上述技术方案，还包括步骤：

S4、人工时效处理：

S401、时效处理前，打开第二电源，第二电子温控器根据设定的梯度温度调节对应的第二电流调节器的电流大小，进而控制相应的第二加热棒的加热温度，加热夹持模和中间模，建立初步的梯度温度；

S402、一段时间后，向第二冷却水孔内通冷却液，第二电子温控器根据接收到的第四温度传感器采集到的对应的第二冷却水孔的温度数据，调节相应的第二电磁节流阀，进而控制该第二冷却水孔内冷却液的通断或流量大小，同时，第二电子温控器根据接收到的第三温度传感器采集到的对应的第二加热棒的温度数据，调节相应的第二电流调节器的电流大小，进而控制该第二加热棒的加热温度，建立动态平衡的梯度温度，以将差温人工时效模具的温度控制在设定的梯度温度值并保持恒定；

S403、将步骤S304中淬火后的铝合金工件切边修整并包覆上保温材料后，转移到步骤S402中已设定好梯度温差的差温人工时效模具上，人工时效处理完成后，使零件强化相析出，即可得到具有梯度力学性能的铝合金零件。

按上述技术方案，冲压前，铝合金坯料的固溶处理温度为450℃～550℃，时间为0.3～1h；铝合金坯料冲压成形的梯度温度范围为250℃～530℃；铝合金工件淬火处理的温差范围为100℃～10℃；铝合金工件人工时效处理的温度范围为190℃～140℃，时效时间为4～16h。

本发明产生的有益效果是：本发明充分发掘铝合金的潜能，在不更换材料、不增加材料尺寸用量、不开发新模具的情况下，只是通过对现有模具的改进，在模具内设加热机构和冷却机构，形成梯度温度，从而获得力学性能梯度零件，进而实现单一零件的多性能要求，可以得到高性能铝合金车身零件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的工艺流程图；

图2是本发明实施例中梯温冲压成形/淬火模具的结构示意图；

图3是本发明实施例中差温人工时效模具的结构示意图。

图中：1-铝合金坯料、2-铝合金工件、3-铝合金零件、100-梯温冲压成形/淬火模具、101-冲压凸模、102-冲压压边圈、104-第一加热棒、105-第一冷却水孔、106-冲压凹模、107-第一温度传感器、108-第二温度传感器、300-差温人工时效模具、301-夹持模、302-中间模、303-第二加热棒、304-第三温度传感器、305-第二冷却水孔、306-第四温度传感器、307-覆盖膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种梯度力学性能铝合金车身零件成形装置，如图2所示，该装置包括梯温冲压成形/淬火模具100和差温人工时效模具300，梯温冲压成形/淬火模具100包括相对设置的冲压凸模101和冲压凹模106以及冲压压边圈102，梯温冲压成形/淬火模具100还包括冲压加热机构和冲压冷却机构；其中，

冲压加热机构包括第一加热棒104、第一电流调节器(图中未标示)、第一电源(图中未标示)、第一温度传感器107和第一电子温控器(图中未标示)，多个第一加热棒104沿冲压凸模101和冲压凹模106的结合面间隔一定距离设置在冲压凸模101和冲压凹模106内，每个第一加热棒104通过对应的第一电流调节器与第一电源连接，每个第一加热棒104处设置有对应的第一温度传感器107，所有第一电流调节器和第一温度传感器107分别与第一电子温控器连接；

冲压冷却机构包括第一冷却水孔105、第一电磁节流阀(图中未标示)和第二温度传感器108，多个第一冷却水孔105沿冲压凸模101和冲压凹模106的结合面间隔至少一个第一加热棒104设置在冲压凸模101和冲压凹模106内，第一冷却水孔105设置在梯度温度的梯度节点处，每个第一冷却水孔105的入口处设置有第一电磁节流阀和第二温度传感器108，所有第一电磁节流阀和第二温度传感器108分别与第一电子温控器连接。

在本发明的优选实施例中，如图2所示，位于冲压凸模101和冲压凹模106的中间位置处第一加热棒104连续布置，位于冲压凸模101和冲压凹模106的两端位置处第一加热棒104和第一冷却水孔105交替布置。

在本发明的优选实施例中，如图3所示，差温人工时效模具300包括两个夹持模301、设置在两个夹持模301之间的多个中间模302以及设置在每个夹持模301和中间模302内的时效加热机构和时效冷却机构；

时效加热机构包括第二加热棒303、第二电流调节器(图中未标示)、第二电源(图中未标示)、第三温度传感器304和第二电子温控器(图中未标示)，至少一个第二加热棒303设置在夹持模301或中间模302的中间位置处，每个第二加热棒303通过对应的第二电流调节器与第二电源连接，每个第二加热棒303处设置有对应的第三温度传感器304，所有第二电流调节器和第三温度传感器304分别与第二电子温控器连接；

时效冷却机构包括第二冷却水孔305、第二电磁节流阀(图中未标示)和第四温度传感器306，第二冷却水孔305设置在第二加热棒303的两端，每个第二冷却水孔305的入口处设置有第二电磁节流阀和第四温度传感器306，所有第二电磁节流阀和第四温度传感器306分别与第二电子温控器连接。

在本发明的优选实施例中，如图3所示，第二加热棒303的数量为两个。

相应的，如图1、图2所示，本发明提供一种梯度力学性能铝合金车身零件成形方法，包括以下步骤：

S1、固溶前处理：将铝合金坯料1放入电阻炉中进行固溶处理；

S2、梯温冲压成形：

S201、冲压前，打开第一电源，第一电子温控器根据设定的梯度温度调节对应的第一电流调节器的电流大小，进而控制相应的第一加热棒104的加热温度，加热冲压凸模101和冲压凹模106，建立初步的梯度温度；

S202、一段时间后，向第一冷却水孔105内通冷却液，对热传导进行阻截，以防止因热传导而引起梯度温差在冲压加工的过程中逐渐趋同而失稳，第一电子温控器根据接收到的第二温度传感器108采集到的对应的第一冷却水孔105的温度数据，调节相应的第一电磁节流阀，进而控制该第一冷却水孔105内冷却液的通断或流量大小，同时，第一电子温控器根据接收到的第一温度传感器107采集到的对应的第一加热棒104的温度数据，调节相应的第一电流调节器的电流大小，进而控制该第一加热棒104的加热温度，建立动态平衡的梯度温度，以将梯温冲压成形/淬火模具100的温度控制在设定的梯度温度值并保持恒定；

S203、将步骤S1中经过固溶处理后的铝合金坯料1快速放置到步骤S202中已设定好梯度温差的梯温冲压成形/淬火模具100上并定位夹紧；

S204、梯温冲压成形/淬火模具100闭合进行冲压，在冲压凸模101下行的过程中，已建立起梯度温差的冲压凸模101和冲压凹模106，通过热传导将此梯度温差传递到动态冲压成形的铝合金坯料1上，使其也达到相同的梯度温差，并冲压成形，得到铝合金工件2。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2所示，该方法还包括步骤：

S3、差温模内淬火处理：

S301、将步骤S204中得到的具有梯度温差的铝合金工件2在梯温冲压成形/淬火模具100中保压1～60s；

S302、保压的同时，根据设定的梯度温度向第一冷却水孔105内全流量的通入不同温度的冷却液，冷却液的温度从中心向两端逐渐减小，建立初步的梯度温度；

S303、一段时间后，第一电子温控器根据接收到的第二温度传感器108采集到的对应的第一冷却水孔105的温度数据，调节相应的第一电磁节流阀，进而控制该第一冷却水孔105内冷却液的通断或流量大小，实现温差淬火时温差的动态恒定，以将梯温冲压成形/淬火模具100的温度控制在设定的梯度温度值；

S304、淬火处理过程中，温度渐升波动，重复步骤S302和步骤S303，直至梯温冲压成形/淬火模具100的温度梯度再次建立并平衡，淬火处理完成后，得到淬火后的铝合金工件2。

在本发明的优选实施例中，如图1、图3所示，该方法还包括步骤：

S4、人工时效处理：

S401、时效处理前，打开第二电源，第二电子温控器根据设定的梯度温度调节对应的第二电流调节器的电流大小，进而控制相应的第二加热棒303的加热温度，加热夹持模301和中间模302，建立初步的梯度温度；

S402、一段时间后，向第二冷却水孔305内通冷却液，第二电子温控器根据接收到的第四温度传感器306采集到的对应的第二冷却水孔305的温度数据，调节相应的第二电磁节流阀，进而控制该第二冷却水孔305内冷却液的通断或流量大小，同时，第二电子温控器根据接收到的第三温度传感器304采集到的对应的第二加热棒303的温度数据，调节相应的第二电流调节器的电流大小，进而控制该第二加热棒303的加热温度，建立动态平衡的梯度温度，以将差温人工时效模具300的温度控制在设定的梯度温度值并保持恒定；

S403、将步骤S304中淬火后的铝合金工件2切边修整并包覆上保温材料后，转移到步骤S402中已设定好梯度温差的差温人工时效模具300上，人工时效处理完成后，使零件强化相析出，即可得到具有梯度力学性能的铝合金零件3。

在本发明的优选实施例中，冲压前，铝合金坯料1的固溶处理温度为450℃～550℃，时间为0.3～1h；铝合金坯料1冲压成形的梯度温度范围为250℃～530℃；铝合金工件2淬火处理的温差范围为100℃～10℃；铝合金工件2人工时效处理的温度范围为190℃～140℃，时效时间为4～16h。

本发明在具体应用时，如图2所示，梯温冲压成形/淬火模具内，设有特殊布置的第一加热棒和第一冷却水孔，第一加热棒与第一冷却水孔设置在冲压凸模与凹模的结合处，并适当交替布置，均分组编号，第一加热棒通过第一电流调节器与第一电源连接，第一高频电源用于将冲压凸模和冲压凹模底部加热至固溶温度范围，由中心向两边温度随加热电流而递减，并辅以第一冷却水孔，使温度梯度不因长时间的热传导而趋同。第一加热棒的数量为14-20个，第一冷却水孔的数量为10-22个，第一加热棒与第一冷却水孔交替布置，这样能够保证在长时间的冲压加工中，通过热传导外加必要的冷却的方式，可以使整个模具达到动态的梯度温差平衡稳定。本实施例中，第一加热棒为18个，第一冷却水孔为14个，它们的位置和数量可以根据具体所冲压的零件的形状而调整，尤其是第一冷却水孔的加工，不能破坏原有模具的结构强度与刚度。

如图3所示，差温人工时效采用箱体式竖置集中处理式，梯度温差的获得主要靠被包覆零件的热传导，辅以必要的降温冷却，以期达到控温的准确性与灵活性。差温人工时效模具内设有设有特殊布置的第二加热棒与第二冷却水孔，单排中第二加热棒的数量为2-3个，第二冷却水孔的数量为2-3个。本实施例中，单排中第二加热棒为2个，第二冷却水孔为2个，第四温度传感器各4个，它们的位置和数量可以根据具体所冲压的零件的形状而调整。

本发明的原理为铝合金板料差温成形，主要包含固溶前处理、梯温冲压成形、差温模内淬火、差温时效强化处理。由于板料各区域温度的差异，导致铝合金强化相析出和分布的形状及几何尺寸的不同，从而获得梯度力学性能零件。

如图1-图3所示，本发明在具体成形梯度力学性能铝合金车身零件时，冲压坯料为矩形板，材料为2024铝合金，尺寸为300×200mm，厚度为1.5mm，冲压后为波形曲面零件，成形方法包括以下步骤：

S1、在加热炉(电阻炉)中将待冲压的铝合金坯料进行固溶处理，固溶温度500℃，时间0.5h；

S2、在梯温冲压成形/淬火模具闭合前，利用第一加热棒加热冲压凸凹模，为了准确、高效而灵活的建立起设定的温度梯度，从而防止长时间冲压加工后，模具的整体温度趋同，将采用对第一加热棒分组编号，进而有区别的监测与调控，并辅助加装适当的第一冷却水孔，其中冷却液可以实现通断与流量的调节控制；

S201、如图2所示，将上下共18个第一加热棒编成A、B、C、D、E、F、G、H、I共9组，每组有两个第一温度传感器，每组共用一个第一电流调节器；

S202、同理，上下共14个第一冷却水孔编成a、b、c、d、e、f、g、h共8组，每组有两个第二温度传感器，每组共用一个第一电磁节流阀，每组共用一个进水口和一个出水口，每组内冷却液可独立内/外循环；

S203、接通第一电源，按照设定的温度梯度及分组的第一电流调节器，对第一加热棒通入电流，在加热及热传导的共同作用下，将建立起初步的温度梯度，为了防止因热传导而引起梯度温差在冲压加工的过程中逐渐趋同而失稳，辅助第一冷却水孔将在温差的梯度节点处适当的冷却，相当于对热传导进行阻截，使之不明显，最终使整个模具的梯度温度形成并处于动态平衡；

S3、淬火时，向第一冷却水孔内全流量的通入不同温度的冷却液，冷却液从入水口进，出水口出，进行外循环，直至整个模具达到温度梯度动态平衡，进而转换进行内循环，合模保压淬火时，温度渐升波动，再次启动外循环，直至温度梯度再次建立并平衡；

S301、如图2所示，14个第一冷却水孔分成a、b、c、d、e、f、g、h共8组，各组共用一个进水口和一个出水口，并各有1个第一电磁节流阀和2个第二温度传感器；

S302、此时的梯温冲压成形/淬火模具只起保压淬火作用，非二次冲压；

S4、将固溶后坯料用机械手转移到梯温冲压成形/淬火模具上，定位并加紧，进而冲压，特征是在冲压的过程中，在热传导及冷却的双重作用下，坯料将建立起与梯温冲压成形/淬火模具一样的温度梯度，直至冲压结束，梯温冲压成形后的零件及所起立的温差分布如图2所示；

S5、冲压成形后保压50s,在此期间按照S3所述，进行差温模内淬火,淬火后带有温差的零件如图2所示；

S6、将淬火后的零件切边修整后转移到差温人工时效模具中进行人工时效，时效时间为12h，时效温差如图3所示；

S601、时效前用保温材料制作的覆盖膜307将零件进行一定的包裹，以减少人工时效中热量的散失；

S602、人工时效中温差的获得同样是根据分组加热及辅助冷却的方式进行，使之达到设定值并保持动态恒定。

实际操作中，坯料冲压后应停留片刻，待电子控制显示装置显示的相应部位的温度达到设定值后方可进行下一步，差温模内淬火亦然。坯料出炉后放置到模具上，其温度不能降低太多，否则会影响依靠热传导而建立梯度温差的时间。板件各部位应达到的温度值的误差为±5℃。本实施例中使用的冷却液应采用流动性好，无腐蚀性，大比热容类的冷却液。

根据固溶处理的原理，铝合金的固溶度随着固溶温度的降低而减少。固溶度的差异，导致了时效过程中强化相的相变驱动力，强化相的析出动力不同，会造成零件各区域强化相分布及尺寸的差异，从而达到零件梯度力学性能的目的。故而上述步骤可以使铝合金车身零件不同区域具有不同的组织，从而获得梯度力学性能，进而实现单一零件的多性能要求。这种方法不仅简单实用，易于实现，并且有效地改善了冲压件的相组织，可用于多种车身覆盖件及结构件的热冲压成形中，具有广阔的应用前景。

铝合金板料热冲压技术是将板料热加工和淬火工艺相结合的一项较新的复杂成形技术。该技术生产的零件使汽车轻量化后仍能满足碰撞安全性能。与其他成形工艺相比，板料的热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形；能够生产具有复杂几何形状的工件，成形零件具有良好的尺寸精度；配以合适的热处理方式，可使板料按照各部分所需发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的车身零部件。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。