强化部件的制作方法

专利名称：强化部件的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种由具有应变时效特性的钢制品制成并在垂直于该强化部件轴线的方向上有封闭截面的强化部件，尤其涉及一种构成诸如各种部件和车顶纵横梁的车辆结构件的强化部件。
为了在通过减小钢制品厚度而减轻车辆重量的同时保证结构部件所需的强度，提出了多种具有应变时效特性的钢制品。例如，已经公布的编号为2001-303185(即USP6692584)和2001-335889的日本专利申请披露了典型的具有应变时效特性的钢板。

发明内容
压制成形制品通常用作汽车的结构件。压制成形已经作为一种包含高技术的制造方法得到广泛应用。在压制成形过程中，会出现材料的延展性随着此材料强度提高而降低的倾向。因此，有必要抑制施加到材料上的应力以防止在压制成形过程中出现裂纹。由此，存在难以向材料施加用于有效地产生缘于应变时效的时效强化的应变的问题。
很多用作汽车结构件的压制成形制品的形状是直的。当一个直的部件被压制成形时，型腔内材料的变形主要是拉伸变形。因此，很难在压制成形过程中向直部件的材料施加压缩应变。因此，没有提出过任何对由压缩压制成形具有应变时效特性的钢板产生的强度特性的有效利用。
另一方面，重点提出了上述具有应变时效特性的钢板的特征。然而，没有提出过任何在经过应变时效处理的钢板的强度方面应用压缩应变效应的方案。
因此本发明的目的就是提供一种通过利用压缩变形具有应变时效特性的钢制品而获得的强度特性而得到的高强度预成形强化部件。
本发明的发明人通过深入细致的研究发现，当由钢板内压缩应力而产生的应变施加到部件上时，与向其施加由一轴拉伸应力而引起的应变的部件相比，由于这样处理过的部件的应变时效而引起的强度提高幅度更大，其中强度的提高幅度表示通过静态拉伸试验测得的拉伸强度的提高幅度。
进一步地，发明人发现，即使在动态拉伸强度的情况中，与向其施加由一轴拉伸应力而引起的应变的部件相比，由于这样处理过的部件的应变时效作用而得到的动态拉伸强度的提高幅度也更大。此外，通过形成一个部件时由于部件钢板内施加的压缩应力而增加部件的厚度，就能够在提高材料强度之外随着部件厚度的增加而增大变形负载。因此，能够大幅度地改进部件的静态和动态负载。
尽管没有特别限制钢制品的种类、成分和制造方法，本发明的发明人发现，在对部件施加一轴拉伸预应变之后进行烘烤工序时部件强度提高幅度越大，在本发明中规定的预应变范围内部件强度的提高幅度也越大。因此，当部件被施加2％的一轴拉伸预应变并在170℃下进行20分钟的烘烤工序时，0.2％的提高幅度最好为30Mpa或者更大。
本发明的一个方面在于提供一种强化部件，其由具有应变时效特性的钢制品制成并在垂直于强化部件轴线的横截面上具有封闭截面。该强化部件包括一个通过压制成形钢制品和对压制成形的部件进行应变时效处理而形成的强化区域，通过压制成形，由于沿从钢制品的表面到钢制品内部方向向钢制品施加压缩应力而在压制成形的钢制品上产生压缩应变。
本发明的另一个方面在于提供一种用具有应变时效特性的钢制品制成、在垂直于该强化部件轴线的横截面上具有封闭截面的强化部件的制造方法。该方法包括压制成形该钢制品以通过从钢制品表面到内部方向向钢制品施加压缩应力而在压制成形的钢制品中产生压缩应变的操作；和对所述压制成形的部件进行应变时效处理的操作。
通过下文参考附图的说明将进一步理解本发明的其他目的和特征。


图1A为显示根据本发明的强化部件的第一实施例的透视图；图1B为显示高负载承受部位形成在强化区域X内的改进强化部件的透视图；图2A、2B和2C为依次显示图1A所示强化部件的制造过程的说明图；图3A和3B为说明强化部件的钢板内产生的两个主要应变的许可范围的曲线；图4为显示根据本发明的强化部件的第二实施例的透视图；图5A、5B和5C为依次显示图4所示强化部件的制造过程的说明图；图6为显示拉伸试验所用的拉伸试样的视图；图7为显示三点弯曲试验的视图；图8为显示静态拉伸试验结果的曲线图；图9为显示动态拉伸试验结果的曲线图；
图10为显示动态弯曲试验结果的曲线图。
具体实施例方式
参考附图，讨论根据本发明的强化部件的实施例。
图1A显示了根据本发明的强化部件的第一实施例。图1B显示了高负载承受部位形成在强化区域X内的改进强化部件。图2A、2B和2C为依次显示图1A所示强化部件的制造过程的说明图。图3A和3B为说明强化部件的钢板内产生的两个主要应变的许可范围的曲线。
根据本发明的强化部件10由具有应变时效特性的钢板制成并在垂直于强化部件10轴线的横截面上具有封闭的截面形状。至少强化部件10的一部分表面被形成强化区域P。更具体而言，该强化区域P被压制成形，通过沿由部件10表面到内部方向向钢板施加一个压缩应力以便在成形的钢板上产生一个压缩应变。此后，对该压制成形的部件进行应变时效处理。强化区域P为图1A中双点划线包围的区域。通过对接焊制成圆柱形的热轧钢板或采用钢管或圆柱形钢材形成强化部件10的封闭截面。
在钢板表面通过施加压缩应力而产生的压缩应变最好能满足下列(A)、(B)和(C)条件之一。
(A)由于压缩应力产生的压缩应变应用到钢板的两个主要应变，它们中至少一个为2％或更大的压缩应变。
(B)由于压缩应力产生的2％或更大的压缩应变应用到钢板的两个主要应变中的一个，另一个主要应变承受小于承受压缩应变的主要应变两倍的拉伸应变。
(C)2％或更大的压缩应变应用到钢板的两个主要应变中的一个，另一个主要应变为零。
由于本发明的发明人通过各种试验和研究发现，当上面讨论的应变途径之一产生钢板中的压缩应变时，经过应变时效处理后结构件的静态和动态强度的提高幅度变得特别大。
参考图3A，其中讨论了限制钢板内两个主要应变范围的原因。
在确定坐标轴而取消分应变成分的情况下，主要应变为沿各个轴线方向的应变。相应地，在坐标系中存在三个主要应变。主要应变的单位无量纲。在本发明中，这三个主要应变由钢板厚度方向上施加的应变和钢板内施加的两个应变构成。钢板内产生的主要应变通常为沿封闭截面部件纵向的应变和沿封闭截面部件周向的应变。在一轴拉伸的情况下，钢板内的主要应变定义为ε1和ε2。更具体而言，ε1表示沿拉伸方向施加的应变，而ε2表示沿垂直于拉伸方向施加的应变。拉伸方向用加号(+)表示，而压缩方向用减号(-)表示。通常它们之间的关系用等式ε1∶ε2＝2∶-1来表达。该等式表明ε2是大小为ε1一半的压缩应变。
与此不同，本发明的特征在于通过施加压缩应力在钢板内产生压缩应变。在图3A中，钢板内的压缩应变由阴影区域内的压缩应力施加，其中该区域边缘上的点不承受压缩应变。
本发明的发明人发现一个事实，在沿压缩方向对部件施加预应变之后通过对部件进行应变时效处理强度提高的幅度变得特别大。
将压缩应变的绝对值限定为2％或者更大的原因如下。
当应变小于2％时，加工硬化程度小，因此在应变时效处理之后的强度提高幅度的绝对值也小。相应地，当应变小于2％时，很难明显看出通过施加压缩应力而施加压缩应变产生强度提高的优越性。另外，在以压缩应力方法施加作为预应变的压缩应变来提高强度的情况下，能够在保持车体强度的同时通过减小所采用钢板厚度的方法来减轻部件重量。然而，本发明的发明人经过各种试验和分析发现，钢板厚度降低一个厚度规格需要通过施加压缩应力来产生2％或更大程度的加工硬化。因此，本发明的发明人定义将主要应变的量设定为大于2％。
由此，满足上面讨论的(A)、(B)和(C)条件的范围与图3B中阴影区域的范围相对应。
尽管包括强化区域P在内的封闭截面被形成为矩形，但不限于此，还能形成圆形。
由施加在部件上的压缩应力产生主要应变，从而减小封闭截面的周长。
强化区域P最好包括承受大应力负载的部分。该承受大应力负载的部分例如是在该处封闭截面周长小于其他部分的那部分。在图1B所示的强化部件10中，字母X表示的部分为承受大应力负载的部分，因而该部分是具有产生应力集中的形状的部分。
更具体而言，采用钢管或圆柱形钢板形成强化部件10，强化部件10的形状使得垂直于强化部件10纵向的横截面的周长变化，并且至少一部分被设定为强化区域P，其中该部分中横截面的周长比其他部分的小。
在采用具有沿纵向横截面周长发生变化的形状的部件作为车辆结构部件的情况下，具有小周长的部分为在车辆碰撞时承受大应力负载的部分，因而也是在车辆碰撞中最容易变形的部分。换句话说，如果不对该部分进行强化处理的话，具有小周长的部分将降低车辆的刚度。
根据本发明，因此通过对该部分进行压缩应变处理和应变时效处理来提高周长小的部分的强度。因此，在该处的集中应力被弱化，根据本发明的强化部件的刚度也提高了。施加在强化部件上的压缩应变可以以液压成形、旋压成形、模锻和轧制的方式实现。
如果强化部件封闭截面形状为如图1A所示的矩形，压缩应变最好通过液压成形施加到多个侧面中的至少两个面的整个区域上。
应变时效处理的温度条件具有从140℃到170℃的范围，与烤漆工序中的温度相对应。当满足该温度条件时，强化部件因为应变时效硬化作用而具有充分良好的特性。
根据本发明这样处理过的强化部件10能应用到各种结构件中去。例如，该强化部件能应用到车辆结构件，更具体说就是各种部件，车顶纵横梁、各种柱子和梁。此外，可以认为该强化部件能应用到其他车辆结构件，例如门保护罩。
如图2A、2B和2C所示，图1A所示的强化部件10由液压成形制成。首先利用液压成形喷嘴30把具有应变时效特性的钢管12的两个开口封闭。然后如图2A所示通过液压成形用喷嘴30向钢管12里提供加压液压油。在向钢管12施加液压压力的同时，在纵向将钢管12的两端固定，钢管12的前后两侧如图2B所示被侧模32从垂直于纵向的前后方向上推进。随后，如图2B和2C所示，液压成形冲压机31推进钢管12的上下侧。在利用液压成形冲压机32压制的过程中，纵向壁表面13承受钢板内纵向上和周向上的压缩应力，因此，部件10承受朝纵向方向的压缩应变。此后，在从140℃到170℃的温度范围内的温度条件下对这样成形的部件进行应变时效处理。通过这样的安排，生产出在纵向表面13上具有强化区域P的强化部件10。
图4显示了根据本发明的第二实施例的强化部件20。图5A、5B和5C显示了图4所示强化部件20的制造过程。
沿周向的拉伸预应力和沿纵向的压缩应力都施加在强化部件20上。如图4所示，第二实施例中的强化部件20包括纵向壁表面23和冲压机接触表面24。
如图5A、5B和5C所示，强化部件20通过液压成形方法制成。首先利用液压成形喷嘴30把具有应变时效性能的钢管22的两个开口封闭。然后如图5A所示利用液压成形喷嘴30向钢管22里提供加压液压油。通过向钢管22施加液压压力，钢管22被胀开，同时如图5B所示通过喷嘴30的压缩运动在纵向压缩钢管22。此外，胀开的钢管的四个侧面被压缩而产生指向纵向的压缩应变和指向周向的拉伸应变。然后，在从140℃到170℃的范围内的温度条件下对成形的部件(强化部件20)进行应变时效处理。通过这样的安排，生产出在纵向表面23和冲压机接触表面24上具有强化区域P的强化部件20。
以下参考根据本发明的强化部件实例来讨论本发明。本发明的范围不局限于下面的解释。
一种典型的具有应变时效特性的钢板的厚度为1.8mm的热轧钢板被制成管状，钢板的卷起端通过对接焊连接以形成一个管部件。
管部件利用液压成形方法变形，以使垂直于管部件轴向的横截面保持为封闭截面。通过例如液压压力的成形条件的各种变化，得到如表1所示的分别具有各种应变的各种实例。在表1中，列出了每个液压成形部件的钢板内的两个主要应变(周向预应变和纵向预应变)之间的比例关系。当比值为正值时，应变为沿拉伸方向。当比值为负值时，应变沿压缩方向。
表1 备注正值表示拉伸方向，负值表示压缩方向。
对于实例1而言，得到如图1A所示的强化部件10。在制造过程中向实例1的强化部件10施加钢板内的周向压缩应力。通过该压缩应力，向强化部件10的纵向壁面施加沿周向的压缩应变。
对于实例2而言，得到如图4所示的强化部件20。在制造过程中向强化部件20施加钢板内的指向周向的压缩应力和指向周向的拉伸应力。通过这些压缩应力和拉伸应力，向强化部件20的纵向壁面施加沿纵向的压缩应变和沿周向的拉伸应变。
对于对比例而言，得到与实例2类似的如图4所示的部件。尽管在实例2中，在成形过程中通过在纵向将喷嘴30压靠部件而向部件施加压缩应力导致的压缩应变，但对比例中的部件被形成为不承受来自固定喷嘴30的压缩应力。也就是说，在对比例的部件上只施加一轴拉伸应力。
对实例1、实例2和对比例的所有部件在170℃、大气条件下进行20分钟的应变时效处理过程。其后，研究有关所有部件的静态拉伸强度和动态拉伸强度的特性。
(1)静态拉伸强度和动态拉伸强度图6显示了拉伸试验用的拉伸试样40。该拉伸试样40具有夹紧端41和42和位于夹紧端41和42之间的平行部分43。拉伸试样40总长50mm，每个夹紧部分的长度为20mm。图6中的上侧夹紧部分宽度为15mm，图6中的下侧夹紧部分宽度为24mm，平行部分宽度为5mm。实例1、实例2和对比例中的拉伸试样40取自成形的部件的纵向壁面13和23，以使每个试样40的平行部分43沿周向延伸。
利用Instron型拉伸试验机在0.001/秒的应变速率的条件下进行静态拉伸试验。动态拉伸试验用一棒(One-Bar)法高速拉伸试验机在1200/秒的应变速率的条件下进行。
表2和3显示了三方向主要应变和作为试样40的预应变信息的一个等效塑性应变。对于主要应变，正值表示拉伸方向，负值表示压缩方向。表2和3进一步显示了作为拉伸试验结果的每个试样的拉伸强度和最大强度。表2和3中的等效塑性应变的计算是将组合应变量转换到一轴拉伸应变并由下面表达式算出，其中等效塑性应变的单位无量纲，且ε1、ε2和ε3分别是各方向上的主要应变。
ϵeq=23ϵ12+ϵ22+ϵ32]]>
表2(应变速率为0.001/s时的拉伸试验结果)

备注正值表示拉伸方向，负值表示压缩方向。
表3(应变速率为1200/s时的拉伸试验结果)

备注正值表示拉伸方向，负值表示压缩方向。
图8显示了静态拉伸试验的结果，而图9显示了动态拉伸试验的结果。图8和9显示了预应变(等效塑性应变)和拉伸强度(最大强度)之间的关系。如由图8和9清楚地显示，与采用一轴拉伸预应变的对比例相比，实例1和2显示了在静态模式和动态模式下更高的强度。这个结果证实了本发明具有的优势。
(2)动态弯曲试验动态弯曲试验以下述方式进行。
带有压缩应变的压缩管成形部件和不带压缩应变的弯曲成形部件都由外径为100mm、厚度为1.8mm的钢管制备。
压缩管成形部件通过液压成形方法被制成方形管，因而沿纵向壁面的周向施加8％的压缩应变。制成的方形部件的截面尺寸为74mm×81mm，纵向壁面的厚度为1.95mm。弯曲成形部件通过将上述钢管制成截面尺寸为80mm×80mm的方形管获得。该弯曲成形部件只在弯曲部位具有应变，并且弯曲成形部件的厚度没有变化。
图7显示了一个三点弯曲试验机50。该机器50所用试样54的制备是通过分别切去压缩管成形部件51、弯曲成形部件52的两端部分并在每个部件51和52两端焊接H形钢部件53实现的。每个试样54总长为900mm，每个试样中的每个部件51和52的测试部分的长度为300mm。三点弯曲试验机50中两个支点55和56之间的跨度距离为700mm。在大气条件下、170℃度对试样54进行20分钟的热处理作为应变时效处理。
以用重量为500kg、宽度为50mm的冲锤57以7.6米/秒的速率掉落的方式，并通过测量和比较试样54的能量吸收进行试样的三点弯曲试验。
图10显示了动态弯曲试验结果，特别是弯曲位移(冲锤位移)与每个试样的能量吸收之间的关系。如图10所清楚揭示，准备好的具有压缩应力引起的压缩应变的压缩管成形部件51获得良好的结果，即相比于部件52，压缩管成形部件51的吸收能量值在每个位移上增大50％。这清楚地显示了向部件施加压缩应变所获得的好处。
如上所述，每个强化部件10和20都包括强化区域P，该强化区域P通过在形成部件的同时施加压缩应变并对成形的部件进行应变时效处理形成。因此，与使用向部件施加一个小预应变的常规方法或者通过向部件施加拉伸应力提供预应变之后对部件进行应变时效硬化的方法而制备的部件相比，根据本发明的强化部件具有超强的静态强度，尤其具有超强的动态强度。这个优点通常与采用高强度钢的情况等效，因此能获得容易提高强度的优点。此外，通过有效利用对具有应变时效特性的钢部件进行压缩变形之后所获得的强度特性，使提供如上所述获得的具有高强度的强化部件成为可能。
利用根据本发明这样处理过的强化部件，能获得等效于采用高强度钢作为部件材料的情况的足够强度。
本申请基于2003年9月4日在日本提交的编号为2003-313106的日本专利申请。该日本专利申请的所有内容通过引用结合在本文中。
尽管在上面结合本发明的一些实施例说明了本发明，但本发明不局限于上述实施例。根据上述论述，本技术领域的熟练人士可对上述实施例进行各种修改和变化。本发明的范围将结合下面的权利要求来限定。
权利要求
1.一种强化部件，由具有应变时效特性的钢制品制成并在垂直于强化部件轴线的横截面上具有封闭截面，所述强化部件包括通过压制成形该钢制品和对压制成形的部件进行应变时效处理而形成的强化区域，通过压制成形，由于沿从钢制品的表面到钢制品内部方向向钢制品施加压缩应力而在压制成形的钢制品中产生压缩应变。
2.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述强化区域至少包括一部分钢制品表面，压缩应变沿钢制品厚度方向存在于强化区域内。
3.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述压缩应变满足第一、第二和第三条件中的一个，其中第一条件为向所述板面内的两个主应变的双方施加压缩应变，且所述两个主应变中至少一方为由压缩应力产生的大于等于2％的压缩应变；第二条件为向所述板面内的两个主应变中的至少一方施加由压缩应力产生的大于等于2％的压缩应变，而在另一方主应变上施加拉伸应变且所施加的拉伸应变值小于施加压缩应变的主应变的两倍；第三条件为向所述板面内的两个主应变中的至少一方施加由压缩应力产生的大于等于2％的压缩应变，而另一方主应变值为零。
4.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，包括所述强化区域在内的封闭截面为圆形和矩形中的一种。
5.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述压缩应变由在封闭截面周长减小方向上施加的压缩应力产生。
6.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述强化区域包括大应力负载部分。
7.如权利要求6所述的强化部件，其特征在于，所述大应力负载部分处的封闭截面的周长比其他部分的封闭截面的周长短。
8.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述压缩应变通过液压成形、旋压成形、模锻和轧制中的一种方式实现。
9.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述封闭截面为矩形，并且所述压缩应变通过液压成形施加在多个侧面中的至少两个面的整个区域内。
10.如权利要求1所述的强化部件，其构成车辆结构件。
11.如权利要求10所述的强化部件，其特征在于，所述车辆结构件包括各种部件、车顶纵横架、各种柱子和梁。
12.如权利要求1所述的强化部件，其特征在于，所述钢制品包括钢板和钢管。
13.一种强化部件的制造方法，其中所述强化部件用具有应变时效特性的钢制品制成，并在垂直于强化部件轴线的横截面上具有封闭的截面，该方法包括压制成形钢制品以便由于沿从钢制品表面到内部的方向向钢制品施加压缩应力而在压制成形的钢制品中产生压缩应变；以及对所述压制成形的部件进行应变时效处理。
全文摘要
一种强化部件，由具有应变时效特性的钢制品制成，并在垂直于所述强化部件轴线的横截面上具有封闭截面。所述强化部件包括一个强化区域，该强化区域通过压制成形钢制品和对压制成形的部件进行应变时效处理而形成，通过压制成形，由于沿从钢制品的表面到内部方向向钢制品施加压缩应力而在压制成形的钢制品上产生压缩应变。
文档编号B62D25/04GK1589989SQ200410076929
公开日2005年3月9日 申请日期2004年9月1日 优先权日2003年9月4日
发明者源岛文彦, 樱井宽, 久野昌树 申请人:日产自动车株式会社