本申請要求于2014年6月16日提交的歐洲專利申請EP14382233.6的權(quán)益。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及用于熱成型(和)模具淬火的工具，其用于制造具有高強(qiáng)度區(qū)域和增加延展性區(qū)域(軟區(qū))的熱成型車輛結(jié)構(gòu)部件。

背景技術(shù)：

汽車工業(yè)對減輕重量的需求已帶來輕量材料及相關(guān)制造工藝和工具的開發(fā)和實(shí)施。對乘員安全的日益增長的關(guān)注還引起采用在碰撞期間提高車輛的完整性同時還改善能量吸收的材料。

稱為熱成型模具淬火(HFDQ)的工藝使用硼鋼板來產(chǎn)生具有超高強(qiáng)度鋼(UHSS)特性的沖壓部件，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1500MPa。強(qiáng)度的增加允許使用更薄規(guī)格的材料，這導(dǎo)致相對于常規(guī)冷沖壓的低碳鋼部件的重量節(jié)省。

可以使用HFDQ工藝制造的典型車輛部件包括：門梁、保險杠梁、橫梁/側(cè)梁、A/B支柱加強(qiáng)件和腰梁加強(qiáng)件。

硼鋼的熱成型由于其優(yōu)異的強(qiáng)度和可成型性在汽車工業(yè)中變得越來越流行。因此，傳統(tǒng)上由低碳鋼冷成型的許多結(jié)構(gòu)部件被熱成型的等同物代替，這提供了強(qiáng)度上的顯著增加。這允許在保持相同強(qiáng)度的同時減小材料厚度(且因此減小重量)。然而，熱成型部件在所形成的條件下提供非常低水平的延展性和能量吸收。

為了改善諸如梁的部件的關(guān)鍵區(qū)域中的延展性和能量吸收，已知在相同部件內(nèi)引入較軟的區(qū)域。這在局部上改善延展性，同時保持整體所需的高強(qiáng)度。通過局部調(diào)整某些結(jié)構(gòu)部件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性，使得它們包括具有非常高的強(qiáng)度(非常硬)的區(qū)域和具有增加的延展性(較軟的)的區(qū)域，可能改善它們的總體能量吸收，并在碰撞情況期間保持其結(jié)構(gòu)完整性，并且還減小它們的總重量。這種軟區(qū)域還可有利地改變在沖擊下部件塌陷情況下的運(yùn)動學(xué)行為。

在車輛結(jié)構(gòu)部件中產(chǎn)生具有增加的延展性的區(qū)域(軟區(qū))的已知方法涉及提供包括一對互補(bǔ)的上部模具單元和下部模具單元的工具，單元中的每個具有單獨(dú)的模具元件(鋼塊)。模具元件設(shè)計成在不同的溫度下工作，以便在淬火工藝期間形成的部件的不同區(qū)域中具有不同的冷卻速率，并且從而在最終產(chǎn)品(軟區(qū)域)中產(chǎn)生不同的材料特性。例如。可以冷卻一個模具元件，以便以高冷卻速率并通過快速降低部件的溫度淬火正在制造的部件的相應(yīng)區(qū)域。另一個相鄰的模具元件可以包括加熱元件，以便確保正被制造的部件的相應(yīng)部分以較低的冷卻速率冷卻，并且因此當(dāng)其離開模具時保持在比部件的其余部分更高的溫度。

與這種制造相關(guān)的一個問題是在不同溫度下工作的模具元件彼此接觸，可能存在大的溫差，這產(chǎn)生從溫模元件到冷模元件的熱流。溫模元件因此變得稍微更冷，并且較冷的模具元件變得稍微更暖。結(jié)果可能是在部件的軟區(qū)和硬區(qū)之間產(chǎn)生相對寬的過渡區(qū)。因此，組件的行為和特性可能不太好定義。

這個問題的一個解決方案可以是將模具元件彼此物理分離和熱絕緣，例如通過在它們之間提供空閑間隙(idle gap)和/或通過在間隙中提供絕緣材料。文獻(xiàn)US3703093描述了這種方法和工具。在最終形成的部件中的制造缺陷(例如褶皺或其它不規(guī)則性)可能因此出現(xiàn)在產(chǎn)品的未被模具元件適當(dāng)?shù)刂位蚪佑|的那些區(qū)域中。

其它已知的方法通過用激光加熱產(chǎn)生具有增加的延展性的區(qū)域。但是這些方法相當(dāng)緩慢和麻煩，因?yàn)榧す饧訜嵩贖FDQ工藝之后進(jìn)行。

本公開的一個目的是提供用于制造具有高強(qiáng)度區(qū)域和延展性增加的其它區(qū)域(軟區(qū))的熱成型車輛結(jié)構(gòu)部件的改進(jìn)的工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一方面，提供了一種用于熱成型具有局部不同的微結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性的模具淬火硼鋼結(jié)構(gòu)部件的工具。該工具包括上部配合模具和下部配合模具，并且每個模具由兩個或更多個模具塊形成，該兩個或更多個模具塊包括在使用中面向要形成的結(jié)構(gòu)部件的工作表面和側(cè)面。上部模具和下部模具包括適應(yīng)于在不同溫度下操作的至少兩個相鄰的模具塊，其對應(yīng)于具有局部不同的微結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性的要成型的結(jié)構(gòu)部件的區(qū)域，其中相鄰模具塊在它們的側(cè)面之間布置有間隙，并且接近工作表面的相鄰模具塊的側(cè)面的端部被設(shè)計成使得它們在使用中接觸。

根據(jù)該方面，當(dāng)操作時側(cè)面的端部接觸的事實(shí)保證整個坯件在其正在成型時與模具塊接觸。這意味著沒有坯件的未支撐部分，因此避免或至少減少制造缺陷，諸如例如最終形成的部件中的褶皺或其它不規(guī)則性。同時，在側(cè)面之間提供的間隙提供了模具塊之間的熱絕緣，從而減少了相鄰模具塊之間的熱流，即能夠?qū)崿F(xiàn)相對窄的過渡區(qū)，從而為部件提供基本上明確限定的區(qū)域，以及同時能夠避免或至少減少不規(guī)則性。

在一些示例中，間隙可以至少部分地填充有絕緣材料。這增強(qiáng)了適應(yīng)于在不同溫度下操作的相鄰模具塊之間的間隙的絕緣特性，從而增強(qiáng)了所形成的部件的每個區(qū)域的技術(shù)特性。

在這些示例中的一些中，與接近工作表面的端部相對的相鄰模具塊的側(cè)面的端部也被設(shè)計成使得它們在使用中接觸。這增強(qiáng)了在間隙內(nèi)絕緣材料的提供。

在一些示例中，與工作表面相對的模具塊的表面可以由具有冷卻系統(tǒng)的冷卻板支撐，該冷卻系統(tǒng)可以與適應(yīng)于在較高溫度下操作的模具塊相對應(yīng)地設(shè)置。這避免或至少減少了模具支撐結(jié)構(gòu)的加熱。

附圖說明

下面將參考附圖描述本公開的非限制性示例，其中：

圖1示出了根據(jù)示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的一部分；

圖2示出了根據(jù)另一示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的類似部分；

圖3示出了根據(jù)又一示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的一部分；以及

圖4示出了根據(jù)示例從下部模具或上部模具中的另一個觀察的下部模具或上部模具。

具體實(shí)施方式

圖1示出了根據(jù)示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的一部分。該工具可以包括上部配合模具和下部配合模具。在圖1中，僅示出了下部模具10。下部模具10可以包括適應(yīng)于在不同溫度下操作的兩個相鄰模具塊11和12。例如，模具塊11可以包括熱源，以便適應(yīng)于實(shí)現(xiàn)比模具塊12更高的溫度(“熱塊”)，該模具塊12可以包括冷卻系統(tǒng)，以便適應(yīng)于實(shí)現(xiàn)比模具塊11更低的溫度(“冷塊”)。在另外的示例中，可以在單個工具(和在每個配合模具中)中設(shè)置更多的模具塊，并且還可以預(yù)見使塊適應(yīng)在較低或較高溫度下操作的其它方式。

在整個本說明書和權(quán)利要求書中，較高溫度通?？衫斫鉃槁湓?50-550℃范圍內(nèi)的溫度，而較低溫度可理解為落在低于200℃范圍內(nèi)的溫度。

在圖1的示例中，模具塊11和12可各自包括工作表面111和121，其在使用中可與要成型的坯件20和側(cè)面112和122接觸。在相鄰塊11和12的側(cè)面112和122之間可以設(shè)置間隙13，并且模具塊11和12可以進(jìn)一步設(shè)計成使得接近工作表面111和121的側(cè)面112和122的端部113和123在當(dāng)它們被加熱時接觸。這意味著當(dāng)工具未被使用并且塊尚未被加熱時，在端部113和123之間也可能存在間隙，以便當(dāng)塊被加熱時允許塊膨脹，以使得當(dāng)被加熱(膨脹)時，端部113和123接觸。

在圖1中所示的示例中，間隙13可以完全用絕緣材料14填充。在替代示例中，間隙可以部分地用絕緣材料填充(參見圖3)，或者其甚至可以是“空的”，即充滿空氣。

在另外的示例中，相同的參考標(biāo)記已經(jīng)用于指示相同的部分或部件。

圖2示出了根據(jù)另一示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的一部分。圖2的示例與圖1的示例的不同之處在于，與端部113和123相對的相鄰塊11和12的側(cè)面112和122的端部114和124也可以被設(shè)計為使得在它們使用時接觸。這樣，以與上面結(jié)合圖1所解釋的類似的方式，在加熱塊11和12之前，可以在端部114和124之間提供間隙(未示出)，以便允許塊11和12在它們被加熱時膨脹。在該示例中，凹部13′可以留在相鄰模具塊11和12的側(cè)面112和122之間。凹部13′也可以完全填充有絕緣材料14，如結(jié)合圖1所解釋的，或者可以部分地填充或甚至是“空的”，即充滿空氣。在另外的示例中，凹部可以形成為塊的側(cè)面中的開口或缺口，即凹部可以不必設(shè)置在側(cè)面的整個長度或?qū)挾壬稀?/p>

圖3示出了根據(jù)又一示例的用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的一部分。圖3的示例與圖2的示例的不同之處在于，可以提供三個模具塊11、12、15。塊12和15可適應(yīng)于在較低溫度下操作(“冷塊”)，且可布置在塊12和15之間的塊11可適應(yīng)于在較高溫度下操作(“熱塊”)。模具塊11和12以及模具塊11和15可以被認(rèn)為是相鄰塊。類似于結(jié)合圖1所述的模具塊11和12所解釋的，模具塊15還可包括工作表面151，其在使用中可與要成型的坯件20和側(cè)面152接觸。在相鄰塊11和15的側(cè)面112和152之間，也可以設(shè)置間隔(間隙)，并且模具塊11和15也可以設(shè)計成使得接近它們的工作表面111和151的它們的側(cè)面112和152的端部113和153在它們被加熱時接觸。

在圖3中所示的示例中且類似于結(jié)合圖2所述的模具塊11和12所解釋的，與端部113和153相對的相鄰塊11和15的側(cè)面112和152的端部114和154也可以設(shè)計成使得它們在使用中接觸。

在圖3中所示的示例也與圖2的示例不同之處在于，設(shè)置在相鄰模具塊11和12(或11和15)的側(cè)表面112和122(或112和152)之間的間隔可以不完全填充絕緣材料14′，但是在每個側(cè)表面112和122(或112和152)和絕緣材料14′之間可以留有間隙13″。間隙13″實(shí)際上可以填充有空氣，其也能夠用作絕緣體。

在圖3中，適應(yīng)于在較低溫度下操作的模具塊12和15(“冷塊”)可以設(shè)置有包括用于循環(huán)例如冷水或任何其它冷卻流體的冷卻通道16的冷卻系統(tǒng)。還可以預(yù)見用于使模具塊適應(yīng)于在較低溫度(低于200℃)下操作的其它替代方案。

在圖3中，適應(yīng)于在較高溫度下操作的模具塊11(“熱塊”)可以設(shè)置有電加熱器17和溫度傳感器18，以控制模具塊11的溫度。用于使模具塊適應(yīng)在更高的溫度(在350-550℃內(nèi))下操作的其它替代方案也可以被預(yù)見，例如嵌入式筒式加熱器。傳感器可以是熱電偶。

此外，圖3所示的下部模具10′可以由冷卻板30支撐，該冷卻板30包括與模具塊11(即“熱塊”)相對應(yīng)布置的冷卻系統(tǒng)31。冷卻系統(tǒng)可以包括用于循環(huán)冷水或任何其它冷卻流體的冷卻通道，以避免或至少減少模具支撐結(jié)構(gòu)的加熱。

用基本上如結(jié)合圖3所述的具有上部模具和下部模具的模具制成的成型結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)品產(chǎn)生具有與具有增加的屈服強(qiáng)度的塊12和15(“冷塊”)接觸形成的區(qū)域以及與具有改進(jìn)的能量吸收特性的塊11(“熱塊”)接觸形成的區(qū)域的部件。在高動態(tài)載荷(例如碰撞)下保持部件的結(jié)構(gòu)完整性從而被實(shí)現(xiàn)。

雖然圖3的示例包括布置在兩個冷塊12、15之間的熱塊11，但是其它構(gòu)造也是可能的。例如，熱塊可以在其四個側(cè)面被冷塊包圍，考慮正方形塊或矩形塊，并且它也可以被布置為靠近限定更大“熱區(qū)”的另一熱塊。在涉及正方形塊和矩形塊的其它示例中，三個側(cè)面可具有相鄰的冷塊或甚至僅一側(cè)(具有冷塊)，這取決于要成型的部件的幾何形狀和機(jī)械特性。

應(yīng)當(dāng)理解，盡管附圖描述了具有基本上正方形或矩形形狀的塊(冷塊和熱塊)，但塊可以具有任何其它形狀(參見圖4的塊E3-E8)，并且甚至可以具有部分圓形的形狀，只要連續(xù)的塊具有互補(bǔ)的側(cè)面，因此它們能夠放在一起，好像它們是成型上部模具和下部模具的拼圖(puzzle)件。

此外，形成用于制造熱成型結(jié)構(gòu)部件的工具的每個上部模具和下部模具可以由可互換的多個模具塊成型。例如，具有冷塊的任何區(qū)域可以改變?yōu)榫哂袩釅K的區(qū)域，反之亦然，以改變要成型的部件和/或其機(jī)械特性。

圖4示出了根據(jù)示例從下部模具或上部模具中的另一個觀察的下部模具或上部模具40。圖4的示例示出了用于熱沖壓B柱的下部的模具40。在該示例中，模具40可以包括八個模具元件E1-E8。每個模具元件可以包括多個熱電偶41(由黑點(diǎn)表示)。涉及更多個熱電偶的塊可以是被設(shè)計成沖壓(stamp)熱成型部件的幾何形狀變化的塊。在這個意義上，在平面幾何形狀中，可以僅使用一個或兩個熱電偶(參見塊E1)，而更復(fù)雜的幾何形狀使用更多的熱電偶。

每個熱電偶41可以限定工具在預(yù)定溫度下操作的區(qū)域。此外，每個熱電偶41可以與加熱器或加熱器組相關(guān)聯(lián)，以便設(shè)置該區(qū)域的溫度。每個區(qū)域(塊)的總功率量可限制將加熱器分組在一起的能力。

熱電偶可以與控制面板相關(guān)聯(lián)。因此，即使在相同的塊內(nèi)，每個加熱器或加熱器組也可以獨(dú)立于其它加熱器或加熱器組被啟動。因此，使用合適的軟件，用戶將能夠設(shè)置相同的塊內(nèi)的每個區(qū)域的關(guān)鍵參數(shù)(功率、溫度、設(shè)置溫度限制、水流量開/關(guān))。

例如，在圖4中，可以在成型任何上部模具或下部模具的八個塊E1-E8中提供二十四個熱電偶41。在這種情況下，每個模具可以包括二十四個區(qū)域(或熱電偶)，并且完整的工具(對于該B柱的該部分)可以因此涉及四十八個區(qū)域。在這種情況下，軟件可以控制多達(dá)四十八個不同(獨(dú)立)的區(qū)域。這允許非常精確地控制相同的塊內(nèi)的每個區(qū)域中的溫度，在一些示例中甚至為0.1℃的量級。

軟件還可以能夠連接或至少關(guān)聯(lián)不同的熱電偶。通過這樣做，如果熱電偶工作不正常，它能夠與最近的熱電偶連接。這僅僅是可能的，如果這些熱電偶在相同或基本相似的溫度下工作，無論它們屬于相同的塊還是設(shè)置在相鄰的模具塊中。

在一些示例中，絕緣材料可以是陶瓷材料，例如陶瓷耐火纖維紙。在示例中，絕緣材料可以是可生物降解的高性能陶瓷、無機(jī)纖維、填料和有機(jī)粘合劑(諸如巖棉和纖維素、硅酸鹽填料和有機(jī)粘合劑)的組合物。

在上述示例中，上部模具可具有與下部模具所顯示的基本相似或甚至相同的構(gòu)造，以便與下部模具配合。

盡管這里僅公開了若干示例，但是其它替換、修改、使用和/或其等效也是可能的。此外，還涵蓋了所描述的示例的所有可能的組合。因此，本公開的范圍不應(yīng)受特定示例的限制，而是應(yīng)僅通過對所附權(quán)利要求的公正閱讀來確定。