CN107052127B - 一种高温气胀成形生产线系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生产制造技术领域，公开了一种高温气胀成形生产线系统及方法，该生产线系统包括：坯料垛，坯料检测系统，预成型工位的组成装置，坯料预热设备，上料辊道，上料的上料机械臂或工业机器人，四柱液压机，下料机械臂或工业机器人，总控系统等；生产线生产方法为坯料检测、预成型、坯料预热、上料、合模胀形、开模下料、后处理。本发明通过工艺验证，结合高压气源、坯料预热装置，带水平缸液压机及模具系统以及上下料自动化装置，集合整线总控系统实现高温气胀成形生产线的产业化推广；可实现最高1100℃下的高温气胀成形，可自由成形几乎所有的金属材料，尤其适用于高强度金属构件；且产线投资低，成本回收快。

Description

一种高温气胀成形生产线系统及方法

技术领域

本发明属于生产制造技术领域，尤其涉及一种高温气胀成形生产线系统及方法。

背景技术

超轻车身(ULSAB)、超轻覆盖件(ULSAC)、超轻悬架系统(ULSAS)和新概念超轻车身(ULSAB-AVC)等项目的成功实施，验证了高强度钢在减轻汽车自重和改善车辆性能中的有效性。为此，大力开发高强度钢材料及其相关成形技术和连接技术对进一步推进高强度钢在汽车中的应用至关重要。

瑞典的Plannja公司于1977年开发了热冲压工艺并在1984年成功试制了硬硼钢构件应用于萨博9000汽车品牌。此后自1987年至1997年的十年间利用该工艺生产的汽车构件从3,000,000件/年增加至8,000,000件/年，到2007年更是急剧增长至大约107,000,000件/年，且构件涵盖了A柱、B柱、保险杠、车顶纵梁以及管状加强件等诸多品种。然而传统的热冲压工艺由于设备原因在管状件热成形时具有较大的弊端，为此又发展了液压成型工艺，可以完成具有复杂断面管状件的成型，同时保证管材具有优良的表面质量。

但是生产中也发现，传统的内高压成形，即液压成形工艺也存在一些无法克服的问题，主要体现在：由于受高压介质的限制，成形温度均低于300℃,因此基本均在室温成形，材料成形塑性较低，无法实现较大塑性变形；且一旦涉及材料强度太高的话，该方法根本无法实现构件成形；另外，成形压力高，所需油压可高达几百兆帕，因此导致压机吨位居高不下，因此设备造价昂贵；再者，传统内高压成形的成形速度较慢，单件成形时间均在1min以上，对于追求高生产效率的汽车零部件产业，该工艺具有先天缺陷。

基于上述现状，提出以气体为高压介质的气胀成形技术，显著克服了上述内高压成形工艺的不足，具有良好的产业化前景。但是迄今为止，我国在HMGF方面的研究多数局限于镁合金、铝合金及钛合金等低熔点有色金属的气压胀形、超塑性成形方面数值模拟及实验工艺研究。除了上述有色金属之外，钢铁材料尤其是高强钢结构件的生产也是该工艺应用的重点。但实际上，由于高强度钢板具有更高的屈服应力和抗拉强度，而硬化指数n值和厚向异性系数r值却比较低，延伸率也较低；且随着强度的提高，延伸率下降。因此高强度钢板的成形性能比普通钢板要差，而且强度越高成形愈困难。在成形时，高强度钢板比普通钢板更易产生破裂和起皱的倾向。此外，与普通低碳钢板相比，高强度钢板屈服强度的提高带来了更大的弹性应变，由其生产的冲压件的回弹更明显，容易造成零件的成形精度误差，并增加试模、修模工作量和成形后的校形工作量。但当高强度钢在加热到再结晶温度以上状态时，随着其高强度刚塑性、延展性增加的同时，其屈服强度迅速下降，这个阶段最有利于高强钢板的热成形。高强钢板的厚度一般在2.0mm一下，屈服强度在1000MPa以上，抗拉强度在1500MPa以上，将高强度钢板用于车身骨架，在保证车身强度和刚度的同时减轻重量，并带来汽车车身的抗撞性能和抗凹性能的提高，由此显著提高汽车的安全性。有资料显示，全球最大的钢铁公司Arcelor生产的冷却硬化钢22MnB5、30MnB5，冷却后的强度可达1400MPa，采用此种钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重50％以上。

在基于工艺研究基础上，且考虑到高强钢结构件高温热成形的可行性，尤其是成形温度超过500℃的内高压成形，本发明提供一种切实可行的解决方案；另一方面，国内之前还没有实现产业化高温气胀成形的成套工艺及装备。本发明设计的生产线具有直接产业化推广优势，能够保证国内首台套产线的工业化运行所需软、硬件全方面要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高温气胀成形生产线系统及方法。

本发明是这样实现的，一种高温气胀成形生产线系统，所述高温气胀成形生产线系统包括：

坯料垛，用于为整线提供坯料；通过自动称重以及坯料单件重量的预设定，统计坯料垛坯料数量，反馈给总控系统进行数据对比，以监控生产节拍。

坯料检测系统，通过超声在线检测系统获取焊缝处于管坯周向位置，根据成形件的形变特征，提前确定坯料管焊缝预成型或预热前所处位置，避免焊缝处于后期成形时的最大应变处而导致破裂；

预成型工位的组成装置，根据最终构件的轴线特征以及横截面形状特征，选择或不选择；预成型系统与总控系统连接，由提前设定好的预成型程序，对预成型系统中数控弯管、液压机预变形进行顺序控制，实现最终预成型形状的精确成形；

坯料预热设备，受总控系统控制，根据不同产品的材质、外部形状以及对成形性的要求，提前设定好加热速度以及加热温度和保温时间等热工参数，用于进行坯料预热；

上料辊道，主要用于将加热完毕的坯料由加热系统传送至气胀成形用四柱液压机旁，传送速度受总控系统控制，线上安装红外测温装置，用于测量坯料出炉温度；超出范围料片进行回收；同时，在合适的位置设置挡料片，用于料片的定位功能，以方便后续上料装置的拾取；

上料的上料机械臂或工业机器人，用于上对预热后的坯料进行拾取以转移至模具上相应工位；

四柱液压机系统含成形模具，成形过程受总控系统控制，提前设定合适合模压力、保压时间以及充气时间、气压等参数，部分构件的成形可能还涉及轴向补料行为，补料速度以及补料量均受控于总控系统；整体成形顺序依次为合模、充气胀形、轴向补料(视构件实际成形需要可选)及开模；

下料机械臂或工业机器人，用于将成形件由模具内取出，放于料片传送带上，进行下料；

总控系统，用于整线自动化生产控制。

进一步，坯料垛的出料装置具有自动顶起装置以及多料片检测装置，用于防止多个料片同时出料；

坯料检测系统由超声波测厚仪以及管材旋转台组成；待检测到焊缝位置后，由旋转台将管材焊缝转动到合适位置，为后续加热及成形做准备。

进一步，预成型工位的组成装置包括一台或多台数控弯管机用于对坯料实施轴向变曲率成形，随后借助于安装在液压机上的预成型模具对弯管后的坯料沿管身方向进行横截面形状优化控制，实施最终预变形行为；

坯料预热设备选用中频感应加热装置或连续传送的辊底式电炉；分别用于预热直管坯料以及弯管坯料；

上料辊道上安装有红外测温仪，用于测量坯料出炉温度；超出范围料片则视为不合格预热坯料，由在线剔除装置将料片视为废料进行回收；同时，辊道设计有挡料片，用于料片的定位功能，用于上料拾取的准确性以及稳定性。

进一步，上料的上料机械臂或工业机器人采用带轴肩的双臂机械拾取器或直接采用工业机器人+端拾器对料片进行夹持转移动作。

进一步，四柱液压机的吨位根据所成形构件的尺寸形状而定；四柱液压机带两侧水平缸；四柱液压机的模具系统选用冷模或高温模具；依据不同材料构件的成形工艺需求而定，纯胀形时间5s～30s；

四柱液压机的模具为冷模，则胀形的同时还通过模具的冷却作用用于完成构件的控冷，实现构件的同步强化热处理；四柱液压机模具若为高温模具，用于使胀形过程维持在特定的高温下进行。

进一步，待成形后的构件由四柱液压机的模具还装配有顶出装置；将顶出的待成形后的构件输送到下料机械臂或工业机器人；

进一步，总控系统包括有自己独立的PLC的子单元控制系统；且子单元控制系统由工业总线与生产线的总控系统相连，形成整线自动化生产控制体系。

进一步，所述的高温气胀成形生产线系统还包括通过管道与四柱液压机连接的高压气源系统；所述高压气源系统还通过导线连接总控系统；所述高压气源系统包括空压机、常规气瓶组、气动增压机、高压气体储气罐；所述空压机、常规气瓶组均通过管道连接气动增压机；所述气动增压机通过管道连接高压气体储气罐；所述高压气体储气罐通过管道连接四柱液压机的水平缸；

所述的高温气胀成形生产线系统还包括用于更换四柱液压机的模具的换模小车；所述换模小车通过导线连接总控系统。

本发明另一目的在于提供高温气胀成形生产线生产方法为坯料检测、预成型、坯料预热、上料、合模胀形、开模下料、后处理；

具体包括：

坯料检测：利用超声设备捕获焊缝位置，根据成形件的形变特征，提前确定坯料管焊缝预热前所处位置，用于避免焊缝处于后期成形时的最大应变处而导致破裂；

预成型：根据最终构件的轴线特征以及横截面形状特征，选择或不选择；对于轴线弯曲或由于横截面形状特殊导致后期合模胀形时易造成咬边的构件；预成型采用一套或多套预成型模具、以及数控弯管机实现；

坯料预热：根据不同产品的材质、外部形状以及对成形性的要求；预热温度通过结合成形件的材料属性及其高温力学本构方程，以及转移过程空冷行为对温度的影响进行确定；

上料：采用机械臂或者工业机器人，对预热后的坯料进行拾取以转移至模具上相应工位；

合模胀形：根据构件形状选择先充气再合模成形，或先合模再充气成形；若模具为冷模，则胀形的同时还可以通过模具的冷却作用完成构件的控冷，用于实现构件的同步强化热处理；若模具选择高温模具，用于使胀形过程维持在特定的高温下进行；

开模下料：成形完毕后，打开模具，通过下料机械臂或者工业机器人将成形件由模具内取出，放于料片传送带上；

后处理：针对构件不同的表面质量以及性能要求，以进行后续的表面喷丸、涂装或者进行后续进一步热处理。

本发明的优点及积极效果为：

本发明通过工艺验证，结合高压气源、坯料预热装置，带水平缸液压机及模具系统以及上下料自动化装置，集合整线总控系统实现高温气胀成形生产线的产业化推广。可实现最高1100℃下的高温气胀成形，可成形的几乎所有的金属材料，且具备产业化规模。

由于采用高温热成形，突破了材料常温成形性能的局限，部分材料的伸长率可超过100％，从而可生产形状更为复杂的零件；成形件圆角半径可小于2°。

最高成形所需压力不超过70MPa，仅为液压胀形的2％～5％；压机吨位大幅度降低。生产效率高，加热时间5～12s，成形时间可不超过10s；成本较低，设备投资和能源消耗约为液压成形的1/2。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高温气胀成形生产线系统示意图。

图中：1、坯料垛；2、坯料检测系统；3、预成型工位的组成装置；4、坯料预热设备；5、上料辊道；6、上料机械臂或工业机器人；7、四柱液压机；8、换模小车；9、下料机械臂或工业机器人；10、料片传送带；11、高压气源系统；12、空压机；13、常规气瓶组；14、气动增压机；15、高压气体储气罐；16、整线总控系统。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高温气胀成形生产线系统，包括：

坯料垛1的出料装置具有自动顶起装置以及多料片检测装置，以防止多个料片同时出料。

坯料检测系统2由超声波测厚仪以及管材旋转台组成，待检测到焊缝位置后，由旋转台将管材焊缝转动到合适位置，为后续加热及成形做准备。

预成型工位的组成装置3包括一台或多台数控弯管机以及后续配套的预成型模具和液压机系统。

坯料预热设备4为中频感应加热装置或连续传送的辊底式电炉。分别用于预热直管坯料以及弯管坯料。能够控制料片传送速度(0.05m/s-0.3m/s)，预热温度(温度范围300-1100℃)以及保温时间等参数。

上料辊道5上安装红外测温仪，用于测量坯料出炉温度(料片温度误差允许范围±10℃)，超出范围料片则视为不合格预热坯料，由在线剔除装置将料片视为废料进行回收；同时，辊道设计有挡料片，用于料片的定位功能，以保证上料拾取的准确性以及稳定性。

上料的上料机械臂或工业机器人6采用带轴肩的双臂机械拾取器或直接采用工业机器人+端拾器对料片进行夹持转移动作。

合模胀形工序中，压机采用500T及以上四柱液压机7(吨位根据所成形构件的尺寸形状而定)，带两侧水平缸(水平缸吨位根据管材端部最大密封力所需的吨位设计)，模具系统可选用冷模或高温模具，依据不同材料构件的成形工艺需求而定，纯胀形时间5-30s。高压气源系统可提供的最大成形气体压力≥70MPa,且由高、中、低三路气体管路配合供气。成形气体可选择氮气或者氩气等非氧化性气体。

待成形后的构件由模具的顶出装置顶起后，由下料机械臂或工业机器人9拾取进行下料。

整线总控系统16：各单元有自己独立的PLC控制系统，且各单元控制系统由工业总线与生产线主站PLC控制系统相连，形成整线自动化生产控制体系，在保证生产效率的同时，有效减低人工参与度。

所述的高温气胀成形生产线系统还包括通过管道与四柱液压机连接的高压气源系统11；所述高压气源系统还通过导线连接总控系统16；所述高压气源系统包括空压机12、常规气瓶组13、气动增压机14、高压气体储气罐15；所述空压机、常规气瓶组均通过管道连接气动增压机；所述气动增压机通过管道连接高压气体储气罐；所述高压气体储气罐通过管道连接四柱液压机的水平缸；

所述的高温气胀成形生产线系统还包括用于更换四柱液压机的模具的换模小车8；所述换模小车通过导线连接总控系统。

本发明实施例提供的高温气胀成形生产线生产方法，为坯料检测→预成型→坯料预热→上料→合模胀形→开模下料→后处理。

具体包括：

坯料检测：利用超声设备捕获焊缝位置，根据成形件的形变特征，提前确定坯料管焊缝预热前所处位置，避免焊缝处于后期成形时的最大应变处而导致破裂。

预成型：此工序根据最终构件的轴线特征以及横截面形状特征，选择或不选择。对于轴线弯曲或由于横截面形状特殊导致后期合模胀形时易造成咬边的构件，通常需增加预成型工序。而对于简单形状，如对称的直线构件可不必增加预成型工序。预成型采用一套或多套预成型模具、以及数控弯管机实现。

坯料预热：根据不同产品的材质、外部形状以及对成形性的要求，坯料预热可选用感应加热、电阻炉(或辊底炉)。预热温度通过结合成形件的材料属性及其高温力学本构方程，以及考虑转移过程空冷行为对温度的影响等进行确定。

上料：上料采用机械臂或者工业机器人，对预热后的坯料进行拾取以转移至模具上相应工位。

合模胀形：此工序包含水平缸密封管端，根据构件形状选择先充气再合模成形，或先合模再充气成形的工艺步骤。此工序若模具为冷模，则胀形的同时还可以通过模具的冷却作用完成构件的控冷，实现构件的同步强化热处理(如淬火等)。该工序的模具也可选择高温模具，使胀形过程维持在特定的高温下进行。

开模下料：成形完毕后，打开模具，通过下料机械臂或者工业机器人将成形件由模具内取出，放于传送带上。

后处理：后处理主要针对构件不同的表面质量以及性能要求，以进行后续的表面喷丸、涂装或者进行后续进一步热处理等。

本发明通过工艺验证，结合高压气源、坯料预热装置，带水平缸液压机及模具系统以及上下料自动化装置，集合整线总控系统实现高温气胀成形生产线的产业化推广。可实现最高1100℃下的高温气胀成形，可成形的几乎所有的金属材料，且具备产业化规模。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温气胀成形生产线系统，其特征在于，所述高温气胀成形生产线系统包括：

坯料垛，用于为整线提供坯料；通过自动称重以及坯料单件重量的预设定，统计坯料垛坯料数量，反馈给总控系统进行数据对比，以监控生产节拍；

坯料检测系统，通过超声在线检测系统获取焊缝处于管坯周向位置，根据成形件的形变特征，提前确定坯料管焊缝预成型或预热前所处位置；

预成型工位的组成装置，根据最终构件的轴线特征以及横截面形状特征，选择或不选择预成型工序；预成型系统与总控系统连接，由提前设定好的预成型程序，对预成型系统中数控弯管、液压机预变形进行顺序控制；

坯料预热设备，受总控系统控制，根据不同产品的材质、外部形状以及对成形性的要求，提前设定好加热速度以及加热温度和保温时间的热工参数，用于进行坯料预热；

上料辊道，用于将加热完毕的坯料由加热系统传送至气胀成形用四柱液压机旁，传送速度受总控系统控制，线上安装红外测温装置，用于测量坯料出炉温度；超出范围料片进行回收；同时，设置挡料片，用于料片的定位功能，以方便后续上料装置的拾取；

上料的上料机械臂或工业机器人，用于上对预热后的坯料进行拾取以转移至模具上相应工位；

四柱液压机系统含成形模具，成形过程受总控系统控制，提前设定合适合模压力、保压时间以及充气时间、气压参数，部分构件的成形还涉及轴向补料行为，补料速度以及补料量均受控于总控系统；整体成形顺序依次为合模、充气胀形、轴向补料及开模；

下料机械臂或工业机器人，用于将成形件由模具内取出，放于料片传送带上，进行下料；

总控系统，用于整线自动化生产控制。

2.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，坯料垛的出料装置具有自动顶起装置以及多料片检测装置，用于防止多个料片同时出料；

坯料检测系统由超声波测厚仪以及管材旋转台组成；待检测到焊缝位置后，由旋转台将管材焊缝转动到合适位置，为后续加热及成形做准备。

3.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，预成型工位的组成装置包括一台或多台数控弯管机用于对坯料实施轴向变曲率成形，随后借助于安装在液压机上的预成型模具对弯管后的坯料沿管身方向进行横截面形状优化控制，实施最终预变形行为；

坯料预热设备选用中频感应加热装置或连续传送的辊底式电炉；分别用于预热直管坯料以及弯管坯料；

上料辊道上安装有红外测温仪，用于测量坯料出炉温度；超出范围料片则视为不合格预热坯料，由在线剔除装置将料片视为废料进行回收；同时，辊道设计有挡料片，用于料片的定位功能，用于上料拾取的准确性以及稳定性。

4.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，上料的上料机械臂采用带轴肩的双臂机械拾取器进行夹持转移动作、或工业机器人采用工业机器人加端拾器对料片进行夹持转移动作。

5.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，四柱液压机的吨位根据所成形构件的尺寸形状而定；四柱液压机带两侧水平缸；四柱液压机的模具系统选用冷模或高温模具；依据不同材料构件的成形工艺需求而定，纯胀形时间5s～30s；

四柱液压机的模具为冷模，则胀形的同时还通过模具的冷却作用用于完成构件的控冷，实现构件的同步强化热处理；四柱液压机模具若为高温模具，用于使胀形过程维持在特定的高温下进行。

6.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，待成形后的构件由四柱液压机的模具还装配有顶出装置；将顶出的待成形后的构件输送到下料机械臂或工业机器人；

7.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，总控系统包括有自己独立的PLC的子单元控制系统；且子单元控制系统由工业总线与生产线的总控系统相连，形成整线自动化生产控制体系。

8.如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统，其特征在于，所述的高温气胀成形生产线系统还包括通过管道与四柱液压机连接的高压气源系统；所述高压气源系统还通过导线连接总控系统；所述高压气源系统包括空压机、常规气瓶组、气动增压机、高压气体储气罐；所述空压机、常规气瓶组均通过管道连接气动增压机；所述气动增压机通过管道连接高压气体储气罐；所述高压气体储气罐通过管道连接四柱液压机的水平缸；

所述的高温气胀成形生产线系统还包括用于更换四柱液压机的模具的换模小车；所述换模小车通过导线连接总控系统。

9.一种如权利要求1所述的高温气胀成形生产线系统的高温气胀成形生产线生产方法，其特征在于，所述高温气胀成形生产线生产方法为坯料检测、预成型、坯料预热、上料、合模胀形、开模下料、后处理；

具体包括：

坯料检测：利用超声设备捕获焊缝位置，根据成形件的形变特征，提前确定坯料管焊缝预热前所处位置，用于避免焊缝处于后期成形时的最大应变处而导致破裂；

预成型：根据最终构件的轴线特征以及横截面形状特征，选择或不选择预成型工序；对于轴线弯曲或由于横截面形状特殊导致后期合模胀形时易造成咬边的构件；预成型采用一套或多套预成型模具、以及数控弯管机实现；

坯料预热：根据不同产品的材质、外部形状以及对成形性的要求；预热温度通过结合成形件的材料属性及其高温力学本构方程，以及转移过程空冷行为对温度的影响进行确定；

上料：采用上料机械臂或者工业机器人，对预热后的坯料进行拾取以转移至模具上相应工位；

合模胀形：根据构件形状选择先充气再合模成形，或先合模再充气成形；若模具为冷模，则胀形的同时还可以通过模具的冷却作用完成构件的控冷，用于实现构件的同步强化热处理；若模具选择高温模具，用于使胀形过程维持在特定的高温下进行；

开模下料：成形完毕后，打开模具，通过下料机械臂或者工业机器人将成形件由模具内取出，放于料片传送带上；

后处理：针对构件不同的表面质量以及性能要求，以进行后续的表面喷丸、涂装或者进行后续进一步热处理。