CN110405041B - 一种铝合金汽车钣金零件成形系统 - Google Patents

Abstract

一种铝合金汽车钣金零件成形系统，本发明涉及铝合金材质的汽车钣金零件的成形装置。是为了实现低能耗、快速、高精度加工。它包括装置台架、传送带系统、热处理箱、快速升降温装置、上模具和下模具；装置台架包含上板、中板、下板、四根导柱和多个弹簧，上板能沿四根导柱向下滑动，上模具固定在上板的下表面的中间处，下模具的下端固定在下板上表面与其上方的上模具相对应；传送带系统的相互平行的两个传送带间隔一定距离并且设置在中板上表面上，两个传送带之间分别设置有热处理箱和加工件的快速升降温装置。本发明利用FAST技术，板材加热过程中采用超高的加热或骤冷速率，满足了成形件诸多性能上的要求，极大提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种铝合金汽车钣金零件成形系统

技术领域

本发明涉及铝合金材质的汽车钣金零件的成形装置。

背景技术

汽车产业是中国最重要的产业之一，它为国家的经济发展做出重要贡献。2018中国汽车销量约为2800万辆，约占全球总销量的25％，持续多年保持世界第一。然而近些年来，随着人们对环保问题的持续关注，汽车行业面临的节能减排任务越发严峻。国际能源机构的统计数据表明温室气体CO2的排放量还在逐年增加。据报道，汽车尾气排放所产生的CO2含量约占全球CO2排放总量的19％。轻量化被认为是减少CO2排放的最有效手段之一。据计算，一辆汽车每减少1kg车重，整个服役寿命周期内该车可减少20kgCO2排放。铝合金板材被广泛认为是可以代替传统钢板的下一代汽车身用轻量化材料。与传统钢制零件相比，可以实现减重50％以上，进而减少20％-25％油耗和二氧化碳减排28％-35％。同时，通过铝合金板材在电动汽车上的应用，可以实现电动汽车续航里程增加35％。根据欧洲主要汽车生产企业的预测，在全球范围采用该技术生产的铝合金板筋类零部件的年产值可达1.6万亿人民币。

然而由于铝合金板材本身的材料属性，其在室温状态下的成形性不足，常规的冷冲压成形工艺几乎无法对中高强度铝合金板材进行成形。室温下，冲压成形所需冲压力大，而且容易开裂，成形后回弹严重，导致模具回弹补偿难度增加。因此，如何实现中高强度铝合金板材的高精度冲压成形成为了一项迫切需要解决的技术难题。与此同时，铝合金板材的冲压成形还面临生产能耗较高，生产周期较长，以及随之而来的生产成本较高的问题。

发明内容

本发明是为了实现铝合金材质的汽车钣金零件低能耗、快速、高精度加工，提供一种铝合金汽车钣金零件成形系统。它包括装置台架1、传送带系统2、热处理箱3、加工件的快速升降温装置4、上模具6和下模具12；

装置台架1包含上板1-1、中板1-2、下板1-3、四根导柱1-4和多个弹簧1-5，上板1-1、中板1-2、下板1-3相互平行且间隔一定距离，四根导柱1-4位于上述三块板的边角处且上板1-1能沿四根导柱1-4向下滑动，弹簧1-5设置在上板1-1与中板1-2之间；

上模具6固定在上板1-1的下表面的中间处，下模具12的下端固定在下板1-3上表面的中间处且下模具12的上端穿透中板1-2的板体与其上方的上模具6相对应；

传送带系统2由两个传送带2-1、驱动电机2-2、减速器2-3、控制器2-4和驱动辊2-5组成，相互平行的两个传送带2-1间隔一定距离并且设置在中板1-2上表面上，驱动电机2-2依次通过减速器2-3和驱动辊2-5对传送带2-1进行传动，控制器2-4连接在驱动电机2-2上以输出控制命令；

两个传送带2-1之间分别设置有热处理箱3和加工件的快速升降温装置4。

工作时，被成形前的铝合金汽车钣金零件(以下简称加工件)的两端分别固定在一个传送带2-1的带身上，在控制器2-4中计算机程序的指令下，通过传送带2-1先把加工件送入加工件的快速升降温装置4中进行快速加热(或骤冷)，然后加工件移动到中板1-2的中间，此时设置在装置台架1上板1-1上方的压力机向下压上板1-1，导致上模具6和下模具12合模，把加工件成形。然后压力机抬起，在弹簧1-5的作用下，上板1-1回复到原来的位置。最后，传送带系统2把加工件送入热处理箱3进行热处理。热处理结束后，传送带系统2把成形后的铝合金汽车钣金零件送至装置台架1外面。

本发明利用FAST技术，通过在板材加热过程中采用超高的加热(或骤冷)速率，既满足了成形件诸多性能上的要求，又极大地提高了生产效率，降低了生产成本。而这些新成形技术也对新的智能生产装备提出了新的要求。本发明就是针对这样新型成形技术的要求，例如超高加热速率，高精度过程控制，自动化、智能化而开发的一种用于成形轻量化钣金零件的专用生产制造系统，具有结构紧凑、控制精确和响应快速的优点。

附图说明

图1是放置在气弹簧装置上的本发明成形系统示意图，其中1是装置台架；2是传送带系统；3是热处理箱；4是板型加热器，5是底部气弹簧。图2是本发明成形系统剖视示意图，其中6是上模具；7是压边圈；8是压边圈安装台；9是压边圈支撑弹簧。图3是本发明成形系统外形结构示意图。图4是汽车钣金“U”形零件成形前的示意图。图5是板型加热器在不同温度时被加热板材的温度变化曲线图。图6是成形零件在保温箱中两道次热处理温度变化曲线图。图7a是使用该系统成形铝合金形状零件的图片，图7b是使用该系统成形高强度钢零件的图片，图7c是使用该系统成形碳纤维零件的图片。图8是传送带系统的结构示意图。图9是热处理箱的结构示意图。图10是板型加热器的结构示意图。图11是底部气弹簧装置的结构示意图。图12是上模具的结构示意图。图13是压边圈和压边圈安装台的结构示意图。图14是C形板料限位卡盘的结构示意图。图15是下模具的结构示意图。图16是装置台架中板支撑气弹簧的结构示意图。图17是装置台架与上模具和下模具的连接结构示意图。图18是压边圈和压边圈安装台的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至9具体说明本实施方式，本实施方式所述的成形系统包括装置台架1、传送带系统2、热处理箱3、加工件的快速升降温装置4、上模具6(上模具6为凹模)和下模具12(下模具12为凸模)；

装置台架1包含上板1-1、中板1-2、下板1-3、四根导柱1-4和多个弹簧1-5，上板1-1、中板1-2、下板1-3相互平行且间隔一定距离，四根导柱1-4位于上述三块板的边角处且上板1-1能沿四根导柱1-4向下滑动，弹簧1-5设置在上板1-1与中板1-2之间；

上模具6固定在上板1-1的下表面的中间处，下模具12的下端固定在下板1-3上表面的中间处且下模具12的上端穿透中板1-2的板体与其上方的上模具6相对应；

传送带系统2由两个传送带2-1、驱动电机2-2、减速器2-3、控制器2-4和驱动辊2-5组成，相互平行的两个传送带2-1间隔一定距离并且设置在中板1-2上表面上，驱动电机2-2依次通过减速器2-3和驱动辊2-5对传送带2-1进行传动，控制器2-4连接在驱动电机2-2上以输出控制命令；

两个传送带2-1之间分别设置有热处理箱3和快速升降温装置4。

本实施方式中加工件的快速升降温装置4为接触式板型加热器。

本发明作为一种新型的可编程自动化生产系统原型机，不仅适用于新型板材成形技术的科学研究，而且可以基于此原型机制造大型专用智能化制造装备，也可用于升级改造现有的冷冲压或热冲压生产装备，进而实现轻量化钣金零件的大批量生产。该设备由专用的接触式板型加热器、精准可调节的板料输送系统、易更换的成形模具以及能够进行各种板材成形前/后，不同热/冷处理的保温室组成。除了使用接触式板型加热器外，还可以通过电阻加热来提高板材的温度，在极短时间内完成加热。此外，也可将板型加热器更换为板型冷冻箱，通过充入液氮的方式对板料进行冷却，并实现深冷冲压成形。

通过使用板型加热器，该系统能实现FAST技术所需要的超高板料升温速率(如可达200℃/s)的和高达650℃的成形温度。通过使用接触式板型冷冻箱，该系统可以将板材温度降至深冷成形温度，如-190℃，对板材进行深冷的前处理。因此，高温和低温的成形过程均可以通过该系统实现。此外，保温室也可以进行热处理和低温处理。

此外，该系统可以通过计算机远程使用和控制可将其集成到基于FAST技术开发的的先进云模拟平台进行控制。该系统是一个集智能化、高精度化、全功能化于一体的先进闭环板材成形系统，既可以专用于如FAST等新型的成形技术，也同样可以广泛适用于深冷成形、冷成形、低温成形、温成形、热成形等各种板材成形过程。所有成形参数均可轻松调节，包括：成形温度、升温速率、保温时间、转移时间、成形速度、成形压力、模具和压边力等等，以及成形前后的热/冷处理时间、温度和周期等。

该系统被设计安装在传统压力机之上，这种压力机可以附加一个气弹簧或液压装置，为该系统提供精确可控的压边力和合模力，如图1所示。一种板材坯料实例设计，如图4所示。

针对新型板材成形技术(如FAST)的要求，对该统一化生产制造系统的各项技术参数都进行了校核和验证。如图5所示，热/温成形条件下的升温速率和成形温度已通过实验数据完成校验：最大加热速率约为200℃/s，不同的温度设置下，可以达到不同的升温速率和成形温度。此外，也对使用保温箱进行多道次热处理进行了校核和验证，测试数据如图6所示，实验测定温度与程序设定温度高度吻合，充分证明了该设备的能力。在图6中，T₀代表室温，T₁和T₂是两个不同热处理道次的目标温度。t₀-t₂代表了第一个热处理道次时间，τ₃-t_s代表了第二个热处理道次时间，同时t₂-t₃和t₅-t₆代表了热处理结束后，零件移出保温箱的空气冷却时间。以上所提到的温度和时间参数均可以在控制系统中预先设定。

此外，新型板材成形技术(如FAST)的材料适用性，也通过该系统进行了研究。各种材质的板材包括(但不限于)铝合金、钢材、碳纤维等都在该系统中进行了成形试验，制造出不同形状的零件，如图7a、图7b和图7c所示。

具体实施方式二：下面结合图2和图13、图18具体说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的成形系统作进一步说明，本实施方式还包括压边圈7、压边圈安装台8、压边圈支撑弹簧9，压边圈7支撑弹簧9(一共两个，对称分布)下半部分固定安装在中板1-2上，压边圈安装台8设置在两个压边圈支撑弹簧9上半部分的顶部，压边圈安装台8可以进行高度方向的移动。压边圈7是可更换部件，安装在压边圈安装台8上表面处，在成形过程中，上模具6向下运动，压住铝合金板材同时压住压边圈7，压边圈7和上模具6一上一下夹住板材，压边圈支撑弹簧9向上提供对应的压边力。然后上模具6、板材、压边圈7、边圈安装台8一起向下运动，将零件成形。

中板1-2可由下板1-3下表面处的底部气弹簧装置5通过装置台架中板支撑连杆进行支撑，也可由独立的装置台架中板支撑气弹簧1-6进行支撑，气弹簧1-6作为缓冲装置。

如图9所示，热处理箱3安装在中板1-2上，内含加热装置3-1、测温装置3-2，外壳为保温耐热材料。

如图2和10所示，板型加热器4一共两个，分别安装在上板1-1的下表面和中板1-2的上表面，板型加热器4外壳被保温材料包裹。此外，也可将板型加热器4更换为板型冷冻箱，通过充入液氮的方式对板料进行冷却，并实现深冷冲压成形。

如图11所示，底部气弹簧装置5由氮气气弹簧组成，放置在下板1-3下表面处，通过装置台架中板支撑连杆支撑装置台架的中板用来提供可变的成形压力。

如图12所示，上模具(凹模)6由顶部的定位销以及模具组成，安装在装置台架的上板1-1上。

如图13所示，压边圈7及压边圈安装台8通过定位滑杆8-1安装在装置台架的中板1-2上。

如图2和图14所示，C形板料限位卡盘11包括上压板11-1、底部固定板11-2和可调高度的侧立板11-3，底部固定板11-2固定在中板1-2上，两块C形板料限位卡盘11的上压板11-1分别罩在板型加热器4和上模具6处传送带2-1的外侧。这个C形板料限位卡盘的作用就是防止在加热之后，铝合金板材粘在上加热板上(如果发生铝合金板材在加热后粘在上加热板时，这个卡盘就可以卡住铝合金板的两端，限制其在高度方向的运动，防止板材被加热板“粘走”，从而确保铝合金板始终在传送带上面)。同理，在进行冲压成形的过程中，成形的零件有可能“卡在”上模具里面，这是C形卡盘同样通过限制零件两端的高度方向的移动，来确保成形的零件不会卡住在上模具里面，而是在传送带上。

如图15所示，下模具12(凸模)由模具以及下方的安装固定装置组成，安装在装置台架的下板上面。

如图16所示，装置台架中板支撑气弹簧。

Claims (8)

1.一种铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于，它包括装置台架(1)、传送带系统(2)、热处理箱(3)、加工件的快速升降温装置(4)、上模具(6)和下模具(12)；上模具(6)为凹模，下模具(12)为凸模；

装置台架(1)包含上板(1-1)、中板(1-2)、下板(1-3)、四根导柱(1-4)和多个弹簧(1-5)，上板(1-1)、中板(1-2)、下板(1-3)相互平行且间隔一定距离，四根导柱(1-4)位于上述三块板的边角处且上板(1-1)能沿四根导柱(1-4)向下滑动，弹簧(1-5)设置在上板(1-1)与中板(1-2)之间；

上模具(6)固定在上板(1-1)的下表面的中间处，下模具(12)的下端固定在下板(1-3)上表面的中间处且下模具(12)的上端穿透中板(1-2)的板体与其上方的上模具(6)相对应；

传送带系统(2)由两个传送带(2-1)、驱动电机(2-2)、减速器(2-3)、控制器(2-4)和驱动辊(2-5)组成，相互平行的两个传送带(2-1)间隔一定距离并且设置在中板(1-2)上表面上，驱动电机(2-2)依次通过减速器(2-3)和驱动辊(2-5)对传送带(2-1)进行传动，控制器(2-4)连接在驱动电机(2-2)上以输出控制命令；

两个传送带(2-1)之间分别设置有热处理箱(3)和加工件的快速升降温装置(4)；

还包括压边圈(7)、压边圈安装台(8)和压边圈支撑弹簧(9)，压边圈支撑弹簧(9)下半部分固定安装在中板(1-2)上，压边圈安装台(8)设置在两个压边圈支撑弹簧(9)上半部分的顶部；还包括C形板料限位卡盘(11)，C形板料限位卡盘(11)包括上压板(11-1)、底部固定板(11-2)和可调高度的侧立板(11-3)，底部固定板(11-2)固定在中板(1-2)上，两块C形板料限位卡盘(11)的上压板(11-1)分别罩在板型加热器(4)和上模具(6)处传送带(2-1)的外侧；成形前的铝合金汽车钣金零件的两端分别固定在一个传送带(2-1)的带身上，在控制器(2-4)中计算机程序的指令下，通过传送带(2-1)先将所述钣金零件送入快速升降温装置(4)中进行快速加热或骤冷，在C形板料限位卡盘(11)作用下，所述钣金零件始终在传送带(2-1)上，完成加热或冷却后，被移动到中板(1-2)的中间，在装置台架(1)的上板(1-1)上方的压力机向下压上板(1-1)，上模具(6)向下运动，压住钣金零件同时压住压边圈(7)，压边圈(7)和上模具(6)一上一下夹住钣金零件，压边圈支撑弹簧(9)向上提供对应的压边力，然后上模具(6)、钣金零件、压边圈(7)、边圈安装台(8)一起向下运动，上模具(6)和下模具(12)合模，零件成形，成形后压力机抬起，在弹簧(1-5)的作用下，上板(1-1)回复到原来的位置，最后，传送带系统(2)把加工件送入热处理箱(3)进行热处理，热处理结束后，传送带系统(2)把成形后的铝合金汽车钣金零件送至装置台架(1)外面。

2.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于快速升降温装置(4)为接触式板型加热器。

3.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于快速升降温装置(4)为电阻加热装置。

4.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于快速升降温装置(4)为接触式板型冷冻箱。

5.根据权利要求2所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于板型加热器(4)一共两个，分别安装在上板(1-1)的下表面和中板(1-2)的上表面。

6.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于中板(1-2)由下板(1-3)下表面处的底部气弹簧装置(5)通过装置台架中板支撑连杆进行支撑。

7.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于中板(1-2)由下板(1-3)下表面处的底部气弹簧装置(5)通过装置台架中板支撑气弹簧(1-6)进行支撑。

8.根据权利要求1所述铝合金汽车钣金零件成形系统，其特征在于热处理箱(3)安装在中板(1-2)上，内含加热装置(3-1)和测温装置(3-2)，外壳为保温耐热材料。

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