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衝壓件知識
衝壓件是靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力,使之產生塑性變形或分離,從而獲得所需形狀和尺寸的工件(衝壓件)的成形加工方法。衝壓和鍛造同屬塑性加工(或稱壓力加工),合稱鍛壓。衝壓的坯料主要是熱軋和冷軋的鋼板和鋼帶。
 
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熱衝壓成形的熱點分析
發布者:熱衝壓  點擊:359

近年來,隨著熱衝壓成形技術的發展、擴大應用和汽車行業對熱衝壓成形應用的零件性能要求的多樣化以及中國大量引進國外的熱衝壓成形生產線,熱成形產生了一係列的焦點和熱點,現從以下幾個方麵對焦點和熱點進行分析。

關於熱衝壓零件的強度問題

目前廣泛應用的22MnB5鋼其抗拉強度一般按1500MPa計算,屈服強度按1200MPa計算,近年來,結合輕量化的需求,有企業開發抗拉強度為1800MPa和2000MPa的熱成形鋼。按照零件厚度的拇指法則,來確定零件的厚度和強度之間的關係:t2/t1=1-(σ12n ,式中零件的厚度t2、t1與材料的強度σ1、σ2相對應。

門的防撞杆、前後防撞梁、門B柱等構件基本上承受彎曲應力,閉式冷卻塔強度的提升有可能減薄零件,即輕量化,但是厚度較薄意味著零件剛度的下降,這兩者之間需要一個合理的平衡。汽車零件的厚度與剛度密切相關,剛度影響零件的振動、噪聲、撞擊吸能,因此熱衝壓成形零件的強度1500MPa是否已經到極限值?是否還需要開發1800MPa的材料?並做進一步減薄?除了考慮零件剛度之外,進一步減薄還將影響到熱衝壓時零件的工藝性能,零件越薄,出爐後工件在空氣中的溫度下降越快,為保證在熱衝壓零件時發生馬氏體轉變,必須加快零件的傳輸速度,以保證熱成形時零件的溫度,並使其能夠在成形後保持淬火所需要的溫度。另外,強度越高,鋼中碳含量越高;馬氏體的脆性與鋼中碳含量有密切關係,因此在強度提高時還必須考慮熱衝壓成形零件強韌性的匹配。在強度越高時,零件的延遲斷裂抗力和氫脆的能力也會下降,目前已有熱成形零件發生延遲斷裂,因此這一因素也是在強度提高時應該考慮的因素。強度的提升,碳含量的提高,還會影響熱成形零件的可焊性,已經發現超高強度鋼和熱衝壓成形零件在衝擊時發生焊點不正常的失效模式,影響了焊點的吸能和高強度鋼零件的性能發揮。綜上所述,熱成形零件強度的提升,尚需要進一步開展研發工作。

熱衝壓成形板狀試樣冷彎性能的相關問題

寶馬公司和奔馳公司在熱成形後的零件上取樣,按標準VDA 238-100 金屬材料的冷彎試驗進行冷彎試驗,要求冷彎角度分別大於60°和65°。按這種冷彎方法,目前90%的22MnB5鋼所製零件都難以滿足這一要求,這些冷彎角度製定的依據是什麽?它和材料的強韌性有什麽關係?和熱衝壓成形件撞擊吸能有什麽關係?和熱成形零件的氫脆和延遲斷裂抗力有什麽關係?都需要進一步的研究和量化。有人曾發現,22MnB5鋼表麵有一定的脫碳層,會改進熱成形後的冷彎角度,但表麵脫碳會降低表層的強度和零件的綜合強度,它是否會影響撞擊吸能,也需要進一步研究和量化。

鍍層板問題

長期以來,熱成形采用鋁矽鍍層板,安塞樂米塔爾對這一鍍層板的應用申報了發明專利,據了解,該專利的保護期至少還有10年以上,這種鍍層板對保護熱衝壓成形時鋼板表麵不受氧化具有良好作用,同時也可以減少衝壓時的摩擦係數,提高成形性,減少模具磨損。由於是專利產品,板材價格偏高,影響板材的應用和熱成形零件性價比的提升,在工藝上,這類鍍層板在快速加熱時,由於鍍層和基體鋼板的膨脹係數不同,加熱速度較快時,容易產生微裂紋,影響隨後的衝壓性能以及使用時油漆的表麵質量和光鮮性。因此長期以來熱衝壓成形工藝規定加熱時間為300~330s,為保證這一加熱時間,對輥道式的加熱爐,爐膛的長度就比較長,對多層箱式爐,加熱的層數較多,增加了投資,影響了生產率。在薄板加熱時,一般1mm/min的加熱時間已經足夠,熱成形板材為1.2~1.8mm/min,這種厚度的板材,加熱和保溫時間為200s已經足夠(22MnB5鋼的合金成分簡單,隻要給足夠的時間使Mn擴散均勻即可)。考慮到輻射加熱、表麵的黑度係數、不同的表麵狀態,加熱時間會有出入,總體來講,加熱時間可較大幅度縮短。對裸板而言,加熱時間縮短,既可節能,又可提高生產率,同時減少氧化。鋁矽鍍層板可以去掉噴丸工序,是一個重要的優點。近來一些公司開始試驗鍍鋅板(即GA板),這類鍍鋅板實際上是在熱浸鍍鋅後進行退火處理,在表麵形成一層鋅鐵合金層,二者結合得很好,這類板材在熱衝壓加熱時,可以快速加熱,不會產生微裂紋。GA板的加熱溫度比鋁矽鍍層板低,溫度一般不高於900℃,因此對成形過程中工件的傳輸速度要求更高。加熱溫度過高,會產生液態鋅沿晶界擴散,發生液態金屬誘發脆性,在熱成形加熱後,表麵會產生一些氧化物,在加熱後衝壓時鋅層會產生微裂紋,這些都影響到GA板隨後的表麵形貌,因此通常在熱成形之後零件要經過噴丸處理,鍍鋅層會影響噴丸後的粉塵環境。關於鍍鋅板的熱成形工藝及其推廣應用,還需要進一步開展工作。一般來說,GA板加熱之後鍍層的摩擦係數較低,有利於板材的成形,從而改善熱衝壓件的成形性,提高成品率,但鋅鍍層會不會粘模,影響模具的精度和壽命,也需要進一步的實踐和積累數據。此外,鍍鋅板噴丸後的點焊工藝以及激光切割加工工藝也需要考慮到鍍鋅層的影響。

熱衝壓成形的加熱爐和加熱方式

目前加熱爐有兩種,一種是多層箱式爐,這類爐子靈活、節能、使用方便、占地麵積小,但對爐門的開閉機構和工件傳輸的自動化水平要求較高,適合於多品種、小批量生產。對某些零件,在工藝和設備調試穩定的條件下,也可以大批量生產。另一種爐子是輥道式爐子,這類爐子投資大,占地麵積大,如生產鋁矽鍍層板,高溫狀態下輥子粘附鍍層的可能性較大,影響輥子的壽命,工件的粘附會導致工件在爐子中跑偏。爐子適合於裸板大批量生產,是否適合於鍍鋅板也有待試驗。工件在這類爐子上傳輸比較簡單,自動化部分投資小,工件出爐到壓機的傳輸時間短,衝壓成形溫度容易控製。考慮到上述情況,如果企業建兩條生產線,建議采用兩種爐子的加熱模式,以兼顧兩種加熱爐的優點,又合理避開他們的不足。

在熱衝壓成形的加熱方式中,除了上述兩種類型爐子采用輻射加熱外,目前的加熱方式還有直接通電加熱,但這種加熱方式隻適合於形狀規則、簡單的板坯,鋁矽鍍層板由於加熱速度快,鍍層還有發生微裂紋的危險。對於扭力梁這類工件,采用這種加熱方式具有熱效率高、投資小、工藝過程簡單、控製容易等優點。直接通電加熱的有關工藝尚需進一步的試驗和驗證。另一種是感應加熱,同樣適合於形狀簡單的板坯,但需要有感應發生器和感應圈,對強度柔性分布的板坯的局部加熱,這類加熱方式有一定的優勢。以上這兩種加熱方式,加熱效率高,加熱速度快,但目前在實際生產中的應用報道很少。

強度柔性分布的工藝技術

為了滿足汽車輕量化和安全碰撞的要求,既要有高的強度,防止碰撞時構件侵入傷害乘員,又要滿足工件的吸能要求,對某些安全件提出了強度的柔性分布的要求,即一定強度的高吸能部分和超高強度部分的有機融合,由此發展了一係列的強度柔性分布工藝技術,包括模具局部控製的冷卻技術、模具局部的加熱技術、工件的局部加熱技術、工件的“熱打印”或“冷打印”技術、激光拚焊板技術、差厚板技術。每種技術都應該有相應的模具結構相匹配。

熱衝壓成形的模具製造技術

熱衝壓成形模具較為複雜,既保證成形,又要使成形後的構件在模具中進行淬火,得到超高強度的構件。這類模具除具有成形功能外,還具有冷卻功能;模具設計製造涉及到金屬學、相變、流體力學、傳熱學等多個學科。模具的功能和受力模式也較複雜,目前正圍繞模具的失效、模具的延壽、高導熱性的模具材料的開發、模具的設計和計算機模擬技術、低成本的簡易模具的製造技術等方麵進行相關的開發和研究。2017年5月,在美國亞特蘭大舉行的第六屆國際熱衝壓成形會議上,提出為降低激光切割成本,采用熱衝壓級進模的新工藝技術,對模具提出了更高的要求,但進入實用階段,尚有諸多技術工作有待完善。

熱衝壓成形零件的檢測評價

熱衝壓成形零件的檢測評價包括:⑴零件形狀的檢測,要滿足熱成形零件設計的公差要求。⑵基本力學性能(包括高速拉伸性能)和組織的檢測,滿足所用鋼種淬火、低溫回火組織的性能和顯微組織的要求。由於熱成形後的零件強度性能很高,在進行熱成形力學性能測試時,要特別注意屈服強度、抗拉強度、延伸率的測試方法和可靠性,使所得的數據與組織能夠自洽和互洽,還要特別注意不同批次零件的不同部位強度性能的分布和零件要求的一致性、重現性、穩定性。⑶衝壓零件的功能檢測,包括按零件的受力模式進行冷彎等功能檢測。⑷零件實物碰撞的檢測,其結果應與計算機模擬相對應。在進行這些檢測時,應特別注意零件的失效模式和零件的基本力學性能檢測結果、碰撞吸能等數據是否相容。

熱成形零件的氫脆和延遲斷裂

近年來,已有相關超高強度鋼和熱成形零件氫脆和發生延遲斷裂的報道,有的是熱成形零件預壓後室溫停放發生斷裂的,經分析是氫和應力引起的典型的延遲斷裂,有的是在使用過程中由於安裝應力產生的斷裂,也是氫和應力綜合引起的延遲斷裂。隨著超高強度熱成形零件應用的增多,這類問題越來越引起汽車工業界和熱成形領域內有關研發人員的關注。目前,該領域內相關問題的研究包括原材料中引起延遲斷裂的原子氫的含量及其測試方法;在確定原子氫的含量後,發生斷裂的零件中的應力值;對延遲斷裂失效模式的評價方法,發生失效的預測;材料的強韌性與延遲斷裂之間的關係;為避免發生延遲斷裂,在材料的冶金過程、熱成形工藝過程中,應該采取什麽措施等。上海交大、中國汽研、華科大利用國家自然科學基金重點研發項目正在進行一些相關研究工作,希望有關結果能對以上問題的解決提供幫助。

熱成形零件的點焊

點焊工藝對低強度零件已有普遍應用,工藝也較成熟。對超高強度零件的點焊及其評價方法尚有待完善。常用的點焊評價方法是剪切拉伸和十字拉伸,評價點焊接頭在準靜態負荷模式下的焊點的質量和失效模式。對大量汽車碰撞後的高強度結構件點焊的焊點失效觀察表明,不少焊點是發生焊點拔出和紐扣的分離。通常情況下,焊接工藝的製定是以準靜態試驗結果為依據的。高強度鋼和超高強度鋼主要做結構件和車身安全件,它們在碰撞時的失效模式是在高應變速率下發生的,原用準靜態下對點焊質量的評價結果已不能表征在衝擊載荷模式下焊點的質量和失效抗力,為此東北大學和中國汽研研究了衝擊載荷下焊點的剪切和拉伸的失效吸能的評價方法和相關設備,結果表明在衝擊載荷下,如焊點的失效為紐扣分離、紐扣拔出、焊點的撕裂,三種失效模式的衝擊吸能分別為10J、8J和110J。不同的失效模式的衝擊吸能相差一個數量級,用衝擊下的焊點吸能和失效模式來確定點焊參數比準靜態下更能反映點焊的失效本質,有關這方麵的問題尚待進一步深入研究。

此外,激光切割的裝備和工藝技術的國產化也是熱成形重要的工序和國產化任務,目前已有單位取得了一些進展,但達到生產實用階段尚需進一步的工作。

以上就目前所了解的關於熱衝壓成形的熱點問題,進行了討論和分析,不少觀點僅係個人的看法。雖然近年來本人在該領域和有關單位合作,並在國家項目的支持下,開展了一些研究,取得了一定的進展,但全麵解決熱衝壓成形的上述問題,還需行業內的有關企業和專家共同努力,對有關熱點問題和焦點問題共同討論,提出解決辦法。熱衝壓成形涉及各個領域,如力學、結構、材料、相變、傳熱等學科,解決上述問題需要產學研用相結合,協同創新,共同推進該領域的技術進步,為中國汽車工業的輕量化和安全水平的提升做出新的貢獻。與此同時,中國的熱衝壓成形也會得到更快的發展,逐步形成有中國特色的裝備、工藝和技術。


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