實(shí)際塑型和冷卻過(guò)程是淬硬處理的關(guān)鍵工序，同時(shí)負(fù)有生產(chǎn)的部件質(zhì)量的決定性責(zé)任。通過(guò)工業(yè)4.0的理念，可以使過(guò)程質(zhì)量得以提升
中心部件是整個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)中的聚合過(guò)程控制。它不僅可以縮短周期時(shí)間。設(shè)備傳感器由新的軟件連接，過(guò)程參數(shù)由事先設(shè)定的參數(shù)平衡，出現(xiàn)錯(cuò)誤立即確認(rèn)。這樣變動(dòng)就可以在很短的時(shí)間內(nèi)得到反映，避免產(chǎn)生廢品。研究院特意研發(fā)的接觸加熱設(shè)備則作為一種新型加熱方式進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。在切割邊緣方面，弗勞恩霍夫研究院的科學(xué)家們?cè)谀茉醇s激光鋼材切割方面提供了可能的處理方法。
從潛在模型到真正實(shí)現(xiàn)的工藝環(huán)節(jié)
淬硬處理在過(guò)去幾年中越來(lái)越多地應(yīng)用在汽車工業(yè)中。板材半成品首先在溫度約為950℃的熔爐中加熱，然后再成型壓床中塑型過(guò)程中冷卻。與傳統(tǒng)的處理方式相比，它在實(shí)現(xiàn)同等甚至更高的結(jié)構(gòu)部件穩(wěn)定性的過(guò)程中可以減少材料投入。由此產(chǎn)生的輕型結(jié)構(gòu)潛力不僅僅在汽車工業(yè)上，同時(shí)在農(nóng)業(yè)機(jī)械、特種車輛、有軌機(jī)動(dòng)車、船和飛行器制造上都受到關(guān)注。
其工序原則首先在處理方式復(fù)雜性、大量的作用變量以及目前對(duì)作用關(guān)聯(lián)性的工藝常識(shí)了解不足等條件下，始終在類似系列應(yīng)用方面是個(gè)大挑戰(zhàn)。
弗勞恩霍夫IWU研究所模塊化工藝環(huán)節(jié)的生成遵循了研究院的研究方法，過(guò)程優(yōu)化不僅僅局限于單一程序步驟，而是在整個(gè)工藝環(huán)節(jié)的相互作用中進(jìn)行校驗(yàn)。工具冷卻的重要科學(xué)依據(jù)，可能的加熱原則以及過(guò)程設(shè)計(jì)遵循研究所與開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的集群卓越的“節(jié)能產(chǎn)品和工藝創(chuàng)新生產(chǎn)工程”。在2014年召開(kāi)的該集群的成果發(fā)表會(huì)上，還額外介紹了淬火壓床生產(chǎn)線模塊，它已經(jīng)能夠反映出程序數(shù)據(jù)，并且初步允許在弗勞恩霍夫IWU按計(jì)劃建立生產(chǎn)。
圖1 在新的程序工藝中投入了一種力學(xué)多伺服壓力機(jī)
遵循熨斗原則的可替代加熱
可以作為示范組件的，是位于B柱下方，被稱為B柱之足的組件。這個(gè)以安全性為重的部件憑借自身復(fù)雜的幾何特征以及較高的拉伸深度，為超越傳統(tǒng)壓床淬火方法的限制提供了可能。
弗勞恩霍夫IWU研究所研發(fā)的模塊化工藝環(huán)節(jié)由四個(gè)獨(dú)立的過(guò)程組成。切邊鋅銅合金經(jīng)過(guò)研究所研發(fā)的全自動(dòng)操作系統(tǒng)輸送，實(shí)現(xiàn)了最小的熱量損耗，并且將材料首先輸送到加熱設(shè)備，然后輸送到壓床里。科研人員在此準(zhǔn)備了替代方案。傳統(tǒng)方式會(huì)使用滾動(dòng)路，慢慢加熱材料。為了實(shí)現(xiàn)較高的并且產(chǎn)生隨本地變化的加熱率，弗勞恩霍夫與Schwartz有限公司合力開(kāi)發(fā)了新式接觸加熱設(shè)備。與熨斗原則類似，熨斗或模板相反地將熱能有針對(duì)性地傳輸?shù)焦ぜ奶囟ǚ秶鷥?nèi)。加熱設(shè)備由兩個(gè)步驟組成，這樣可以讓板材或者在各個(gè)步驟中均勻加熱，或者分區(qū)域區(qū)別加熱。在步驟過(guò)程中，在六個(gè)區(qū)域中均可以對(duì)工件進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，這樣熱板是可是實(shí)現(xiàn)的。這樣，研究人員在板材的加熱過(guò)程中可以對(duì)部件的特定區(qū)域的強(qiáng)度變化進(jìn)行干預(yù)，這對(duì)于后續(xù)的切割工序和碰撞工序都是有好處的。加熱將通過(guò)特殊的能效燃燒噴嘴來(lái)完成，它可以在15秒內(nèi)將鋼板溫度加熱到950℃。
工具冷卻是關(guān)鍵工序
實(shí)際塑型和冷卻過(guò)程是淬硬處理的關(guān)鍵工序，同時(shí)負(fù)有生產(chǎn)的部件質(zhì)量的決定性責(zé)任，因此對(duì)塑型設(shè)備和工具系統(tǒng)都提出了更高要求。傳統(tǒng)上使用液壓沖壓。它靈活的處理方式非常適合熱塑型工序，然而卻顯示出推桿工序速度的缺陷。與之相反，伺服壓力機(jī)得益于其高度的靈活度和工序速度提供了極大的可能性，塑造淬硬工序的效率和資源效益。基于這一原因，在新的工序環(huán)節(jié)中使用的是機(jī)械學(xué)上的伺服液壓機(jī)。
圖2 為了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證研究，首先要搭建一個(gè)虛擬的工序環(huán)節(jié)3D模型，來(lái)反映接近實(shí)際情況的程序數(shù)據(jù)
在淬硬成型工序中，溫度管理處于核心位置，因?yàn)樵谒苄秃屠鋮s過(guò)程中可以就特定區(qū)域有針對(duì)性地設(shè)置零部件的特質(zhì)要求，比如說(shuō)為了改善碰撞工序。傳統(tǒng)方法上，工具冷卻是通過(guò)安裝在工具上方附近的水流冷卻管來(lái)完成的。科研人員同樣找到了新的途徑，在他們的試驗(yàn)裝置中結(jié)合了兩種不同的冷卻系統(tǒng)：在模具中，在鑄造工具的過(guò)程中將倒入一個(gè)管道結(jié)構(gòu)，它將作為零部件在力學(xué)機(jī)械精加工后的冷卻系統(tǒng)。印模在承載式外殼結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)。零部件基體在表層的管道中銑切。緊接著基體由一個(gè)活躍外殼揭開(kāi)，由此構(gòu)成一個(gè)閉合的冷卻系統(tǒng)。這是根據(jù)逆流原則建成的。所有的冷卻管道都可以分別控制。這樣冷卻便可以精確地調(diào)節(jié)。此外，這個(gè)系統(tǒng)還有第二個(gè)，也就是決定性的優(yōu)勢(shì)：相較于封閉的冷卻循環(huán)，制冷媒介從注入到排出不停地被加熱，導(dǎo)致溫度不均勻，弗勞恩霍夫研究院工具和成型技術(shù)研究所的冷卻功效及其零部件表層冷卻系統(tǒng)始終保持廣泛地均勻性。
能源和資源高效化的修整工藝縮短了周期時(shí)間
鑄模程序鏈的最后一道工序是部件切割以及所謂的修整。傳統(tǒng)方法是在造型過(guò)程后放下，運(yùn)輸?shù)郊す馇懈钤O(shè)備處。由于激光切割設(shè)備時(shí)間周期對(duì)淬硬過(guò)程本身明顯超出，使得零部件在硬壓生產(chǎn)線上進(jìn)行刪除、放置和分離加工。為了縮短這一工藝環(huán)節(jié)的時(shí)間周期，提高能效，科研人員針對(duì)零部件修整研究出兩種可行方法。一種方法是熱切割，將切割操作直接集成到塑型過(guò)程中，在冷卻階段通過(guò)附加在閉合工具中的設(shè)備完成。這樣，分離過(guò)程就在零部件還沒(méi)有冷卻硬化的狀態(tài)下完成，明顯減少了必須的能耗和損耗。
圖3 運(yùn)用IWU研發(fā)的制冷系統(tǒng)，還可以通過(guò)在成型和冷卻過(guò)程中特別的溫度控制手段，來(lái)有目的性地設(shè)置部件特性，用來(lái)改善碰撞特性
另外一種用來(lái)處理最大強(qiáng)度的零部件切割的方法，是在模具成型鏈條中設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，運(yùn)用快速切割的原則，也就是所謂的絕熱分割。機(jī)器部件將通過(guò)液壓脈沖進(jìn)行加速，于是它們?cè)诜蛛x程序中產(chǎn)生的動(dòng)能幾乎全部被轉(zhuǎn)化為分離能量。在非常狹小的分離空間內(nèi)，生產(chǎn)原料的溫度在短時(shí)間內(nèi)上升很快，從而使其軟化并且形成一個(gè)剪切帶。通過(guò)這種絕熱分離可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)切割面質(zhì)量，較低的零件形變和較低的工具損耗。
操作、加熱、塑型和切割等過(guò)程不同的數(shù)據(jù)，例如材料溫度、部件溫度、沖壓力度及材料位置等將通過(guò)傳感器來(lái)掌握，在IWU研究所研制的軟件中互相聯(lián)通并且集中信息。 科學(xué)基礎(chǔ)構(gòu)成了由數(shù)字和經(jīng)驗(yàn)支撐的敏感性分析，以數(shù)學(xué)模塊的形式來(lái)掌握，集成一體化知識(shí)庫(kù)。由此，整個(gè)過(guò)程都反映在信息端上，描述出其關(guān)聯(lián)性。如果偏離了預(yù)定過(guò)程參數(shù)，研究人員可以通過(guò)科技控制連接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)直接進(jìn)行調(diào)控。這種能效科技和對(duì)整個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)的聯(lián)網(wǎng)而形成的組合，在工業(yè)4.0意義上，為智能化標(biāo)準(zhǔn)淬硬程序提供了重要的實(shí)踐知識(shí)。
