大型特種鋼底甲板熱壓成形工藝及模具設計

蔡曉清，杜德恒，馮合永，李宏偉，陳 泳，張衛(wèi)華，陳東紅，侯 建

(北京北方車輛集團有限公司，北京 100072)

大型特種鋼底甲板熱壓成形工藝及模具設計

蔡曉清，杜德恒，馮合永，李宏偉，陳 泳，張衛(wèi)華，陳東紅，侯 建

(北京北方車輛集團有限公司，北京 100072)

分析了特種鋼底甲板的結構和沖壓成形工藝性，確定了熱壓成形工藝方案，設計了一套熱彎曲—壓型復合模，并對復合模的結構特點、工作原理和設計要點進行了介紹。實際生產(chǎn)表明，該模具結構合理，工作穩(wěn)定，安裝、調(diào)試、維修方便，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，其設計方法對其他類似產(chǎn)品熱壓成形模具的設計有一定的參考價值。

特種鋼； 底甲板； 熱壓成形； 工藝方案； 熱彎曲； 熱壓型； 復合模

在特種車輛上，很多零件是用特種鋼板(厚度一般>6 mm)壓制而成的。在制造這些厚板零件時，因在常溫下加工，會出現(xiàn)嚴重的加工硬化、翹形和裂紋等現(xiàn)象，所以大多采用熱壓成形[1]。熱壓成形技術是由瑞典的Hard Tech公司于20世紀80年代首次提出的一項專門用于成形高強度厚鋼板沖壓件的新技術[2-4]，其工藝流程如圖1所示。與冷壓成形相比，熱壓成形有許多優(yōu)點。鋼在加熱后，其強度降低、塑性增強，因而成形時所需的沖壓力降低，可成形冷壓無法成形的復雜零件，也可將冷壓需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形。

圖1 熱壓成形工藝流程

底甲板作為車輛的一個重要承載和防護部件，其性能的好壞將直接影響到車輛使用的安全性和可靠性。為連續(xù)、穩(wěn)定地加工出滿足使用要求的底甲板，對底甲板熱壓成形工藝進行了試驗研究，并對模具結構進行了分析與設計。底甲板結構圖如圖2所示。

圖2 底甲板結構圖

1 工藝分析與方案確定

1.1 工藝分析

底甲板材料為特種鋼，厚度為6 mm，材料狀態(tài)為硬態(tài)。從圖2可以看出，底甲板外形輪廓尺寸大，幾何形狀復雜，兩端帶有半徑不等的2段圓弧，中間又有縱橫交錯的加強筋。若采用冷壓成形工藝對其進行生產(chǎn)，存在的難點為材料變形、硬化嚴重，所需設備噸位大，產(chǎn)品尺寸不易保證(貼模性差、回彈大)，且產(chǎn)生裂紋、皺褶的概率大。為提高底甲板的成形能力, 經(jīng)過全面、仔細地分析，提出了采用熱壓成形工藝對其進行加工，即通過激光切割獲得底甲板的毛坯為方形板料；通過熱彎曲獲得零件兩側的圓弧；通過熱壓型獲得中間的加強筋。因此，在滿足熱壓成形工藝性的前提下，采用的基本工序為熱彎曲和熱壓型[5]。

1.2 工藝方案的確定

根據(jù)以上分析，熱壓成形底甲板可能的方案有以下2種。

1)熱壓型與熱彎曲單獨進行。該方案屬單工序模熱壓成形，單套模具結構簡單，制造周期短；但工序分散，生產(chǎn)周期長，能耗高，模具和設備占用多，生產(chǎn)投入高。

2)熱壓型與熱彎曲同時進行。該方案屬復合模熱壓成形，模具結構較復雜，制造周期較長；但工序相對集中，生產(chǎn)周期短，能耗低，模具和設備占用少，生產(chǎn)投入低。

綜合上述分析，同時結合公司的生產(chǎn)實際，決定采用一次成形的復合熱壓工藝。

由于復合熱壓成形技術難度大，目前有關這方面的研究報道很少，可借鑒的資料也相當有限。為掌握底甲板在復合熱壓成形過程中的塑變規(guī)律，并驗證初步確定的工藝方案能否實現(xiàn)預期的目標，按照底甲板原樣大小的1/4，設計、制造了一套小型復合模，利用該套模具對底甲板復合熱壓成形工藝進行了前期模擬試驗。結果表明，復合熱壓成形工藝方案適用于底甲板的生產(chǎn)。

2 模具結構與工作原理

2.1 模具結構

復合熱壓成形模的整體結構如圖3所示。在設計過程中，為節(jié)省模具材料，減輕模具質(zhì)量，上、下模未采用實心結構，而是通過模板和筋板拼焊而成。同時考慮到熱壓成形過程中，模具的服役條件惡劣，模具工作部分易損壞，為使模具維修方便，工作部分采用了鑲拼結構設計，即彎曲和壓型是在相互獨立的凸、凹模中完成的。

圖3 復合熱壓模結構

2.2 工作原理

根據(jù)底甲板熱壓成形所需要的成形力，成形設備采用公稱力為25 000 kN的液壓機。模具上模部分固定于液壓機上滑塊中；下模部分固定于液壓機工作臺上，如圖4所示。模具工作過程如下：當毛坯料在加熱爐中充分奧氏體化后，通過機械輸送裝置，將其快速置于模具合適位置；然后起動液壓機，上滑塊帶動上模部分下行，左上彎曲鑲塊和右上彎曲鑲塊與毛坯料接觸，開始彎曲；隨著滑塊繼續(xù)下行，左、右上彎曲鑲塊與左下彎曲鑲塊和右下鑲塊共同完成底甲板兩端的彎曲成形，上模鑲塊1、2、3與壓型鑲塊4共同完成底甲板中間縱橫加強筋的壓型。成形結束后，滑塊帶動上模部分上行，然后用專用工具從模具上取出工件。

圖4 模具安裝

3 模具設計中的要點

由于熱壓成形工藝與傳統(tǒng)的冷沖壓工藝存在較大的區(qū)別，因此在模具設計過程中不能簡單沿用冷沖壓模的設計方法和手段[6]，而是需要認真分析，不斷通過試驗等手段歸納總結出適合于熱壓成形模的設計方法。

3.1 凸、凹模材料的選擇

在熱壓成形過程中，模具的服役條件惡劣，工作部分易失效。失效形式主要表現(xiàn)為高溫變形、高溫磨損和熱疲勞開裂；因此，要提高熱壓成形模的使用壽命，模具材料在高溫下應具有良好的強度、韌性、耐磨性和抗熱疲勞性能。除此之外，模具材料還應具有良好的加工性和淬透性。

經(jīng)過對比分析，選用5CrNiMo作為底甲板熱壓模材料。該材料屬熱作模具鋼，有較好的加工性能和淬透性，經(jīng)適當?shù)臒崽幚砗?，具有高的熱強性、熱韌性、熱穩(wěn)定性以及良好的抗熱疲勞和熱磨損性能[7-8]。

3.2 模具間隙的確定

模具間隙的大小對成形件質(zhì)量和成形力有很大的影響。間隙過小，所需的成形力大，對模具的損壞也大；間隙過大，會降低成形件的形狀和尺寸精度。因此，確定模具間隙時既要考慮間隙對模具壽命的影響，又要考慮對成形件的質(zhì)量影響。

由于底甲板毛坯料加熱后膨脹厚度有所增加，因此熱壓模的間隙要比冷壓模的間隙大些。其值可按下式計算：

Z=(1.15+α)t+Δmax

(1)

式中，Z是熱壓模凸、凹模單邊間隙，單位為mm；α是材料線膨脹系數(shù)；t是材料厚度的基本尺寸，單位為mm；Δmax是材料厚度的正偏差，單位為mm。根據(jù)上式，可確定底甲板熱壓模的間隙Z為7.3 mm。

3.3 凸、凹模工作部分尺寸的計算

在設計熱壓模時，應考慮成形件的冷縮現(xiàn)象。凸、凹模工作部分的尺寸應相應放大，以補償成形件的冷縮量。由于冷縮的原因，熱壓成形后，工件緊箍在凸模上，所以不論工件要求外部尺寸準確，還是要求內(nèi)部尺寸準確，熱壓模的設計均應先確定凸模工作部分的尺寸，然后再以此為基準，間隙取在凹模上來確定凹模工作部分的尺寸。

下面分2種情況來說明凸、凹模工作部分尺寸的計算。

1)當工件要求內(nèi)形尺寸時(見圖5a)，凸、凹模工作部分尺寸按下式計算：

L凸=Lmin(1+α)+0.3Δ內(nèi)

(2)

L凹=L凸+2t+2Z

(3)

式中，L凸是凸模工作部分尺寸，單位為mm；Lmin是工件內(nèi)形最小極限尺寸，單位為mm；α是材料線膨脹系數(shù)；Δ內(nèi)是工件內(nèi)形尺寸公差，單位為mm；t是工件厚度，單位為mm；Z是模具單邊間隙，單位為mm。

2)當工件要求外形尺寸時(見圖5b)，凸、凹模工作部分尺寸按下式計算：

L凸=(Lmax-2t)(1+α)+0.3Δ外

(4)

L凹=L凸+2t+2Z

(5)

式中，Lmax是工件外形最大極限尺寸，單位為mm；Δ外是工件外形尺寸公差，單位為mm。

圖5 凸、凹模工作部分尺寸計算

4 結語

通過對底甲板的結構、尺寸進行分析，提出了采用復合熱壓成形工藝方案對其進行生產(chǎn)。根據(jù)熱壓成形工藝特點，設計、制造了一套復合熱壓模。該套模具結構合理，工作穩(wěn)定，安裝、調(diào)試和維修方便，在實際生產(chǎn)中已取得了良好的效果，對其他類似產(chǎn)品的熱壓模設計有很好的參考價值。

[1] 萬戰(zhàn)勝，顧圣巖，龐銳．沖壓模具設計[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983.

[2] 谷諍巍，姜超，單忠德，等．超高強度鋼板沖壓件熱成形工藝[J]．汽車工藝與材料，2009(4)：15-17．

[3] 徐偉力，管曙榮，艾健，等．鋼板熱沖壓新技術關鍵裝備和核心技術[J]．世界鋼鐵，2009(2)：30-33．

[4] 于榮，龔凱.基于DOE的熱壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化設計[J]．新技術新工藝，2014(8)：9-11．

[5] 張慶，孫敏，楊燕．某異型鈑金件的折彎方法[J]．新技術新工藝，2014(8)：5-6．

[6] 谷諍巍，單忠德，徐虹．汽車高強度鋼板沖壓件熱成形技術研究[J]．模具工業(yè)，2009，35(4)：27-29．

[7] 牟紅霞．模具材料的發(fā)展與動向[J]．現(xiàn)代制造技術與裝備，2006(4)：83-84．

[8] 于波，王霆．模具用鋼及其展望[J]．模具技術，2008(5)：58-61．

責任編輯馬彤

TheHotPressingProcessandDieDesignofLarge-sizedLowerDeckMadeofSpecialSteel

CAI Xiaoqing，DU Deheng，F(xiàn)ENG Heyong，LI Hongwei，CHEN Yong，ZHANG Weihua，CHEN Donghong，HOU Jian

(Beijing North Vehicle Group Corporation，Beijing 100072，China)

The structure and punching process of the lower deck made by special steel were analyzed. The process program of hot pressing was determined. A compound die with hot bending-beading processes was designed according to the deterministic process program. The design feature, working principle and design points of the compound die were introduced. The practical production showed that the structure of the die was rational, die operated stably, be installed, debugged, maintenance and repaired expediently, had high production efficiency, and the product produced by the die had good quality. The design method of the compound die had reference value to the hot pressing die of the similar parts.

special steel，lower deck，hot pressing，process program，hot bending，hot beading，compound die

TG 306

：B

蔡曉清(1964-)，女，高級工程師，主要從事壓力加工工藝研究。

2015-03-26