超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)及優(yōu)化

黃文強(qiáng)

摘 要：熱沖壓成形技術(shù)是高強(qiáng)度沖壓技術(shù)的主要制作方式，將提前加熱至奧氏體溫度以上的板料放到模具中，并在逐漸成型時(shí)進(jìn)行淬火，制作完成后，最終獲得的零件擁有超高強(qiáng)度，同時(shí)尺寸更加精準(zhǔn)。將這樣的零件應(yīng)用到汽車上，能夠提供更好的保障，降低車身質(zhì)量，提高汽車的抗沖擊和防撞性能。本文主要分析了超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，以拓展超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼板;熱沖壓成形;模具設(shè)計(jì);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TG385文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0054-03

Design and Optimization of Hot Stamping Die for Ultra

High Strength Steel Plate

HUANG Wenqiang

（Guangzhou Senior Technical School，Guangzhou Guangdong 510410）

Abstract： Hot stamping technology is the main production method of high-strength stamping technology， the sheet material heated to above the austenite temperature in advance is put into the mold and quenched during the gradual forming， after the production is completed， the final parts obtained have ultra-high strength and more precise dimensions. Applying such parts to automobiles can provide better protection， reduce the quality of the body， and improve the impact and collision resistance of the automobile. This paper mainly analyzed the hot stamping die design and optimization methods of ultra-high-strength steel plates to expand the application space of ultra-high-strength steel plates.

Keywords： high strength steel plate;hot stamping forming;mould design;optimize

超高強(qiáng)度鋼板具有緊密度較高的特點(diǎn)，在具體零件的使用中能夠起到有效降低其質(zhì)量同時(shí)確保強(qiáng)度的雙重作用。其在汽車零件的應(yīng)用上有極大的保障，能夠滿足汽車的安全性需求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)輕量化。而熱沖壓成形技術(shù)是制造高強(qiáng)度鋼板的主要技術(shù)，熱沖壓成形能夠保證鋼板生產(chǎn)的精準(zhǔn)性，同時(shí)提升高強(qiáng)度鋼板的質(zhì)量，它是汽車零部件生產(chǎn)的主要技術(shù)之一[1-2]。目前，我國(guó)專門針對(duì)高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)研究較少，因此有必要對(duì)該技術(shù)展開深入研究，進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中的運(yùn)用。

1 熱沖壓成形模具概況

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形模具的設(shè)計(jì)有不同的要求，包括模具冷卻能力、模具成形能力、模具定位裝置的準(zhǔn)備等，不同環(huán)節(jié)對(duì)熱沖壓成形有不同的影響。在具體的模具設(shè)計(jì)中，成形和冷卻能力的要求較高，因此應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注模具選擇，保證零部件的正常運(yùn)行效果。除此之外，模具結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)更加簡(jiǎn)化和緊湊，在有效節(jié)約成本的同時(shí)，還要考慮成型模具的后期維護(hù)費(fèi)用。

熱沖壓模具設(shè)計(jì)涉及的范圍廣泛。首先是凹凸模型角的設(shè)計(jì)，該部件的大小一般受到拉伸件的影響，拉伸件對(duì)熱沖壓的拉裂會(huì)造成一定影響。在鍛造過(guò)程中，凹凸模板的間隙是為了強(qiáng)化板料和模具之間的關(guān)系，使其連接更加緊密，如果模具間隙出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)對(duì)模具的冷卻和形成造成一定影響。

同時(shí)也要關(guān)注拉伸筋和延邊圈的形成和作業(yè)內(nèi)容，這兩種零件的設(shè)計(jì)是否良好對(duì)工藝成形有重要的影響，因此要根據(jù)具體參數(shù)對(duì)以上兩種零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)不匹配的情況[3]。

在熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)中，必須設(shè)置冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Τ邚?qiáng)度模板的板料和模具起到有效的冷卻作用。在超高強(qiáng)度熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)中，冷卻系統(tǒng)對(duì)于冷卻均勻性和模具機(jī)械強(qiáng)度有較高的要求，而這些通過(guò)冷卻結(jié)構(gòu)的選擇可以實(shí)現(xiàn)。其中，模具尺寸、強(qiáng)度等都能通過(guò)結(jié)構(gòu)選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而保證冷卻系統(tǒng)發(fā)揮最大效果，滿足零件成形要求[4]。

2 熱沖壓模具成形的要求

2.1 熱沖壓超高強(qiáng)度鋼板要求

熱沖壓模具成形對(duì)超高強(qiáng)度鋼板的要求較高。在熱沖壓工藝的制作過(guò)程中，一般要對(duì)板料進(jìn)行高強(qiáng)度加熱，使之達(dá)到結(jié)晶狀態(tài)，再進(jìn)行沖壓成形設(shè)計(jì)，之后需要靜置一段時(shí)間，使零件的形狀和尺寸穩(wěn)定。這個(gè)過(guò)程對(duì)板料的要求極高，為了防止材料強(qiáng)度降低，在加熱的同時(shí)要進(jìn)行淬火，從而獲得超高強(qiáng)度的鋼構(gòu)件[5]。在整個(gè)工藝的成形過(guò)程中，由于在熱沖壓的同時(shí)要進(jìn)行淬火處理，因此所選鋼板必須經(jīng)受熱沖壓過(guò)程中的熱循環(huán)。不僅如此，鋼板被加熱到結(jié)晶狀態(tài)時(shí)，流動(dòng)空氣會(huì)導(dǎo)致鋼板表面出現(xiàn)氧化和脫落，對(duì)鋼板強(qiáng)度造成影響，因此熱沖壓模具成形要求超高強(qiáng)度鋼板必須具備耐腐蝕性和抗高溫性。

2.2 熱沖壓成形模具要求

成形模具對(duì)材料的選擇和冷卻系統(tǒng)的設(shè)置都有較高的要求。首先要對(duì)不同模具材料進(jìn)行選擇。超高強(qiáng)度鋼板要具有抗高溫性和耐腐蝕性，同時(shí)能夠抵抗強(qiáng)摩擦和高溫，減少模具表面的磨損效應(yīng)[6]。

其次是對(duì)模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的一環(huán)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)置，滿足熱沖壓過(guò)程中同時(shí)淬火與批量生產(chǎn)的要求。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足零件冷卻速度要求，同時(shí)保證零件強(qiáng)度，能夠迅速帶走每次高強(qiáng)度熱沖壓加工后的熱量，使模具溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，避免加工溫度和表面溫度不同步，以確保超高強(qiáng)度熱沖壓成形模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和加工質(zhì)量。

3 熱沖壓成形模具的研究

3.1 超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)針對(duì)超高強(qiáng)度熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)的研究較少，熱沖壓成形鋼板蘊(yùn)含相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)成分，詳情如表1所示。經(jīng)過(guò)熱處理和淬火后，鋼板材料的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生極大的變化，其力學(xué)特性的表現(xiàn)尤為突出，強(qiáng)度會(huì)有所增加，詳情如表2所示[7]。

3.2 超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)研究

在汽車制造工業(yè)領(lǐng)域，為了達(dá)到環(huán)保和減重的目的，各個(gè)鋼鐵公司和汽車制造廠商開始進(jìn)行熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)的研究。目前，針對(duì)該技術(shù)的研究較少，從能夠獲取的相關(guān)資料和報(bào)道來(lái)看，熱沖壓成形模具的形成需要同時(shí)兼具成形與淬火工藝，所以其研究應(yīng)當(dāng)聚焦于以下方面。

首先，對(duì)超高強(qiáng)度鋼板的連續(xù)加工特性和高溫流動(dòng)性進(jìn)行研究，超高強(qiáng)度鋼板的連續(xù)冷卻加工是熱沖壓工藝的基礎(chǔ)。期間可以采用熱膨脹和淬火工藝進(jìn)行加工，同時(shí)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，獲取鋼板在高溫下的流動(dòng)性[8]。

其次，通過(guò)數(shù)值模擬研究熱沖壓成形過(guò)程，并分析各個(gè)參數(shù)的相互影響。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多尺度計(jì)算方法已經(jīng)逐漸得到廣泛應(yīng)用，成為研究塑性變形的主要方法之一[9-12]。最后，研究熱沖壓成形過(guò)程中材料組織變化情況，預(yù)測(cè)熱沖壓部件的最終強(qiáng)度和性能。產(chǎn)品的內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)是決定產(chǎn)品最終性能的重要因素，人們可以通過(guò)研究熱沖壓過(guò)程中的奧氏體分解和組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)并控制產(chǎn)品最終的分布和強(qiáng)度性能。不僅如此，還要研究超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形試驗(yàn)。研究試驗(yàn)是最為直觀、簡(jiǎn)單的方式，在熱沖壓成形工藝分析的基礎(chǔ)上，該試驗(yàn)?zāi)軌颢@得材料在高溫下的成形性能，以便制造熱沖壓模具來(lái)制備熱沖壓零件，并通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化熱沖壓工藝[13-14]。

4 熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 材料成形溫度和降溫速率的關(guān)系

在熱沖壓成形技術(shù)中，材料成形溫度和降溫速率是研究模具力學(xué)性質(zhì)的重要影響因素，會(huì)影響超高強(qiáng)度鋼板成形模具設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬效果。鋼板材料熱沖壓過(guò)程涉及力學(xué)和傳熱，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變曲線，人們可以得到更為合理的關(guān)系，但是在超高強(qiáng)度鋼板的成形過(guò)程中，鋼板材料降溫速度不同，應(yīng)力和應(yīng)變曲線也會(huì)有所不同，因此人們可以改變條件，獲得更加合理的本構(gòu)關(guān)系[15-17]。

4.2 材料成形溫度和降溫速率的極限

鋼板材料處于彎曲狀態(tài)時(shí)，熱沖壓占據(jù)有利地位，彈性變形會(huì)減少。但是，在對(duì)復(fù)雜部位進(jìn)行加工時(shí)，人們需要選擇多種加工程序，清楚掌握材料在高溫下成形的極限。變形不僅與溫度有關(guān)，其沖頭下降和鋼板氧化還會(huì)產(chǎn)生復(fù)合影響[18-19]。

4.3 熱沖壓零件的質(zhì)量控制

熱沖壓零件的最終質(zhì)量控制既受到宏觀工藝條件的影響，又跟材料微觀組織變化相關(guān)。一方面，沖壓過(guò)程的不均勻性會(huì)直接導(dǎo)致最終零件性能的不均勻;另一方面，控制沖壓作業(yè)線的節(jié)拍與零件的最終性能呈對(duì)立關(guān)系。如果在沖壓零件沒(méi)有充分冷卻時(shí)就將其取出，制品的硬度和精度都會(huì)下降，因此，針對(duì)不同零件，在進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制時(shí)，要改進(jìn)冷卻溝槽的布置，提高模具冷卻速度，同時(shí)要保證零件均勻降溫，從而實(shí)現(xiàn)熱沖壓零件的質(zhì)量控制。

5 熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)化

諸多因素會(huì)影響熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。模具優(yōu)化的重點(diǎn)是模具間隙和凹、凸模圓角半徑，熱沖壓成形中，板料成形和淬火會(huì)受到模具間隙的影響，減小模具間隙能夠促進(jìn)模具和板料傳熱，然而，板料需要承擔(dān)更大的應(yīng)力和應(yīng)變壓力，變得更薄[13-14]。因此，熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)提前設(shè)置模具間隙，促進(jìn)模具成形和淬火。在熱沖壓成形過(guò)程中，凹、凸模圓角半徑有助于模具冷卻，降低板料內(nèi)部應(yīng)力。因此，在進(jìn)行圓角半徑設(shè)計(jì)時(shí)，人們需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，而并不能盲目執(zhí)行相關(guān)規(guī)定。

冷卻系統(tǒng)可以按照水流速度，對(duì)小直徑冷卻管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證冷卻效果。但是，較小的冷卻管道直徑使得冷卻管道的數(shù)量和制造成本有所增加，極大地提升了制造成本，因此，人們需要根據(jù)具體情況進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，使冷卻系統(tǒng)發(fā)揮最大價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

熱沖壓作為制造超高強(qiáng)度鋼板材料的主要技術(shù)，其能夠有效降低車身重量，提高安全效果。該技術(shù)在全球的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因此，本文重點(diǎn)分析了熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)技術(shù)，以進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，提高高強(qiáng)度鋼板材料的生產(chǎn)水平。

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