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

石揚(yáng) 王洪 劉剛 蔣志堅(jiān) 項(xiàng)祖認(rèn)

摘要：本文首先對(duì)超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝原理、分類和特點(diǎn)簡(jiǎn)要分析，然后闡述超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具及其工作部件和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，最后通過(guò)超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具數(shù)值模擬，分別對(duì)模具工作部件和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼板;熱沖壓成形模具;設(shè)計(jì)思路;優(yōu)化措施

引言：

隨著汽車制造行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，車身輕量化成為節(jié)能減排的主要方法，據(jù)相關(guān)研究報(bào)告表明汽車重量減少1/10，則汽車燃油消耗可以減少5%左右[1]。但是不能在減輕汽車車身重量的同時(shí)，降低車身結(jié)構(gòu)的硬度性能，因此超高強(qiáng)度鋼板的采用是非常必要的。

一、超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝分析

（一）熱沖壓成形工藝原理

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝指的是指將金屬板料加熱到一定的溫度下再對(duì)其進(jìn)行成形的加工方法。如果金屬板料加熱溫度沒(méi)有達(dá)到結(jié)晶溫度則屬于溫沖壓成形工藝技術(shù)，只有將金屬板料溫度加熱到結(jié)晶溫度以上才屬于熱沖壓成形工藝技術(shù)。當(dāng)金屬板料溫度加熱到結(jié)晶溫度以上并保溫一段時(shí)間即可讓板料完全奧氏體化，然后使用熱沖壓模具即可使板料快速成型，最后通過(guò)冷卻裝置進(jìn)行淬火使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，即可提高板料成形后的強(qiáng)度和精度[2]。

（二）熱沖壓成形工藝分類

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝可以分為直接成形工藝和間接成型工藝，直接成形工藝即在熱沖壓成形工藝原理下直接將板料制成對(duì)應(yīng)精度和強(qiáng)度的零件;間接成型工藝是將熱沖壓成形工藝和板料預(yù)成形工藝相結(jié)合，在熱沖壓之前先讓板料在冷成形模具中預(yù)成形。直接成形工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是只能生產(chǎn)一些形狀簡(jiǎn)單的高精度、高硬度零件。而間接成型工藝的缺點(diǎn)是工藝流程復(fù)雜，但是可以生產(chǎn)一些形狀復(fù)雜的高精度、高硬度零件[3]。

（三）熱沖壓成形工藝優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)板料成形工藝為冷沖壓成形工藝技術(shù)，該技術(shù)與熱沖壓成形工藝技術(shù)相比存在諸多缺點(diǎn)，因此在某些領(lǐng)域逐漸被熱沖壓成形工藝技術(shù)所取代。超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝的優(yōu)點(diǎn)主要包括零件強(qiáng)度高、撞擊力承受能力更強(qiáng)、熱量吸收能力更強(qiáng)、減重潛力大、塑性好、延展性強(qiáng)、變形抗力小、精度高、能耗低、成形回彈小等[4]。

二、超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)要求

（一）熱沖壓成形模具

超高強(qiáng)度鋼板指的是抗拉強(qiáng)度大于700MPa的鋼板，其熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在成形能力、冷卻能力、塑性能力、安全性、結(jié)構(gòu)等方面。超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具必須能在高溫下成形是為了降低熱膨脹等高溫因素對(duì)板料質(zhì)量和精度的影響，冷卻能力強(qiáng)是為了保證板料能夠從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、提高熱沖壓成形模具的連續(xù)生產(chǎn)能力和模具使用壽命，塑性能力強(qiáng)是為了保證板料定位精準(zhǔn)、降低溫度對(duì)成形能力的影響，安全性強(qiáng)是為了保證鋼板生產(chǎn)人員的生命安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔是為了規(guī)避熱沖壓成形工藝的缺陷[5]。

（二）熱沖壓成形模具工作部件

1.凸凹模圓角半徑

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具存在多個(gè)圓角，這些凸凹模圓角半徑必須嚴(yán)格規(guī)范，否則必然會(huì)對(duì)熱沖壓件的質(zhì)量造成影響，甚至?xí)?dǎo)致拉裂問(wèn)題的出現(xiàn)。如果超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具凹模圓角半徑過(guò)小，則板料彎曲變形風(fēng)險(xiǎn)變大、危險(xiǎn)斷面強(qiáng)度下降，板料側(cè)壁拉應(yīng)力增加，變形阻力加大，模具壽命下降，容易出現(xiàn)安全事故;如果超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具凹模圓角半徑過(guò)大，則凸凹模圓角強(qiáng)度下降。因此凸模圓角半徑應(yīng)該與內(nèi)側(cè)彎曲圓角半徑保持一致，而凹模圓角半徑應(yīng)該稍大于外側(cè)彎曲圓角[6]。

2.凸凹模間隙

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具凸凹模間隙設(shè)計(jì)要求與模具與板料的接觸和摩擦情況具有直接關(guān)系。凸凹模間隙過(guò)大則傳熱效果會(huì)受到影響，板料與模具傳熱效果下降冷卻效果也會(huì)下降，最終對(duì)熱沖壓成形模具的使用壽命會(huì)造成一定影響，因此凸凹模間隙不能過(guò)大。凸凹模間隙過(guò)小則模具與板料之間的摩擦較大，此時(shí)板料流動(dòng)情況受阻，超高強(qiáng)度鋼板的表面質(zhì)量會(huì)受到影響，長(zhǎng)此以往模具本身的精度也會(huì)隨之下降，因此凸凹模間隙不能過(guò)小[7]。

3.拉延筋

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具拉延筋是一種為增加拉伸時(shí)板料流動(dòng)阻力而設(shè)置在模具上的一種東西，其目的是增大進(jìn)料阻力、防止板料進(jìn)入過(guò)多導(dǎo)致鋼板表面質(zhì)量下降或者模具精度下降，防止模具工作部件開裂或者起皺。但是并不是所有模具都需要設(shè)置拉延筋，生產(chǎn)一些形狀簡(jiǎn)單的鋼板時(shí)即可不必使用拉延筋，熱沖壓成形工藝即可滿足其生產(chǎn)要求，而拉伸深度較深且圓角過(guò)渡緩和的零件可以使用拉伸方式提高板料質(zhì)量。只有拉伸深度較大或者形狀復(fù)雜的超高強(qiáng)度鋼板才需要使用拉延筋，如果拉伸深度較深則在淺的部位設(shè)置拉延筋即可[8]。

4.壓邊圈

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具壓邊圈的目的是防止工件口緣部分失穩(wěn)而起皺，在凹，凸模之間邊緣部分設(shè)置的圈形壓緊裝置則無(wú)需進(jìn)行潤(rùn)滑，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)用性強(qiáng)、能夠降低生產(chǎn)成本，壓邊圈的設(shè)計(jì)要求與拉延筋相同。

（三）熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)

1.冷卻系統(tǒng)

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在冷卻能力、冷卻均勻性、強(qiáng)度性能三個(gè)方面，冷卻能力強(qiáng)是為了保證熱沖壓成形模具的冷卻效率能夠讓板料迅速?gòu)膴W氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，防止產(chǎn)生貝氏體或者珠光體，這樣才能保證進(jìn)料速度和生產(chǎn)效率;冷卻均勻性強(qiáng)是為了保證超高強(qiáng)度鋼板各個(gè)位置溫度插件相同，防止超高強(qiáng)度鋼板組織受熱不均勻?qū)е掳辶暇群褪褂脡勖陆?強(qiáng)度性能強(qiáng)是為了保證熱沖壓成形模具是使用壽命和質(zhì)量不受影響，防止鉆孔之后熱沖壓成形模具的性能達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

2.冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻方式主要分為高壓氣體噴射冷卻或者內(nèi)置冷卻回路冷卻兩種方式。從冷卻速率方面來(lái)看高壓氣體噴射冷卻方式的效果更加出色，但是該冷卻方式流程繁瑣、成本高、設(shè)備貴、實(shí)用性較低，適合實(shí)驗(yàn)室研究;而內(nèi)置冷卻回路冷卻方式主要原材料為水介質(zhì)，在成本和實(shí)用性方面均比較強(qiáng)。因此內(nèi)置冷卻回路冷卻方式使用較為普遍，該熱沖壓成形模具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻管道、冷卻回路三部分組成，冷卻管道在模具外部，冷卻回路在模具內(nèi)部[10]。

3.冷卻管道

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻管道開設(shè)方式主要分為鑄造、鉆孔、鑲拼三種類型，鑄造冷卻管道開設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、密封性強(qiáng)、冷卻均勻性強(qiáng)，缺點(diǎn)是冷卻效果相對(duì)較差、維修難度比較高、生產(chǎn)難度大;鉆孔冷卻管道開設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)是維修難度低、冷卻效果相對(duì)較強(qiáng)、生產(chǎn)加工簡(jiǎn)單、密封性強(qiáng)，其缺點(diǎn)是彎曲部位的冷卻效果與其他部位存在較大差距;鑲拼冷卻管道開設(shè)方式的優(yōu)點(diǎn)是冷卻均勻性強(qiáng)、冷卻效果強(qiáng)，缺點(diǎn)是冷卻管道的開設(shè)會(huì)導(dǎo)致模具強(qiáng)度和密封性下降。因此冷卻管道鑄造、鉆孔、鑲拼三種類型優(yōu)缺點(diǎn)各有不同，實(shí)際情況下如何選擇冷卻管道開設(shè)方式還需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻管道設(shè)計(jì)過(guò)程種必須保證管道所在截面的最小面積大于模具允許的臨界面積、凸凹模管道位置采用交錯(cuò)分布方式提高冷卻效果和冷卻均勻性、冷卻管道與凸凹圓角距離不能過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近、模具強(qiáng)度必須通過(guò)計(jì)算冷卻管道的截面最小面積與許用面積進(jìn)行校核、管道水流狀態(tài)必須通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)進(jìn)行校核、冷卻系統(tǒng)的冷卻效果和冷卻均勻性必須通過(guò)數(shù)值模擬分析進(jìn)行校核和優(yōu)化，這樣才能保證超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具的板料成型質(zhì)量。

三、超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

（一）數(shù)值模擬理論

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)數(shù)值模擬理論可以使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)熱形成熱力耦合情況、材料力學(xué)特征、材料熱學(xué)性能、相變對(duì)材料性能的影響、接觸傳熱、摩擦影響因素進(jìn)行模擬分析，查看熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)參數(shù)是否能夠進(jìn)一步優(yōu)化。

（二）模具工作部件設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具工作部件設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化可以根據(jù)ABAQUS有限元分析軟件分析模具間隙和凸凹模圓角半徑對(duì)模具和超高強(qiáng)度鋼板成型質(zhì)量的影響。模具間隙和凸凹模圓角半徑分別設(shè)置不同參數(shù)，然后在ABAQUS有限元分析軟件中設(shè)置沖壓成型和淬火時(shí)間、模具沖程，最后對(duì)模擬超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行拉伸和對(duì)稱處理，即可得到熱成形和淬火過(guò)程中模具的溫度變化情況。

1.模具間隙

根據(jù)不同模具間隙條件下板料溫度、應(yīng)力、應(yīng)變以及板料厚度的變化情況即可對(duì)模具間隙設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.凸凹模圓角半徑

同理，根據(jù)淬火結(jié)束后不同凸凹模圓角半徑下板料最高溫度的對(duì)比即可分析出板料溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，進(jìn)而可以判斷增加或者減小凸凹模圓角半徑對(duì)板料成型質(zhì)量提高有利。

（三）模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

同理，淬火完成后板料、模具的最大溫度差可知水流速度相同時(shí)冷卻管道直徑越小冷卻效果越出色、板料成型質(zhì)量越高。

結(jié)論：

綜上所述，超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)首先應(yīng)該了解模具本身的設(shè)計(jì)要求，然后結(jié)合凸凹模圓角半徑、凸凹模間隙、拉延筋、壓邊圈等模具工作部件和冷卻系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冷卻管道的設(shè)計(jì)要求，最后對(duì)模具間隙、凸凹模圓角半徑等工作部件和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即可提高板料成型質(zhì)量。

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