超高强度钢板的热冲压成形模具设计及优化探讨

2021-11-20石扬王洪刘刚蒋志坚项祖认

油气·石油与天然气科学 2021年10期

关键词：设计思路优化措施

石扬王洪刘刚蒋志坚项祖认

摘要：本文首先对超高强度钢板的热冲压成形工艺原理、分类和特点简要分析，然后阐述超高强度钢板的热冲压成形模具及其工作部件和冷却系统的设计要求，最后通过超高强度钢板的热冲压成形模具数值模拟，分别对模具工作部件和冷却系统的设计参数进行优化。

关键词：超高强度钢板;热冲压成形模具;设计思路;优化措施

引言：

随着汽车制造行业的发展和进步，车身轻量化成为节能减排的主要方法，据相关研究报告表明汽车重量减少1/10，则汽车燃油消耗可以减少5%左右[1]。但是不能在减轻汽车车身重量的同时，降低车身结构的硬度性能，因此超高强度钢板的采用是非常必要的。

一、超高强度钢板的热冲压成形工艺分析

（一）热冲压成形工艺原理

超高强度钢板的热冲压成形工艺指的是指将金属板料加热到一定的温度下再对其进行成形的加工方法。如果金属板料加热温度没有达到结晶温度则属于温冲压成形工艺技术，只有将金属板料温度加热到结晶温度以上才属于热冲压成形工艺技术。当金属板料温度加热到结晶温度以上并保温一段时间即可让板料完全奥氏体化，然后使用热冲压模具即可使板料快速成型，最后通过冷却装置进行淬火使其转变为马氏体组织，即可提高板料成形后的强度和精度[2]。

（二）热冲压成形工艺分类

超高强度钢板的热冲压成形工艺可以分为直接成形工艺和间接成型工艺，直接成形工艺即在热冲压成形工艺原理下直接将板料制成对应精度和强度的零件;间接成型工艺是将热冲压成形工艺和板料预成形工艺相结合，在热冲压之前先让板料在冷成形模具中预成形。直接成形工艺的优点是工艺流程相对简单，但是只能生产一些形状简单的高精度、高硬度零件。而间接成型工艺的缺点是工艺流程复杂，但是可以生产一些形状复杂的高精度、高硬度零件[3]。

（三）热冲压成形工艺优点

传统板料成形工艺为冷冲压成形工艺技术，该技术与热冲压成形工艺技术相比存在诸多缺点，因此在某些领域逐渐被热冲压成形工艺技术所取代。超高强度钢板的热冲压成形工艺的优点主要包括零件强度高、撞击力承受能力更强、热量吸收能力更强、减重潜力大、塑性好、延展性强、变形抗力小、精度高、能耗低、成形回弹小等[4]。

二、超高强度钢板的热冲压成形模具设计要求

（一）热冲压成形模具

超高强度钢板指的是抗拉强度大于700MPa的钢板，其热冲压成形模具设计要求主要体现在成形能力、冷却能力、塑性能力、安全性、结构等方面。超高强度钢板的热冲压成形模具必须能在高温下成形是为了降低热膨胀等高温因素对板料质量和精度的影响，冷却能力强是为了保证板料能够从奥氏体向马氏体转变、提高热冲压成形模具的连续生产能力和模具使用寿命，塑性能力强是为了保证板料定位精准、降低温度对成形能力的影响，安全性强是为了保证钢板生产人员的生命安全，结构简洁是为了规避热冲压成形工艺的缺陷[5]。

（二）热冲压成形模具工作部件

1.凸凹模圆角半径

超高强度钢板的热冲压成形模具存在多个圆角，这些凸凹模圆角半径必须严格规范，否则必然会对热冲压件的质量造成影响，甚至会导致拉裂问题的出现。如果超高强度钢板的热冲压成形模具凹模圆角半径过小，则板料弯曲变形风险变大、危险断面强度下降，板料侧壁拉应力增加，变形阻力加大，模具寿命下降，容易出现安全事故;如果超高强度钢板的热冲压成形模具凹模圆角半径过大，则凸凹模圆角强度下降。因此凸模圆角半径应该与内侧弯曲圆角半径保持一致，而凹模圆角半径应该稍大于外侧弯曲圆角[6]。

2.凸凹模间隙

超高强度钢板的热冲压成形模具凸凹模间隙设计要求与模具与板料的接触和摩擦情况具有直接关系。凸凹模间隙过大则传热效果会受到影响，板料与模具传热效果下降冷卻效果也会下降，最终对热冲压成形模具的使用寿命会造成一定影响，因此凸凹模间隙不能过大。凸凹模间隙过小则模具与板料之间的摩擦较大，此时板料流动情况受阻，超高强度钢板的表面质量会受到影响，长此以往模具本身的精度也会随之下降，因此凸凹模间隙不能过小[7]。

3.拉延筋

超高强度钢板的热冲压成形模具拉延筋是一种为增加拉伸时板料流动阻力而设置在模具上的一种东西，其目的是增大进料阻力、防止板料进入过多导致钢板表面质量下降或者模具精度下降，防止模具工作部件开裂或者起皱。但是并不是所有模具都需要设置拉延筋，生产一些形状简单的钢板时即可不必使用拉延筋，热冲压成形工艺即可满足其生产要求，而拉伸深度较深且圆角过渡缓和的零件可以使用拉伸方式提高板料质量。只有拉伸深度较大或者形状复杂的超高强度钢板才需要使用拉延筋，如果拉伸深度较深则在浅的部位设置拉延筋即可[8]。

4.压边圈

超高强度钢板的热冲压成形模具压边圈的目的是防止工件口缘部分失稳而起皱，在凹，凸模之间边缘部分设置的圈形压紧装置则无需进行润滑，其优点是实用性强、能够降低生产成本，压边圈的设计要求与拉延筋相同。

（三）热冲压成形模具冷却系统

1.冷却系统

超高强度钢板的热冲压成形模具冷却系统设计要求主要体现在冷却能力、冷却均匀性、强度性能三个方面，冷却能力强是为了保证热冲压成形模具的冷却效率能够让板料迅速从奥氏体向马氏体转变，防止产生贝氏体或者珠光体，这样才能保证进料速度和生产效率;冷却均匀性强是为了保证超高强度钢板各个位置温度插件相同，防止超高强度钢板组织受热不均匀导致板料精度和使用寿命下降;强度性能强是为了保证热冲压成形模具是使用寿命和质量不受影响，防止钻孔之后热冲压成形模具的性能达不到相关标准[9]。

2.冷却系统结构

超高强度钢板的热冲压成形模具冷却方式主要分为高压气体喷射冷却或者内置冷却回路冷却两种方式。从冷却速率方面来看高压气体喷射冷却方式的效果更加出色，但是该冷却方式流程繁琐、成本高、设备贵、实用性较低，适合实验室研究;而内置冷却回路冷却方式主要原材料为水介质，在成本和实用性方面均比较强。因此内置冷却回路冷却方式使用较为普遍，该热冲压成形模具系统结构主要由水循环系统、冷却管道、冷却回路三部分组成，冷却管道在模具外部，冷却回路在模具内部[10]。

3.冷却管道

超高强度钢板的热冲压成形模具冷却管道开设方式主要分为铸造、钻孔、镶拼三种类型，铸造冷却管道开设方式的优点是强度高、密封性强、冷却均匀性强，缺点是冷却效果相对较差、维修难度比较高、生产难度大;钻孔冷却管道开设方式的优点是维修难度低、冷却效果相对较强、生产加工简单、密封性强，其缺点是弯曲部位的冷却效果与其他部位存在较大差距;镶拼冷却管道开设方式的优点是冷却均匀性强、冷却效果强，缺点是冷却管道的开设会导致模具强度和密封性下降。因此冷却管道铸造、钻孔、镶拼三种类型优缺点各有不同，实际情况下如何选择冷却管道开设方式还需要根据设计要求进行选择。

超高强度钢板的热冲压成形模具冷却管道设计过程种必须保证管道所在截面的最小面积大于模具允许的临界面积、凸凹模管道位置采用交错分布方式提高冷却效果和冷却均匀性、冷却管道与凸凹圆角距离不能过远或过近、模具强度必须通过计算冷却管道的截面最小面积与许用面积进行校核、管道水流状态必须通过计算雷诺数进行校核、冷却系统的冷却效果和冷却均匀性必须通过数值模拟分析进行校核和优化，这样才能保证超高强度钢板的热冲压成形模具的板料成型质量。

三、超高强度钢板的热冲压成形模具设计参数优化

（一）数值模拟理论

超高强度钢板的热冲压成形模具设计数值模拟理论可以使用ABAQUS有限元分析软件对热形成热力耦合情况、材料力学特征、材料热学性能、相变对材料性能的影响、接触传热、摩擦影响因素进行模拟分析，查看热冲压成形模具设计参数是否能够进一步优化。

（二）模具工作部件设计参数优化

超高强度钢板的热冲压成形模具工作部件设计参数优化可以根据ABAQUS有限元分析软件分析模具间隙和凸凹模圆角半径对模具和超高强度钢板成型质量的影响。模具间隙和凸凹模圆角半径分别设置不同参数，然后在ABAQUS有限元分析软件中设置冲压成型和淬火时间、模具冲程，最后对模拟超高强度钢板进行拉伸和对称处理，即可得到热成形和淬火过程中模具的温度变化情况。

1.模具間隙

根据不同模具间隙条件下板料温度、应力、应变以及板料厚度的变化情况即可对模具间隙设计参数进行优化。

2.凸凹模圆角半径

同理，根据淬火结束后不同凸凹模圆角半径下板料最高温度的对比即可分析出板料温度随时间变化的趋势，进而可以判断增加或者减小凸凹模圆角半径对板料成型质量提高有利。

（三）模具冷却系统设计参数优化

同理，淬火完成后板料、模具的最大温度差可知水流速度相同时冷却管道直径越小冷却效果越出色、板料成型质量越高。

结论：

综上所述，超高强度钢板的热冲压成形模具设计首先应该了解模具本身的设计要求，然后结合凸凹模圆角半径、凸凹模间隙、拉延筋、压边圈等模具工作部件和冷却系统、冷却系统结构、冷却管道的设计要求，最后对模具间隙、凸凹模圆角半径等工作部件和冷却系统设计参数进行优化，即可提高板料成型质量。

参考文献：

[1]郑朝辉，周彦君，蔡振雷.高性能微合金化热冲压成形模具用钢服役性能的影响[J].材料与冶金学报，2021，20（02）：136-143.

[2]杨志强. 汽车用Docol 1500 Bor钢热成形性能及其热冲压工艺研究[D].燕山大学，2020.

[3]许春龙.垫圈套裁冲压成形分析与模具结构设计[J].机械工程与自动化，2020（05）：102-103.