超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計及優化探討

石揚 王洪 劉剛 蔣志堅 項祖認

摘要：本文首先對超高強度鋼板的熱沖壓成形工藝原理、分類和特點簡要分析，然后闡述超高強度鋼板的熱沖壓成形模具及其工作部件和冷卻系統的設計要求，最后通過超高強度鋼板的熱沖壓成形模具數值模擬，分別對模具工作部件和冷卻系統的設計參數進行優化。

關鍵詞：超高強度鋼板;熱沖壓成形模具;設計思路;優化措施

引言：

隨著汽車制造行業的發展和進步，車身輕量化成為節能減排的主要方法，據相關研究報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，降低車身結構的硬度性能，因此超高強度鋼板的采用是非常必要的。

一、超高強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其進行成形的加工方法。如果金屬板料加熱溫度沒有達到結晶溫度則屬于溫沖壓成形工藝技術，只有將金屬板料溫度加熱到結晶溫度以上才屬于熱沖壓成形工藝技術。當金屬板料溫度加熱到結晶溫度以上并保溫一段時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，最后通過冷卻裝置進行淬火使其轉變為馬氏體組織，即可提高板料成形后的強度和精度[2]。

（二）熱沖壓成形工藝分類

超高強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應精度和強度的零件;間接成型工藝是將熱沖壓成形工藝和板料預成形工藝相結合，在熱沖壓之前先讓板料在冷成形模具中預成形。直接成形工藝的優點是工藝流程相對簡單，但是只能生產一些形狀簡單的高精度、高硬度零件。而間接成型工藝的缺點是工藝流程復雜，但是可以生產一些形狀復雜的高精度、高硬度零件[3]。

（三）熱沖壓成形工藝優點

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

二、超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計要求

（一）熱沖壓成形模具

超高強度鋼板指的是抗拉強度大于700MPa的鋼板，其熱沖壓成形模具設計要求主要體現在成形能力、冷卻能力、塑性能力、安全性、結構等方面。超高強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板料質量和精度的影響，冷卻能力強是為了保證板料能夠從奧氏體向馬氏體轉變、提高熱沖壓成形模具的連續生產能力和模具使用壽命，塑性能力強是為了保證板料定位精準、降低溫度對成形能力的影響，安全性強是為了保證鋼板生產人員的生命安全，結構簡潔是為了規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

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具存在多個圓角，這些凸凹模圓角半徑必須嚴格規范，否則必然會對熱沖壓件的質量造成影響，甚至會導致拉裂問題的出現。如果超高強度鋼板的熱沖壓成形模具凹模圓角半徑過小，則板料彎曲變形風險變大、危險斷面強度下降，板料側壁拉應力增加，變形阻力加大，模具壽命下降，容易出現安全事故;如果超高強度鋼板的熱沖壓成形模具凹模圓角半徑過大，則凸凹模圓角強度下降。因此凸模圓角半徑應該與內側彎曲圓角半徑保持一致，而凹模圓角半徑應該稍大于外側彎曲圓角[6]。

2.凸凹模間隙

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具凸凹模間隙設計要求與模具與板料的接觸和摩擦情況具有直接關系。凸凹模間隙過大則傳熱效果會受到影響，板料與模具傳熱效果下降冷卻效果也會下降，最終對熱沖壓成形模具的使用壽命會造成一定影響，因此凸凹模間隙不能過大。凸凹模間隙過小則模具與板料之間的摩擦較大，此時板料流動情況受阻，超高強度鋼板的表面質量會受到影響，長此以往模具本身的精度也會隨之下降，因此凸凹模間隙不能過小[7]。

3.拉延筋

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具拉延筋是一種為增加拉伸時板料流動阻力而設置在模具上的一種東西，其目的是增大進料阻力、防止板料進入過多導致鋼板表面質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置拉延筋，生產一些形狀簡單的鋼板時即可不必使用拉延筋，熱沖壓成形工藝即可滿足其生產要求，而拉伸深度較深且圓角過渡緩和的零件可以使用拉伸方式提高板料質量。只有拉伸深度較大或者形狀復雜的超高強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置拉延筋即可[8]。

4.壓邊圈

超高強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而起皺，在凹，凸模之間邊緣部分設置的圈形壓緊裝置則無需進行潤滑，其優點是實用性強、能夠降低生產成本，壓邊圈的設計要求與拉延筋相同。

（三）熱沖壓成形模具冷卻系統

1.冷卻系統

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻系統設計要求主要體現在冷卻能力、冷卻均勻性、強度性能三個方面，冷卻能力強是為了保證熱沖壓成形模具的冷卻效率能夠讓板料迅速從奧氏體向馬氏體轉變，防止產生貝氏體或者珠光體，這樣才能保證進料速度和生產效率;冷卻均勻性強是為了保證超高強度鋼板各個位置溫度插件相同，防止超高強度鋼板組織受熱不均勻導致板料精度和使用壽命下降;強度性能強是為了保證熱沖壓成形模具是使用壽命和質量不受影響，防止鉆孔之后熱沖壓成形模具的性能達不到相關標準[9]。

2.冷卻系統結構

超高強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置冷卻回路冷卻兩種方式。從冷卻速率方面來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、設備貴、實用性較低，適合實驗室研究;而內置冷卻回路冷卻方式主要原材料為水介質，在成本和實用性方面均比較強。因此內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結構主要由水循環系統、冷卻管道、冷卻回路三部分組成，冷卻管道在模具外部，冷卻回路在模具內部[10]。

3.冷卻管道

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻管道開設方式主要分為鑄造、鉆孔、鑲拼三種類型，鑄造冷卻管道開設方式的優點是強度高、密封性強、冷卻均勻性強，缺點是冷卻效果相對較差、維修難度比較高、生產難度大;鉆孔冷卻管道開設方式的優點是維修難度低、冷卻效果相對較強、生產加工簡單、密封性強，其缺點是彎曲部位的冷卻效果與其他部位存在較大差距;鑲拼冷卻管道開設方式的優點是冷卻均勻性強、冷卻效果強，缺點是冷卻管道的開設會導致模具強度和密封性下降。因此冷卻管道鑄造、鉆孔、鑲拼三種類型優缺點各有不同，實際情況下如何選擇冷卻管道開設方式還需要根據設計要求進行選擇。

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具冷卻管道設計過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遠或過近、模具強度必須通過計算冷卻管道的截面最小面積與許用面積進行校核、管道水流狀態必須通過計算雷諾數進行校核、冷卻系統的冷卻效果和冷卻均勻性必須通過數值模擬分析進行校核和優化，這樣才能保證超高強度鋼板的熱沖壓成形模具的板料成型質量。

三、超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計參數優化

（一）數值模擬理論

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計數值模擬理論可以使用ABAQUS有限元分析軟件對熱形成熱力耦合情況、材料力學特征、材料熱學性能、相變對材料性能的影響、接觸傳熱、摩擦影響因素進行模擬分析，查看熱沖壓成形模具設計參數是否能夠進一步優化。

（二）模具工作部件設計參數優化

超高強度鋼板的熱沖壓成形模具工作部件設計參數優化可以根據ABAQUS有限元分析軟件分析模具間隙和凸凹模圓角半徑對模具和超高強度鋼板成型質量的影響。模具間隙和凸凹模圓角半徑分別設置不同參數，然后在ABAQUS有限元分析軟件中設置沖壓成型和淬火時間、模具沖程，最后對模擬超高強度鋼板進行拉伸和對稱處理，即可得到熱成形和淬火過程中模具的溫度變化情況。

1.模具間隙

根據不同模具間隙條件下板料溫度、應力、應變以及板料厚度的變化情況即可對模具間隙設計參數進行優化。

2.凸凹模圓角半徑

同理，根據淬火結束后不同凸凹模圓角半徑下板料最高溫度的對比即可分析出板料溫度隨時間變化的趨勢，進而可以判斷增加或者減小凸凹模圓角半徑對板料成型質量提高有利。

（三）模具冷卻系統設計參數優化

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冷卻管道直徑越小冷卻效果越出色、板料成型質量越高。

結論：

綜上所述，超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計首先應該了解模具本身的設計要求，然后結合凸凹模圓角半徑、凸凹模間隙、拉延筋、壓邊圈等模具工作部件和冷卻系統、冷卻系統結構、冷卻管道的設計要求，最后對模具間隙、凸凹模圓角半徑等工作部件和冷卻系統設計參數進行優化，即可提高板料成型質量。

參考文獻：

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