高強度鋼板熱沖壓水冷模具設計分析

潘毅

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

高強度鋼板熱沖壓水冷模具設計分析

潘毅

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

在高強度鋼板加工活動中，使用熱沖壓水冷模具設計與處理工藝，有利于提升零部件加工效率。鋼板沖壓水冷的方式需要考慮材料的屈服強度和抗拉強度，采用科學的加工方法，滿足鋼板的使用效果需要。在模具設計中技術人員應該確定初始穩定場和沖壓時對應的速度場，確保材料變形程度達到設計要求。本文從高強度鋼板材料加工的技術重點進行分析，提出幾點有利于提升模具設計科學性的可行性建議。

高強度；鋼板模具；熱沖壓水冷；設計要點

1 高強度鋼板熱沖壓水冷模具工作部分的設計介紹

1.1 傳統凹、凸模具工程出圖設計

高強度鋼材的模具設計應該按照熱沖壓水冷的常用處理方法進行，按照熱沖壓鋼板的變形特點，進行模型凹凸區域的協調變形設計，有利于提升模具結構沖壓處理中的熱適應性。

模具基本機構設計以凹模與凸模的契合設計為主，選擇強度為 120 ～ 140MPa 的普通鋼板作為凹模底座，并且由 180 ～ 240MPa 高強度鋼板作為凸模板對整體結構進行磨削處理。傳統的水冷模具設計上考慮機床沖壓作業中的穩定性問題，其彎曲變形區域為開口向上的“V”字形，符合機床加工作業中的重力分布特點。在高強度鋼板熱沖壓水冷模具設計處理中，產品設計應該滿足工程出圖的需要，根據鋼板熱沖壓水冷特點，進行模具設計工程出圖。高強度鋼板沖壓加工的難度比較大，為了確保鋼板材料切削加工效率穩步提升，技術人員應該做好模具母體參數的分析工作，努力提升產品設計能力。

1.2 創新型模具的協調變形設計

新型的冷成型改進模具設計在模型上方增加了壓邊圈，確保熱沖壓水冷模具在彎曲變形中不出現無規則變形問題。用它來處理 260 ～ 300MPa 的超高強度鋼板與 320 ～ 420MPa 特高強度鋼板的沖壓作業，能夠收獲良好的沖擊性能。新型的冷改進模具設計方法中凹模與凸模的彎曲變形區呈“Z”形，其變形量更加均勻。

新型的沖壓水冷模具設計強化了對于壓邊圈的使用和設計，確保高強度鋼板在沖壓處理時不出現滾動和不協調變形現象。熱成型水冷模具設計中，其不同沖壓區域的受力分析更加細化。凹模與凸模之間的彎曲變形為不規則形態，貼合了凹模與凸模在沖壓中的變形軌跡，高強度鋼板在加工作業中呈現出協調變形的特點。根據模具最終裝配之后的狀態進行模型試驗，做好產品品質的檢驗工作，對于試模不合格的水冷模具應該進行返修處理。在鋼板沖壓水冷加工活動中，工廠設計人員應該考慮到水冷模具內沖壓和淬火的技術難點，努力提升產品設計能力和模具設計能力。從保障模具制造加工工藝提升的角度出發，提升技術人員的機械加工能力和數控加工水平。在模具裝配環節中，根據當前數控加工機床作業的特點，進行鉗工操作方法的再調試作業。為了提高鋼板模具成型設計質量，技術人員應該做好模具調試安裝的細節管理工作，提升生產線中模具產品質量檢驗的準確性，對于大小不合格的部分進行切削處理。

2 高強度鋼板熱沖壓水冷模具溫度控制

2.1 前期階段的溫度控制設計

在前期準備階段，技術人員應該根據鋼板的加工要求進行裁板樣式的選擇，在落料階段控制好始鍛溫度和終鍛溫度，認真做好加熱處理。

將常見的高合金鋼鍛造溫度控制在合理的范圍之內，其中，鋼號 Cr12 的材料其加熱溫度平均為1100～1150℃之間，在沖壓過程中根據成形要求控制好鍛造溫度。其中，始鍛溫度為 1050 ～ 1100℃之間，鋼材的終鍛溫度為 850 ～ 900℃之間。鋼號Cr12MoV 的材料其加熱溫度平均為一千度左右，在沖壓過程中根據成形要求控制好鍛造溫度,并且在沖壓成形之后對模具進行保壓定形處理。其中，始鍛溫度為 1000 ～ 1050℃之間，鋼材的終鍛溫度為840 ～ 880℃之間。鋼號 CrWMn 的合金材料性能比較特殊，在熱沖壓水冷處理中應該做好后續處理工作。其中，根據鋼板處理的模式特點，進行去氧化皮處理，并且根據激光切邊處理的情況進行防銹處理養護。在高強度鋼板沖壓模具設計中，技術人員應該按照工程出圖特點進行模具設計。在產品設計中分析后續的水冷沖壓處理方式的工序實施方法，對模具安裝的方法進行調試，從而做好模具返修處理工作。

2.2 水冷管道成形工藝分析

對高強度鋼板進行熱沖壓成型后水冷處理，需要嚴格按照鋼板水冷模具成形工藝流程進行加工。做好鋼板設計的前期準備工作，并且在沖壓過程中做好溫度控制的細節管理。根據高強度鋼板使用類型進行分析，在后續處理中對鋼板材進行二次加工，使其具備一定的使用價值。這種模具設計方法可以處理強度在 1000MPa 以上的熱成型鋼板材料，使其在熱沖壓水冷處理之后達到一定的屈服強度。這種模具設計中，技術人員更多地考慮不同加工作業區模型板塊的受力情況，在溫度的控制中，根據不同的模型設計特點，選擇鑲拼式冷卻管道和鉆孔式冷卻管道，確保高強度鋼板加工表面載荷作用分布合理。考慮到工業產品中鋼板的抗拉強度與伸長率之間的關系，防止在熱沖壓水冷作業中出現疲勞極限問題。熱沖壓水冷模具的系統設計對于加工效果影響較大，考慮 RDH 對穩定后模具最高溫度的影響，根據實際模具優化前后溫度分布的情況，進行模具設計方案的優化。

2.3 鋼板熱力耦合有限元分析

在高強度鋼板熱沖壓水冷模具設計中，技術人員應該做好鋼板材料熱力耦合有限元分析工作，計算鋼板熱沖壓中的速度場和溫度場的收斂情況，利用有限元分析流程計算溫度場第二近似值，從而計算出新的溫度場。

在模具設計的過程中，技術人員應該根據加工方式更新節點坐標和單元等效應變的相關參數。通過溫度有限元方程計算初始溫度率，使模具設計方案達到鋼板變形設計的需要。高強度鋼板熱沖壓濕冷模具的設計，需要根據設計要求合理進行抗拉強度選擇，考慮到零件的快速成型加工需求，滿足鋼板熱沖壓模具加工處理的要求。以 400 ～ 600MPa高強度模具沖壓成型工藝設計進行分析，在下料之后技術人員需要對熱沖壓的時間進行控制，將熱沖壓機床的連續加熱爐加熱到 AC3左右，使模具底板中的鋼材原料充分奧氏體化。如圖1，將預處理中的鋼板材料快速移動到沖壓機區域內，確保鋼板材料實現快速合模和成形，高強度鋼板保壓冷卻之后溫度保持在 100 ～ 200℃之間，確保熱沖壓成型之后模具內容物組織全部為馬氏體。

3 不同牌號高強度鋼材的模具分塊設計和參數控制

在高強度鋼板材料的熱沖壓加工成形處理中，混合材料隨室溫冷卻之后，技術人員可以采用激光處理的方法，對模具進行切邊和沖孔加工作業。

圖1 鋼板加工中熱傳導示意圖

在高強度鋼板模具設計中，技術人員應該考慮到不同牌號模具鋼材的綜合性能，根據鋼材的可塑性特點，選擇合適的鋼板沖壓加工方法。其中，ALVAR14 牌號的鋼材沖擊性能較低，數值為 2，延展性能數值為2，鋼材在流入后凹模之后的成形的方式為壓縮處理。這種牌號的鋼材抗回火性能數值僅為 1，熱強度數值為 1，HRC 數值為 40 ～ 47，在 400℃加工環境中熱導率數值為 30。綜合分析這種鋼材的性能較弱，可作為一般強度類鋼制零件的制造材料。QRO90SUPERME 類鋼材抗回火性能比較強數值為 5，其熱強度數值為 5，HRC 數值為 46～ 50 之間，熱膨脹率數值為 3，熱導率（400℃）數值為 33，材料的延展性數值為 2.5，材料的沖擊性能為 2.5，此種高強度的鋼板材料需要考慮回彈結果。根據沖壓水冷加工作業中不同料厚的特點，分析鋼板材料的屈服強度和抗拉強度，進行高強度鋼板的加工處理。如果采用裸板材料進行加工處理，可以采用噴丸處理的方式，去除零件表面一層的氧化皮，在高強度鋼板熱沖壓處理之后，沖裁模型受力狀態將會更加均勻。22MnB5 型號的鋼板材料在下料之后，經過充分的加熱處理之后，可以得到抗拉強度為 1500MPa 左右的零件。

4 結語

高強度鋼板熱沖壓水冷模具設計是一項系統性較強的工作，模具設計對于后期鋼板加工產品的成型質量有重要影響。它需要綜合計劃部、技術部和制造部、保障部、質量管理部門的協調配合作業，才能夠生產出符合數控機床作業要求的模板。技術部在產品建模中，應該做好前期的圖紙設計工作，并且要編制工單和零件表示，制定具體的工序工藝卡，在沖壓水冷模具設計中根據機加工及裝配的方式，做好外形加工、標準件精密磨削處理等，確保水冷模具成形質量較高。

[1]張永亮 ,李雪剛 ,張鑫 . 高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展 [J].汽車工藝與材料 ,2015,02:41-46+49.

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TG305

A

1671-0711（2017）03（下）-0085-02