超高強度鋼板的熱沖壓成形模具設計及優化

黃文強

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

關鍵詞：超高強度鋼板;熱沖壓成形;模具設計;優化

中圖分類號：TG385文獻標識碼：A文章編號：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

超高強度鋼板具有緊密度較高的特點，在具體零件的使用中能夠起到有效降低其質量同時確保強度的雙重作用。其在汽車零件的應用上有極大的保障，能夠滿足汽車的安全性需求，同時能實現輕量化。而熱沖壓成形技術是制造高強度鋼板的主要技術，熱沖壓成形能夠保證鋼板生產的精準性，同時提升高強度鋼板的質量，它是汽車零部件生產的主要技術之一[1-2]。目前，我國專門針對高強度鋼板的熱沖壓成形技術研究較少，因此有必要對該技術展開深入研究，進一步促進該技術在工業發展中的運用。

1 熱沖壓成形模具概況

高強度鋼板熱沖壓成形模具的設計有不同的要求，包括模具冷卻能力、模具成形能力、模具定位裝置的準備等，不同環節對熱沖壓成形有不同的影響。在具體的模具設計中，成形和冷卻能力的要求較高，因此應當重點關注模具選擇，保證零部件的正常運行效果。除此之外，模具結構應當更加簡化和緊湊，在有效節約成本的同時，還要考慮成型模具的后期維護費用。

熱沖壓模具設計涉及的范圍廣泛。首先是凹凸模型角的設計，該部件的大小一般受到拉伸件的影響，拉伸件對熱沖壓的拉裂會造成一定影響。在鍛造過程中，凹凸模板的間隙是為了強化板料和模具之間的關系，使其連接更加緊密，如果模具間隙出現問題，會對模具的冷卻和形成造成一定影響。

同時也要關注拉伸筋和延邊圈的形成和作業內容，這兩種零件的設計是否良好對工藝成形有重要的影響，因此要根據具體參數對以上兩種零件進行設計，避免出現不匹配的情況[3]。

在熱沖壓成形模具設計中，必須設置冷卻系統。冷卻系統能夠對超高強度模板的板料和模具起到有效的冷卻作用。在超高強度熱沖壓成形模具設計中，冷卻系統對于冷卻均勻性和模具機械強度有較高的要求，而這些通過冷卻結構的選擇可以實現。其中，模具尺寸、強度等都能通過結構選擇來實現，從而保證冷卻系統發揮最大效果，滿足零件成形要求[4]。

2 熱沖壓模具成形的要求

2.1 熱沖壓超高強度鋼板要求

熱沖壓模具成形對超高強度鋼板的要求較高。在熱沖壓工藝的制作過程中，一般要對板料進行高強度加熱，使之達到結晶狀態，再進行沖壓成形設計，之后需要靜置一段時間，使零件的形狀和尺寸穩定。這個過程對板料的要求極高，為了防止材料強度降低，在加熱的同時要進行淬火，從而獲得超高強度的鋼構件[5]。在整個工藝的成形過程中，由于在熱沖壓的同時要進行淬火處理，因此所選鋼板必須經受熱沖壓過程中的熱循環。不僅如此，鋼板被加熱到結晶狀態時，流動空氣會導致鋼板表面出現氧化和脫落，對鋼板強度造成影響，因此熱沖壓模具成形要求超高強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

成形模具對材料的選擇和冷卻系統的設置都有較高的要求。首先要對不同模具材料進行選擇。超高強度鋼板要具有抗高溫性和耐腐蝕性，同時能夠抵抗強摩擦和高溫，減少模具表面的磨損效應[6]。

其次是對模具冷卻系統的設計。冷卻系統結構設計是模具設計中相當重要的一環，應當對其進行合理設置，滿足熱沖壓過程中同時淬火與批量生產的要求。冷卻系統設計要滿足零件冷卻速度要求，同時保證零件強度，能夠迅速帶走每次高強度熱沖壓加工后的熱量，使模具溫度達到平衡狀態，避免加工溫度和表面溫度不同步，以確保超高強度熱沖壓成形模具的設計質量和加工質量。

3 熱沖壓成形模具的研究

3.1 超高強度鋼板熱沖壓研究現狀

目前，我國針對超高強度熱沖壓成形模具設計的研究較少，熱沖壓成形鋼板蘊含相當復雜的化學成分，詳情如表1所示。經過熱處理和淬火后，鋼板材料的力學性能會發生極大的變化，其力學特性的表現尤為突出，強度會有所增加，詳情如表2所示[7]。

3.2 超高強度鋼板熱沖壓技術研究

在汽車制造工業領域，為了達到環保和減重的目的，各個鋼鐵公司和汽車制造廠商開始進行熱沖壓成形模具設計的研究。目前，針對該技術的研究較少，從能夠獲取的相關資料和報道來看，熱沖壓成形模具的形成需要同時兼具成形與淬火工藝，所以其研究應當聚焦于以下方面。

首先，對超高強度鋼板的連續加工特性和高溫流動性進行研究，超高強度鋼板的連續冷卻加工是熱沖壓工藝的基礎。期間可以采用熱膨脹和淬火工藝進行加工，同時通過模擬實驗，獲取鋼板在高溫下的流動性[8]。

其次，通過數值模擬研究熱沖壓成形過程，并分析各個參數的相互影響。隨著我國科學技術的發展，多尺度計算方法已經逐漸得到廣泛應用，成為研究塑性變形的主要方法之一[9-12]。最后，研究熱沖壓成形過程中材料組織變化情況，預測熱沖壓部件的最終強度和性能。產品的內部微觀組織結構是決定產品最終性能的重要因素，人們可以通過研究熱沖壓過程中的奧氏體分解和組織轉變，預測并控制產品最終的分布和強度性能。不僅如此，還要研究超高強度鋼板熱沖壓成形試驗。研究試驗是最為直觀、簡單的方式，在熱沖壓成形工藝分析的基礎上，該試驗能夠獲得材料在高溫下的成形性能，以便制造熱沖壓模具來制備熱沖壓零件，并通過調節工藝參數優化熱沖壓工藝[13-14]。

4 熱沖壓成形模具設計技術的關鍵問題

4.1 材料成形溫度和降溫速率的關系

在熱沖壓成形技術中，材料成形溫度和降溫速率是研究模具力學性質的重要影響因素，會影響超高強度鋼板成形模具設計的計算機模擬效果。鋼板材料熱沖壓過程涉及力學和傳熱，根據應力和應變曲線，人們可以得到更為合理的關系，但是在超高強度鋼板的成形過程中，鋼板材料降溫速度不同，應力和應變曲線也會有所不同，因此人們可以改變條件，獲得更加合理的本構關系[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時，熱沖壓占據有利地位，彈性變形會減少。但是，在對復雜部位進行加工時，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，其沖頭下降和鋼板氧化還會產生復合影響[18-19]。

4.3 熱沖壓零件的質量控制

熱沖壓零件的最終質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。一方面，沖壓過程的不均勻性會直接導致最終零件性能的不均勻;另一方面，控制沖壓作業線的節拍與零件的最終性能呈對立關系。如果在沖壓零件沒有充分冷卻時就將其取出，制品的硬度和精度都會下降，因此，針對不同零件，在進行冷卻設計和質量控制時，要改進冷卻溝槽的布置，提高模具冷卻速度，同時要保證零件均勻降溫，從而實現熱沖壓零件的質量控制。

5 熱沖壓成形模具設計技術的優化

諸多因素會影響熱沖壓成形模具設計，需要對其進行優化。模具優化的重點是模具間隙和凹、凸模圓角半徑，熱沖壓成形中，板料成形和淬火會受到模具間隙的影響，減小模具間隙能夠促進模具和板料傳熱，然而，板料需要承擔更大的應力和應變壓力，變得更薄[13-14]。因此，熱沖壓成形模具設計應當提前設置模具間隙，促進模具成形和淬火。在熱沖壓成形過程中，凹、凸模圓角半徑有助于模具冷卻，降低板料內部應力。因此，在進行圓角半徑設計時，人們需要根據實際情況對模具進行設計，而并不能盲目執行相關規定。

冷卻系統可以按照水流速度，對小直徑冷卻管道進行優化設計，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，人們需要根據具體情況進行模具設計，使冷卻系統發揮最大價值。

6 結語

熱沖壓作為制造超高強度鋼板材料的主要技術，其能夠有效降低車身重量，提高安全效果。該技術在全球的應用相當廣泛。因此，本文重點分析了熱沖壓成形模具設計技術，以進一步促進我國相關技術的發展，提高高強度鋼板材料的生產水平。

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