汽車熱沖壓模具專利布局分析

摘要：利用專利分析方法，從專利申請態勢、地域分布、申請人等方面分析了汽車熱沖壓模具的專利布局，并以汽車B柱熱沖壓模具、汽車縱梁熱沖壓模具為例進行了重要專利的技術方案解讀，從專利視角，以宏觀、微觀兩個角度剖析汽車熱沖壓模具技術的發展現狀，為汽車熱沖壓模具技術領域后續研發創新方向提供參考。

關鍵詞：汽車熱沖壓 模具 專利分析

中圖分類號：U466；G306" " "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230281

The Patent Layout Analysis of Automotive Hot Stamping Dies

Abstract：" Using patent analysis methods， this paper analyzes the patent layout of automotive hot stamping dies from the perspectives of patent application trends， regional distribution， and applicants， and taking automotive B-pillar hot stamping dies and automotive longitudinal beam hot stamping dies as examples to interprets important patent technical solutions. From a patent perspective， this paper analyzes the development status of automotive hot stamping die technology from both macro and micro perspectives， and provides reference for subsequent research， development and innovation directions in the field of automotive hot stamping die technology.

Key words： Automotive hot stamping， Did， Patent analysis

1 前言

汽車熱沖壓成形是高強度鋼汽車零部件的關鍵制造技術，其核心制造技術集中在模具設計和沖壓工藝設計。

對于有定制性能要求的車身零部件，通過模具優化和適當的熱沖壓工藝可以實現其最優的晶相組織和力學性能分布。與冷沖壓模具相比，熱沖壓模具不僅用于成形，還用于零件冷卻淬火，使零部件得到良好的機械性能和尺寸精度[1]。熱沖壓模具在結構上擁有零件冷卻系統，該系統一般由外部冷卻液循環動力系統、模具內冷卻回路以及連接管道組成。很多熱沖壓件的形狀十分復雜，如汽車骨架，特殊的曲面設計導致沖壓模具需要制造出與其對應的形狀非常困難。

因此，如何做到模具表面質量好、耐熱沖擊、強度高、冷卻均勻且速度可控是熱沖壓模具設計的重點和難點。利用專利分析方法，從專利申請態勢、地域分布、申請人等方面分析汽車熱沖壓模具的專利布局現狀，并以汽車B柱熱沖壓模具、汽車縱梁熱沖壓模具為例，進行重要專利的技術方案解讀，從專利視角，以宏觀、微觀兩個角度剖析汽車熱沖壓模具技術的發展現狀。

2 汽車熱沖壓模具專利布局趨勢分析

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心有限公司自研的全球汽車專利數據庫，收錄了全球104個國家1.3億余條汽車及相關領域的專利。專利選取范圍以公開日為入口，自2001年1月1日起，截至2022年12月31日。

2.1 專利申請態勢分析

基于歷年專利申請量的數據（圖1），可以看出國內熱沖壓模具技術發端于2007年之前，2007年開始，每年有少量專利申請，技術創新處于起始階段，未大規模產業化應用，此階段，國外擁有先進技術的企業將專有技術引入中國，同時布局相關專利。例如，專利CN100387372C[2]公開了熱沖壓模具和沖壓方法，該技術能夠在短時間內得到強度和尺寸精度優異的沖壓制品，并能夠減少沖壓過程中的模具蓄熱，解決了產業化過程中生產效率問題，屬于關鍵技術；專利CN101288889B[3]公開了更簡單實用的熱沖壓成形模具，使工件冷卻和保壓在同一工序完成，減小工件變形，以更好滿足規模化生產要求，屬于關鍵技術。

2012年開始，專利申請量明顯上升，2014年之后專利申請量大幅提高，2019年之后專利申請量進入穩定期，技術創新持續且主要圍繞產業化進行。例如，專利CN111936248B[4]公開了能夠減少模具磨損和延遲工件裂紋產生的模具熱處理技術，降低了產業化過程中的生產成本，提高了工件質量；專利CN115697580A[5]公開了抑制模具的磨損并且得到表面外觀優異的熱壓成形工件制造方法，進一步提高了熱沖壓工件的質量。

2011年之前熱沖壓模具專利申請量較少，從2011年起申請量有所上升，表明主要申請人從2011年開始進行專利布局。該技術領域專利在2012年、2014年和2019年出現3次階梯式上漲，2013年出現明顯下降，但沒有持續下降趨勢，整體保持穩定上漲，說明該技術在產業化方面取得了有效進展，技術創新進入可持續期。

考慮專利公開的滯后性，2022年申請的專利還沒有完全公開，導致專利申請量有所下降。因此，有必要持續關注2022年該領域專利申請熱點和申請量。

2.2 技術來源地域分布

從申請人所在國家/地區進行汽車熱沖壓模具技術來源地域分布分析，汽車熱沖壓模具技術專利的技術來源國主要集中在中國、韓國、美國和日本，如表1所示，其中，中國申請量位居第1。可以看出，這幾個國家也是汽車主要市場和主要生產國，龐大的市場需求、產業化規模，推動了熱沖壓模具技術的快速發展。

2.3 專利申請人分析

中國汽車熱沖壓模具專利主要申請人前10名如表2所示，專利申請量前2名分別為東莞豪斯特和寶山鋼鐵。國外來華企業德國本特勒有5件專利申請。國內申請人以企業為主，但較為分散，其中與華中科技大學合作的東莞豪斯特和江西豪斯特專利申請量較多，共有21件。總體來看，國內還沒有企業在熱成形模具領域建立起具有絕對優勢的專利壁壘，建議企業在后續持續加大研發創新，進行專利挖掘、規劃和布局，以通過構建高價值專利資產，將技術創新優勢轉化為市場競爭優勢。

3 汽車熱沖壓模具專利布局分析

熱沖壓模具除具備成形功能，還具備加熱或冷卻功能，使工件成形溫度可控，或能夠在模具型腔內完成工件淬火。保證工件沖壓過程中和沖壓完成后處于最佳溫度范圍，完成淬火或保溫功能是熱沖壓模具的特點之一。因此，熱沖壓模具中一般具備冷卻功能、加熱功能或者加熱冷卻功能一體化實現。此外，在一個工序中實現工件的切邊、成形和淬火，工件的公差補償、模具耐磨等也是熱沖壓模具的重要功能。如圖2所示，將汽車熱沖壓模具專利按功能進行分類，可以看出模具冷卻功能、加熱冷卻功能一體化專利申請量較高，是重要申請方向。同時，熱沖壓模具優異的加熱冷卻功能是減少工件褶皺、開裂，實現模內淬火的重要手段，申請人在這些方向的專利布局較多。

3.1 模具冷卻結構

按照冷卻結構在模具中的位置，熱沖壓模具的冷卻結構專利可分為上、下模具都具備冷卻結構、下模具有冷卻結構和上模具具備冷卻結構3種類型。其中上、下模具都具備冷卻結構的專利占比最高，為73.3%；其次為下模具有冷卻結構專利，占比為20.0%；上模具具備冷卻結構的專利量相對最少，占比為6.67%。其主要原因是上、下模具同時具備冷卻功能逐漸成為主流，這種結構不僅能夠提高工件質量，對提高生產效率也有一定作用。此外，將上、下模具冷卻結構納入一篇專利也擴大了知識產權的保護范圍，更有利于在市場競爭中占據優勢地位。

在上、下模具都具備冷卻結構的專利中，有多種冷卻液通道的形成方式和調節方法，使冷卻效果更均勻，工件平整度高、變形小。如專利CN112007995A[6]采用分水塊構成冷卻液通道，冷卻管道直徑可調節，不同位置冷卻速率不同。傳統模具的水道基本固定，如需調整，只能重新設計模具，對水道進行再布置。這件專利為同一模具靈活變化適應加工不同工件提供了思路。對于采用U型管構成的水道，專利CN111687317B[7]在工件各部位冷卻用U型管排布不同，可避免工件成形后冷卻不均出現變形偏差。而專利CN113182436A[8]提出的成形模具由多個鑲塊構成，鑲塊內有隨形冷卻水道，底板和安裝板之間的安裝腔有與冷卻水道相通的連接冷卻系統的構件，使模具變化更加靈活，同時解決了形面較復雜的汽車零件模具采用直管道無法貼合復雜曲面帶來的冷卻效果差、圓角部位溫度過高的問題。而下模具設計冷卻腔方案主要用于方便脫模和工件淬火。專利CN110369617B[9]在下模座下方設計了供冷腔和冷卻腔，沖壓過程中先緩沖再利用沖擊余力壓縮囊體，使得囊體中的冷卻物質進入冷卻腔，實現即時的冷卻功能。

3.2 模具加熱結構

具備加熱功能的模具，可以通過工件不同區域的變溫度加熱，使工件平整、降低工件開裂率。由圖3可知，模具加熱方案專利數量較少，原因是沖壓工序前模具已實現高溫和溫度均勻，該工序對工件質量影響較小，另外，爐內熱處理一般采用快速冷卻或自然保溫。后續也可以從提高加熱效率和熱處理加熱保溫方面布局相關專利，對創新技術形成保護。典型的模具內加熱保溫專利如專利CN104525746B[10]，該發明用于加工空心截面構件，沖壓后不同區域的變溫度加熱能夠實現構件的高抗彎模量和高抗剪模量，提高強度，實現工件輕量化。專利在上、下模具沖頭中設計了多個均勻分布的加熱通道，每個通道設有獨立開關，可控制局部沖頭溫度，使工件不同區域的加熱溫度不同，從而提高工件性能。

3.3 同時具備加熱和冷卻功能的結構

由前文分析可知，汽車熱沖壓模具專利中，將同時具備加熱和冷卻功能特點的模具結構作為知識產權保護對象是已申請的專利布局重點，見圖2。汽車零部件中，有一些不等厚截面零件，如一體式拼焊門環、拼焊B柱等。該類型零件一般采用熱沖壓工藝，使半成品板料在保持高于鐵素體的轉變溫度狀態下進行壓型淬火，以滿足不等厚截面金屬工件變強度要求、降低生產成本。同時具備加熱和冷卻功能的模具可以從模具本體和加熱冷卻元件入手來布局專利。

模具本體的典型專利如CN112474959A[11]發明的熱壓成形模具，通過板料在不等厚板壓型模具中模壓和淬火得到不等厚板料，為防止料片過快降溫，在模壓和淬火模具中均設計了電加熱棒，對應工件需要強化的區域在壓型淬火模具中設計了冷卻管路來控制工件的冷卻速率，保證工件內部金相組織由奧氏體轉變為馬氏體。

模具的加熱、冷卻元件方面，可以從元件布置和功能特性等方向布局專利。典型專利如專利CN110814185B[12]將元件同時固定布置在模具的不同位置，并且冷卻元件可根據被加工件的需要移動，提高了模具的通用性。也有專利將加熱元件特性作為發明點，如：專利CN111438280A[13]發明的自阻加熱電極塊，能夠自主控制加熱溫度；專利CN108435914B[14]發明的電磁加熱器，通過電磁感應原理產生電流，從而實現加熱裝置自供電。

由以上分析可知，加熱、冷卻功能一體化模具可以從模具本體結構設計、加熱/冷卻元件結構、加熱/冷卻元件布置及加熱/冷卻元件功能實現特點等方面創新設計，并展開專利布局。此外，模具的加熱/冷卻方式變換控制專利申請較少，亦可從該方向創新設計、布局相關專利。

4 典型熱沖壓汽車零件產品專利

在專利布局時，應考慮侵權證據獲得的難易程度，更容易獲得侵權證據的，可以考慮優先布局。在汽車零部件熱沖壓領域，按侵權證據獲得容易程度，優先級從高到低依次為：熱沖壓汽車零件產品、熱沖壓汽車零件模具、熱沖壓工藝。本文從熱沖壓汽車零件產品角度剖析專利布局現狀。

4.1 汽車B柱模具

汽車B柱類零件中段存在弧形的特征，且零件截面尺寸在零件中段發生較大的變化，導致沖壓過程中對應的法蘭部分極易發生起皺甚至疊料的缺陷，如圖3中虛線部位所示。一般使用壓邊來防止工件在拉伸、拉延過程中起皺，其結構復雜、成本高，且不能徹底消除起皺，同時，經過長時間的批量沖壓后，模具鑲塊表面將出現明顯凹坑，零件起皺缺陷會越來越明顯。

為了解決上述問題，專利CN107225181B[15]通過在凸模中段設計的預壓料凸臺（圖4中的編號3），使用無壓邊圈工藝，能很好地控制B柱類熱沖壓零件的法蘭部分起皺現象。預壓料凸臺3的長度L1、L2為400～1 000 mm，預壓料凸臺3的上表面與凸模對應法蘭部分上表面的高度差H1、H2為30～60 mm，預壓料凸臺3的寬度W1、W2為30～100 mm。該發明取消了原有的B柱壓邊圈結構，在模具中段易起皺的法蘭部分設計了固定式的預壓料凸臺，如圖4b所示，凸臺3內側邊緣線a形狀與凸模對應法蘭部分邊緣線b的形狀相同并保持平行，與外側切邊線距離g1和g2為1～15 mm，用以控制坯料在沖壓過程中的材料流動，實現沖壓全過程中最大程度地消除起皺趨勢，同時保證零件側壁不會出現開裂缺陷。另外，該方案還具有結構簡單、制造成本低、使用維護方便的優點，適于制造超高強度的汽車B柱類零件。

對于B柱類零件的模具，不僅要提供足夠的冷卻效率，還應具備較高的強度，因此其內部冷卻管道的排布既要覆蓋足夠的面域，又不能過于復雜；另一方面，為保證淬火前工件內部組織完全為奧氏體，工件在轉移和沖壓過程中的溫降應盡可能低。專利CN204486567U[16]給出的模具冷卻水道通過從兩端向中心對鉆的方式加工，兩端設計了密封板。模具對工件進行淬火時，模具內的冷卻水沿不同方向帶走工件的熱量。同時，設計的絕熱頂塊能夠避免模具頂塊與模具直接接觸而降溫。凸模的水道結構如圖5所示，總體走向與B柱曲面的彎折方向一致，銜接點位于B柱曲面的彎折處，橫向管道位于兩組縱向管道之間；凹模水道結構如圖6所示，與凸模內管道垂直，等間距分布，覆蓋整個型面，并與模具兩側合流槽相通。另外，如圖7所示，凹模的絕熱頂塊與彈簧相連，沖壓前頂塊突出凹模表面，承載工件，避免其與模具直接接觸而降溫。該發明的管道布置結構簡單，便于加工，考慮工程化加工生產，該結構還有進一步優化空間。

4.2 汽車縱梁模具

汽車縱梁是汽車的重要構件，目前大多采用熱成形模具沖壓成形，大幅度提高整車碰撞安全性能與NVH性能。專利CN111936248B[4]實現了汽車熱成形縱梁模具快速精準的沖壓成形，避免了縱梁模具成形后冷卻不均出現變形偏差，且保證了縱梁模具加工后的尺寸精度。所發明的模具如圖8所示，包括上模、標準塊、出水管、下模和擋板，上模的頂端安裝有等間距的標準塊，標準塊的底端與上模固定連接，且標準塊下方的上模底端設有下模，下模上方的上模底部設有模具型腔，型腔內部裝有模具型芯，其頂端與上模固定連接，模具型芯一側的上模底部設有4組第一限位塊，第一限位塊的頂端與上模固定連接，第一限位塊下方的下模頂部設有4組第二限位塊，第二限位塊的底端與下模固定連接。該發明的模具分塊較多，可以考慮適當減少模具分塊，減少加工誤差隱患點。由此，將模具由整化零也是模具設計一種新思路和專利布局方向。

在熱成形工藝中，淬火后零件的屈服強度會達到1 200 MPa以上，后序難以再加工成形，因此需要在同一熱成形工序內完成縱梁主體的成形和端部一體式翻邊成形。

專利CN113859370B[17]使板料能夠在同一套模具內同時完成縱梁部分和翻邊部分的成形與保壓淬火，避免了淬火后零件的屈服強度過高，后序難以加工成形的問題。模具如圖9所示，包括本體成形模具和翻邊模具：本體成形模具用于將其中一部分板料形成縱梁部分；本體成形模具和翻邊模具的其中一者能夠相對另一者沿指定方向升降，其余伸出本體成形模具的部分板料外翻形成與縱梁部分的縱長方向垂直的翻邊部分。在該發明專利基礎上，可以考慮將落料工序與成形、翻邊工序合并，不僅可以進一步提高生產效率，還能夠擴大知識產權保護范圍。

5 結束語

國內汽車熱沖壓專利布局較晚，隨著我國車身輕量化、整車百公里能耗法規日趨嚴格，汽車熱沖壓模具專利申請量經歷了2次快速上漲。從專利申請來看，熱沖壓模具技術從2012年開始快速發展，到2019年再次突破式增長。熱沖壓過程中板料的加熱、保溫、冷卻溫度及時間等是零件鍍層及表面質量的重要因素，也是熱沖壓模具設計需要考慮的重點。從專利數量來看，模具加熱/冷卻細分領域的專利數量較高。汽車熱沖壓模具的技術創新集中在加熱和冷卻結構設計。由于結合熱沖壓成形具備工件加熱和淬火功能，模具的技術創新主要集中于加熱和冷卻結構設計，在一體化加工、保證零件幾何尺寸和提高生產效率方面也有部分專利申請。但從專利申請的細分領域看，溫控部件和溫度控制方式專利布局較少，國內企業可以進一步布局相關專利。

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