高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)

賀 斌，盈 亮，胡 平，吳秀峰，王玉山，趙立信

（1.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022；3.合肥鍛壓集團(tuán)，安徽 合肥 230601；4.吉林偉孚特輕量化技術(shù)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 引言

熱沖壓模具與冷沖壓模具的不同在于熱沖壓模具不僅要求能夠滿足零件的成形性要求，還要具有優(yōu)異的冷卻能力，保證得到的零件具有良好的機(jī)械性能和尺寸精度。高強(qiáng)度鋼板熱沖壓模具制造是熱沖壓技術(shù)適用于批量化生產(chǎn)的核心技術(shù)，其作用為達(dá)到和實(shí)現(xiàn)板料在模具中進(jìn)行成形、冷卻，達(dá)到對(duì)成形件淬火強(qiáng)化的目的和要求[1]。

本文針對(duì)熱沖壓過(guò)程成形和淬火兩個(gè)必須過(guò)程，結(jié)合國(guó)內(nèi)外熱沖壓模具設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀提出了高強(qiáng)度鋼板熱沖壓模具凸凹模圓角半徑、模具間隙、冷卻管道直徑R、冷卻管道間距D、冷卻管道與模具表面的距離H等參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，并對(duì)熱沖壓水冷模具冷卻管道位置參數(shù)RDH的優(yōu)化方法進(jìn)行了相關(guān)論述。

2 熱沖壓模具研究現(xiàn)狀

歐美國(guó)家的熱成形技術(shù)起步較早，關(guān)于熱沖壓模具設(shè)計(jì)的一些基本參數(shù)已經(jīng)比較完善，如凸凹模圓角半徑、模具間隙、水道位置參數(shù)等，但由于涉及商業(yè)機(jī)密且對(duì)國(guó)內(nèi)完全技術(shù)保密，目前國(guó)內(nèi)還未能夠完全掌握熱沖壓模具的設(shè)計(jì)制造原則。熱沖壓模具設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)熱鍛模具與冷沖壓模具的設(shè)計(jì)方法和原則進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如模具材料選擇、圓角半徑設(shè)計(jì)及表面光潔度等。熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于其是否具有高效合理的冷卻系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)如同濟(jì)大學(xué)采用解析法與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了冷卻水流速度對(duì)模具向支撐柱和向水流傳熱的熱流密度的影響[2]，進(jìn)而獲得基于模具的冷卻水的臨界水流速度，但該類型模具并不適用于大規(guī)模批量化的熱沖壓生產(chǎn)線使用，無(wú)法為實(shí)際生產(chǎn)提供有力支撐。通過(guò)對(duì)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)需求的熱沖壓模具工況進(jìn)行分析，掌握適用于批量化生產(chǎn)的熱沖壓模具的設(shè)計(jì)制造原則，是提升國(guó)內(nèi)熱沖壓裝備制造業(yè)生產(chǎn)能力的當(dāng)務(wù)之急。

圖1 大規(guī)模熱沖壓生產(chǎn)水冷模具

3 工業(yè)化熱沖壓模具設(shè)計(jì)方法

開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)化生產(chǎn)的熱沖壓水冷模具，首先應(yīng)針對(duì)實(shí)際加工狀態(tài)進(jìn)行熱沖壓模具材料的選擇；其次，從成形而言，需要確定凸凹模圓角半徑和模具間隙，從淬火性能實(shí)現(xiàn)而言，需要獲得優(yōu)化的具備水道RDH相應(yīng)的參數(shù)值，以保證沖壓冷卻的均勻性和冷卻效率實(shí)現(xiàn)。

3.1 熱沖壓水冷模具材料選擇

熱沖壓模具材料是決定產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命的關(guān)鍵因素。選擇熱沖壓模具材料的主要指標(biāo)是其熱力學(xué)性能。熱沖壓模具主要通過(guò)模具工作表面與板料的接觸傳熱帶走熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的淬火。模具材料熱力學(xué)性能越好，板料與模具的換熱性能就越好，同時(shí)保證模具的抗熱疲勞性、抗熱磨損性能。因此，模具材料首先必須具備良好的導(dǎo)熱能力，以確保鋼板與模具之間的快速傳熱，實(shí)現(xiàn)良好的冷卻功能。其次，由于模具在冷熱循環(huán)交替的工況下服役，因此模具材料必須具有良好的熱機(jī)械性能、高的耐磨性，以保證在工作時(shí)模具尺寸精度穩(wěn)定，表面硬度良好，能夠承受板料劇烈熱摩擦和堅(jiān)硬氧化皮帶來(lái)的磨損。而且，由于需要在模具內(nèi)設(shè)置冷卻系統(tǒng)，模具材料還需要具有良好的耐銹蝕性，保證冷卻管道內(nèi)壁不會(huì)被冷卻介質(zhì)銹蝕堵塞，甚至出現(xiàn)熱疲勞裂紋。

我國(guó)傳統(tǒng)熱作模具鋼主要包括5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V三個(gè)鋼號(hào)。國(guó)外較有代表性的有瑞典的QR090M、日本的QDH、德國(guó)的GS-999等，這些鋼都具有較高的高溫性能和冷熱疲勞性能。此外，我國(guó)也自主研發(fā)了 HM1、Y4、Y10、HD 等代表性鋼種。這些材料都可以作為熱沖壓模具材料的選擇，實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)具體工藝，綜合考慮壓力、溫度及成本等因素決定最優(yōu)選擇[3]。

3.2 熱成形水冷模具成形性能要求

3.2.1 凸凹模半徑的選擇

圖2 熱沖壓模具凸凹模圓角示意圖

模具的凸凹模圓角半徑的大小是能否獲得合格拉深件的關(guān)鍵影響因素。拉裂是冷沖壓件的常見(jiàn)缺陷，在熱沖壓中由于存在熱應(yīng)力，產(chǎn)生拉裂缺陷的趨勢(shì)會(huì)更加明顯。凸模圓角半徑過(guò)小會(huì)使板料的垂直部分與底部的過(guò)渡區(qū)的彎曲變形過(guò)大，削弱了危險(xiǎn)斷面的強(qiáng)度。而凹模圓角半徑越小，板料側(cè)壁傳力區(qū)承受的拉應(yīng)力就越大，這兩種情況都會(huì)使拉深系數(shù)變大，增大板料的變形阻力，導(dǎo)致板料與模具之間的劇烈熱摩擦，從而導(dǎo)致產(chǎn)品表面質(zhì)量下降和模具壽命降低。若加大凸凹模圓角半徑，雖然可以降低板料變形阻力和極限拉伸系數(shù)，提高了拉伸件的質(zhì)量，減小拉深件的壁部變薄程度，但是板料會(huì)由于過(guò)早脫離模具而引起拉深件起皺。

然而，由于受到模具實(shí)際形狀的限制，凸凹模圓角半徑必須控制在一定范圍內(nèi)。因此在確定凸凹模半徑時(shí)必須綜合產(chǎn)品的變形特點(diǎn)、拉延筋設(shè)置等因素進(jìn)行考慮。此外，板厚也會(huì)影響對(duì)凸凹模圓角半徑的選取，板料越厚取值應(yīng)該越大。

3.2.2 凸凹模間隙的確定

圖3 熱沖壓模具凸凹模間隙示意圖

凸凹模間隙對(duì)拉深力、零件質(zhì)量、模具壽命以及模具的冷卻效果等有很大影響。熱沖壓模具在選取凸凹模間隙的時(shí)候要綜合考慮各方面因素合理選取。

在設(shè)計(jì)凸凹模間隙時(shí)一般應(yīng)該考慮以下因素：①板料與模具之間的熱摩擦。板料與模具之間的熱摩擦?xí)绊懓辶系牧鲃?dòng)阻力、零件的表面質(zhì)量和成形精度，以及模具的壽命。②板料與模具之間的接觸狀況。二者之間的接觸狀況主要影響傳熱。凸凹模間隙大，板料與模具之間的接觸不良，影響零件的冷卻效果。

綜上，模具間隙過(guò)大會(huì)影響零件尺寸精度、冷卻效果，且制件易起皺。間隙過(guò)小會(huì)增加熱摩擦阻力，使板料容易被拉裂，且易刮傷模具表面，降低模具壽命。因此凸凹模間隙的確定非常重要，既要考慮板厚的公差，又要考慮板料在拉深過(guò)程中的增厚或減薄，同時(shí)還要根據(jù)拉深時(shí)是否采用壓邊圈、零件尺寸精度、表面粗糙度等要求綜合確定。

3.3 熱成形水冷模具淬火性能要求

熱沖壓模具內(nèi)部沒(méi)有冷卻回路時(shí)，在連續(xù)節(jié)拍生產(chǎn)過(guò)程中，模面溫度始終保持在200℃以上，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要求模面溫度必須低于200℃才能得到合格的高強(qiáng)度零件[4]，所以工業(yè)生產(chǎn)中，熱沖壓模具內(nèi)部必須設(shè)計(jì)冷卻回路，而且要對(duì)冷卻系統(tǒng)RDH進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳冷卻效果。

3.3.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

熱沖壓模具的設(shè)計(jì)要求有以下幾個(gè)方面[5-6]：①冷卻速率：確保板料降溫速率滿足固體淬火條件，即高強(qiáng)度鋼板的冷卻速率必須達(dá)到或高于27℃/s，使高溫鋼板迅速冷卻再結(jié)晶，形成高強(qiáng)度的板條狀馬氏體組織。②冷卻均勻性：模具表面的溫差導(dǎo)致鋼板不同位置存在溫差，會(huì)造成板料組織不均勻，硬度分布不均勻，因此，要求模具型腔表面溫差控制在一定范圍內(nèi)，保證零件質(zhì)量。③傳熱穩(wěn)定性：連續(xù)沖壓時(shí)，模具溫度會(huì)不斷上升，與板料溫差不斷減小，無(wú)法達(dá)到淬火的相當(dāng)效果。所以每次熱沖壓后必須保證模具儲(chǔ)存的熱量可以被冷卻系統(tǒng)迅速帶走，確保每次沖壓前模具初始條件相同，從而確保下次沖壓質(zhì)量、使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。④強(qiáng)度：模具內(nèi)部設(shè)有冷卻系統(tǒng)，所以模具工作零部件在沖壓過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)小于其許用應(yīng)力。

上述幾個(gè)方面既是模具設(shè)計(jì)的要求也是模具仿真優(yōu)化時(shí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 水冷管道RDH的確定

圖4 平板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在熱成形模具冷卻系統(tǒng)中，水冷管道尺寸參數(shù)對(duì)模具降溫、板料成形及淬火等起到至關(guān)重要的作用。冷卻管道布局不僅是單根管道的走向和直徑，還應(yīng)考慮管道之間布局搭配對(duì)冷卻性能的影響。水冷管道主要包括三個(gè)尺寸參數(shù)，即管道半徑R，管道之間距離D和管道距模面的距離H。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于熱成形模具水冷管道RDH進(jìn)行的研究較少。通過(guò)建立平板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以板料冷卻速率和淬火完成后模面溫度分布的均勻性為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探索了水道RDH對(duì)模具溫度的影響。

由圖5可以看出，按照模具設(shè)計(jì)與制造工藝的經(jīng)驗(yàn)對(duì)RDH取一定范圍內(nèi)的數(shù)值時(shí)，這三個(gè)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定后模具最高溫度影響的趨勢(shì)相同。隨著RDH參數(shù)的增加，模面最高溫度都有增加的趨勢(shì)，說(shuō)明在合理范圍內(nèi)，RDH參數(shù)取值越大，越不利于水冷管道中的冷卻水將模面溫度帶走，連續(xù)熱沖壓時(shí)，模具壽命將會(huì)隨著RDH的增大而降低。

而且，從圖中也可以看出，H值對(duì)模具表面溫度影響最大，而R和D的影響比較弱，所以設(shè)計(jì)熱沖壓模具時(shí)，要充分考慮H值對(duì)冷卻及模具壽命的影響。

圖5 RDH值對(duì)穩(wěn)定后模具最高溫度的影響

圖6 實(shí)際模具優(yōu)化前后溫度分布

3.3.3 RDH優(yōu)化方法應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際模具通常比較復(fù)雜，含有較多復(fù)雜曲面，所以水道的設(shè)計(jì)方式及RDH參數(shù)的選取不能僅僅根據(jù)簡(jiǎn)單模具得到的規(guī)律，而應(yīng)該充分利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件對(duì)RDH參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

選取實(shí)際模型的截面為例，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件對(duì)其水道RDH優(yōu)化前后的溫度分布如圖6所示。

由圖6可知，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件對(duì)模具RDH進(jìn)行優(yōu)化后，模具表面溫度分布得到了明顯的改善。而且可以看出，最優(yōu)設(shè)計(jì)中，管道直徑也不是一個(gè)恒定值，而是根據(jù)型面調(diào)整變化的。對(duì)優(yōu)化后的模具進(jìn)行熱沖壓淬火實(shí)驗(yàn)，模具的最高溫度降低了約30℃，模具表面的平均溫度也降低了62.5℃，溫度更加趨于均勻。利用優(yōu)化軟件可以有效地設(shè)計(jì)模具冷卻系統(tǒng)，并達(dá)到良好的使用效果。

4 結(jié)論

（1）熱力學(xué)性能是選擇熱沖壓模具材料的重要依據(jù)。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體工藝，綜合考慮壓力、溫度及成本等因素決定最優(yōu)選擇。

（2）在合理范圍內(nèi)，RDH參數(shù)取值越大，越不利于水冷管道中的冷卻水將模面溫度帶走，連續(xù)熱沖壓時(shí)，模具壽命將會(huì)隨著RDH的增大而降低。

（3）對(duì)于不同的外形輪廓的模具需要制定不同的RDH設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，開(kāi)發(fā)適用于大多數(shù)熱沖壓模具水冷系統(tǒng)RDH設(shè)計(jì)優(yōu)化的虛擬樣機(jī)將成為今后研究的主流方向。

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