噴霧式水道熱沖壓成形模具設(shè)計研究

劉焱森，辛憲秀，李立臣

(上海凌云汽車模具有限公司，上海 201708)

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對安全和環(huán)保意識的不斷增強，熱沖壓零件已在汽車制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為熱沖壓零件生產(chǎn)提供解決方案的熱沖壓成形技術(shù)也有了較為成熟的發(fā)展[1-2]。熱沖壓成形是將板材加熱到再結(jié)晶溫度以上的某一適當溫度后，根據(jù)材料在高溫下變形抗力降低、塑性增加的特點進行沖壓的成形方式[3]，是一種將鋼板加熱至內(nèi)部金相組織完全奧氏體化后，進行高溫沖壓，并通過保溫狀態(tài)下的模具冷卻，使得零件內(nèi)部奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而得到高抗拉強度的零件加工技術(shù)[4]。熱成形零件的大量使用，給現(xiàn)有的熱成形生產(chǎn)線產(chǎn)能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。在材料厚度2 mm以內(nèi)的薄板生產(chǎn)中，保壓時間不超過10 s，生產(chǎn)企業(yè)一般是可以接受的。但隨著汽車特殊部位零件強度要求的提高，熱成形材料的厚度也在不斷增加，比如汽車前保橫梁產(chǎn)品的材料厚度已達到了3 mm，甚至更厚。這類產(chǎn)品在使用常規(guī)熱沖壓成形工藝時，由于材料厚、攜帶的熱量多，需要的保壓時間也會相應(yīng)加長很多，這樣就拉長了節(jié)拍時間，降低了生產(chǎn)頻次，相應(yīng)的單件的生產(chǎn)成本也會大幅上升。在生產(chǎn)中除了提高汽車結(jié)構(gòu)件強度外，人們也愈加關(guān)注如何加快生產(chǎn)速度，增加產(chǎn)量，降低成本，即在單位時間內(nèi)生產(chǎn)更多的零件[5]。那么如何來降低厚板零件的保壓時間，縮短生產(chǎn)節(jié)拍呢？業(yè)內(nèi)人士都了解，熱成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計直接決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是熱成形的關(guān)鍵技術(shù)[6]，也就是說,熱成形模具的水道冷卻效果是產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。熱沖壓模內(nèi)淬火過程直接決定著成形件的最終性能[7]，資料研究表明，在利用模具成形制品的過程中，對制品溫度控制從而保持制品冷卻均勻，保證產(chǎn)品中馬氏體相變的均勻性非常重要[8-9]。因此，為了獲得更高的生產(chǎn)效率和更低的生產(chǎn)成本，如何設(shè)計和制造出能夠更加有效控制材料溫度快速且均勻下降的模具水道便成了一項重要的研究課題。

傳統(tǒng)的熱沖壓成形模具水道設(shè)計方法有直通式水道、Ω型水道和殼式水道(見圖1)。

a) 直通式水道

b) Ω型水道

c) 殼式水道圖1 傳統(tǒng)的水道設(shè)計方法

這幾種方式的冷卻形式均為冷卻介質(zhì)在型塊內(nèi)部循環(huán)流動，通過與型塊進行熱交換來帶走制件的熱量，從而使制件在一定速率下快速冷卻，達到淬火的效果。然而這種方式對于2 mm以上的厚板零件冷卻速率會明顯下降。由于制件本身攜帶的熱量增加，而鋼塊的熱傳導(dǎo)率是固定的，在成形塊中流動的冷卻介質(zhì)無法快速帶走板料的熱量，從而導(dǎo)致生產(chǎn)時熱交換的時間加長，也就是需要較長的保壓時間，這就嚴重影響了生產(chǎn)節(jié)拍，增加了生產(chǎn)成本。

研究表明，只有當板料在800～400 ℃內(nèi)的平均冷卻速率達到27～30 ℃以上時，成形后的零件微觀組織才可能轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆鸟R氏體[10]。當熱成形板料厚到通過傳統(tǒng)熱成形水路設(shè)計方式無法滿足上述冷卻速率時，就無法得到完全馬氏體組織，也就無法實現(xiàn)厚板的熱成形工藝了。

在長期的生產(chǎn)實踐中，為改善厚板零件的生產(chǎn)效率，筆者對制件的冷卻方式做了改進，采用直接冷卻制件的方式，設(shè)計了一種噴霧式水道熱沖壓成形模具，并通過試驗驗證了設(shè)計方式的可靠性，可大大提高厚板熱成形零件的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 噴霧式水道結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計方案所述水道由常規(guī)直通式水道和小直徑噴霧孔組成，所述噴霧孔連通型塊內(nèi)直通式水路和模具型面并穿透模具型面，水孔直徑控制在1～2 mm且密布于模具上下模型面上，為保證板料冷卻均勻，上下模噴霧孔錯位布置(見圖2)。

圖2 噴霧孔布置方式

噴霧式水道的位置參數(shù)包括噴霧孔的直徑和噴霧孔的間距。噴霧孔的直徑?jīng)Q定噴霧的流量，流量越大冷卻能力越大，反之則越小。噴霧孔的位置對冷卻效果的影響主要表現(xiàn)為：過大的噴霧孔間距導(dǎo)致制件不同位置溫差過大，冷卻不均；過小的噴霧孔間距則會降低模具強度。在冷卻系統(tǒng)設(shè)計過程中，傾向于把噴霧孔安排的距離較小些，以保證制件的熱量盡快被水霧帶走。但應(yīng)綜合考慮模具材料強度和剛度的限制及水道位置與型腔壓力等因素，以防止模具出現(xiàn)變形、壓塌現(xiàn)象。

2 噴霧式水道熱成形模具工作方式

本文所述噴霧式水道是在原有傳統(tǒng)的直通式水道基礎(chǔ)上增加了噴霧孔設(shè)計，此設(shè)計可以使模具在成形保壓的過程中，高壓水氣從噴霧孔中噴射而出，直達制件表面，通過氣化吸熱的方式快速帶走熱成形制件中的熱量，使制件在一定的速率下快速冷卻，實現(xiàn)奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變。

具體實現(xiàn)方式為模具鑲塊外部連接循環(huán)冷卻水和高壓氣體，水路和氣路連接電磁閥。生產(chǎn)過程為冷料片由自動化機械手送進加熱爐中加熱一定時間，料片出爐時溫度約為930 ℃，自動化上料機械手將熱料片抓起并送到模具內(nèi)部，完成送料后壓機滑塊帶動上模下行開始沖壓板料，此時模具內(nèi)不通循環(huán)水；當壓機滑塊下行到下死點模具閉合到底時，模具上模的某個裝置觸動下模的接近開關(guān)，接近開關(guān)到位后把信號傳遞給電磁控制系統(tǒng)。電磁控制系統(tǒng)控制水和氣按一定的比例同時供給到模具水道內(nèi)并形成水霧，較高的氣壓使水霧從噴射孔中均勻噴射到制件表面，同時高溫的制件使水霧迅速氣化，這樣水霧氣化過程就帶走了制件大量的熱量，使制件快速且均勻地冷卻到200 ℃以下，從而完成奧氏體到馬氏體的組織轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)淬火的目的。當達到所需保壓時間后，電磁控制系統(tǒng)提前關(guān)閉循環(huán)水、氣開關(guān)，使模具打開時不會有過多的水流出。

因冷卻介質(zhì)水霧與制件直接接觸后氣化帶走大量熱量，制件的冷卻速率遠比通過常規(guī)鋼塊與冷卻水熱交換方式高得多，所以模具的保壓時間也會相應(yīng)縮短很多。以3 mm熱成形零件為例，常規(guī)水路設(shè)計方式的熱成形模具保壓時間需要16 s，而以此種水路方式設(shè)計的熱成形模具保壓時間6 s即可達到相同的性能效果。

3 噴霧式水道模具試驗驗證

為了確認本文所述方案能夠?qū)崿F(xiàn)熱成形材料快速淬火、縮短保壓時間的效果，本文采用對比試驗的方法完成所述方案的驗證。按照以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，常規(guī)直通式水道(見圖3)設(shè)計制造的模具沖壓厚度3 mm熱成形零件，保壓時間16 s可以保證熱成形材料的力學(xué)性能。

圖3 常規(guī)直通式水道

現(xiàn)采用噴霧式水道方式制造的模具沖壓材料厚度為3 mm的熱成形零件，分別用保壓時間6、8、10和12 s做4種參數(shù)的零件進行試驗驗證。在零件不同的位置分別切割出A50力學(xué)拉伸試片和硬度試片(見圖4)。

圖4 熱成形零件取樣位置

每種參數(shù)的零件取相同的位置做數(shù)據(jù)對比。本次試驗用熱成形零件最典型的試驗項目測試，測量數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 硬度檢測結(jié)果

表2 拉伸試驗檢測結(jié)果(實測值)

從表1和表2可以看出，保壓時間分別為6、8、10和12 s的4組參數(shù)均滿足了熱成形零件的性能要求，但6 s時硬度和抗拉強度、屈服強度均已在性能要求范圍的下限水平，再短的保壓時間則會產(chǎn)生不穩(wěn)定的性能，故從試驗的方式驗證此種設(shè)計方式可以將零件的保壓時間從16 s縮短到6 s，生產(chǎn)效率可提升60%以上，可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

本文所設(shè)置的小直徑噴霧孔為直孔，結(jié)構(gòu)簡單，只需要五軸機械加工即可完成，成本相對較低。采用這種方法制造的模具，雖會增加一些制造成本，但其可以在生產(chǎn)工藝上大大縮短保壓時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，有很高的推廣和應(yīng)用價值。

噴霧式水道模具目前在實際應(yīng)用中還未得到普及。項目組正在研究將本文所述方案廣泛應(yīng)用于厚板熱沖壓成形模具，這將使厚板熱沖壓成形零件高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)成為可能。