高强度钢板热冲压水冷模具设计分析

潘毅

（广东省高级技工学校，广东 广州 510800）

高强度钢板热冲压水冷模具设计分析

潘毅

（广东省高级技工学校，广东 广州 510800）

在高强度钢板加工活动中，使用热冲压水冷模具设计与处理工艺，有利于提升零部件加工效率。钢板冲压水冷的方式需要考虑材料的屈服强度和抗拉强度，采用科学的加工方法，满足钢板的使用效果需要。在模具设计中技术人员应该确定初始稳定场和冲压时对应的速度场，确保材料变形程度达到设计要求。本文从高强度钢板材料加工的技术重点进行分析，提出几点有利于提升模具设计科学性的可行性建议。

高强度；钢板模具；热冲压水冷；设计要点

1 高强度钢板热冲压水冷模具工作部分的设计介绍

1.1 传统凹、凸模具工程出图设计

高强度钢材的模具设计应该按照热冲压水冷的常用处理方法进行，按照热冲压钢板的变形特点，进行模型凹凸区域的协调变形设计，有利于提升模具结构冲压处理中的热适应性。

模具基本机构设计以凹模与凸模的契合设计为主，选择强度为 120 ～ 140MPa 的普通钢板作为凹模底座，并且由 180 ～ 240MPa 高强度钢板作为凸模板对整体结构进行磨削处理。传统的水冷模具设计上考虑机床冲压作业中的稳定性问题，其弯曲变形区域为开口向上的“V”字形，符合机床加工作业中的重力分布特点。在高强度钢板热冲压水冷模具设计处理中，产品设计应该满足工程出图的需要，根据钢板热冲压水冷特点，进行模具设计工程出图。高强度钢板冲压加工的难度比较大，为了确保钢板材料切削加工效率稳步提升，技术人员应该做好模具母体参数的分析工作，努力提升产品设计能力。

1.2 创新型模具的协调变形设计

新型的冷成型改进模具设计在模型上方增加了压边圈，确保热冲压水冷模具在弯曲变形中不出现无规则变形问题。用它来处理 260 ～ 300MPa 的超高强度钢板与 320 ～ 420MPa 特高强度钢板的冲压作业，能够收获良好的冲击性能。新型的冷改进模具设计方法中凹模与凸模的弯曲变形区呈“Z”形，其变形量更加均匀。

新型的冲压水冷模具设计强化了对于压边圈的使用和设计，确保高强度钢板在冲压处理时不出现滚动和不协调变形现象。热成型水冷模具设计中，其不同冲压区域的受力分析更加细化。凹模与凸模之间的弯曲变形为不规则形态，贴合了凹模与凸模在冲压中的变形轨迹，高强度钢板在加工作业中呈现出协调变形的特点。根据模具最终装配之后的状态进行模型试验，做好产品品质的检验工作，对于试模不合格的水冷模具应该进行返修处理。在钢板冲压水冷加工活动中，工厂设计人员应该考虑到水冷模具内冲压和淬火的技术难点，努力提升产品设计能力和模具设计能力。从保障模具制造加工工艺提升的角度出发，提升技术人员的机械加工能力和数控加工水平。在模具装配环节中，根据当前数控加工机床作业的特点，进行钳工操作方法的再调试作业。为了提高钢板模具成型设计质量，技术人员应该做好模具调试安装的细节管理工作，提升生产线中模具产品质量检验的准确性，对于大小不合格的部分进行切削处理。

2 高强度钢板热冲压水冷模具温度控制

2.1 前期阶段的温度控制设计

在前期准备阶段，技术人员应该根据钢板的加工要求进行裁板样式的选择，在落料阶段控制好始锻温度和终锻温度，认真做好加热处理。

将常见的高合金钢锻造温度控制在合理的范围之内，其中，钢号 Cr12 的材料其加热温度平均为1100～1150℃之间，在冲压过程中根据成形要求控制好锻造温度。其中，始锻温度为 1050 ～ 1100℃之间，钢材的终锻温度为 850 ～ 900℃之间。钢号Cr12MoV 的材料其加热温度平均为一千度左右，在冲压过程中根据成形要求控制好锻造温度,并且在冲压成形之后对模具进行保压定形处理。其中，始锻温度为 1000 ～ 1050℃之间，钢材的终锻温度为840 ～ 880℃之间。钢号 CrWMn 的合金材料性能比较特殊，在热冲压水冷处理中应该做好后续处理工作。其中，根据钢板处理的模式特点，进行去氧化皮处理，并且根据激光切边处理的情况进行防锈处理养护。在高强度钢板冲压模具设计中，技术人员应该按照工程出图特点进行模具设计。在产品设计中分析后续的水冷冲压处理方式的工序实施方法，对模具安装的方法进行调试，从而做好模具返修处理工作。

2.2 水冷管道成形工艺分析

对高强度钢板进行热冲压成型后水冷处理，需要严格按照钢板水冷模具成形工艺流程进行加工。做好钢板设计的前期准备工作，并且在冲压过程中做好温度控制的细节管理。根据高强度钢板使用类型进行分析，在后续处理中对钢板材进行二次加工，使其具备一定的使用价值。这种模具设计方法可以处理强度在 1000MPa 以上的热成型钢板材料，使其在热冲压水冷处理之后达到一定的屈服强度。这种模具设计中，技术人员更多地考虑不同加工作业区模型板块的受力情况，在温度的控制中，根据不同的模型设计特点，选择镶拼式冷却管道和钻孔式冷却管道，确保高强度钢板加工表面载荷作用分布合理。考虑到工业产品中钢板的抗拉强度与伸长率之间的关系，防止在热冲压水冷作业中出现疲劳极限问题。热冲压水冷模具的系统设计对于加工效果影响较大，考虑 RDH 对稳定后模具最高温度的影响，根据实际模具优化前后温度分布的情况，进行模具设计方案的优化。

2.3 钢板热力耦合有限元分析

在高强度钢板热冲压水冷模具设计中，技术人员应该做好钢板材料热力耦合有限元分析工作，计算钢板热冲压中的速度场和温度场的收敛情况，利用有限元分析流程计算温度场第二近似值，从而计算出新的温度场。

在模具设计的过程中，技术人员应该根据加工方式更新节点坐标和单元等效应变的相关参数。通过温度有限元方程计算初始温度率，使模具设计方案达到钢板变形设计的需要。高强度钢板热冲压湿冷模具的设计，需要根据设计要求合理进行抗拉强度选择，考虑到零件的快速成型加工需求，满足钢板热冲压模具加工处理的要求。以 400 ～ 600MPa高强度模具冲压成型工艺设计进行分析，在下料之后技术人员需要对热冲压的时间进行控制，将热冲压机床的连续加热炉加热到 AC3左右，使模具底板中的钢材原料充分奥氏体化。如图1，将预处理中的钢板材料快速移动到冲压机区域内，确保钢板材料实现快速合模和成形，高强度钢板保压冷却之后温度保持在 100 ～ 200℃之间，确保热冲压成型之后模具内容物组织全部为马氏体。

3 不同牌号高强度钢材的模具分块设计和参数控制

在高强度钢板材料的热冲压加工成形处理中，混合材料随室温冷却之后，技术人员可以采用激光处理的方法，对模具进行切边和冲孔加工作业。

图1 钢板加工中热传导示意图

在高强度钢板模具设计中，技术人员应该考虑到不同牌号模具钢材的综合性能，根据钢材的可塑性特点，选择合适的钢板冲压加工方法。其中，ALVAR14 牌号的钢材冲击性能较低，数值为 2，延展性能数值为2，钢材在流入后凹模之后的成形的方式为压缩处理。这种牌号的钢材抗回火性能数值仅为 1，热强度数值为 1，HRC 数值为 40 ～ 47，在 400℃加工环境中热导率数值为 30。综合分析这种钢材的性能较弱，可作为一般强度类钢制零件的制造材料。QRO90SUPERME 类钢材抗回火性能比较强数值为 5，其热强度数值为 5，HRC 数值为 46～ 50 之间，热膨胀率数值为 3，热导率（400℃）数值为 33，材料的延展性数值为 2.5，材料的冲击性能为 2.5，此种高强度的钢板材料需要考虑回弹结果。根据冲压水冷加工作业中不同料厚的特点，分析钢板材料的屈服强度和抗拉强度，进行高强度钢板的加工处理。如果采用裸板材料进行加工处理，可以采用喷丸处理的方式，去除零件表面一层的氧化皮，在高强度钢板热冲压处理之后，冲裁模型受力状态将会更加均匀。22MnB5 型号的钢板材料在下料之后，经过充分的加热处理之后，可以得到抗拉强度为 1500MPa 左右的零件。

4 结语

高强度钢板热冲压水冷模具设计是一项系统性较强的工作，模具设计对于后期钢板加工产品的成型质量有重要影响。它需要综合计划部、技术部和制造部、保障部、质量管理部门的协调配合作业，才能够生产出符合数控机床作业要求的模板。技术部在产品建模中，应该做好前期的图纸设计工作，并且要编制工单和零件表示，制定具体的工序工艺卡，在冲压水冷模具设计中根据机加工及装配的方式，做好外形加工、标准件精密磨削处理等，确保水冷模具成形质量较高。

[1]张永亮 ,李雪刚 ,张鑫 . 高强度钢板热冲压成形研究与进展 [J].汽车工艺与材料 ,2015,02:41-46+49.

[2]胡平 ,马宁 . 高强度钢板热成形技术及力学问题研究进展 [J].力学进展 ,2011,03:310-334.

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1671-0711（2017）03（下）-0085-02