热冲压成形技术的介绍及模具设计要求

文：战立强（哈尔滨理工大学）

0 引言

2017 年我国汽车的保有量约为 2.17 亿辆。随着汽车保有量的逐年增加，带来的能源消耗问题与环境污染问题日趋严重。目前，主要通过提高发动机燃油效率、采用新能源发动机、汽车轻量化，来改善汽车油耗和污染问题。有相关研究表明，汽车的耗油量与汽车自身的质量成正比，若汽车自身的质量降低 10%，则汽车的耗油量与污染物的排放将降低约 6-8%。汽车轻量化主要通过使用高强度钢、超高强度钢代替传统钢种，在相同密度的前提下减少汽车重量。此外，还可以进行汽车结构优化来减轻汽车重量。

1 热冲压成形技术

1.1 热冲压成形技术的简介

轧制状态下的超高强度钢的屈服强度与传统合金钢类似约为 280-400MPa，抗拉强度大于 450MPa，而在经过淬火、渗氮等热处理后，其强度可达到 1000-1500MPa，约为普通钢材的 3-4 倍。由于在室温下强度钢和超高强度钢的屈强比较大，塑性变形范围较小，在较大的成形力的作用下容易开裂。因其在成型加工之后具有非常高的强度，容易发生回弹现象，使制件的尺寸稳定性下降^[4]。人们为解决在汽车制造中出现的此类问题，提出了热冲压成形技术。

热冲压成型技术是在汽车轻量化的设计要求下，出现的一种材料成形的先进技术，主要用于强度钢、超高强度钢的成形加工。具体指先将强度钢板或超高强度钢板加热到 900-950℃下并保温 2-3min 使之完全奥氏体化，再利用装有特殊夹持机构的机械手臂将加热后的钢板快速精准地放入模具中进行冲压加工，保压一段时间后在模内进行淬火处理，得到马氏体组织。

1.2 热冲压成形技术的工艺流程

强度钢板或超高强度钢板的热冲压成形工艺流程为：下料→加热（900-950℃）并保温（2-3min）→快速转移坯料→快速合模→冲压→保压→模内冷却（水冷至 200℃）→保压→冷却至室温→开模取件→后期处理（激光切割等）。由上述工艺流程可知，其中最为主要的工序就是模内冷却，这对模具的耐热性、导热性、耐磨性等性能有着极大的要求。本文将就热冲压成形工艺流程中的模具的性能要求进行讨论，以便用作热冲压成形模具设计的工艺规程的

参考。

2 热冲压成形技术的模具设计要求

随着现代模具制造工业的蓬勃发展，绝大多数模具的构件（如导柱与导套、模架与模柄等）现已实现标准化制造，设计人员现只需要设计与制造出凸模与凹模等重要构件。凸模与凹模作为冲压模具的主要工作零件，有着严格的设计要求。其设计要求如下：合理的结构；高的尺寸精度、形位精度、表面质量和刃口锋利；足够的强度和刚度；良好的耐磨性；一定的疲劳强度。

2.1 模具材料的选择

传统的冷冲压模具材料因其需要承受较大的冲击力，并需要保证零件的尺寸精度与结构精度。因此，要求模具的材料需要有较大的强度与硬度、较高的耐磨性、较好的切削加工性能。由于在热冲压成形中，板料被加热 900℃以上，模具需要在高温环境下完成冲压加工。此外，为实现马氏体相变，增加制件的强度，还需在模内对制件进行淬火处理。因此热冲压模具的材料还需满足以下性能：

①良好的导热率。制件绝大部分的热量是通过模具传给冷却系统后扩散到外界的，以保证模具的冷却能力，进而确保制件内部马氏体相变的顺利进行。

②高的抗疲劳性能。模具一般都是用于大批量生产的，需经历成千上万次冲击。避免在生产过程中出现疲劳点蚀，甚至是疲劳断裂，影响制件的表面精度和模具的使用寿命。对于热冲压成形模具而言，不仅需要高的抗机械疲劳的性能，还要具有高的抗热疲劳性能，来保证模具的

寿命。

③良好的热稳定性。由于热冲压成形模具需在高温下完成成形工作，即在高温下使模具具有足够的强度、硬度和小的热变形，进而确保制件的尺寸精度。

④高的耐磨性。由于制件与模具工作表面直接接触，对模具产生磨损。若在冲压过程中氧化皮脱落会对模具的工作表面产生磨粒磨损。使模具工作表面的精度降低，进而影响制件的加工精度。

⑤一定的耐腐蚀性。随着模具使用次数的增多，模具内部的冷却管道可能会发生破裂，使冷却水渗出，极易对模具产生锈蚀。故需要模具材料具有一定的耐腐蚀性。

由于我国的热冲压成形技术起步较晚，在模具材料的选择上面，通常参考热作模具钢来选择适当的模具材料，常见的热作模具钢都含有 Cr、Mo、V 等元素。Cr 元素可以增加材料的强度与刚度，还有耐磨性；Mo 和 V 等元素可以提高材料的耐腐蚀性和热稳定性。

在实际生产过程中，除需要考虑上述材料的性能要求外，还需考虑生产设备和加工成本的限制，对模具材料进行择优选取，以保证热冲压成形工艺的顺利进行，获得高质量产品。

2.2 模具冷却系统的设计

零件热量的去向大致可分为三个方向：首先，绝大部分热量经由模具扩散到冷却系统里，通过冷却水的对流换热作用将热量带走。还有一部分热量直接通过模具表面与空气的对流换热和热辐射等作用扩散到大气中。只有很少的部分因零件与模具达到了热平衡而留存在零件内部。模具冷却系统的好坏直接影响着模内淬火过程中马氏体相变的进行，若不能完全进行马氏体相变，则会在制件内部产生贝氏体组织，由于贝氏体组织较脆，会使制件的力学性能受到非常大的影响。

模具冷却系统的设计要求主要有以下三个方面：冷却速率、冷却均匀性、传热稳定性。为满足这些要求需对冷却管道的直径、分布位置、形状和初始流速等参数进行合理的设计。如国外的 H. Karbasian 等研究了冷却管道的不同加工方法对冷却能力的影响。Naderi 等研究对比了不同的冷却介质对制件加工质量的影响，并得出氮气的冷却效果较好。我国的王立影等通过建立数学模型，求解出了冷却系统临界水流速度（0.75m/s）。利用 Fluent 模拟软件对冷却系统进行了数值模拟，得出了在冷却系统的设计中，应尽量减少管道数量和弯角设计并适当增加管道直径，来确保冷却效果。

2.3 模具的结构设计

高强度钢板和超高强度钢板在被加热到完全奥氏体化温度下时，具有很高的韧性、较强的变形能力和非常小的回弹问题。对于热冲压成形的模具设计可以主要考虑如何减小金属的流动阻力，使金属可以完全地填充到模腔之中。由于模具工作表面的尺寸及形状由制件的几何尺寸决定，表面精度由制造精度保证，主要考虑模具圆角半径、凸凹模间隙、拉延筋、导向和定位装置等。

2.3.1 模具圆角半径的确定

冲压工艺按变形性质可分为分离工序和成形工序，模具圆角半径需要根据不同的工序下来确定。对于落料、冲孔等分离工序而言，就需要足够锋利的凸、凹模刃口。当凸、凹模的刃口磨钝后，会在制件缺口处产生较大的毛刺，影响制件的尺寸精度。对于拉深、弯曲等成形工序而言，凸、凹模的圆角半径就不能过小，圆角半径过小，会影响材料的流动能力，造成板料出现减薄与拉裂等问题。对于模具圆角的确定需要综合考虑加工工序与制件的变形特点等因素，在不影响制件使用性能的前提下，可适当地增加圆角半径，提高金属的流动性，以便得到高质量制件。

2.3.2 凸凹模间隙的确定

模具间隙可分为凸、凹模工作表面的合模间隙和压边圈与凹模的间隙。其中凸、凹模合模间隙的大小直接影响着模具的冷却效果。增大合模间隙，可以有效地增加板料的流动性，减小板料与模具表面的摩擦，提高模具寿命。当合模间隙过大时，由于板料在冷却过程中会发生收缩现象，导致板料与模具间产生间隙，使板料与模具的换热系数变小，影响模具的冷却能力。当合模间隙过小时，虽然能使冷却效果变好，但增加了板料与模具间的摩擦，降低了模具的使用寿命。

2.3.3 其他结构的设计与选择

除上述结构外，其他结构对制件的尺寸精度和表面精度有着不同程度的影响：

①拉延筋。拉延筋通常是指凹模压料面或压边圈上的凸起，具有增加变形阻力控制板料流动方向，防止起皱等作用。在热冲压成形中，对于形状简单的制件，增加拉延筋会出现拉裂等问题。

②导向装置。导向装置主要包括导套与导柱等，其作用为保证上、下模的相对位置和合模间隙的均匀性，对模具的冷却效果、制件的尺寸精度影响显著。

③定位装置。在热冲压成形中，板料的定位主要由机械手臂上的定位装置保证，在此不做过多讨论。

3 结论

随着汽车污染的日益加剧，如何在保证安全性的前提下实现汽车轻量化来减轻环境污染，现以成为热点问题。热冲压成形技术作为将高强度钢与超高强度钢用于汽车轻量化的关键技术受到了人们的广泛关注。作为热冲压成形的重要部件，热冲压模具的设计精度与制造精度一直以来是限制热冲压成形技术的主要因素。人们虽然已对模具材料的选择、冷却系统的设计、模具结构的设计做出了较为系统的设计要求，但制件的加工质量仍存在着很多问题，还需进行后续的处理。在热冲压模具材料的研发、冷却系统的设计、模具结构的优化等方面，仍需要人们的努力探究。