专家文章—浅析热冲压成形模具设计要点

热成形的生产流程，将专用钢板加热到奥氏体化温度后，在高温下使钢板成形，并在成形后对零件进行淬火处理，从而得到组织全为马氏体的热成形零件。可以看出，热冲压是成形和热处理同时进行的工艺。热冲压和热处理都是在模具中进行的，故热成形的模具是热成形过程中更重要的设备，今天就一起来看看这个关键技术。

热冲压关键点：

硼钢被加热至高于Ac3的某一温度使其充分奥氏体化（在加热炉中进行），加热后的钢板应快速搬运到冲压机，并保证其温度不低于Ar3（低于此温度将产生铁素体）。钢板的热冲也应该在Ac3以上进行，从而保证钢板的韧性，之后快速冷却。冷却时保证冷却至马氏体转变开始温度（约200℃）以下。热冲压的温度关键控制点如图1所示。

图1 热成形工艺温度控制要点

由以上描述可知，热成形的整个过程中，热冲压是其中的关键。这里涉及到压机和模具的方方面面。下面我们简单介绍下这两个关键设备的情况。

压机

对于热冲压用的压机，有以下要求：

①快速合模、成形。这就要求热冲压采用高速的液压机，兼顾一般液压机和机械压力机的功能。

图2 采用蓄力器来提高冲压速度

②保压淬火。这就要求模具内设计冷却系统。

图3 冷却水道

③备有过程监控系统。热成形零件质量的好坏主要取决于淬火后的组织转变情况，对冲压过程的模具和零件的温度监控是非常有必要的。

图4 温度监测

④吨位相对较小。常用吨位800吨-1200吨，当然若想实现一条线兼容多个尺寸的零件，可采用吨位大的压机，有些供应商也在考虑2000吨级的压机。

图5 热成形压机

模具材料

1.良好导热性。热冲压成形时，模具的工作表面与高温零件直接接触并发送热传递，同时还要完成淬火。

2.良好热机械性能。模具工作稳定冷热交替，温度变化速度快。

3.良好耐腐蚀性能。模具需对零件进行淬火，在模具中布置有冷却水道，水道不得被冷却介质腐蚀从而引起阻塞。

4.良好的耐磨性、高的硬度强度。热冲压过程中，模具将承受强烈的摩擦，特别是高强度氧化皮带来的磨损。

一般，热冲压模具选择热作模具钢。

模具设计

由于小编为热成形零件的设计人员，对模具的设计只是初步了解，关于模具的水道直径、离型面的距离等等规则在此不做铺述。

图6 热成形模具

热冲压模具的设计流程及注意事项如下：

1.模具型面设计

热冲压模具的型面设计需考虑的内容包括：凹凸模型面的合理设计；翻边孔的转变设计；热胀冷缩的合理补偿；对于激光切割时定位困难的零件，宜增加工艺凸台。

图7 型面设计

2.过程热力耦合分析

首先，需等到合模以后、保压之前的比较准确的温度场分布；接着，采用体单元进行分析，并用虚拟速度进行分析其传热过程，并使用AutoForm分析冲压速度。对于有压边的热成形过程，需要准确反映压边压强对传热的影响。

图8 热量仿真

3.模具的合理分块

图9 模具分块

4.冷却系统设计

图10 冷却系统示意

5.CAE分析和冷却系统优化

图11 CAE分析

6.强度和耐久分析

分析可用软件：MSC-Fatigue、MARC。

图12 热冲压模具

模具分类

热冲压加工要通过其成形模具来实现，模具的设计是否合理，将直接关系到热冲压成形效率的高低。热冲压模具的设计制造方法主要分为4种：钻孔式、分层式、淋蓬式及熔铸式。

图13 模具分类及优缺点

在四种热冲压模具设计制造方式中，以钻孔式和分层式的应用更多。也有部分文献将热冲压模具分为预埋式（铸造）、钻孔式（机加工）和型腔式（数控加工，研究阶段）。其主要的分类依据为加工方法不同。

图14 模具的冷却水道

总结

目前，热冲压使用的压机主要来自舒勒和APT，热成形新技术研究较为深入的有海斯坦普、麦格纳，国内也有凌云、屹丰、天汽模等。