高强度板热冲压成形模具设计简析

　　高强度板材由于具有高强度、较好的应变硬化能力、较强的均匀变形能力、更高的疲劳特性而得到广泛应用，但在高强度板材应用中，特别是在精密制造中，由于板材强度的大幅度提高，给成形工艺和模具设计制造带来了许多新的问题，如强度增大和厚度减薄导致冲压成形中容易产生过量回弹、开裂，强度和硬度提高导致成形力增大和模具容易磨损等。当板材原始强度大于1000MPa时，传统的冷冲压方法根本无法生产结构、形状复杂的零件，而采用热冲压成形技术，即将冲压板材加热至奥氏体温度区，在高温下冲压成形并使其在模具内冷却进行马氏体相变，可在保证高强度的条件下获得需要的形状，较好地克服高强度板冲压成形存在的问题。可以说，热冲压成形技术是解决高强度板材成形难问题和减少回弹获得高精密成形件的有效途径。

　　1 高强度板热冲压成形工艺及工艺要求

　　1.1 试验条件

　　试验条件：22MnB5硼镁合金板，板厚1.2mm，伸长率8%，冲压成形温度900℃，冲压速度15mm/s。

　　仪器设备：1600tXPS液压压力机、中频感应加热炉、KYKY—EM3200型扫描电镜、GENESIS60s型能谱仪，LEICAMEF4M光学显微镜等。

　　1.2 热冲压成形工艺

　　22MnB5硼镁合金板热冲压成形工艺流程为：落料→加热至奥氏体状态并保温→放入模具中冲压成形→保压定形并淬火→去氧化皮→激光切边冲孔→后期处理。试验得出，22MnB5硼镁合金板奥氏体化温度为900～930℃，保温时间为5min，临界冷却速度为27℃/s，保压时间为10～15s，模具冷却系统温度控制范围在20～210℃。零件取出温度80～150℃，冲压全工序时间15～25s。为了防止板材表面被高温氧化，加热前可在板材表面涂覆适当的保护层，以减小摩擦系数、提高耐磨性和模具寿命。

　　通过对22MnB5硼镁合金板成形件切块取样进行微观组织分析表明，淬火后成形件组织为板条状马氏体，如图1，马氏体组织转化率达到了98%以上，平均屈服强度为1135MPa，抗拉强度为1460MPa，硬度450HV，硬度分布较为均匀，完全达到高强板热冲压件的产品性能要求。

　　1.3 热冲压成形温度变化

　　22MnB5硼镁合金板热冲压成形过程中温度随时间变化分四个阶段，如图2。 阶段为加热升温阶段，板材以合适的加热速率加热至奥氏体状态下温度，过高的加热温度会导致板材表面过烧和晶粒长大。第二阶段为保温阶段，板材在在奥氏体温度下保温一段时间，保证在晶粒不长大的情况下实现板材均匀奥氏体化。第二阶段为成形阶段板材在奥氏体状态下快速冲压成形，以免因成形速度过慢而带来的过多热量损失以及过快的温度下降，使板材性能发生变化。第四阶段为保压淬火阶段，板材在模具冷却系统的作用下，模具表面对成形件进行快速冷却淬火，发生奥氏体向马氏体转变的相变，同时达到强化的目的。

　　图2 热冲压过程中22MnB5板材温度变化

　　根据金属热变形理论，奥氏体温度、保温时间、冷却淬火速度对热冲压成形后能否得到均匀的马氏体组织和成形件质量是卉均匀有极大关系，因此，热平衡设计和模具冷却系统设计是高强度扳材热冲压战形模具设计的关键。

　　2 热冲压成形模具热平衡设计

　　2.1 热冲压成形模具热平衡分析

　　按照热量的流向，22MnB5硼镁合金板热冲压成形过程中的热量可以划分为三大项：板材 初的热量、板材与空气之间的对流换热量以及按照热辐射方式传递的热量、板材与模具之间的接触导热其热平衡方程式为

　　式中：Q为热冲工艺中的总的热流量;Q板材为板材带入的热量;Q空气为空气带走的热量;Q模具为模具带走的热量。流入的热量为正带走的热量为负。

　　按照工艺进行加工时，22MnB5硼镁合金板热冲成形过程中的热量流动形式有：板材从加热炉中取出到模具前，板材、空气间对流换热及热辐射( 阶段);冲压开始，板材一面与凸模进行导热，另一面与空气进行对流换热及热辐射(第二阶段);在冲压完毕后的保压时间，板材与模具进行导热(第三阶段)。其热平衡方程式为

　　热冲压工艺中热平衡是一个动态的过程，板材、模具、空气的温度都随时间变化，因此，把热冲压成形工艺划分为板材、空气间对流及辐射换热阶段、板材与摸具导热及与空气间对流和辐射换热阶段、板材模具间导热阶段等三个时间段，分解建立每个阶段的数学模型，依照各阶段特点选择恰当的边界条件，建立热冲压成形工艺中的热平衡方程。

　　2.2 传热数学模型的基本方程

　　在22MnB5硼镁合金板热冲压成形过程中，板材的温度参数是不断变化的，即板材与模具和周围空气的传热是个非稳态过程。根据传热学基本原理及能量守恒定律。

　　2.3 板材的传热数学模型分析

　　板材、空气间对流及辐射换热阶段：式(5)表明在对流换热和辐射换热条件下，板材温度随时间成指数曲线关系变化。在冲压开始阶段，温度变化很快，然后逐渐减慢， 终达到环境温度。板材温度随时间变化曲线由板材的总热容量及板材与环境间的总热阻来决定。

　　板材与模具导热及与空气间对流和辐射换热阶段：式(5)表明在固体淬火和对流换热条件下板材温度仍然随时间成指数曲线关系变化。板材温度随时间变化曲线由板材的总热容量及板材与凹模间的总热阻来决定，而总热阻又由板材与凹模间的接触热阻及板材与周围空气的换热能力决定。

　　板材模具间导热阶段：式(5)表明变形结束后板材进入保压阶段，板材两边为纯固体淬火的冷却状态。在对流换热和辐射换热条件下，纯固体淬火条件下板材温度仍然随时间成指数曲线关系变化。板材温度随时间变化曲线由板材的总热容量及板材与凹模间的总热阻来决定，而总热阻又由板材与凹模间的接触热阻决定。

　　3 热冲压成形模具设计

　　在高强度板材热冲压过程中板材及模具都要经过由奥氏体化以上温度再降到室温这一复杂的温度变化，传热过程、传热效率、冷却速度等对产品的成形质量和模具的寿命都有很大影响。通过热冲压成形热平衡分析和热冲压成形传热数学模型模拟，热冲压成形模具是集板料冲压成形与淬火作用于一身，因此。在成形件设计、模具材料选择、模具结构设计、模具冷却系统设计等都有着与传统模具不同的要求。

　　3.1 热冲压成形模具材料的选择

　　在高强度板材热冲压成形过程中，冲压板材的强度大幅度提高，成形模具必须具有足够的结构刚性、表面硬度与疲劳寿命。另一方面，模具在剧烈的冷热交替的条件下工作，要求成形模具能够抵抗高温板材对模具产生的强力热摩擦以及脱落的氧化层碎片和颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应。因此，模具材料选择时需要考虑模具的膨胀性、模具表面温度频繁变动、模具型腔表面高温软化加剧磨损带来的模具塑性变形失效、疲劳失效和冷热疲劳失效等，材料选择不当，不仅会导致冲压件质量发生波动，还会产生模具磨损、开裂、报废等问题。因此，需要正确选择模具材料及热处理工艺，模具材料选择除了要综合考虑上述因素，特别要注意加热温度、热传导系数、冷却速度要求等因素的影响。一般可参考热锻用热作模具钢，作为热冲压成形模具材料。例如，铝、镁、硼合金板材热冲压模具材料可以采用H13、3Cr2W8V等模具钢。

　　3.2 热冲压成形模具结构设计与制造

　　首先是热冲压成形件的设计，在热冲压成形中成形件的冲压方向、板材与凹模的接触状态、进料阻力、摩擦状况等都与常温下的成形件成形有很大区别，在成形件设计时要综合考虑这些因素，分别进行设计与计算。其次是要注意模具在冲压过程中温度的剧变，带来热稳定性、抗磨损性能、强度、刚度等变化对模具结构设计的影响。再者是板材加热后延展性提高、强度降低。为了防止板材出现拉裂、起皱等现象，必须合理安排模具的间隙及制造精度等。另外，不论对于有无氧化保护涂层的板材热成形，都需要考虑模具在高温和温度急剧变化带来的磨损加剧。

　　3.3 热冲压成形模具冷却系统的设计

　　热冲压成形关键之一就是要保证板材从奥氏体到成马氏体的转变及组织分布的均匀性。因此，热冲压模具冷却系统设计必须通过精确的热平衡计算进行优化设计，以保证板材在设定的冷却速率下均匀冷却成形。

　　以及热冲压模具热平衡分析和传热数学模型的模拟可以得出，22MnB5硼镁合金板温度变化规律及不同因素对冷却效果的影响。当冷却水速度应大于0.01m/s时，水流速度越高，冷却效果越好;当水流速度大于1m/s，水流速度的提高对冷却效果的影响逐步减小;凹模越薄，凹模热容量越小，板材冷却速率越快，在保证凹模机械强度的前提下尽量选择小的凹模厚度。在冷却系统设计时首先要使零件的冷却速度足够大，使奥氏体组织尽可能多地转化成马氏体组织，以保证成形件的各种性能指标：其次要使冷却系统能够迅速带走每次热冲压后模具储存热量，确保模具型腔表面温差的同时保证每次冲压前模具初始条件相同。因此，在冷却系统设计时管路布置、管径选择、冷却介质、水流速度、凹模厚度选择等都有具体的要求，应根据热平衡分析和传热数学模型的模拟，分别进行优化设计和计算。

　　4 结束语

　　(1)对22MnB5硼镁合金板等高强度板，宜采用热冲压成形技术，以克服高强度钢板在冲压时产生的过量回弹、开裂、成形力增大和模具磨损等问题，保证产品质量。

　　(2)在热冲压成形过程中，奥氏体温度、保温时间、冷却淬火速度对能否得到均匀的马氏体组织和成形件质量是否均匀有极大关系，因此，热平衡设计的关键。

　　(3)临界冷却速度、温度变化规律和热平衡计算是成形件热冲压成形模具设计的技术关键，也是成形件设计、模具材料选择、模具设计、模具冷却系统设计、模具制造的基本依据。