热冲压成型概述

汽车轻量化课程 高强钢热冲压成形工艺分析 主要内容 高强钢热冲压成型的国内外现状高强钢热冲压成型主要设备高强钢热冲压成型工艺流程高强钢热冲压成型模具设计高强钢热冲压成型冷却系统 2 4 22 2020 高强钢热冲压成型工艺发展现状 车用高强钢的使用趋势 3 4 22 2020 先进高强度钢 AHSS 的发展 在白车身中 低碳钢与高强低合金钢 HSLA 的重量比呈下降趋势 约束淬火高强钢 PHS 的重量比呈上升趋势 烘烤硬化钢的用量将维持不变 通过低碳钢 HSLA的减少以及PHS的增加 使车身重量减轻 第三代AHSS发研发目标 性能可达到 1000 1500MPa时具备20 30 的延伸率应用从碰撞安全件延伸至结构件甚至外覆盖件 如下图所示 美国汽车业高强钢的目标 1 第三代AHSS的量产 并且降低价格 2 强度达到1000 1500MPa 并可冷成形 3 材料可焊性好 成本低 各种性能的钢材在车身的应用与发展 4 2020 4 22 热冲压成型的主要设备 热冲压工艺的主要设备包括 热冲压钢板 坯料的拆卸系统 加热炉 转运过程中的机械手臂 压机 具有冷却系统的模具 激光切割机 喷丸机 5 2020 4 22 热冲压成型工艺流程 热冲压是将硼板加热到奥氏体化温度以上 使其材料组织发生奥氏体转变 并在奥氏体化温度下保温适当的时间 板料内部组织经过一段时间后会全部变为分奥氏体 之后利用机械夹手夹持着红热状态下的板料 然后将其快速移动到具有冷却水道的水冷模具内 开动压机实现板料的快速冲压 并保压一段时间使板料以一定的冷却速率淬火并且实现内部组织由奥氏体完全转化为马氏体的过程 热冲压成形又分为直接 一次 成形和间接 二次 成形两种基本的类型 薄板的直接成形工艺过程主要是高强度钢板在高温炉中被加热到奥氏体化温度或以上 并保温一段时间以保证板料内部的组织完全转变为奥氏体 将红热板料快速放入具有冷却系统的水冷模具中快速冲压成形并保压一定时间以实现板料淬火 直接成形工艺需要价格昂贵的激光切割设备 二次成形过程是先通过一次冲压成形将板料冲压成需要的形状 然后在对预成形件再进行加热一定形一淬火 通过二次热冲压成形最终获得免除激光切边工序的高强度结构件 6 2020 4 22 热冲压工艺流程示意图 高强钢热冲压成型的模具设计 1 上垫板2 上垫脚3 上模座4 导向结构5 下模座6 下垫脚7 下垫板8 凸凹模9 吊钩10 冷却系统 板式热成型模具整体结构 8 2020 4 22 高强钢热冲压成型的模具设计 模具的工作部件直接与零件接触 由于在高温下零件的流动性能优异以及回弹微小 因此在设计型面时考虑的主要因素是减小零件的流动阻力 并使零件与模具表面紧密接触 以期达到优异的冷却性能 热成形模具工作部件的必须具有合理的圆角半径值 圆角半径过小时 零件的直壁和过渡区变形过大 大大降低了危险断面的强度 总之 圆角半径小时会导致零件的拉深系数偏大 零件的流动阻力增大 零件与模具表面的摩擦力也相应增大 造成零件表面质量降低以及模具使用寿命缩短 理论上圆角半径越大 越有利于降低零件的流动阻力 但是过大的圆角半径会导致过渡部分强度降低 在模具工作部件的设计中 凸凹模间隙值的大小对于零件的成形和冷却都有显著的影响 设计热成形模具凸凹模间隙的时候要考虑一下因素 1 模具表面与零件间的摩擦情况 凸凹模间隙越大 零件与模具之间的摩擦力就越小 零件的流动阻力就越小 这样就越有利于冲压出表面精度高的零件 对于模具的寿命也越有利 2 模具表面与零件间的接触情况 模具表面与零件之间的接触情况对热量的传递有重要的作用 间隙越大 零件表面与模具的接触就越不紧密 传热效果也就越差 模具的工作部件是与零件直接接触的部件 其作用不仅仅冲压零件成型 还起到对零件冷却淬火的作用 因此工作部件是热成形模具的核心部件 对设计和材料都提出了比较高的要求 设计准则可概括如下 1 模具的设计必须符合冲压时的精度要求冲压的过程涉及到零件和模具的应力应变复杂剧烈的相互作用 因此设计时要保证在这种作用下零件表面的精度要求 2 模具的冷却系统必须符合零件在型腔内淬火的要求 冷却系统不仅仅应该具备快速转移零件热量的能力 使零件快速淬火生成马氏体组织 而且还应该具备均匀的冷却效果 这样在冲压过程中零件和模具不至于受到剧烈的热应力 可以提高模具的寿命 9 2020 4 22 热冲压成型的冷却系统 热冲压模具冷却系统直接影响着板料奥氏体到马氏体微观组织转变的好坏以及相变产生是否均匀 因此热冲压模具冷却系统必须满足冷却能力强 冷却均匀性好的要求 为了使奥氏体尽可能多的转变为板条状马氏体 冷却系统首先要使成形件的冷却速度足够大 超过转变的最小冷却速率27 C s 以保证转变的发生 其次 为了实现连续生产 冷却系统要能够在冲压间歇时间内使模具迅速冷却 确保每次冲压前模具初始温度相同 冷却系统不仅要实现对成形件的淬火 还要使淬火均匀 即对模具和成形件的冷却要均匀 如果冷却不均匀 导致成形件各部分淬火程度不同 淬火后组织分布不均匀 成形件力学性能不均匀 还容易产生热应力影响成形件的尺寸精度和模具寿命 因此 冷却系统要尽量减小模具各个位置的温度差 使各个位置的冷却速率尽量相同 目前热冲压的冷却方式主要是在热冲压模具内部开设冷却管道通入冷却介质 整个冷却过程包括板料与模具表面的热交换 模具内部的热传导 模具与冷却介质间的热对流 模具对外界热辐射和板料边缘的热辐射等过程 虽然整个冷却过程复杂 但是冷却效果好 冷却速率易于控制 因此成为了实际生产中广泛采用的冷却方式 实际生产中通入的冷却介质多为水 水的成本低廉可以重复使用 易于得到 而且水的流动性好 比热容高 冷却效果好 不造成污染 是一种应用最为广泛的冷却介质 10 2020 4 22 冷却水道的类型 冷却水道的开设主要有两种方式 贯穿式和分块式 贯穿式是由直接贯穿于整个模具内部的冷却水道构成 由模具一端进 从另一端出 这种冷却方式优点是加工简单 模具生产周期短 缺点是受机械加工的限制只能适用于长度不大形状不复杂的模具 贯穿式冷却水道 一般 当模具长度小 形状简单 机械钻冷却水孔不难时 可以不对模具进行分块 直接钻穿模具 开设出冷却水道 实际生产中 一般零件尺寸较大 模具长度大 不易于机械钻孔 需要对模具事先进行分块 分成易于机械加工尺寸的模具分块 然后再对每个分块钻孔开设出冷却水道 相邻两个分块的相邻端面的冷却水孔需要对接上 然后用密封圈密封 才能保证冷却水从前一个分块顺利流到下一个分块 或者相邻分块的相邻端面分别开设水槽 连通端面上所有冷却水道孔 然后两个分块的水槽对接 再用密封圈密封 也能实现冷却水从前一个分块流到下一个分块 进而贯穿整个模具 11 2020 4 22 分块式冷却水道 事先对模具进行分块 然后对每个模具分块分别开设纵向进出水道和横向冷却水道 相邻分块之间用堵塞堵住水道端头孔 从而每个模具分块内冷却水从进水道进 从出水道出 各自有独立的冷却水道 分块之间互不影响 分块式冷却水道具有以下一些优点 1 每个模具分块有独立的冷却水道 互不影响 易于控制每个分块的冷却效率 能使每个分块都有很高的冷却速率 2 对于尺寸较长 形状复杂的模具也能达到很好的冷却效果 根据形状尺寸的特点对模具进行分块 然后根据各个分块的特点单独设计冷却水道 各个分块内的冷却水道数量可以不同 布置位置也不相关 使得每个分块都能达到冷却效果的要求 3 由于每个分块有独立的冷却水道 冷却效果好 相同的冷却速率要求下 冷却水流速度和流量都将较低 4 分块式冷却水道使热冲压模具整体冷却速率高 奥氏体转换马氏体更快 更完全 可以减少保压时间从而加快生产节拍 12 2020 4 22 总结 通过以上论述我们初步了解了高强钢热冲压成型的基本知识 包括热冲压成型的总体介绍 热冲压成型的所需设备以及热冲压成型工艺的基本过程进行了介绍 其次