鋼板熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)分析

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摘要：在高強(qiáng)度鋼板加工活動(dòng)中，使用熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)與處理工藝，有利于提升零部件加工效率。鋼板沖壓水冷的方式需要考慮材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，采用科學(xué)的加工方法，滿足鋼板的使用效果需要。在模具設(shè)計(jì)中技術(shù)人員應(yīng)該確定初始穩(wěn)定場(chǎng)和沖壓時(shí)對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)，確保材料變形程度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文從高強(qiáng)度鋼板材料加工的技術(shù)重點(diǎn)進(jìn)行分析，提出幾點(diǎn)有利于提升模具設(shè)計(jì)科學(xué)性的可行性建議。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度；鋼板模具；熱沖壓水冷；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具工作部分的設(shè)計(jì)介紹

1.1傳統(tǒng)凹、凸模具工程出圖設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度鋼材的模具設(shè)計(jì)應(yīng)該按照熱沖壓水冷的常用處理方法進(jìn)行，按照熱沖壓鋼板的變形特點(diǎn)，進(jìn)行模型凹凸區(qū)域的協(xié)調(diào)變形設(shè)計(jì)，有利于提升模具結(jié)構(gòu)沖壓處理中的熱適應(yīng)性。模具基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以凹模與凸模的契合設(shè)計(jì)為主，選擇強(qiáng)度為120～140MPa的普通鋼板作為凹模底座，并且由180～240MPa高強(qiáng)度鋼板作為凸模板對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行磨削處理。傳統(tǒng)的水冷模具設(shè)計(jì)上考慮機(jī)床沖壓作業(yè)中的穩(wěn)定性問題，其彎曲變形區(qū)域?yàn)殚_口向上的“V”字形，符合機(jī)床加工作業(yè)中的重力分布特點(diǎn)。在高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)處理中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足工程出圖的需要，根據(jù)鋼板熱沖壓水冷特點(diǎn)，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)工程出圖。高強(qiáng)度鋼板沖壓加工的難度比較大，為了確保鋼板材料切削加工效率穩(wěn)步提升，技術(shù)人員應(yīng)該做好模具母體參數(shù)的分析工作，努力提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。

1.2創(chuàng)新型模具的協(xié)調(diào)變形設(shè)計(jì)

新型的冷成型改進(jìn)模具設(shè)計(jì)在模型上方增加了壓邊圈，確保熱沖壓水冷模具在彎曲變形中不出現(xiàn)無(wú)規(guī)則變形問題。用它來處理260～300MPa的超高強(qiáng)度鋼板與320～420MPa特高強(qiáng)度鋼板的沖壓作業(yè)，能夠收獲良好的沖擊性能。新型的冷改進(jìn)模具設(shè)計(jì)方法中凹模與凸模的彎曲變形區(qū)呈“Z”形，其變形量更加均勻。新型的沖壓水冷模具設(shè)計(jì)強(qiáng)化了對(duì)于壓邊圈的使用和設(shè)計(jì)，確保高強(qiáng)度鋼板在沖壓處理時(shí)不出現(xiàn)滾動(dòng)和不協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象。熱成型水冷模具設(shè)計(jì)中，其不同沖壓區(qū)域的受力分析更加細(xì)化。凹模與凸模之間的彎曲變形為不規(guī)則形態(tài)，貼合了凹模與凸模在沖壓中的變形軌跡，高強(qiáng)度鋼板在加工作業(yè)中呈現(xiàn)出協(xié)調(diào)變形的特點(diǎn)。根據(jù)模具最終裝配之后的狀態(tài)進(jìn)行模型試驗(yàn)，做好產(chǎn)品品質(zhì)的檢驗(yàn)工作，對(duì)于試模不合格的水冷模具應(yīng)該進(jìn)行返修處理。在鋼板沖壓水冷加工活動(dòng)中，工廠設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮到水冷模具內(nèi)沖壓和淬火的技術(shù)難點(diǎn)，努力提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和模具設(shè)計(jì)能力。從保障模具制造加工工藝提升的角度出發(fā)，提升技術(shù)人員的機(jī)械加工能力和數(shù)控加工水平。在模具裝配環(huán)節(jié)中，根據(jù)當(dāng)前數(shù)控加工機(jī)床作業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行鉗工操作方法的再調(diào)試作業(yè)。為了提高鋼板模具成型設(shè)計(jì)質(zhì)量，技術(shù)人員應(yīng)該做好模具調(diào)試安裝的細(xì)節(jié)管理工作，提升生產(chǎn)線中模具產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)于大小不合格的部分進(jìn)行切削處理。

2高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具溫度控制

2.1前期階段的溫度控制設(shè)計(jì)

在前期準(zhǔn)備階段，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)鋼板的加工要求進(jìn)行裁板樣式的選擇，在落料階段控制好始鍛溫度和終鍛溫度，認(rèn)真做好加熱處理。將常見的高合金鋼鍛造溫度控制在合理的范圍之內(nèi)，其中，鋼號(hào)Cr12的材料其加熱溫度平均為1100～1150℃之間，在沖壓過程中根據(jù)成形要求控制好鍛造溫度。其中，始鍛溫度為1050～1100℃之間，鋼材的終鍛溫度為850～900℃之間。鋼號(hào)Cr12MoV的材料其加熱溫度平均為一千度左右，在沖壓過程中根據(jù)成形要求控制好鍛造溫度,并且在沖壓成形之后對(duì)模具進(jìn)行保壓定形處理。其中，始鍛溫度為1000～1050℃之間，鋼材的終鍛溫度為840～880℃之間。鋼號(hào)CrWMn的合金材料性能比較特殊，在熱沖壓水冷處理中應(yīng)該做好后續(xù)處理工作。其中，根據(jù)鋼板處理的模式特點(diǎn)，進(jìn)行去氧化皮處理，并且根據(jù)激光切邊處理的情況進(jìn)行防銹處理養(yǎng)護(hù)。在高強(qiáng)度鋼板沖壓模具設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)該按照工程出圖特點(diǎn)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中分析后續(xù)的水冷沖壓處理方式的工序?qū)嵤┓椒ǎ瑢?duì)模具安裝的方法進(jìn)行調(diào)試，從而做好模具返修處理工作。

2.2水冷管道成形工藝分析

對(duì)高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行熱沖壓成型后水冷處理，需要嚴(yán)格按照鋼板水冷模具成形工藝流程進(jìn)行加工。做好鋼板設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作，并且在沖壓過程中做好溫度控制的細(xì)節(jié)管理。根據(jù)高強(qiáng)度鋼板使用類型進(jìn)行分析，在后續(xù)處理中對(duì)鋼板材進(jìn)行二次加工，使其具備一定的使用價(jià)值。這種模具設(shè)計(jì)方法可以處理強(qiáng)度在1000MPa以上的熱成型鋼板材料，使其在熱沖壓水冷處理之后達(dá)到一定的屈服強(qiáng)度。這種模具設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員更多地考慮不同加工作業(yè)區(qū)模型板塊的受力情況，在溫度的控制中，根據(jù)不同的模型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選擇鑲拼式冷卻管道和鉆孔式冷卻管道，確保高強(qiáng)度鋼板加工表面載荷作用分布合理。考慮到工業(yè)產(chǎn)品中鋼板的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系，防止在熱沖壓水冷作業(yè)中出現(xiàn)疲勞極限問題。熱沖壓水冷模具的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于加工效果影響較大，考慮RDH對(duì)穩(wěn)定后模具最高溫度的影響，根據(jù)實(shí)際模具優(yōu)化前后溫度分布的情況，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

2.3鋼板熱力耦合有限元分析

在高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)該做好鋼板材料熱力耦合有限元分析工作，計(jì)算鋼板熱沖壓中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的收斂情況，利用有限元分析流程計(jì)算溫度場(chǎng)第二近似值，從而計(jì)算出新的溫度場(chǎng)。在模具設(shè)計(jì)的過程中，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)加工方式更新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元等效應(yīng)變的相關(guān)參數(shù)。通過溫度有限元方程計(jì)算初始溫度率，使模具設(shè)計(jì)方案達(dá)到鋼板變形設(shè)計(jì)的需要。高強(qiáng)度鋼板熱沖壓濕冷模具的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求合理進(jìn)行抗拉強(qiáng)度選擇，考慮到零件的快速成型加工需求，滿足鋼板熱沖壓模具加工處理的要求。以400～600MPa高強(qiáng)度模具沖壓成型工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在下料之后技術(shù)人員需要對(duì)熱沖壓的時(shí)間進(jìn)行控制，將熱沖壓機(jī)床的連續(xù)加熱爐加熱到AC3左右，使模具底板中的鋼材原料充分奧氏體化。如圖1，將預(yù)處理中的鋼板材料快速移動(dòng)到?jīng)_壓機(jī)區(qū)域內(nèi)，確保鋼板材料實(shí)現(xiàn)快速合模和成形，高強(qiáng)度鋼板保壓冷卻之后溫度保持在100～200℃之間，確保熱沖壓成型之后模具內(nèi)容物組織全部為馬氏體。

3不同牌號(hào)高強(qiáng)度鋼材的模具分塊設(shè)計(jì)和參數(shù)控制

在高強(qiáng)度鋼板材料的熱沖壓加工成形處理中，混合材料隨室溫冷卻之后，技術(shù)人員可以采用激光處理的方法，對(duì)模具進(jìn)行切邊和沖孔加工作業(yè)。在高強(qiáng)度鋼板模具設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)該考慮圖1鋼板加工中熱傳導(dǎo)示意圖到不同牌號(hào)模具鋼材的綜合性能，根據(jù)鋼材的可塑性特點(diǎn)，選擇合適的鋼板沖壓加工方法。其中，ALVAR14牌號(hào)的鋼材沖擊性能較低，數(shù)值為2，延展性能數(shù)值為2，鋼材在流入后凹模之后的成形的方式為壓縮處理。這種牌號(hào)的鋼材抗回火性能數(shù)值僅為1，熱強(qiáng)度數(shù)值為1，HRC數(shù)值為40～47，在400℃加工環(huán)境中熱導(dǎo)率數(shù)值為30。綜合分析這種鋼材的性能較弱，可作為一般強(qiáng)度類鋼制零件的制造材料。QRO90SUPERME類鋼材抗回火性能比較強(qiáng)數(shù)值為5，其熱強(qiáng)度數(shù)值為5，HRC數(shù)值為46～50之間，熱膨脹率數(shù)值為3，熱導(dǎo)率（400℃）數(shù)值為33，材料的延展性數(shù)值為2.5，材料的沖擊性能為2.5，此種高強(qiáng)度的鋼板材料需要考慮回彈結(jié)果。根據(jù)沖壓水冷加工作業(yè)中不同料厚的特點(diǎn)，分析鋼板材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，進(jìn)行高強(qiáng)度鋼板的加工處理。如果采用裸板材料進(jìn)行加工處理，可以采用噴丸處理的方式，去除零件表面一層的氧化皮，在高強(qiáng)度鋼板熱沖壓處理之后，沖裁模型受力狀態(tài)將會(huì)更加均勻。22MnB5型號(hào)的鋼板材料在下料之后，經(jīng)過充分的加熱處理之后，可以得到抗拉強(qiáng)度為1500MPa左右的零件。

4結(jié)語(yǔ)

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓水冷模具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)的工作，模具設(shè)計(jì)對(duì)于后期鋼板加工產(chǎn)品的成型質(zhì)量有重要影響。它需要綜合計(jì)劃部、技術(shù)部和制造部、保障部、質(zhì)量管理部門的協(xié)調(diào)配合作業(yè)，才能夠生產(chǎn)出符合數(shù)控機(jī)床作業(yè)要求的模板。技術(shù)部在產(chǎn)品建模中，應(yīng)該做好前期的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作，并且要編制工單和零件表示，制定具體的工序工藝卡，在沖壓水冷模具設(shè)計(jì)中根據(jù)機(jī)加工及裝配的方式，做好外形加工、標(biāo)準(zhǔn)件精密磨削處理等，確保水冷模具成形質(zhì)量較高。

作者:潘毅 單位:廣東省高級(jí)技工學(xué)校

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