一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具的制作方法

本发明涉及一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具，属于热冲压成形装备与技术领域。

背景技术：

在日益严重的能源危机和环境污染情况下，作为主要能源消耗源和废气排放源的汽车业，节能减排已经刻不容缓。车身轻量化技术是汽车制造业为响应“节能减排”措施而提出的一种有效方案，即采用强质比较高的材料，如铝合金、镁合金、超高强钢等，以较少的材料达到或超过原有的结构强度，从而达到降低整车质量的目的。超高强钢由于是在传统铁基材料中加入微量合计元素，相对原有生产只需变更工艺和升级部分设备，因此生产成本较低，故相对于铝镁合金而言更受汽车生产商的青睐。其中的可淬火硼锰钢，通过特殊的成形技术，最终成形件的抗拉强度可达1500mpa以上，能够广泛应用于车身中的高强度要求结构件，如a/b/c柱、防撞梁、保险杠等，受到各大型汽车零部件供应商的关注，也在国内外掀起了一股研究热潮。

可淬火硼锰钢的成形技术，国内简称为热冲压技术，与传统制造高温锻件的热成形技术不同，该技术是成形与淬火的高度结合，具有较高的理论复杂性和工艺控制的一定难度。常规工艺为：将常温状态下的钢板移入具有防氧化保护的加热炉中加热到均匀奥氏体化后，移至内部拥有水冷管道的热冲压模具中进行成形并保压，同时进行淬火使板料微观组织发生马氏体转变，后续进行修边、抛光、回火等工序，最终获得满足要求的零件。由于成形发生在奥氏体化阶段，因此拥有变形阻力小、回弹小、塑性高等优势，拥有良好的成形性能，但就目前研究而言，对于其成形性能的研究多为建立在不同温度、应变速率下的成形极限曲线，进而将其编译导入有限元作为失效判据。但是对于超高强硼锰钢在高温下的拉深性能，特别是非回旋形状的拉深性能，未见多少研究。盒形件作为研究板料成形性能的典型零件，具有较完善的应力应变状态，故以盒形件为研究对象设计一套拉深模具可以客观评价在较复杂受力条件下超高强硼锰钢的高温拉深性能。此外，虽然板料在高温环境下的成形性能影响了零件的成形精度，然而零件的最终质量却取决于淬火工艺的控制，局部区域的淬火速率决定了该区域的最终组织，也决定了区域的最终性能。常规热冲压工艺要求最终成形件强度分布均匀，新型热冲压工艺要求能够实现对于零件不同区域的性能定制，但无论哪种工艺，最终都是通过控制冷却工艺，即不同区域的冷却速度来实现。因此，开发一套能够研究冷却工艺控制对于热冲压件最终质量影响的模具是十分必要的。

实用新型专利cn200820056509：《一种热冲压u形件模具》提出力一种u形件实验模具，其具有快速冷却功能，能适应不同厚度坯料、不同法兰角做试验。该专利提出的模具主要用于研究超高强硼钢的弯曲性能，而弯曲中的应力状态比较简单。

cn201120136029：《带冷却水路的热成型实验模具》提出了一种带冷却水路的热成型模具，其采用镶块式凸凹模，只为满足可以在凸凹模中钻直线冷却孔，此举虽然加工较方便且易于维修，但从淬火均匀性和强度来说效果并不好。

实用新型专利cn201220347545：《热冲压拉深试验模具》提出了一种可以改变压边力的热冲压实验模具，但其没有淬火功能，因此只能研究压边力对于高温下圆筒件拉深性能的影响，研究功能较简单。

本发明所涉及的模具必须安装在具有伺服顶杆的压力机上才能实现成形工艺控制，该压力机可见专利《变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机》(公开号：cn1434282a)；此外，本发明所涉及的模具必须配套温控系统才能实现淬火控制，该温控系统可见专利《一种热成形模具温度检测与控制系统》(申请号：201310162233.7)

本发明提出了一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具，以盒形件为研究对象，可以结合外置压机和伺服顶杆系统，研究超高强硼锰钢在不同成形工艺参数下，如压边力、冲压速度等的拉深成形性能；由于在模具凸模、凹模、压边圈、活动垫块内部都分别布有冷却水道，因此结合外置冷却水流速控制系统，可以研究不同淬火控制工艺对于最终盒形件整体性能的影响。

技术实现要素：

本发明提出了一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具，可以盒形件为研究对象，在结合外置压机和伺服顶杆系统基础上，研究超高强硼锰钢在不同成形工艺参数下，如压边力、冲压速度等的拉深成形性能；通过采用分块式结构，可分别在模具凸模、凹模、压边圈、活动垫块内部都均匀布有冷却水道，在结合外置冷却水流速控制系统基础上，可以研究不同淬火控制工艺对于最终盒形件整体性能的影响。

本发明的技术方案为：

为满足本发明所述的超高强钢盒形件热冲压拉深模具可在结合外置压机和伺服顶杆系统基础上改变成形工艺参数，如压边力、冲压速度等的要求，模具采用倒装式结构，即凹模在上、凸模在下，压边圈提供给板料的压边力是由下方供给，因此符合外置压机伺服顶杆系统的供力方向。为了能够使得压机台面下方的伺服顶杆能够与压边圈接触并提供作用力，则必需在设计凸模大小时考虑相邻伺服顶杆的间距。为了保证所提供压边力的均匀和压边圈上下运行稳定，采用在压边圈底面布置四个伺服顶杆，分别顶在压边圈中心矩形四条边的中点位置的下底面。此外，在下模板对应位置必须开具通孔用于伺服顶杆穿过。

为满足本发明所述的超高强钢盒形件热冲压拉深模具可在结合外置冷却水流速控制系统基础上，研究不同淬火控制工艺对于最终盒形件整体性能的影响，模具中在成形过程中与板料相接处过的部分，如凸模、凹模、压边圈、活动垫块，内部都必须布有全面、均匀的冷却水流道。冷却水道相关参数，如尺寸参数、间距、距离接触面的距离等，以及内部冷却水的温度、流速等都会影响单挑冷却管道的淬火效果。而从设计角度来说，对于冷却水相关参数的变更更易实现，因此冷却水道相关参数在模具设计时确定后将不能轻易修改。故在设计模具内部冷却管道时，必须从淬火有效性、全面性、均匀性考虑，同时兼顾加工可行性与经济性、保证模具结构强度不受影响等方面。因此，必须针对凸模、凹模、压边圈、活动垫块的各自形状特征与在成形中扮演的角色出发，分别设计各自内部的冷却管道。

所述的凸模、凹模、压边圈、活动垫块均采用分块式结构，是为了满足加工出符合矩形槽结构设计要求的需要。

其中所述的凸模由凸模上盖板、凸模外壁、凸模内胆三部分组成，凸模外壁为中空可以以形面过渡配合容纳凸模内胆于其中，凸模上盖板位于凸模外壁中、通过形面定位且覆盖在凸模内胆上方且通过一个螺钉紧固在凸模内胆上表面，凸模外壁和凸模内胆与下模板之间通过销钉定位并通过螺钉和凸模垫板一起固定在下模板上。凸模外壁在成形过程中会受到竖直方向的压应力以及在水平方向收到弯曲作用，因此其侧壁厚度不能过薄，此外还要考虑凸模圆角半径为15mm，本设计中壁厚为20mm，经校核满足刚度要求；此外凸模内胆与凸模外壁在侧壁方向的面配合为过渡配合，不仅可防止各矩形槽内冷却水相互渗漏，也起到对凸模外壁的辅助支撑作用以提高凸模外壁的抗弯性能；由于矩形槽分布在凸模内胆的四个侧面和上表面，为了防止漏水，必选对铣有水槽的面进行密封。凸模上盖板的设计是为了凸模外壁的加工方便，在完成凸模上盖板与凸模外壁、凸模内胆的装配后，通过焊接将其与凸模外壁配合形成的缝焊死并进行抛光打磨，如此是因为凸模上盖板和凸模外壁、凸模内胆之间由于空间有限而无法放置密封橡胶，只能通过焊接来进行密封，使得水流无法从凸模顶面流出。在凸模内胆的下底面、凸模外壁的下底面，都铣有一条封闭的矩形槽，用于放置密封条，在装配后凸模外壁凸台的下底面与凸模内胆的凸台上表面紧密接触、凸模内胆下底面与凸模垫板紧密接触，且密封条在接触压力的作用下紧压在接触面上，从而在凸模侧面和底面形成密封结构以防止水流渗出。

所述的凹模由凹模外壁、凹模内胆和凹模下盖板三部分组成，凹模外壁呈中空与凹模内胆通过形面定位并套在凹模内胆外侧，凹模外壁通过销钉定位和螺钉固定在凹模内胆凸台上，凹模下盖板与凹模外壁通过形面定位并通过四角的沉头螺钉固定在凹模外壁下底面。采用分块式是为了便于在凹模内胆外侧四壁上铣矩形槽，由于凹模内胆在成形中受竖直方向压应力和水平方向压应力，为保证其刚度要求，凹模外壁最薄处不得过小，本设计中最薄处厚度为25mm，经校核满足刚度要求。由于矩形槽分布在凹模内胆的四侧壁，为防止通水后水流渗出，必须采取密封措施。凹模外壁和凹模内胆间的配合为过渡配合，微小的间隙可以减小水压作用下水流的渗出。此外，凹模外壁的上表面和下底面、凹模内胆的下底面都铣有一条封闭的矩形槽以放置密封条。在装配后的压紧力作用下，凹模外壁的上表面与凹模内胆的上凸台下表面压紧形成密封以防止水流从凹模上方渗出；凹模外壁的下表面以及凹模内胆的下底面与凹模下盖板上表面压紧形成密封以防止水流从凹模下方渗出。凹模外壁上凸台四周侧面开有矩形开口，一是为了减小凹模外壁上表面的面积以减小需要精加工的面积，二是为了使提供活动垫块冷却水的冷却软管能够从凹模内胆内腔里通过该矩形开口引出。

所述的压边圈由压边圈上板和压边圈下板两部分组成，两者通过销钉定位并通过螺钉相连接。由于压边圈在成形过程中压边圈上板上表面收到凹模压力，压边圈下板下表面收到伺服顶杆支撑力，因此，若厚度过薄会产生弯曲，故压边圈整体厚度设为40mm，且由于压边圈下板上表面需要铣矩形槽，所以压边圈下板厚度设为30mm，压边圈上板设为10mm。在压边圈下板上表面铣有一条封闭的矩形槽以放置密封条，在压边圈上板、下板通过螺钉紧固后形成密封环境可以防止冷却水的渗漏。

所述的活动垫块由活动垫块上板和活动垫块下板两部分组成，两者通过销钉定位并通过螺钉相连接。活动垫块上板上方连接两个穿过上模板的活动垫块导杆以保证活动垫块的运动方向。在活动垫块和上模板间且套在活动垫块导杆上为蝶形弹簧，对活动垫块提供向下的作用力。

因为活动垫块下板上表面铣有密集的矩形槽而导致没有足够的空间剩余来铣用于放置密封橡胶的矩形槽，因此采用橡胶垫片置于活动垫块上、下板之间，在两者紧固后，橡胶垫片封住矩形槽已形成密封结构来防止水渗漏。

所述的凸模内胆表面加工的矩形槽遍布上表面和四个侧面，其中上表面的两条矩形槽为绕上表面中心线呈相对双螺旋排布(可参照未拆开的、由两盘蚊香组成的蚊香饼)。设计上述形状的矩形槽是考虑到在成形过程中，凸模上表面接触高温板料接触时间长，且在成形力的作用下完全接触板料，因此要达到板料温降≥30℃/s的要求，凸模上表面必须具有强大的吸热能力。采用螺旋形状可以在不大量降低结构刚度的条件下尽可能利用空间，而采用两条矩形槽布置成相对螺旋而不是单螺旋是因为单螺旋下矩形槽路径过长，冷却水流入后随着吸收热量的增多而温度不断上升导致吸热能力下降最终引起板料该区域温差较大，而较大的温差会影响最终成形件质量是淬火工艺要尽量避免的。故凸模内胆上表面矩形槽采用相对双螺旋排布再配合外部冷却系统输入水流方向相反的冷却水，即可形成均匀的淬火效果而降低平面淬火应力。对于位于凸模内胆上表面的每条矩形槽，其一端位于上表面中心区域，与垂直于凸模内胆上表面并贯穿其直达凸模内胆底面的圆形通孔相连；另一端绕过凸模内胆上表面螺旋矩形槽后，沿着凸模内胆侧壁的垂直棱边在与该棱边相接的两垂直侧面上蜿蜒向下延伸直至凸模内胆底部凸台上方15mm处，此处与在凸模外壁对应位置的φ10mm圆孔相通，作为冷却接介质出口或入口。如此设计矩形槽结构是因为对于垂直棱边处的冷却一般情况下由于难以加工冷却水道而难以做到，而本发明由于采用分块式结构可以在凸模内胆竖直棱边上铣冷却槽而对凸模竖直棱边进行直接冷却，此外为不过度破坏结构刚度而采用蜿蜒式结构。在侧面铣有“几”字形矩形槽，由于有一对侧棱边上铣有矩形槽，因此为保证结构刚度，四个侧面上的“几”字形矩形槽在各自侧面上都偏向于未铣有矩形槽的侧棱边。由于侧壁的矩形槽不与其他面串通，因此必须考虑水槽出入口的问题，为了不影响拉深深度，水槽出入口应布置在凸模底部，因此采用“几”字形矩形槽既可以充分利用侧壁空间又可以满足出入口的位置要求。此外，由于侧棱边有一对已经通过在棱边上铣有矩形槽，因此另一对侧棱边则通过在相邻侧壁上尽量靠近棱边处铣矩形槽来间接冷却，同时靠近距离又不能过小以免影响结构刚度。如此，也可对比单条水槽直接冷却与双条水槽间接冷却的效果。在凸模内胆底部凸台的一对侧面上各垂直钻有2个圆形通孔，其位置分别对应于凸模内胆中垂直底面并直达底面的2个圆形通孔，该措施是为了将凸模内胆上表面冷却水槽的出入口打在侧面，便于后续通水管道等的安装。

所述的凹模内胆表面加工的矩形槽环绕凹模内胆的外侧面，矩形槽有三条，呈空间螺旋状绕凹模内胆中心轴铣在凹模内胆的外侧面，矩形槽之间的间隔相等为保证最终淬火效果的均匀性。采用上述矩形槽设计是因为为了研究高温板的拉深性能，会在成形过程中拉深至不同的高度，且由于凸凹模间隙，拉深过程中板料并非紧密接触凹模，且拉深深度越大，板料与凹模间间隙越大，则对凹模在该区域的吸热能力要求更高。因此，在凹模拉深深度方向采用分段式冷却槽可以针对性的调节凹模不同深度区域的冷却能力，从而使得淬火性能的均匀性。

所述的压边圈下板上表面铣有的矩形槽分为四条且各自分布在压边圈下板中心矩形开口处的四周，矩形槽呈“几”字形排布且间隔相等；采用每边一条冷却槽进行冷却可以有效地提高冷却效率。矩形槽覆盖的区域的最外围为所能采用的板料的最大轮廓，因为在成形初始就需要对板料进行冷却，因此压边圈最大冷却范围必须大于初始板料形状以保证高温板料淬火的完全性；在每条矩形槽的首位两端、垂直于压边圈下板下表面的方向钻有φ10mm的圆通孔，用作冷却水的出入口。如此将冷却水槽出入口开在压边圈底面上便不会影响压边圈表面板料的放置。

所述的活动垫块下板的上表面所铣的矩形槽围绕活动垫块中心轴呈平面螺旋分布，且间隔相等。活动垫块在成形过程中起到将板料压紧在凸模上的作用，因此其也在成形过程中紧密接触板料，故其也能起到大量带走板料热量的作用，因此在活动垫块下板上布置较密集的矩形槽，考虑到活动垫块的正方形形状，采用螺旋式矩形槽可以有效地利用面积且不过度破坏结构刚度。将冷却槽的出入口开在活动垫块上板上表面，如此不影响板料的压紧。

有益效果：本发明提出了一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具，以盒形件为研究对象，可以结合外承压机和伺服顶杆系统，研究超高强硼锰钢在不同成形工艺参数下，如压边力、冲压速度等，的拉深成形性能；对模具凸模、凹模、压边圈、活动垫块采用分块式结构，可以在模具内部加工出密集、均匀分布的冷却水槽，在不影响结构刚度前提下可以保证成形件淬火的均匀性和全面性；且在结合外置冷却水流速控制系统的基础上，可以研究不同淬火控制工艺对于最终盒形件整体性能的影响。

附图说明

图1、2为本发明所涉及的模具的整体装配图。

图3为本发明所涉及的凸模外壁结构示意图。

图4为本发明所涉及的凸模内胆结构示意图。

图5为本发明所涉及的压边圈下板结构示意图。

图6为本发明所涉及的活动垫块下板结构示意图。

图7为本发明所涉及的凹模外壁结构示意图。

图8为本发明所涉及的凹模下盖板结构示意图。

图9为本发明所涉及的凹模内胆结构示意图。

图中：1-下模板；2-导柱固定座；3-导柱；4-凸模外壁；5-凸模内胆；6-压边圈下板；7-圆柱销φ10×40；8-压边圈上板；9-密封橡胶条；10-内六角螺钉m10×30；11-密封橡胶条；12-凸模上盖板；13-板料；14-凹模下盖板；15-圆柱销φ10×80；16-内六角螺钉m6×30；17-内六角螺钉m6×40；18-活动垫块上板；19-橡胶垫片；20-活动垫块下板；21-凹模外壁；22-活动垫块导杆；23-凹模内胆；24-导套；25-内六角螺钉m16×100；26-上模板；27-圆柱销φ10×80；28-内六角螺钉m16×80；29-挡块；30-内六角螺钉m10×50；31-凸模垫板；32-圆柱销φ10×60；33-内六角螺钉m10×80；34-限位柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的一种超高强钢盒形件热冲压拉深模具作进一步说明。

模具的组成结构说明

如图1、2所示为本发明所涉及的超高强钢盒形件热冲压拉深模具的整体装配图。由图可知，模具框架采用四柱式模架，其包括上模板26、下模板1、以及分布在模板4角的导柱3、导套24和导柱固定座2。此外，凸模分为凸模上盖板12、凸模外壁4、凸模内胆5三部分并和凸模垫板31一起固定在下模板1上表面，具体装配关系为：凸模外壁4通过侧壁形面定位套在凸模内胆5上，且由于凸台限定了竖直方向的自由度，并通过螺钉17固定在凸模内胆5底部凸台上；凸模上盖板12前期通过形面定位放置在凸模外壁4内、凸模内胆5上表面，并通过螺钉17紧固在凸模内胆5上，后期通过焊接将凸模外壁4和凸模上盖板12连接为一个整体；凸模上盖板12、凸模外壁4、凸模内胆5三者装配好后，通过销钉32将凸模和凸模下方的凸模垫板31一起定位在下模板1上，并通过螺钉33固定。压边圈套在凸模外围，其分为压边圈上板8和压边圈下板6两部分，压边圈上板8通过销钉7定位在压边圈下板6上，并通过螺钉10紧固；压边圈四角开有导柱孔使其可以套在导柱3上并沿其上下移动。凹模分为凹模外壁21、凹模内胆23、凹模下盖板14三部分并一起固定在上模板26下表面，具体装配关系为：凹模外壁23通过侧壁形面定位套在凹模内胆21上，并通过凹模内胆21上基座限定竖直方向自由度，凹模外壁23通过螺钉25紧固在凹模内胆上基座上；凹模下盖板14通过形面粗略定位在凹模外壁21下表面，之后通过销钉15精确定位以及通过螺钉30紧固；凹模外壁21、凹模内胆23、凹模下盖板14三部分装配好后，通过销钉27定位在上模板26下表面，并通过螺钉25紧固。为了使模具能够结合外承压机和伺服顶杆系统，改变成形工艺参数，如压边力、冲压速度等，必须在下模板1相应位置开具通孔以用于伺服顶杆的通过。为了保护压边圈和凸模底座在运行时不发生碰撞，在下模板1上表面固定有限位柱以限定压边圈最小高度。

如图3所示为本发明所涉及的凸模外壁4结构示意图。由图可知，凸模外壁4中间开有方形直壁通孔，为内壁保证表面粗糙度和形状精度，采用先中心钻通孔、后慢走丝线切割的方式直接加工出符合要求的方形直壁通孔。凸台表面、侧壁的孔都可以通过钻铰加工出。底面通过铣削加工出一条封闭矩形槽，用于放置密封橡胶。

如图4所示为本发明所涉及的凸模内胆5结构示意图。由图可知，在凸模内胆5上表面和侧面都布有密集的矩形槽，从加工精度考虑，采用5轴联动数控加工中心铣出表面呈三维立体结构的矩形槽。此外，位于凸模内胆5中心和凸台侧面的长直孔，由于长度较大，必须由经验丰富的操作人员进行操作，才能保证加工质量。其余的短孔和底面的封闭矩形槽都可以通过常规钻铣加工完成。

如图5所示为本发明所涉及的压边圈下板6结构示意图。矩形槽可通过3轴联动加工中心完成。销钉孔和螺纹孔可通过钻铰完成，而导柱孔由于直径较大可采用钻镗完成。

如图6所示为本发明所涉及的活动垫块下板20结构示意图。活动垫块下板20上表面的矩形槽可通过3轴联动的数控加工中心完成。至于周围的螺纹孔可由钻铰加工出。

如图7所示为本发明所涉及的凹模外壁21结构示意图。整体特征可以通过铣、钻、铰等常规加工完成。

如图8所示为本发明所涉及的凹模下盖板14结构示意图。可通过常规铣、钻的加工完成。

如图9所示为本发明所涉及的凹模内胆23结构示意图。凹模内胆23上部基座四面的矩形开口由于精度要求不高，可直接通过线切割加工。侧壁的矩形槽需要通过5轴联动数控加工中心加工，以保证精度要求。中间圆角方形通孔，可以通过铣削加工，也可以通过线切割加工，且由于内表面和板料接触因此后期需要抛光。其余的销钉孔和螺纹孔都可通过钻、铰等常规加工完成。

模具的使用方法如下：

(1)在模具上冷却槽的出入口接上管接头，将模具装夹在带有伺服顶杆的压机上，将温控系统的冷却软管接在模具的管接头上。

(2)在压机上设定成形相关参数，如冲压速率、压边力、拉深高度等，同时在温控系统上设定冷却工艺，如不同管道内的冷却水流速和冷却水流动方向等。

(3)将板料加热到910℃并保温3～5分钟，取出板料放置在压边圈上表面冷却至实验设定温度后，启动压机，凹模随压机滑块下行至接触板料，继而推动压边圈下行，则成形开始。

(4)拉深到所设定高度后，合模保压的同时继续淬火。待板料冷却至200℃以下，则成形与淬火结束。压机滑块上行，同时伺服顶杆上行。若零件嵌在凹模中则会有弹性活动垫块顶出；若零件套在凸模上则会由伺服顶杆驱动下的压边圈向上运动将其褪下。

(5)将零件取出后，随后调节成形与淬火参数，进行下一道实验。