一种热冲压模具和热冲压加工方法
【专利摘要】本发明提供一种热冲压模具，包括固定设置的下模座和可上下移动的上模座，下模座上设有顶部开口的凹模腔，上模座的底部设有正对凹模腔的冲头；所述冲头周围设有压边圈，压边圈通过第一弹性连接件连接在上模座的底部，第一弹性连接件可上下弹性伸缩；所述凹模腔内设有导热块，导热块通过第二弹性连接件连接在凹模腔的底部，第二弹性连接件可上下弹性伸缩。冲压过程中，金属板料的所有区域的上下表面均能够得到冷却，所以，金属板料的各区域能够得到均匀的冷却，从而提高了所制成的零件的机械性能的一致性。
【专利说明】
一种热冲压模具和热冲压加工方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种热冲压模具和热冲压加工方法，用于金属板料的热冲压加工。
【背景技术】
[0002]超高强钢热冲压成形技术是指将先进高强度钢板(一般为含硼钢板)加热到奥氏体化温度并充分保温使奥氏体均匀化后，将钢板快速移至低温模具，在模具内完成冲压成形同时实现保压淬火，最终获得组织形态以马氏体为主的强度达到1500MPa左右的超高强钢制件。热冲压工艺的优点在于所需成形压力小，所得制件强度高，且产品回弹量远小于冷冲压工艺。
[0003]在完成冲压动作的同时实现模内淬火是热冲压成形的重要特色，只有当高温板料的冷却速度大于某临界值时(对多数热冲压硼钢而言，此临界值约为27°C/s)，奥氏体才能充分转换为马氏体，制件方能表现出高强度。为使板料获得高冷却速度，除了需要缩短板料转移和模具合模时间，以及设计有效的冷却系统降低模具温度外，还需确保板料与模具之间充分接触，以便使板料热量快速转移至模具，从而实现快速降温。这对获得性能优异的工件具有重要的意义。
[0004]而当前的热冲压工件成形过程中，受传统冲压模具结构的限制，在从开始成形到模具闭合前的较长的一段时间内，如图1所示，高温板料的边缘被压边圈压在凹模上，在凸模向下运动过程中，凸模的冲头的底面与板料的上表面接触，而凹模腔所正对的板料的下表面处于悬空状态，直到凸模和凹模完全闭合后，凹模腔所正对的板料的下表面才与凹模腔的底面接触。相比较，除凹模腔所正对的区域之外的板料的其它区域(包括压边和侧壁等)均全程地与凸模和凹模双面地接触，这些区域的板料的上下表面均受到冷却，而凹模腔所正对的区域的板料仅上表面与冲头的底面接触，冷却速率明显较低，不利于淬火硬化，进而影响该部位的机械性能。
[0005]而且，现有的热冲压成形模具冲压金属板料时，压边圈在冲头与金属板料接触之前先压住板料并施加一定的压边力。对冷冲而言，这种做法可有效防止板料在成形过程中产生起皱的缺陷。然而对热冲压而言，压边圈先下压并过早施加压边力意味着此区域板料温度下降较快，淬火效果比其它区域好。一方面，由此导致金属板料的与压边圈接触区域的材料流动性能下降，不利于材料向凹模内成形流动;另一方面，成形完成后压边区域最终的强度和硬度较高，而此区域通常最终是需要切割掉的，因而强度和硬度越高，对后续工序越不利。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热冲压模具和热冲压加工方法，在对金属板料热冲压过程中，金属板料的各区域能够得到均匀的冷却，从而提高了所制成的零件的机械性能。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热冲压模具，采用如下技术方案:一种热冲压模具，包括固定设置的下模座和可上下移动的上模座，下模座上设有顶部开口的凹模腔，上模座的底部设有正对凹模腔的冲头;所述冲头周围设有压边圈，压边圈通过第一弹性连接件连接在上模座的底部，第一弹性连接件可上下弹性伸缩;所述凹模腔内设有导热块，导热块通过第二弹性连接件连接在凹模腔的底部，第二弹性连接件可上下弹性伸缩。
[0008]进一步地，所述第一弹性连接件和第二弹性连接件均为弹簧。
[0009]进一步地，所述压边圈的下表面低于冲头的下表面。
[0010]进一步地，所述上模座由伺服压机驱动。
[0011]进一步地，所述压边圈中间设有通过孔，所述冲头的截面呈U形，压边圈中间的通过孔与冲头的U形截面匹配。
[0012]进一步地，所述导热块的侧面与凹模腔的侧壁滑动配合。
[0013]进一步地，所述上模座和/或下模座上设有冷却水道
[0014]与上述的一种热冲压模具相应地，本发明还提供一种热冲压加工方法，采用如下技术方案:一种热冲压加工方法，采用如权利要求1所述的热冲压模具，包括如下步骤:
[0015]I)将热冲压用金属板料放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上，并保温设定时间使金属板料奥氏体化；
[0016]2)金属板料充分奥氏体化后，将板料转移到热冲压模具上进行冲压，金属板料放置在下模座顶面上覆盖在凹模腔顶部的开口上，在冲压过程中:
[0017]a)上模座向下运动，压边圈先与金属板料边缘的上表面接触而将金属板料压在上模座的上表面上；
[0018]b)在步骤a)之后，上模座继续向下运动，冲头的下表面与金属板料的上表面接触，与此同时，导热块的上表面与金属板料的下表面接触；
[0019]c)在步骤b)之后，上模座继续向下运动至设定位置后停止并保持设定的一段时间，使利用金属板料加工成型的零件在凹模腔内保压淬火；
[0020]3)取出零件，进入后续处理阶段。
[0021]如上所述，本发明的一种热冲压模具，具有以下有益效果:本发明的热冲压模具在冲压时，当上模座向下运动至冲头贴近金属板料的上表面时，金属板料的边缘被压边圈压在下模座上，所以金属板料的边缘处的上下表面均能够得到冷却；冲头的底面与金属板料的上表面接触，由于在下模座的凹模腔内设置了导热块和第二性连接件，导热块通过第二弹性连接件连接在凹模腔的底部，在冲头将金属板料向下冲压的过程中，第二弹性连接件将导热块顶紧在金属板料的下表面上，这样，冲头和导热块分别贴在金属板料的上下表面上，从而使金属板料的与冲头接触的区域的上下表面也能够得到冷却;这样，金属板料的所有区域的上下表面均能够得到冷却，所以，金属板料的各区域能够得到均匀的冷却，从而提高了所制成的零件的机械性能的一致性。相应地，本发明的热冲压加工方法也具有上述效果，此处不再赘述。
【附图说明】
[0022]图1显示为传统冲压模具的示意图。
[0023]图2显示为本发明实施例的热冲压模具的结构示意图。
[0024]图3显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头处于最高位置处。
[0025]图4显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头与金属板料上表面接触瞬间的状态。
[0026]图5显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，金属板料的下表面与导热块接触瞬间的状态。
[0027]图6显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头处于最低位置处。
[0028]附图标记如下:
[0029]I 上模座7金属板料
[0030]2 冲头8下模座
[0031]3 压边圈9凹模腔
[0032]4 通过孔10 导热块
[0033]5 第一弹性连接件 11 第二弹性连接件
[0034]6 导向套12 导向杆
【具体实施方式】
[0035]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0036]图2显示为本发明实施例的热冲压模具的结构示意图，请参见图2，本发明提供一种热冲压模具，包括固定设置的下模座8和可上下移动的上模座1，下模座8上设有顶部开口的凹模腔9，上模座I的底部设有正对凹模腔9的冲头2;所述冲头2周围设有压边圈3，压边圈3通过第一弹性连接件5连接在上模座I的底部，第一弹性连接件5可上下弹性伸缩;所述凹模腔9内设有导热块10，导热块10通过第二弹性连接件11连接在凹模腔9的底部，第二弹性连接件11可上下弹性伸缩。本发明的热冲压模具在冲压时，当上模座I向下运动至冲头2贝占近金属板料7的上表面时，金属板料7的边缘被压边圈3压在下模座8上，所以金属板料7的边缘处的上下表面均能够得到冷却;冲头2的底面与金属板料7的上表面接触，由于在下模座8的凹模腔9内设置了导热块10和第二性连接件，导热块10通过第二弹性连接件11连接在凹模腔9的底部，在冲头2将金属板料7向下冲压的过程中，第二弹性连接件11将导热块10顶紧在金属板料7的下表面上，这样，冲头2和导热块10分别贴在金属板料7的上下表面上，从而使金属板料7的与冲头2接触的区域的上下表面也能够得到冷却;这样，金属板料7的所有区域的上下表面均能够得到冷却，所以，金属板料7的各区域能够得到均匀的冷却，从而提高了所制成的零件的机械性能的一致性。需要说明的是，在本发明的一种热冲压模具中，第二弹性连接件为导热块提供施加在金属板料下表面的压紧力，使导热块保持与金属板料的下表面接触，但对板料的成型并无影响。
[0037]弹簧作为一种能够轴向伸缩的弹性连接件，具有良好的弹性性能，并且易于制作，成本较低，优选地，如图2所示，在本发明的一种热冲压模具中，第一弹性连接件5和第二弹性连接件11均为弹簧。在冲压金属板料7时，上模座I向下快速地运动使冲头2将金属板料7压入凹模腔9，当冲头2至设定位置时，上模座I停止运动使冲头2保持在设定位置，为了能够精确地控制上模座I的运动，保证冲头2能够精确地停止在设定位置，优选地，上模座I由伺服压机驱动，精确控制下压量精度到0.1mm。
[0038]在设计热冲压模具时，根据模具的整体尺寸设计，确定导热块10以及与导热块10连接的弹簧的尺寸;根据要冲压的产品的尺寸要求，选择相应弹性范围内的压缩弹簧，导热块10连接在弹簧上，导热块10的上表面应与下模座8的上表面平齐;压边圈3的下表面与冲头2的下表面平齐或者略低于冲头2的下表面。图3显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头处于最高位置处，图4显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头与金属板料上表面接触瞬间的状态，图5显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，金属板料的下表面与导热块接触瞬间的状态，图6显示为利用本发明的热冲压模具加工金属板料的示意图，冲头处于最低位置处。如图3所示，利用本发明的热冲压模具进行冲压加工时，金属板料7从高温炉内取出后，迅速放置在下模座8上，金属板料7的下表面与下模座8及导热块10接触，所以金属板的下表面冷却均匀，然后上模座I向下运动，如图4所示，冲头2和压边圈3同时与金属板料7接触(或者压边圈3略早于冲头2与金属板料7接触，此时压边圈3施加在金属板料7上的压力很小，金属板料7的温度下降不快)，所以金属板料7的上表面也冷却均匀；上模座I继续向下运动，如图5所示，金属板料7发生变形，金属板料7的各区域始终保持与模具双面接触，如图6所示，冲头2运动之设定位置并停止，金属板料7成型的零件在凹模腔9内完成保压淬火。
[0039]为了使冲头2与压边圈3之间的整体结构比较稳定，如图2所示，可以在压边圈中间设有通过孔，所述冲头的截面呈U形，压边圈中间的通过孔与冲头的U形截面匹配。导热块10在凹模腔9内上下运动，为了使导热块10在凹模腔9内的运动较为平稳，可以将导热块1设置成与凹模腔9相配合的形状，导热块10的侧面与凹模腔9的侧壁滑动配合。还可以在上模座I上设置导向套6，在下模座8上设置导向杆12，导向杆12与导向套6滑动配合，在上模座I上下运动时，导向杆12和导向套6能对上模座I起到导向作用，使上模座I的运动更加平稳。
[0040]为了使金属板料7的冷却速度更快，可以在上模座I和/或下模座8上设置冷却水道，向冷却水道中通入冷却液，可以加速金属板料7的冷却。
[0041]基于上述的本发明的一种热冲压模具，下面我们对利用本发明的一种热冲压加工的方法进行说明，本发明的一种热冲压加工方法采用上述的本发明的一种热冲压模具，本发明所提供的热冲压加工方法括如下步骤:
[0042]I)将热冲压用金属板料7放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上，并保温设定时间使金属板料7奥氏体化；
[0043]2)金属板料7充分奥氏体化后，将板料转移到热冲压模具上进行冲压，金属板料7放置在下模座8顶面上覆盖在凹模腔9顶部的开口上，在冲压过程中:
[0044]a)上模座I向下运动，压边圈3先与金属板料7边缘的上表面接触而将金属板料7轻压固定在上模座I的上表面上，此时压边力较小，压边和板料的换热系数较低。随上模座向下运动的行程变大，压边力增大，板料冷却速度增加；
[0045]b)在步骤a)之后，上模座I继续向下运动，冲头2的下表面与金属板料7的上表面接触，与此同时，导热块10的上表面与金属板料7的下表面接触；
[0046]c)在步骤b)之后，上模座I继续向下运动至设定位置后停止并保持设定的一段时间，使利用金属板料7加工成型的零件在凹模腔9内保压淬火；
[0047]3)取出零件，进入后续处理阶段。
[0048]上述步骤I)中的设定时间是保证金属板料7奥氏体化的时间，是本领域技术人员根据实际情况而确定的，经过奥氏体化之后，金属板料7原有的铁素体和珠光体组织转变为奥氏体组织。
[0049]上述步骤2中，从金属板料7被冲头2冲压开始变形至变形完成并在凹模腔9内保压淬火的过程中，金属板料7的上表面与冲头2的下表面、冲头2的侧面及压边圈3的下表面接触，并且金属板料7的下表面与下模座8的上表面、凹模腔9的侧壁及导热块10的上表面接触，所以，金属板料7上表面和下表面的全部区域被均匀地冷却。
[0050]综上所述，利用本发明的一种热冲压模具及热冲压加工方法进行热冲压加工具有如下有益效果:
[0051](I)金属板料7的各个区域在成形过程中均能和模具双面接触，保证金属板料7整体具有均匀的冷却速度，从而实现最终所制造的产品机械性能的均匀性。
[0052](2)对于传统模具设计，若实际效果不符合设计要求，或者由于磨损等因素导致产品性能不符，一般需要多次修模，试验流程很长。本发明的一种热加工模具中，压边圈3和导热块10的设计和安装都很方便，可以根据需要随时安装、拆卸甚至更换，非常灵活。
[0053](3)本发明的一种热加工模具配备有伺服压机，可以实现下压量的在一定范围内任意调节。在科学实验或产品中试过程中，通常需要测试冲头2在不同的下压量时的成形性能。传统的模具通常需要准备多套模具方能实现此功能。由于本方法设计了通过弹簧连接在凹模腔9内的导热块10，可确保金属板料7在成形与保压的各阶段的各个位置均与模具双面接触，具有较好的冷却速度。因此结合利用伺服压机可自由控制冲头2行程的特点，对弹簧弹性范围内任意的下压量，均可在同一模具上实现。
[0054](4)本方法灵活性高，适用于弯曲模、拉深模等主要成形模具。且由于采用了通过弹簧连接在凹模腔9内的导热块10，本发明的一种热冲压模具可采用单动压机或双动压机驱动。
[0055](5)在冲头2向下运动过程中，与导热块10连接的弹簧的弹簧压力是随着下压量的增加而线性增加，因而金属板料7与导热块10接触的区域的降温速度(与压力成正比)也是逐渐增加。
[0056]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种热冲压模具，包括固定设置的下模座和可上下移动的上模座，下模座上设有顶部开口的凹模腔，上模座的底部设有正对凹模腔的冲头;其特征是: 所述冲头周围设有压边圈，压边圈通过第一弹性连接件连接在上模座的底部，第一弹性连接件可上下弹性伸缩； 所述凹模腔内设有导热块，导热块通过第二弹性连接件连接在凹模腔的底部，第二弹性连接件可上下弹性伸缩。2.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述第一弹性连接件和第二弹性连接件均为弹簧。3.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述压边圈的下表面低于冲头的下表面。4.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述上模座由伺服压机驱动。5.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述压边圈中间设有通过孔，所述冲头的截面呈U形，压边圈中间的通过孔与冲头的U形截面匹配。6.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述导热块的侧面与凹模腔的侧壁滑动配合。7.如权利要求1所述的热冲压模具，其特征是:所述上模座和/或下模座上设有冷却水道。8.—种热冲压加工方法，其特征是，采用如权利要求1所述的热冲压模具，包括如下步骤: 1)将热冲压用金属板料放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上，并保温设定时间使金属板料奥氏体化； 2)金属板料充分奥氏体化后，将板料转移到热冲压模具上进行冲压，金属板料放置在下模座顶面上覆盖在凹模腔顶部的开口上，在冲压过程中: a)上模座向下运动，压边圈先与金属板料边缘的上表面接触而将金属板料压在上模座的上表面上； b)在步骤a)之后，上模座继续向下运动，冲头的下表面与金属板料的上表面接触，与此同时，导热块的上表面与金属板料的下表面接触； c)在步骤b)之后，上模座继续向下运动至设定位置后停止并保持设定的一段时间，使利用金属板料加工成型的零件在凹模腔内保压淬火； 3)取出零件，进入后续处理阶段。
【文档编号】B21D37/10GK105880385SQ201610300587
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】韩先洪, 谭淑霖, 丁亚男
【申请人】上海交通大学