專利名稱：一種超高強度鋼熱沖壓成型工藝及成型模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高強度鋼熱沖壓成型工藝及模具，屬于超高強度鋼板料沖壓成型技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽車輕量化可以減少燃油消耗、降低發(fā)動機的廢氣排放。為使汽車輕量化后仍能滿足碰 撞安全性能，各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)的同時，已把工作重點轉(zhuǎn)向新材料新工藝 的應(yīng)用。尤其是在車身結(jié)構(gòu)方面，通過對先進高強度鋼和超高強度鋼的研究和使用，提高了 汽車的碰撞性能，同時也實現(xiàn)了輕量化的要求。但是隨著鋼材強度的提高，材料的延伸率和 成形性能也大大降低，成形過程中容易產(chǎn)生破裂、起皺、尺寸難以控制和形狀不良等問題， 傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝已不能滿足技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要。
近幾年，國外學(xué)者開發(fā)出一種新的高強度、超高強度鋼板熱沖壓成形工藝，該工藝使高 強度鋼和超高強度鋼板料在加熱爐中被加熱到奧氏體化溫度(900 950°C)，并在奧氏體區(qū)保 持5分鐘，然后將板料轉(zhuǎn)移到壓力機，在沖壓模具中同時進行沖壓成形和淬火，使成形零件 獲得100%馬氏體組織。該工藝能夠在提高碰撞性能和疲勞強度的同時降低汽車結(jié)構(gòu)件的重量。
中國專利申請CN101288889公開了一種《超高強度鋼板熱沖壓成型模具》，該模具包括上 模座和固定在上模座上的凸模、下模座和固定在下模座上的凹模，凹模中設(shè)有冷卻水通道， 冷卻水通道與一個冷卻水循環(huán)系統(tǒng)相連接。在該發(fā)明中，僅設(shè)置了用于降低模具溫度并對零 件進行冷卻的冷卻水通道。
中國專利申請CN1829813發(fā)明公開了一種《熱成形法與熱成形構(gòu)件》，對于特定成分的鋼 板加熱至奧氏體點溫度(Ac3)以上并保持后，進行最終制品形狀的成形，在成形中或者從 成形后的成形溫度的冷卻之時，到達(dá)成形構(gòu)件的馬氏點溫度(Ms點)的冷卻速度在臨界冷卻 速度以上，并且，以從Ms點到20(TC的平均冷卻速度為25 15(TC/s冷卻而進行淬火處理。
在熱沖壓過程中，必須保證在馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生前完成沖壓成形，否則，馬氏體的高強度 和低延展性會在成形過程中導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋、熱沖壓成形件回彈嚴(yán)重等問題。上述兩項專 利均只考慮了熱沖壓模具的冷卻過程，但是沒有考慮熱沖壓模具的加熱。在熱沖壓過程中， 由于用于熱沖壓的模具的溫度跟冷卻水的溫度相當(dāng)(2(T3(TC)，達(dá)到奧氏體溫度的鋼板放置 于模具上后，鋼板與模具接觸部分將跟模具之間產(chǎn)生熱量傳遞。由于板料的厚度一般位于 1.(T3.0mm之間，相對于模具厚度(200 400mm)來說，厚度要小得多。這將導(dǎo)致板料與模具 接觸部位在熱沖壓成型進行之前已經(jīng)降低到馬氏點溫度(Ms點)之下，并產(chǎn)生了馬氏體組織， 從而影響了板料的成型性能，導(dǎo)致熱沖壓零件成型后回彈量大，甚至導(dǎo)致成型件表面及內(nèi)部 產(chǎn)生裂紋，影響熱沖壓零件的成型精度和成型質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有超高強度鋼熱沖壓成型技術(shù)存在的問題，提供一種能夠避免成型件表面 及內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、消除零件成型回彈、保證產(chǎn)品精度及質(zhì)量的超高強度鋼熱沖壓成型工藝， 同時提供一種實現(xiàn)該工藝的熱沖壓成型模具。
本發(fā)明的超高強度鋼熱沖壓成型工藝是
3在超高強度鋼板料熱沖壓成型之前，將參與沖壓的模具中與超高強度鋼板料接觸的部件 (如凸模、凹模和壓料板等)加熱，使這些部件的表面溫度達(dá)到超高強度鋼的馬氏體點溫度 以上，再將加熱到完全奧氏體化后的超高強度鋼板料放置于模具中沖壓成型，熱沖壓模具閉 合后，對模具進行冷卻，利用與成型零件相接觸的模具部件對成型零件進行淬火。 實現(xiàn)上述工藝的超高強度鋼熱沖壓成型模具采用以下技術(shù)方案-
該超高強度鋼熱沖壓成型模具包括凸模、凹模和控制單元，凸模和凹模的內(nèi)部設(shè)置有電 熱元件和冷卻水通道，在凸模和凹模內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，在凹模和凸模的側(cè)面分別設(shè)置有 復(fù)位開關(guān)和合模時壓下復(fù)位開關(guān)的壓板，控制單元包括水泵、三通閥、兩通閥、單向閥和可 編程控制器，水泵的進水端與冷卻水源連接，出水端通過三通閥與冷卻水通道的入口連接， 三通閥的一個出口直接與冷卻水源連接，兩通閥的一端與壓縮空氣源連接，另一端與冷卻水 通道的入口連接，冷卻水通道的出口與單向閥連接，該單向閥與冷卻水源相連，復(fù)位開關(guān)、 電熱元件、溫度傳感器均與可編程控制器連接，可編程控制器與一觸摸屏連接。
電熱元件與冷卻水通道的一種排列方式是其軸線在同一平面內(nèi)等間距間隔排列，即電熱 元件距離凸?；虬寄１砻娴木嚯x與冷卻水通道距離凸模或凹模表面的距離相等。
電熱元件與冷卻水通道的另一種排列方式是分上下兩排排列，電熱元件與冷卻水通道的 軸線平行。
電熱元件與冷卻水通道的第三種排列方式是電熱元件與冷卻水通道的軸線分布在兩個平 面內(nèi)，其軸線呈空間垂直排列，電熱元件距離凸?；虬寄１砻娴木嚯x與冷卻水通道距離凸模 或凹模表面的距離不相等。
上述超高強度鋼熱沖壓成型模具的工作流程是
水泵啟動后不間斷運轉(zhuǎn)，直到停止沖壓工作。利用高壓空氣將熱沖壓模具中的冷卻水通 道中的冷卻水排出，讓模具的冷卻水通道中只存在空氣；給電熱元件提供交流電或直流電， 利用電熱元件使模具零件表面的溫度達(dá)到相應(yīng)超高強度鋼鋼板的馬氏體點以上；將完全奧氏 體化后的超高強度鋼板料放置于模具中，進行熱沖壓成形；熱沖壓模具閉合后(熱沖壓零件 成型后)，向模具的冷卻水通道內(nèi)通入冷卻水，對模具進行冷卻，利用與熱沖壓零件相接觸的 模具零件對超高強度鋼熱沖壓零件進行淬火；熱沖壓零件冷卻完后，開模，取出熱沖壓零件。
然后進行下一個工作循環(huán)。
在整個工作流程中，熱沖壓模具相應(yīng)零件的溫度由控制單元控制。為了避免冷卻水在加 熱過程吸收過多的熱量而延緩模具的升溫速度，并防止由于冷卻水汽化導(dǎo)致的高溫高壓對模 具、管道、溫度控制裝置、操作人員等造成危害，在電熱元件對模具進行加熱前，利用高壓 空氣將凸?；虬寄５睦鋮s水通道中的冷卻水排出，讓冷卻水道中只存在空氣。為了節(jié)約生產(chǎn) 時間，在開模的同時，利用高壓空氣將凸?；虬寄５睦鋮s水通道中的冷卻水排出，讓冷卻水 通道中只存在空氣。冷卻水通道是冷卻水和高壓空氣的公用通道。
本發(fā)明利用埋在熱沖壓模具內(nèi)部的電熱元件對凸模及凹模進行加熱，利用冷卻水通道中 通入的冷卻水對模具進行冷卻，通過溫度傳感器了解模具表面的溫度變化，確定熱沖壓過程 加熱、冷卻、開模等節(jié)拍的時間，避免了達(dá)到奧氏體溫度的超高強度鋼板放置于模具上后與 模具之間產(chǎn)生過多的熱量傳遞，使成型之前的超高強度鋼板料與模具接觸部位不產(chǎn)生馬氏體，
維持其良好成型性能，避免了成型件表面及內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，消除了熱沖壓零件成型后的回彈，提高了熱沖壓成型零件的成品率和成型質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明的超高強度鋼熱沖壓模具控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的超高強度鋼熱沖壓模具中凸?；虬寄５慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的左視圖。
圖4是圖2中沿A—A線的剖視圖。
圖5是本發(fā)明中電熱元件與冷卻水通道第一種布置方式示意圖。 圖6是本發(fā)明中電熱元件與冷卻水通道第二種布置方式示意圖。 圖7是本發(fā)明中電熱元件與冷卻水通道第三種布置方式示意圖。 圖8是采用本發(fā)明的U形件彎曲熱沖壓模具的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9是采用本發(fā)明的帽形件彎曲熱沖壓模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1、過濾器，2、水泵，3、氣動三通閥，4、單向閥，5、調(diào)壓過濾器，6、氣動兩 通閥，7、可編程控制器(PLC)， 8、配電器，9、繼電器，10、復(fù)位開關(guān)，11、電熱元件，12、 交流電源，13、溫度傳感器，14、觸摸屏，15、壓力機，16、壓縮空氣源，17、冷卻水通道 入口， 18、冷卻水通道出口， 19、冷卻水池，20、冷卻水通道，21、凸模或凹模，22、彎曲 凸模，23、彎曲凹模，24、壓板，25、超高強度鋼板料，26、凸模，27、凹模，28、壓料板， 29、壓板。
具體實施例方式
本發(fā)明的超高強度鋼熱沖壓成型工藝就是在超高強度鋼板料熱沖壓成型之前，將參與沖 壓的模具中與超高強度鋼板料接觸的部件(如凸模、凹模和壓料板等)加熱，使這些部件的
表面溫度達(dá)到超高強度鋼的馬氏體點溫度以上，再將加熱到完全奧氏體化后的超高強度鋼板 料放置于模具中沖壓成型，熱沖壓模具閉合后，對模具進行冷卻，利用與成型零件相接觸的 模具部件對成型零件進行淬火。
實現(xiàn)上述工藝的超高強度鋼熱沖壓成型模具包括凸模、凹模和控制單元。如圖2、圖3 和圖4所示，凸?；虬寄?1的內(nèi)部根據(jù)需要設(shè)置有電熱元件ll、冷卻水通道20，冷卻水通 道20分別設(shè)有冷卻水通道入口 17和冷卻水通道出口 18。在凸模或凹模21內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置 有溫度傳感器13 (參見圖5、圖6、圖7)。此外，在凸模和凹模上分別設(shè)有復(fù)位開關(guān)10和壓 板(圖2中沒有標(biāo)出，參見圖8和圖9)，用于判斷凸模和凹模是否處于閉合狀態(tài)。電熱元件 11和冷卻水通道20的設(shè)置方式可有多種形式，圖5所示的形式是各個電熱元件11與冷卻水 通道20的軸線在同一平面內(nèi)等間距間隔排列，電熱元件11距離凸模或凹模21表面的距離與 冷卻水通道20距離凸?；虬寄?1表面的距離相等；圖6所示的形式是電熱元件11與冷卻水 通道20分上下兩排排列，電熱元件11與冷卻水通道20的軸線平行，電熱元件ll距離凸模 或凹模21表面的距離與冷卻水通道20距離凸?；虬寄?1表面的距離不相等；圖7所示的形 式是電熱元件11的軸線與冷卻水通道20的軸線分布在兩個平面內(nèi)并呈立體垂直排列，電熱 元件11距離凸?；虬寄?1表面的距離與冷卻水通道20距離凸?；虬寄?1表面的距離不相 等。
為了準(zhǔn)確控制生產(chǎn)過程中熱沖壓模具的溫度，本發(fā)明的模具中還包含如圖l所示的控制 單元。該控制單元包括水泵2、氣動兩通閥6、單向閥4和可編程控制器(PLC) 7。水泵2的進水端通過過濾器1與冷卻水池19連接，出水端通過氣動三通閥3與冷卻水通道入口 17連 接，以向冷卻水通道內(nèi)加入冷卻水，氣動三通閥3的一個出口直接與冷卻水池19連接，以便 在冷卻水通道內(nèi)不需要冷卻水時，由水泵2泵出的水直接由氣動三通閥3回到冷卻水池19， 通過氣動三通闊3控制冷卻水的流向。氣動兩通閥6的一端通過調(diào)壓過濾器5與壓縮空氣源 16連接， 一端與冷卻水通道入口 17連接，以便向冷卻水通道內(nèi)通入空氣將冷卻水全部吹出。 冷卻水通道出口 18通過單向閥4與冷卻水池19相連。當(dāng)模具加熱時，單向閥4避免冷卻水 倒流入模具內(nèi)部。復(fù)位開關(guān)IO、電熱元件ll、溫度傳感器13、觸摸屏14均與可編程控制器
(PLC)7連接，電熱元件11通過繼電器9與配電器8連接，配電器8與交流電源12連接， 并可編程控制器(PLC) 7連接，由可編程控制器(PLC) 7控制電熱元件11的工作，壓力機 15的控制部件也與可編程控制器(PLC) 7連接，由可編程控制器(PLC) 7根據(jù)復(fù)位開關(guān)10 的信號自動控制壓力機15上凸凹模的閉合與打開。觸摸屏14用于顯示溫度、輸入控制參數(shù) 等。
在熱沖壓成形過程中，先通過觸摸屏14輸入凸?；虬寄?1的溫度范圍等控制參數(shù)，由 埋在模具內(nèi)部的溫度傳感器13測量凸?；虬寄?1的溫度，如果溫度沒有位于設(shè)定的高溫范 圍之內(nèi)(超高強度鋼板的馬氏體點以上， 一般為270 420°C)，而且復(fù)位開關(guān)IO處于打開的 狀態(tài)，則可編程控制器(PLC) 7控制配電器8通過繼電器9給電熱元件11供電，利用電熱 元件ll對凸模、凹?；驂毫习蹇焖偌訜嶂粮邷胤秶畠?nèi)，在凸模、凹模或壓料板的溫度升到 設(shè)定的最高溫度后，將加熱到奧氏體狀態(tài)的超高強度鋼板料放到凹模上。然后，操作人員利 用觸摸屏14向可編程控制器(PLC) 7發(fā)出準(zhǔn)備就緒的信號，可編程控制器(PLC) 7向壓力 機15發(fā)出可以成型的信號，凸模和凹模閉合，完成成型過程；模具閉合后，凸模和凹模上的 復(fù)位開關(guān)10也同時閉合，可編程控制器(PLC) 7接收到復(fù)位開關(guān)10的閉合信號后，控制氣 動三通閥3的開關(guān)狀態(tài)，讓冷卻水進入凸模和凹模的冷卻水通道入口 17，利用冷卻水對凸模 和凹模進行快速冷卻，當(dāng)凸模和凹模的溫度被冷卻到設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)時，可編程控制器 (PLC) 7向壓力機15發(fā)出可以打開模具的信號，取出成型零件。在模具打開的同時，復(fù)位 開關(guān)10處于打開狀態(tài)，可編程控制器(PLC) 7接收到復(fù)位開關(guān)10發(fā)出的信號后控制氣動三 通閥3的開關(guān)狀態(tài)，讓冷卻水直接回到冷卻水池19。同時控制氣動兩通閥6打開，壓縮空氣 經(jīng)調(diào)壓過濾器5和氣動兩通閥6由凸?；虬寄?1的冷卻水通道入口 17進入冷卻水通道20， 將凸?；虬寄?1中的殘余冷卻水通過冷卻水通道出口 18、單向閥4吹回到冷卻水池19。在 壓縮空氣進入凸模或凹模21中2 3秒后，控制單元給電熱元件11供電，然后進入下一個成 形循環(huán)。
圖8給出了一種采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的U形件彎曲熱沖壓模具的示意圖。該U形件彎曲熱沖 壓模具包括彎曲凸模22和彎曲凹模23。彎曲凸模22內(nèi)設(shè)有冷卻水通道20，其上剛性固定有 接觸復(fù)位開關(guān)10的壓板24，并隨著彎曲凸模23—起運動。彎曲凹模23內(nèi)設(shè)有沿其型腔分 布的冷卻水通道20、溫度傳感器13和電熱元件11，彎曲凹模23的側(cè)面上部裝有復(fù)位開關(guān) 10。彎曲凸模22和彎曲凹模23與圖1所示的控制單元連接，加熱到奧氏體狀態(tài)的超高強度 鋼板料25放置在彎曲凹模23上，通過控制單元的控制即可完成U形件的成型。當(dāng)然，該彎
曲模具還需要上模板、下模板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、模柄等其它常用的沖壓部件。
當(dāng)采用Usiborl500P超高強度鋼板時，根據(jù)Usiborl500P的等溫轉(zhuǎn)變曲線，上述U形件彎曲熱沖壓模具在成型前的模具加熱階段，模具的加熱溫度范圍為40(T42(TC;在成型后的 模具冷卻階段，模具的溫度范圍控制在8(TlO(rC之間；溫度傳感器的直徑為2mm，溫度傳感 器安裝位置距離凹模表面2mm左右；冷卻水通道和電熱元件的直徑為10 mm，冷卻水通道和 電熱元件距離凸模或凹模的表面為lOran左右，冷卻水通道及電熱元件的布置間隔距離為 15 20國。
圖9給出了一種采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的帽形件彎曲熱沖壓模具的示意圖。該帽形件彎曲模具 包括凸模26和凹模27。凸模26上帶有在熱沖壓成形過程中起到壓料作用的壓料板28，凸模 26和壓料板28內(nèi)均設(shè)有冷卻水通道20，其上剛性固定有接觸復(fù)位開關(guān)10的壓板29，壓板 29隨著凸模26 —起運動。凹模27內(nèi)設(shè)有環(huán)繞其型腔分布的冷卻水通道20、溫度傳感器13 和電熱元件ll，凹模27的側(cè)面上部裝有復(fù)位開關(guān)10。凸模26和凹模27與圖1所示的控制 單元連接，加熱到奧氏體狀態(tài)的超高強度鋼板料25放置在凹模27上，通過控制單元的控制 即可完成帽形件的成型。同樣，該彎曲模具還需要上模板、下模板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、模柄等其 它常用的沖壓部件。
當(dāng)采用Usiborl500P超髙強度鋼板時，根據(jù)Usiborl500P的等溫轉(zhuǎn)變曲線，上述帽形件 彎曲熱沖壓模具在成型前的模具加熱階段，模具的加熱溫度范圍為40(T42(TC;在成型后的 模具冷卻階段，模具的溫度范圍控制在8(TlO(rC之間；溫度傳感器的直徑為2ram，溫度傳感 器安裝位置距離凹模表面2mm左右；冷卻水通道和電熱元件的直徑為10mm，冷卻水通道和電 熱元件距離凸模或凹模的表面為10mm左右，冷卻水通道及電熱元件的布置間隔距離為 15 20mm;冷卻水通道距離壓料板的表面的距離為15 左右，電熱元件距離壓料板的表面的 距離為10mm左右，冷卻水通道或電熱元件的布置間隔距離為30咖左右。
權(quán)利要求
1. 一種超高強度鋼熱沖壓成型工藝，其特征是在超高強度鋼板料熱沖壓成型之前，將參與沖壓的模具中與超高強度鋼板料接觸的部件加熱，使這些部件的表面溫度達(dá)到超高強度鋼的馬氏體點溫度以上，再將加熱到完全奧氏體化后的超高強度鋼板料放置于模具中沖壓成型，熱沖壓模具閉合后，對模具進行冷卻，利用與成型零件相接觸的模具部件對成型零件進行淬火。
2. —種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼熱沖壓成型工藝的超高強度鋼熱沖壓成型模具，包括 凸模、凹模和控制單元，其特征在于凸模和凹模的內(nèi)部設(shè)置有電熱元件和冷卻水通道，在 凸模和凹模內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，在凹模和凸模的側(cè)面分別設(shè)置有復(fù)位開關(guān)和合模時壓下復(fù) 位開關(guān)的壓板，控制單元包括水泵、三通閥、兩通閥、單向閥和可編程控制器，水泵的進水 端與冷卻水源連接，出水端通過三通闊與冷卻水通道的入口連接，三通閥的一個出口直接與 冷卻水源連接，兩通閥的一端與壓縮空氣源連接，另一端與冷卻水通道的入口連接，冷卻水 通道的出口與單向閥連接，該單向閥與冷卻水源相連，復(fù)位開關(guān)、電熱元件、溫度傳感器均 與可編程控制器連接，可編程控制器與一觸摸屏連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高強度鋼熱沖壓成型模具，其特征在于所述電熱元件與冷卻水 通道的排列方式是其軸線在同一平面內(nèi)等間距間隔排列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高強度鋼熱沖壓成型模具，其特征在于所述電熱元件與冷卻水 通道的排列方式是分上下兩排排列，電熱元件與冷卻水通道的軸線平行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高強度鋼熱沖壓成型模具，其特征在于所述電熱元件與冷卻水 通道的排列方式是電熱元件與冷卻水通道的軸線分布在兩個平面內(nèi)，其軸線呈空間垂直排列。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超高強度鋼熱沖壓成型工藝及成型模具，熱沖壓成型工藝在超高強度鋼板料熱沖壓成型之前，將參與沖壓的模具中與超高強度鋼板料接觸的部件加熱，使這些部件的表面溫度達(dá)到超高強度鋼的馬氏體點溫度以上，再將加熱到完全奧氏體化后的超高強度鋼板料放置于模具中沖壓成型，熱沖壓模具閉合后，對模具進行冷卻，利用與成型零件相接觸的模具部件對成型零件進行淬火。熱沖壓成型模具包括凸模、凹模和控制單元，凸模和凹模的內(nèi)部設(shè)置有電熱元件和冷卻水通道，在凸模和凹模內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，在凹模和凸模的側(cè)面分別設(shè)置有復(fù)位開關(guān)和壓板。本發(fā)明避免了成型件表面及內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、消除了零件成形回彈、保證了產(chǎn)品精度及質(zhì)量。
文檔編號B21D37/16GK101439382SQ200810249740
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者磊 張, 李輝平, 趙國群 申請人:山東大學(xué)