V型件热冲压成形工艺及模具设计毕业作品.docx

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V型件热冲压成形工艺及模具设计毕业作品

毕-设

业-计

（二零届）

V型件热冲压成形工艺及模具设计

所在学院

专业班级机械设计制造及自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

随着汽车工业的迅猛发展，加剧了中国社会的能源危机与环境危机，然而，高强度钢板可以使汽车轻量化，解决环境危机。

但是传统的冷冲压工艺已经不能解决提升强度时带来的一些问题，从而要开发出一种新的高强度钢板的加热成形工艺方式。

本次毕业设计中，首先对高强度钢板的热成形工艺进行详细的分析和模具的总体设计，其次是对模具中的凹凸模、卸料板、模柄等重要的零件进行尺寸的计算和强度的校核，最后对热冲压模具中核心的冷却系统提出要求，再选择合理的方案并对模具内部冷却管道进行分析计算和模具强度的校核。

由于是第一次设计整套模具，所以模具会存在一部分问题，冷却系统的设计过于简单。

关键词：

V型件冲压模具，热冲压，热成型工艺，高强度钢板，水冷冷却方式

HotPunchShapingProcessandMoldDesignofV-ShapeParts

Abstract

Withtherapiddevelopmentofautomobileindustry,thecrisesofenergyandenvironmentalofChinesesocietydeepened.Whereas,thehighstrengthsteelplatecouldmanufactureautomobileswithlighterweightandsolvetheenvironmentalcrisis.Butthetraditionalcoldstampingtechnologyhassomeproblemswhenitneedstoenhancestrength.Thus,itisnecessarytodevelopanewwayforheatingshapingprocessofhighstrengthsteelplate.

Inthisdesign,firstly,itanalysestheheatingshapingprocessofhighstrengthsteelplateindetailandgivesaglimpseofoveralldesign.Then,itcalculatesthedimensionsandchecksthestrengthofsomemainparts,suchasthepunchingdie,terracedie,unloadingplateanddiehandle.Inthelast,itdiscussesthedesignofcoolingsystemwhichregardedasthecorepartofhotstampingmold.Itsuggestsareasonableprojectforinternalcoolingpipelinesundersomecalculationsandcheckingmoldstrength.Asitisthefirsttimetodesignamold,therearesomedeficienciesinthisdesign.Forexample,thedesignedcoolingsystemistoosimple.

Keywords:

V-shapestampingmold,hotstamping,hotformingprocess,highstrengthsteelplate,coolingmethodusingwater

1绪论

1.1课题的来源

近年来世界汽车产销量与日俱增，正以越来越大的影响力改变着人们的工作与生活，但随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。

随着国际原油和国内成品油价格的上涨，轻型、节能、环保、安全舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标，节能减排已成为世界汽车工业界亟待解决的问题。

中国汽车工业起步虽然较晚，但近十年来，汽车工业处于快速发展的阶段，汽车的产量和保有量大幅攀升。

根据国家统计中心提供数据，2007年中国汽车全年产量达到892万辆，实现长达连续9年的两位数增长；受全球金融危机影响，2008年中国汽车产量为934.5万辆，同比增长5.2%；今年1~11月，汽车累计产销已突破1220万辆，预计全年产销量将突破1300万辆，产销量增长400多万辆，将超越美国成为全球的第一大汽车消费国。

预测显示2030年中国汽车保有量将达到3.15亿辆，其中家用汽车的比例将从2003年的19％上升到2030年的78％。

汽车工业的迅猛发展，一方面促进了经济的发展，带动了石油化工、钢铁冶金、有色金属材料、橡胶工业、电子工业、纺织工业、机器制造等产业的发展；另一方面加剧了中国社会的能源危机与环境危机。

所以汽车的轻量化显得越来越重要。

实现汽车轻量化主要有3种途径。

一是改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化，在结构设计上采用前轮驱动，将前置发动机后轮驱动结构改为前轮驱动结构，减轻传动系统质量，目前欧洲汽车已有约60%改为前轮驱动。

二是开发应用新型轻质材料，如使用铝、镁合金等有色金属、塑料及非金属复合材料等密度小、强度高的轻质材料，或者截面厚度较薄的高强度钢。

三是采用先进的制造工艺，将两个或多个零件集成为一个零件，研发各种先进的成形技术，如激光拼焊、液压成形等。

由此，钢板作为汽车的重要的材料之一，而车身质量约占整车质量的30%左右，所以，高强度钢板具有使汽车轻量化、节约能源、降低成本、低碳环保等多种天然优势。

减薄其厚度，可以减轻重量、节省材料、减少耗油等等。

然而，这样对高强度钢板的质量有很大的要求，因为钢板的强度提升会带来很多问题，钢板的成形过程会产生破裂、起皱、尺寸难以控制等问题，传统的冷冲压工艺已经不能解决这些问题，从而就要开发出一种新的高强度钢板的加热成形工艺方式—热冲压成形工艺[1]。

1.2课题的意义

随着我国汽车工业的蓬勃发展，2003年汽车产量超过400万辆，己成为世界汽车生产大国，2010年前，年均增长率为10％～15％。

汽车的轻量化和材料的高性能化是中国汽车行业的努力方向。

近年来，国外热冲压成型技术发达的国家已经逐渐的把它应用到实际生产当中去，然而我国对热冲压技术的了解还比较少，只有少数的几家大型公司才掌握这项技术。

因此开展此项工作对于国内产业和相关企业有非常重要的意义。

1.3热冲压技术国内外发展现状

1.3.1国内的研究现状

我国冲压模具产品的质量和生产工艺水平，总体上比国际先进水平低许多，而模具生产周期却要比国际先进水平长许多。

产品质量水平低主要表现在精度、表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上;生产工艺水平低则主要表现在加工工艺、加工装备等方面。

中国宝钢集团开发并生产两种类型的热冲压用硼钢板：

冷轧B1500HS、热轧BR1500HS，并批量供货，是目前国内唯一的热冲压用钢供应商[2]。

经测试，冷轧B1500HS的屈服强度材料上屈服强度343.47MPa，下屈服强度341.25MPa，抗拉强度504.71MPa，加热并水淬后的抗拉强度可达1720MPa，加热后并通过钢模冷却的抗拉强度可达1430MPa[3,4]。

1.3.2国外的研究现状

国外的模具制造企业，广泛使用先进的高精度、高速度、专业化加工装备，如日本丰田汽车模具公司拥有构造面加工数控铣床39台套、型面加工高速五轴五面铣床15台套、其它新型一体化专门加工设备6台套。

加工工艺方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工等，精加工走刀移行密度仅有0.3mm。

同时，可以实现内凹圆角清根、外凸圆角加工到位等，因而可以控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小型面误差，实现模面的精细加工[5,6]。

目前，全球规模最大的钢铁制造集团Arcelor公司开发并批量生产了热冲压成形钢板Usibor1500。

其特点是在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体十珠光体，屈服强度为280～400MPa，抗拉强度为大于450MPa。

经过热处理后，其组织为均匀的马氏体，屈服强度可达1200MPa，抗拉强度可达1600MPa，为普通钢板强度的3～4倍。

瑞典的SSAB公司开发并生产了Domex系列的热轧可淬硼钢板，包括20MnB5、27MnCrB5、30MnB5、33MnCrB5、38MnB5等，可供板材的厚度1.80～12.0mm，板材宽度800～1600mm，板材长度1500～13000mm。

板材热轧后的屈服强度400MPa，抗拉强度600MPa，加热后水淬的抗拉强度可达1480～2050MPa，加热后油淬的抗拉强度可达1360～1845MPa。

另外，西欧、日本、韩国等国家的一些钢厂也能批量生产热冲压用钢[7]。

1.4课题研究的主要内容

本课题主要是高强度钢成形后的冷却方式进行研究，开发合理的模具冷却方式，使得高强度钢能在模具内完成成形和淬火，并完成相关的V型件热成形模具设计，利用UG完成所有毕业设计相关的三维设计及二维工程图。

具体为下面一个内容：

1．对热成形工艺的分析，热成形工艺比之传统的冷冲压有何优点，冲压机的选择。

2．V型件热冲压模具零件的设计计算，以及其他零部件的设计。

3．冷却系统的设计，模具的定位装置，弹顶装置的设计。

4．总结上述内容，对高强度钢的展望。

2热成型工艺分析和模具的总体设计

2.1热成型工艺

传统的冷冲压都是在室温下，利用冲压模在压力机上对板料或热料施加压力，使其产生塑性变形或分离以而获得所需形状和尺寸的零件的一种压力加工方法。

这种方法虽然简单实用，但随着钢铁材料的发展，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性、高韧性、高纯度等的特殊性能的新型钢铁材料不断涌现，具有各种复杂结构和特殊工艺要求的零件越来越多，若仍然采用传统的冷冲压方法，往往难以加工甚至无法加工[8-10]。

因此，除了进一步完善和发展现有的冷冲压技术以外，还创造出了一种新的冲压方法—热冲压技术。

与板料冷冲压相比，板料的热冲压成形具有以下优点：

1、变形抗力小、塑性好，易于成形；2、由于变形抗力降低，所以减小了模具的单位压力，相应降低了对机床冲压力的要求；3、由于成形性能的提高，减少了成形的工序数。

对于硼钢，通过热成形可以使板料发挥其最佳的性能，不但降低了汽车零部件的重量，还提高了其抗冲击性能及疲劳性能，提高了汽车的安全性[11]。

所谓热冲压成形工艺，是指将金属板料加热到再结晶温度以上进行冲压加工并同时在模具中进行淬火热处理的工艺方法。

热冲压是区别与冷冲压的一种工艺，所以其工艺设计和技术要求比其一般的冷冲压也大大不同[12-15]。

本文做的热冲压主要是针对高强度钢而言。

高强度钢板的热冲压成形工艺，就是需要将坯料加热到再结晶温度以上的某个适当温度，为的就是使板料在奥氏体状态时进行成形，降低板料成形时的流动应力，从而大大提高板料的成形性。

加工前首先要根据板料的厚度、成形件的尺寸以及在高温状态时高强度钢板的机械性能等参数，计算变形时所需要的冲压力，从而确定设备所需的吨位[16-17]，然后进行加工。

热冲压的工艺由以下几个工序组成：

落料、预成形、加热并保温、冲压成形、保压定形、去氧化皮、激光切边冲孔、涂油（防锈处理）。

近年来，对热成形加工过程（主要包括轧制、锻造等）的研究方面已取得重要进展，相关技术已较为成熟，通过借鉴传统热加工过程的研究，对指导热冲压成形工艺的研究具有重要意义。

实际的热加工过程非常复杂，也很难描述，这取决于具体的热加工过程及工艺参数。

热加工过程大多是在降低温度条件下，连续变形或多阶段道次变形下进行的，许多参数对热加工过程都有重要影响。

除常见的变形温度、应变速率、变形量外，变形过程中的冷却速度、每次变形之间的间歇时间、间歇时的温度、热效应以及金属形变后的最终冷却速度等，都对热加工过程的流变应力、金属塑性以及金属内在组织结构有重要影响。

合理控制上述变量，对于降低变形抗力、均衡变形负荷、计算变形力、提高塑性以利于成形、改进和保证产品组织性能、减少缺陷、提高生产率、节约能源获得良好的经济效益等都有重要实际意义。

因此实际生产中，已逐渐要求控制上述变量，如控制轧制、等温锻造、锻后余热淬火（形变热处理）等工艺。

虽然在大多数热加工工艺中，金属成形过程都是在连续降低变形温度和多阶段变形条件下进行的，但是在不同恒温和恒应变速率条件下进行的连续变形直到断裂或到预先规定的应变量的试验研究，对热加工过程的研究提供了宝贵资料，对分析理解连续降温多阶段变形相当重要。

目前主要采用拉伸、压缩和扭转的模拟试验来研究热加工过程。

热加工的

模拟试验法是目前分析热加工过程最好的试验方法。

现通过不同条件下的模拟

试验分析，更确切的认识热加工过程。

2.2冲压机的选择

冲压机是通过对金属坯件施加强大的压力使金属发生塑性变形和断裂来加工成零件。

而对于弯曲模，选用的大致原则：

对于自由弯曲：

（2-1）

式中

—选用的压力机吨位；

—弯曲力；

—有压料板或推件装置的压力，约为自由弯曲力的30%~80%。

模具的闭合高度是167mm，所以选择冲压机为：

开式双柱可倾压力机J23-16。

其主要技术要求如下：

公称压力：

160KN；

滑块行程：

55mm；

最大闭合高度：

220mm；

最大装模高度；180mm；

作台尺寸（前后×左右）：

30mm×450mm；

垫板尺寸（厚度×孔径）：

40mm×210mm；

模柄孔尺寸：

Ф40mm×60mm；

最大倾角高度：

35；

图2.1开式双柱可倾压力机J23-16

2.3热冲压成形模具特征分析

热冲压模具不但要使零件成形，还有给零件进行淬火、冷却，因此，其模具设计比一般的冷冲模要复杂的多，对模具材料的选择更是有严格的要求。

热冲压模具在其他模具结构中，与冷冲相似，可以借鉴冷冲模具结构，但由于模具功能的不同，二者又存在明显的区别。

在热成形过程中，模具与板料始终在进行热量的传递和温度的变化，所以控制模具的温度对模具有重要的影响。

2.3.1冷、热冲压成形模具对比

冷冲和热冲都是通过对板料施加压力，是其塑形变形，从那个人获得我们想要的零件，因此，两者在基本结构很相似，像模具的导柱、导套、定位装置等等。

但是，由于热冲压要对零件进行淬火处理，所以里面的一些结构、材料不能照搬冷冲压模具的设计经验。

以下是对两者的区别总结：

1．冷冲压成形模具主要是通过各个部件的作用来获得零件的形状和尺寸精度，同时又能保证零件良好的表面质量。

在冷冲压前后，对零件的机械强度基本不发生变化。

而冲压模具现实对零件进行淬火，使其得到均匀的马氏体组织，成形前后的屈服强度和抗拉强度可以提高3.5倍以上。

2．从模具结构上来说，热冲压模具由于要对零件淬火，所以模具要有冷却系统，对零件进行冷却，使其拥有更加良好的机械性能。

但是，它的模具结构却更加复杂，冷却回路的设计是热冲压模具设计的终点和难点。

2.3.2模具材料的选择

在传统的冷冲压模具中，我们通常选择的金属材料和非金属材料来作为模具的材料，它们只要求有高硬度、高强度、高耐磨性、适当的韧性、高淬透性等性能。

热冲压模具在选择模具材料时更加注重材料的热力学性能。

热冲压模具主要通过模具工作表面与零件的接触传热带走零件的热量，实现对零件的淬火，因此，模具材料必须现有良好的导热能力，以确保钢板与模具之间的快速传递，实现良好的冷却功能。

其次，材料要有良好的热机械性能，高的耐磨性，以保证在工作模具尺寸精度稳定，表面硬度良好，能够承受热摩擦和坚硬氧化皮带来的磨损。

此外，由于要在模具中开设冷却系统所需的管道，所以模具的材料还必须具有良好的耐锈蚀性，保证冷却管道不被冷却介质锈蚀堵塞。

2.3.3模具设计时需要克服的主要问题

在冷冲压成形中，板料的成形主要是通过内部表面材料的延伸和压料面下材料的补充而产生拉伸成形。

回弹是零件成形的主要缺陷，尤其是高强度钢板，由于他的高强度，起塑形降低，面畸变和回弹效应增强，残余应力增大，很容易导致成形后，零件的变形回复。

因此在模具设计时要通过结构设计或调整参数来控制回弹的发生。

此外，零件在成形时还会发生开裂和起皱等缺陷。

在热冲压成形的过程中，因为板料的变形机理与冷冲压成形完全不同，高温下的板料具有很好的流动性和塑性变形能力，所以成形之后的零件基本没有回弹。

热冲压模具设计中主要应考虑模具的冷却系统，如何使模具拥有良好的冷却效率和冷却的均匀性。

2.4本章小结

通过对热成型工艺的分析，使我们了解随着钢铁材料的发展，冷冲技术已经难以满足一些强度的要求，热冲压成形工艺显得越来越重要。

本章主要介绍了以下两点：

1．对热成型工艺的理论分析，对比冷冲的有缺点，主要对高强度钢板的热成型过程进行了详细的描述。

2．对热成形模具进行分析，通过对冷、热冲压模具的对比，了解热冲压模具的选材。

3．通过计算，选择压力机的型号。

3零件的设计计算与校核

3.1模具主要零件的计算

3.1.1毛坯件长度展开计算

图3.1计算展开尺寸示意图

根据上图可知，工件弯曲半径

，故坯料展开尺寸公式为：

（3-1）

查表当

时，x=0.455。

。

毛坯件尺寸为：

98

40

mm。

3.1.2凸凹模的圆角半径

凹模的圆角半径

不应该过小，以免擦伤零件表面，影响冲模的寿命，凹模两边的圆角半径应该一致，否则在弯曲时坯料会发生偏移。

通常根据材料厚度取为：

，

；（3-2）

，

；（3-3）

，

。

（3-4）

因选板材了

，所以取凹模圆角半径为6mm。

当零件的相对弯曲半径

较小时，凸模圆角半径

取等于零件的弯曲半径，但不因小于最小弯曲半径。

所以取其圆角半径为6mm。

3.1.3凹模深度

凹模深度尺寸h的大小与弯曲件的形状及弯曲方式有关：

对于V形弯曲件的凹模深度如果选取得过小，则工件两端的自由部分太多弯曲零件回弹大，不平直会影响零件的质量；若深度过大，则要多消耗模具钢材，且需要较大的压力机行程。

3.1.4凸凹模间隙

V形零件弯曲时，凸模与凹模之间的间隙是靠调整压力机的闭合高度来控制。

3.1.5凸凹模横向尺寸

图3.2凹模示意图

图3.3凸模示意图

当工件为双向对称偏差时，凹模尺寸为：

。

式中：

L——弯曲件的基本尺寸（mm）

LA——凹模工作部分尺寸（mm）

Δ——弯曲件公差

δA——凹模制造公差，选用IT7～IT9级精度，亦可按

选取。

凹模制造公差：

。

所以凹模尺寸

，去LA=94mm。

凸模尺寸据上图所示，与凹模配合，取其横向尺寸为24。

3.1.6凸凹模的选材与技术要求

凸凹模的材料均为Crl2MoV，机加工后安排淬火热处理至HRC57～62，然后再进行磨削。

由于成形模具的型面比较复杂，但是加工现场不具备数控等先进的加工设备，因此型面是采用电火花加工方法来获得的。

3.1.7强度校核

凸模强度校核：

一般来说，只要凸模不是细长杆，强度都是足够的，所以无需进行强度校核。

3.2其他成形零部件的设计

3.2.1卸料板的设计

本模具因为在热冲压过程中直接接触高温板料，所以选材料为Cr12。

因此在机加工后，需要对其进行热处理，使他的硬度达到HRC55~58，另外还要对其上下两个平面进行磨削，以达到设计要求的尺寸精度与表面质量。

3.2.2上下模座的设计

模座分带导柱和不带导柱两种，根据生产规模和生产要求确定是否带导柱的模座。

本次设计选用的是四导柱形式来保证模具上、下模的精确导向。

滑动导柱、导套都是圆柱形的，其加工方便，可采用车床加工，装配容易。

导柱的下部与下模座导柱孔采用R7/r6的过盈配合,导套的外径与上模座导套孔采用R7/h6的过盈配合。

导套的长度，需要保证冲压时导柱一定要进入导套10mm以上。

导柱与导套之间采用H7/h6的间隙配合，导柱与导套均采用20钢，热处理硬度渗碳淬硬60~64HRC。

导柱的直径、长度。

导柱：

d/mm×L/mm分别为φ18×90；

导套：

d/mm×L/mm×Dmm分别为φ16×40×20，

上模座的的尺寸L/mm×B/mm为200mm×120mm。

上模座的厚度为30mm，上垫板厚度取10mm，固定板厚度取20mm，下模座的厚度尺寸L/mm×B/mm为240mm×120mm，凹模垫板取10mm。

3.2.3模柄的设计

模柄的作用是将模具的上模座固定在冲床的滑块上。

常用的模柄形式有：

（1）整体式模柄，模柄与上模座做成整体，用于小型模具。

（2）带台阶的压入式模柄，它与模座安装孔用H7/m6配合，可以保证较高的同轴度和垂直度，适用于各种中小型模具。

（3）带螺纹的旋入式模柄，与上模连接后，为防止松动，拧入防转螺钉紧固，垂直度较差，主要用于小型模具。

（4）有凸缘的模柄，用螺钉、销钉与上模座紧固在一起，使用与较大的模具。

（5）浮动式模柄，它由模柄，球面垫块和连接板组成，这种结构可以通过球面垫块消除冲床导轨位差对对冲模导向精度的影响，适用于滚珠导柱、导套导向的精密冲裁。

本模具选用带台阶的压入式模柄，选其材料为Q235-A-F，技术要求按JB/T7653-1994的规定。

图3.4模柄示意图

3.2.4卸料弹簧的设计

主要是对其弹性元件弹簧的设计，弹簧是属于标准件，冲压模具中常使用圆柱形螺旋弹簧和碟形弹簧。

本模具选用了圆柱形螺旋弹簧，

（1）弹簧的选用原则：

a．所选的弹簧必须满足预压力的F0的要求：

；

b．所选的弹簧必须满足最大许可压缩量

；

c．所选的弹簧必须满足模具结构空间的要求。

（2）卸料弹簧的选用与计算步骤：

a、根据卸料力和模具安装弹簧的空间大小，初定弹簧根数n，计算每个弹簧应产生的预压力

。

b、根据预压力和模具结构预选弹簧的规格，选择时应使弹簧的极限工作压力大于预压力，初选时一般可取

。

c、计算预选弹簧在预压力下的预压量

（3-5）

d、列出所选弹簧的主要参数：

d（钢丝直径）D2（弹簧中径）t（节距）h0（自由高度）n（圈数）

（弹簧的极限压力）

（弹簧的极限工作量）

（1）本模具有4个卸料弹簧，则每个弹簧的预压力

。

（2）初选弹簧规格，按2Fy估算弹簧的极限工作压力

查标准GB/T2089所选弹簧的主要参数为：

d=1mm,D2=5mm,n=30圈。

模具的三维图如下图3.5所示。

图3.5模具装配图示意图

3.3本章小结

本章阐述了热冲压模具设计要求以及考察的主要指标，提出了热冲压模具比较系统的设计方法，主要包括：

1．毛坯件的展开尺寸的计算。

2．详细介绍凸凹模的圆角半径、尺寸、间隙等主要模具参数的选取原则。

3．卸料板的设计，上下模座和导柱导套的设计，模柄的设计，卸料弹簧的设计。

4模具其他辅助结构设计

4.1冷却系统的设计

4.1.1冷却系统的要求

热冲压模具与冷冲压模具最大的不同区别在于热冲压模具不仅要使板料成形，而且对板料进行淬火，为了板料有更好的机械性能和尺寸，所以在热冲压模具中必须设计冷却系统[18]，实现对板料和模具的冷却。

冷却系统的设计应同时满足以下一些要求：

1．冷却速度：

板料在冲压成形，使其迅速冷却不仅对板料的强度有好处，而且对尺寸精度也更加精确。

2．冷却的均匀性：

冷却系统要对模具进行均匀冷却，因为