1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （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 I 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
2、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 II Hot Punch Shaping Process and Mold Design of V-Shape Parts Abstract With the rapid development of automobile industry, the crises of energy and environmental of Chinese society deepene
3、d. Whereas, the high strength steel plate could manufacture automobiles with lighter weight and solve the environmental crisis. But the traditional cold stamping technology has some problems when it needs to enhance strength. Thus, it is necessary to develop a new way for heating shaping process of
4、high strength steel plate. In this design , firstly, it analyses the heating shaping process of high strength steel plate in detail and gives a glimpse of overall design. Then, it calculates the dimensions and checks the strength of some main parts, such as the punching die, terrace die, unloading p
5、late and die handle. In the last, it discusses the design of cooling system which regarded as the core part of hot stamping mold. It suggests a reasonable project for internal cooling pipelines under some calculations and checking mold strength. As it is the first time to design a mold, there are so
6、me deficiencies in this design. For example, the designed cooling system is too simple. Keywords: V-shape stamping mold, hot stamping, hot forming process, high strength steel plate, cooling method using water III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 热冲压技术国内外发展现状 . 2 1.3
7、.1 国内的研究现状 . 2 1.3.2 国外的研究现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2 热成型工艺分析和模具的总体设计 . 4 2.1 热成型工艺 . 4 2.2 冲压 机的选择 . 5 2.3 热冲压成形模具特征分析 . 6 2.3.1 冷、热冲压成形模具对比 . 6 2.3.2 模具材料的选择 . 7 2.3.3 模具设计时需要克服的主要问题 . 7 2.4 本章小结 . 7 3 零件的设计计算与校核 . 8 3.1 模具主要零件的计算 . 8 3.1.1 毛坯件长度展开计算 . 8 3.1.2 凸凹模的圆角半径 . 8 3.1.3 凹模深度 . 8 3.1.4 凸凹模间
8、隙 . 9 3.1.5 凸凹模横向尺寸 . 9 3.1.6 凸凹模的选材与技术要求 . 10 3.1.7 强度校核 . 10 3.2 其他成形零部件的设计 . 10 3.2.1 卸料板的设计 . 10 3.2.2 上下模座的设计 . 10 3.2.3 模柄的设计 . 11 3.2.4 卸料弹簧的设计 . 11 3.3 本章小结 . 13 4 模具其他辅助结构设计 . 14 4.1 冷却系统的设计 . 14 IV 4.1.1 冷却系统的要求 . 14 4.1.2 冷却方式的选择 . 14 4.1.3 冷却管道的开设方式 . 14 4.1.4 模具冷却管道的设计 . 16 4.1.5 初步确定管道
9、位置与尺寸 . 16 4.1.6 模具强度的校核 . 16 4.1.7 管道内水流状态的校核 . 17 4.1.8 冷却速率及冷却均匀性校核 . 17 4.2 弹顶装置的设计 . 17 4.3 定位装置的设计 . 18 4.4 本章小结 . 18 5 结论 . 19 参考文献 . 20 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 22 附录图 1 冲压模具装配图 . 22 附录图 2 上模座 . 22 附录图 3 下模座 . 22 附录图 4 凹模 . 22 附录图 5 凹模垫板 . 22 附录图 6 横向限位块 . 22 附录图 7 可移动限位板 . 22 附录图 8 凸模 . 22 附录图
10、9 凸模垫板 . 22 附录图 10 凸模固定板 . 22 附录图 11 模柄 . 22 附录图 12 卸料板 . 22 附录图 13 纵向限位块 . 22 附录图 14 限位块 . 22V 型件热冲压工艺成形工艺及模具设计 1 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
11、，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 111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
12、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
13、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V 型件热冲压工艺成形工艺及模具设计 2 汽车生产大国， 2010年前，年均增长
14、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
15、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 1430MPa3,4。 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
16、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 SS
17、AB 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。 V 型件热冲压工艺成形工艺及模具设计 3 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
18、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。 V 型件热冲压工艺成形工艺及模具设计 4 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
19、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。
20、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
21、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、
22、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V 型件热冲压工艺成形工艺及模具设计 5 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
23、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： 错误 !未找到引用源。 (2-1) 式中 压机F 错误 !未找到引用源。 选用的压力机吨位； 弯F 弯曲力； p 有压料板或推件装置的压力，约为自由弯曲力的 30%80%。 KN3.4634 1 5 0 034016.0trC b t6.0 2pb2 弯F 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 KN37%80 弯Fp 错误 !未找到引用源。 KN3.83373.46 pFF 弯压机 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）： 30mm450mm；
