1、 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 V 型件热冲压成形工艺及其模具设计 1前言部分 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
2、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
3、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，钢板占据了汽车的材料的 75%，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
4、、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。 高强度钢热成形工艺就是利用金属在高温状态下，其塑性和延展 性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点，利用模具使零件成形的工艺。与板料冷冲压相比，高强度钢的热冲压成形具有以下优点： a) 变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形； b) 由于变形抗力降低，所以降低了对模具和冲床的要求； c) 由于成形性能的提高，减少了变形的工序数。但是，由于热冲压成
5、形是一个不等温的钢板成形过程，集传热、形变和相变于一体，不可避免的对冲压成形工艺带来了新的挑战 。 2主题部分 2.1.国内外冲压模具的发展现状 随着计算机技术的发展和普及 ， 冲压模具基本实现了计算机化 ， 其中有代表性的是计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制造 (CAM)和计算机辅助工 (CAE)。 在计算机辅助设计方面 , 如今的国内冲压模具企业几乎全部甩掉了传统的绘图板 , 摒弃了落后的手工绘图方式。使用最多的是由美国 Au-todesk 公司出品的 AutoCAD 软件 , 有些企业还在 AutoCAD 平台上进行了二次开发 (如深圳某台资公司在 AutoCAD R13 基础上进
6、行专项开发 , 形成了由十二块模板组成的系列冲压模具 ) ,形成了具有自己特色的、针对性非常强的冲压模 CAD软件 ； 也有许多企业使用国产的 AutoCAD产品 (如开目 CAD、 CAXA 等等 2)。可是 , 绝大多数企业几乎都是利用上述软件 , 从事模具二维装配或零件图的绘制。 随着技术的进步 ,冲压模具三维设计工作逐步兴起，国内模具企业陆续开始使用 Unigraphics、 Pro / Engineer、 Cimatron、 CATIA、 I - DEAS、 Euclid、 Power - SHAPE等国际先进的、多功能软件设计冲压模具 , 特别是利用这些软件进行三维实体造型设计和部
7、件干涉检查 , 以期能够及早发现设计存在的问题和减少试模期间进行的修整。在与国际接轨 , 引进上述三维设计软件的同时 , 部分厂家还引进了 Autoform、 Antiform、 C-Flow、 Dynaform、 Optris、 Magmasoft等 CAE软件 ,在进行冲压模设计时对冲压成形工艺进行有限元模拟分析，以便可以采取有效措施一次冲压成形轿车覆盖件等大型精密制品。 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
8、备等方面。 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 3,4。 2.2.高强度钢的发展现状及其成形特点 高强度钢按照 ULSAB所采用的术语，将屈服强度为 210550MPa的钢定义为高强度钢（ HSS）， 屈服
9、强度为 550MPa以上的钢定义为超高强度钢（ UHSS） 5，而先进高强度钢（ AHSS）的屈服强度覆盖于 HSS和 UHSS之间的强度范围。 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 6。 随着汽车工业的技术进步，在汽车车身制造中，逐步开始大量应用超深冲 (IF)钢板、高强度冷热轧钢板、烘烤硬化 (BH)钢板、双相 (DP)钢板、激光拼焊钢板(TWB)、各种镀层钢板、减振复合型钢板和相变诱导塑性 (TRIP)钢板等。这些新型钢板的使用，可使 车身质量减轻、优化生产工艺、降低噪声污染、提高车身的安全性和抗腐蚀能
10、力。在此，主要介绍 ASHH 钢的组织和性能。 （ 1) 双相 (Dual-Phase)钢板的组织为铁素体 (高塑性 )+马氏体 (高强度 )，其中马氏体的含量应在 5%20%且为岛状。双相钢 (相变强化 )可获得高强度和良好的塑性，主要是低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。同时还具有高抗疲劳性、抗碰撞吸收能、好的抗凹陷性能和安全性 7。 （ 2) 相变诱导塑性 (TRIP)钢含有 0.10%0.40%C、 1.0%2.0%Si 和1.0%2.0%Mn，加热到 ( r )两相区，保持一定时间，以某一速度冷却到钢的贝氏体转变温度时保温，最后就可以得到铁素
11、体、贝氏体及含有 (10%20%)残余奥氏体的复合组织。 （ 3) 马氏体钢板的生产是通过高温的奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧连续退火或成形后退火实现，其最高强度可达 1500Mpa，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。其成分含有较高的 C、 Mn、 Si、 Cr、 Mo、 B、 V、 Ni 等合金元素，其组织完全由呈板条状的马氏体组成 8。 高强度钢板由于其高强度，在成形过程有两个特性： (a）回弹特性：回弹是钢板冲压成形中影响冲压件尺寸精度和形状精度的关键因素之一 , 是成形后的卸载过程中内弹性应变能的释放 , 应力得到重新分布后 , 形状也发生改变。当回
12、弹量超过允许容差后 , 就成为成形缺陷 , 影响零件的几何精度 , 导致零件最终形状不合格。回弹不仅是影响、制约产品质量的重要因素 , 也是模具设计中要考虑的关键因素。模具设计中如若考虑不周 , 成形后零件的回弹必将很难得到有效的控制或者补偿 , 从而导致成形缺陷。（ b）拉毛特性： 拉毛是在两个相 对滑移的固体间产生的一种肉眼可见的表面损伤 , 通常表现为材料的局部粗糙化 ,在原始表面上产生突出物 , 而且常伴有物料转移或 塑性流动 , 或两者都发生。拉毛是高强度钢板冲压成形过程中常见的缺陷之一。对于汽车覆盖件而言 ,拉毛的发生直接影响着覆盖件的表面状态 , 微小的拉毛缺陷可能会在涂漆后引起
13、光线的漫反射而损坏漆层鲜映性、光泽、颜色等 , 较大的拉毛缺陷可能会无法被油漆覆盖而造成零件报废 , 较严重的拉毛易导致模具表面状态恶化 , 使表面间摩擦阻力加大 ,从而造成冲压废品率上升 , 修模次数增加 9。 2.3.热冲压发展现状 及其特点 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。
14、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。 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 10。 经测试，冷轧B1
15、500HS 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 1430MPa11,12。 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 13。 在热冲压工艺中， UHSS 板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度 (900950 )，并在奥氏体区保持 5 min，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中依次进行冲压、淬火，使成形零件获得 100% 马氏体组织，该工艺使制造商能够在提高碰撞性能和疲劳强度的同时降低汽车结构件的质量 14。 与其他成形工艺相
16、比，板料的热冲压成形具有 以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形；能够生产具有复杂几何形状的工件，成形零件具有良好的尺寸精度 ; 配以合适的热处理方式，可使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件。该工艺主要包括以下关键技术 :(1) 合适的热冲压用钢板；(2) 为热冲压生产线设计的具有足够功率和气体保护的专用加热炉； (3) 能够夹持高温钢板的高速机械手和夹持器； (4) 具备合模冲压并保压功能的压力机，压力机必须兼顾传通液压机和机械压力机的优点； (5) 成形零件的切边和切孔工艺，由于零件强度非常高，目前主要采用一条线配 备多台激光切割机的方法。 3总结部分 目前，超高强
17、度钢板 15热冲压成形技术虽然进行了研究，取得了一定的成果，但对其关键问题的研究还不够系统和深入。从而限制了热冲压成形技术在工程中的广泛应用，主要体现在以下几个方面： (1)应考虑材料成形温度、降温速率及相变行为的本构关系描述。材料的本构关系是表征材料力学性质的数学关系式。准确的流变行为描述是影响计算机仿真精度的首要条件，对于丰富板料成形理论有重要的意义。在材料本构关系研究中，热冲压过程耦合了传热和力学性能。在一定板料升温速度和降温速度下进行高温拉 伸试验，根据应力一应变曲线可进行本构描述，但考虑到成形过程中不同板料降温速度的会使构成各相的体积比不同，应力一应变曲线也不同，因此可通过改变试验条
18、件。获得考虑降温速率及相变行为等的材料本构关系。 (2)应考虑成形温度、降温速率和相变形为的热冲压成形极限。在以弯曲为主的成形情况下热冲压非常有利，不会发生冷加工成形时的问题，即弹性变形回复。但在对复杂部件进行成形时，需进行凸肚、深冲和凸缘等成形加工，必须弄清它们在高温下的成形极限。变形阻抗不仅与温度有关，而且冲头接触部分温度的下降和氧化铁皮的润滑效果会产生复合 影响。因此通过改进常温成形极限试验装置。考虑成形温度、降温速度及材料相变行为等，建立热冲压成形极限涵有必要。 (3)对热冲压零件的质量控制。热冲压零件最终质量既受宏观工艺条件影响。又由材料微观组织变化决定。一方面冲压过程中零件的温度不
19、均匀性直接导致最终零件性能的不均匀性：一方面控制冲压作业线的节拍与零件的最终性能呈对立关系。如果在冲压零件没有充分冷却时就从金属模取出，制品的硬度和形状精度会下降。因此针对不同零件，在进行模具结构及其冷却系统设计，改进冷却沟槽的布置，提高模具的冷却速度的同时保障零件均匀降温， 是热冲压零件质量控制的可行之举。 4参考文献 1 王洪俊 ,范海雁 .轿车车身零件制造中的热成形技术 J.模具制造，2005,(4):33-34. 2 高广军 .Pro/E三维技术在冲模设计中的应用与开发 J.模具工业 ,2003 (6):10-14. 3 刘胜国 .我国冲压模具技术的现状和发展 J.黄石理工学院学报 ,
20、 2007,23(2):12-14. 4 桂娟 . 桑塔纳 2000轿车前翼子板模具设计 J.模具工业 , 2003(6):18- 21 5 CAI J， LIN J， DEAN T A. A novel process: hot stamping and cold die quenchingC. Third International Symposium Advanced Technology for Plasticity. Nanchang: Shandong University Press,2007. 6 LIN Jianping， WANG Liying， TIAN Haobin，
21、et al. Research and progress of hot stamping of ultrahigh strength steel J. Hot Working Technology，2008,37(21):140-144. 7 叶平，沈建平，王光耀等 .汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势 J.机械工程材料 .2006,30(3):5-6. 8 马宁 ,胡平 ,瞿述基等 .高强度钢板热成形技术及其工程实现 J.汽车工艺与材料 .2009,12:12-13. 9 蒋浩明 ,陈新平 ,石磊等 . 先进高强度钢板的冲压成形特性及其应用 J.塑性工程学报 , 2009,16(4):18
22、4-185 . 10 XU Weili， AI Jian， LUO Aihui， et al. Introduction of sheet metal hot-forming J.Journal of Plasticity Engineering,2009,16(4):39-43. 11 李辉平，赵国群，张雷等 .超高强度钢板热冲压及模内淬火工艺的发展现状 J.山东大学学报 (工学版 ).2010,40(3):70-71 12 王利 ,杨雄飞 ,陆匠心 .汽车轻量化用高强度钢板的发展 J钢铁，2006,41(9):l-8 13 LIU Y， LI YY， LI W. Stamping formability of ZE10 magnesium alloy sheets J. Rare Earths， 2007,25(4):480-484. 14 江海涛，唐 荻，米振莉 .汽车先进高强度钢的开发及应用进展 J.钢铁研究学报 .2007,19(8):2-4. 15 王立影 ,林建平 ,朱巧红等 . 热冲压成形模具冷却系统临界水流速度研 J.机械设计 ,2008,25(4):15-17.
