郭芳芳

摘 要：近年來，汽車輕量化已成為現(xiàn)代汽車制造發(fā)展的趨勢(shì)。高強(qiáng)度鋼既可以實(shí)現(xiàn)輕量化又可以保證車體強(qiáng)度和人身安全，成為汽車工業(yè)輕量化研究的主流。目前，高強(qiáng)度鋼成形主要采用熱沖壓成形工藝。本文主要介紹了熱沖壓成形工藝，闡述了國(guó)內(nèi)外熱沖壓成形模具的冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并指出了熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)研究的不足和未來可探索的方向。

關(guān)鍵詞：輕量化;熱沖壓;冷卻系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG386.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）29-0060-03

Analysis of Research Status of Research on Cooling

System of? Hot Stamping Tools

GUO Fangfang

（Jiangxi University of Technology，Nanchang Jiangxi 330098）

Abstract： In recent years， automobile lightweight has become the development trend of modern automobile manufacturing. High strength steel can realize lightweight while ensuring the body strength and personal safety， becoming the mainstream of automobile industry lightweight research. At present， high strength steel forming mainly adopts hot stamping process. This paper mainly introduced the hot stamping process， and described the research status of cooling system of hot stamping tools at home and abroad， and pointed out the shortage of cooling system research of hot stamping die and the direction to be explored in the future.

Keywords： lightweight;hot stamping;cooling system

目前，汽車輕量化發(fā)展方向主要有兩個(gè)。一是整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)汽車零部件優(yōu)化或集成以減少汽車的重量。二是使汽車材料輕量化，以減輕零部件重量，輕質(zhì)材料主要有鋁、鎂、鈦等有色合金以及高強(qiáng)度鋼材料。其中，高強(qiáng)度鋼材料可以滿足薄板材高強(qiáng)度的要求，且能較好地吸收汽車碰撞能量，進(jìn)而降低汽車鈑金件的重量，提高汽車的碰撞的安全性。但是，高強(qiáng)度鋼材料采用普通冷沖壓成形時(shí)，工件容易出現(xiàn)回彈、開裂、模具磨損等問題，因此催生了熱沖壓成形技術(shù)。熱沖壓成形時(shí)，高強(qiáng)度鋼板料的塑性得到提高，從而改善了沖壓成形性能。熱沖壓工藝不僅克服了冷沖壓成形產(chǎn)生的問題，還能獲得高強(qiáng)度的輕量化汽車車身零件。

1 熱沖壓成形工藝概述

高強(qiáng)度鋼可以顯著提高車身強(qiáng)度，減薄鋼板厚度，其主要通過熱沖壓成形方法加工。熱沖壓成形工藝流程包括下料、加熱保溫、移料、沖壓成形和冷卻淬火幾個(gè)過程[1]。其原理是先將板料加熱保溫使板料組織奧氏體化，奧氏體化的板料在高溫下具有較好的流動(dòng)性，有利于沖壓成形，然后將板料快速移到具有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形，成形的同時(shí)也在模具內(nèi)進(jìn)行冷卻淬火，使板料組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，進(jìn)而提高了制件強(qiáng)度和硬度。熱成形工藝過程如圖1所示。熱成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是熱沖壓成形的關(guān)鍵技術(shù)，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響模具的冷卻性能，進(jìn)而影響工件的顯微組織和力學(xué)性能，是熱沖壓成形工藝中的核心[1-3]。

熱沖壓模具的冷卻系統(tǒng)主要設(shè)在熱沖壓模具內(nèi)部，冷卻系統(tǒng)設(shè)有不同結(jié)構(gòu)的冷卻管道，冷卻管道內(nèi)通入冷卻介質(zhì)，目前，實(shí)際生產(chǎn)中通入的冷卻介質(zhì)一般為水。在沖壓成形過程中，板料與模具表面接觸進(jìn)行熱交換，模具上的熱量與其內(nèi)部的冷卻通道內(nèi)的冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱對(duì)流，同時(shí)模具和板料也會(huì)對(duì)外界進(jìn)行熱輻射。冷卻通道的常見設(shè)計(jì)方法有直通式、分塊式和隨形式。直通式設(shè)計(jì)的模具加工方法相對(duì)簡(jiǎn)單，這種方法適用于形狀簡(jiǎn)單的小型模具，對(duì)于復(fù)雜模具，較難保證冷卻均勻。分塊式設(shè)計(jì)是將模具分塊，每個(gè)分塊都設(shè)有獨(dú)立的冷卻通道，使用時(shí)將各分塊拼接組合，塊上的各冷卻通道也相互對(duì)齊拼接，形成整體或局部貫通的冷卻系統(tǒng)，此種方法適用于形狀復(fù)雜的模具，分塊可簡(jiǎn)化形狀復(fù)雜模具冷水通道加工難的問題，但相對(duì)直通式通道的模具，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。隨形冷卻系統(tǒng)的冷卻管道可以隨模具模面形狀變化而變化，可以保證冷卻管道中心至模面的距離處處相等，從而保證模具的冷卻均勻性。但隨形冷卻水道模具設(shè)計(jì)和加工也比較難，強(qiáng)度和成本上仍不占優(yōu)勢(shì)。因此，模具冷卻管道的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究。

2 熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的研究方面起步較早。2007年，Tekkaya通過試驗(yàn)計(jì)算的材料加工數(shù)據(jù)進(jìn)行了熱沖壓成形的有限元模擬，并描述了熱沖壓的模擬過程[4]。Hoffmann等人也研究了一種基于系統(tǒng)優(yōu)化的模具冷卻管道設(shè)計(jì)新方法，采用優(yōu)化過程與有限元分析和特定的進(jìn)化算法相結(jié)合，對(duì)模具部件分別進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)熱沖壓工藝進(jìn)行熱模擬[5]。2012年，Kim等人采用有限元分析法對(duì)耦合扭梁橋（CTBA）零件的沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，考慮了冷卻和相變引起的變形和強(qiáng)化，并將開發(fā)的有限元程序應(yīng)用于不同壁厚CTBA新型冷卻通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。2014年，Lim等人提出了一種冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，通過能量平衡原理和安排方法，以提高強(qiáng)度和熱沖壓部件的均勻性[7]。2014年，Taha等人研究了熱沖壓模具的冷卻通道對(duì)模具冷卻性能的影響參數(shù)，如冷卻尺寸孔、冷卻孔之間的距離和冷卻孔與工具之間的距離[8]。其間采用有限元法對(duì)表面輪廓進(jìn)行了靜態(tài)和熱分析，根據(jù)優(yōu)化后的兩種材料冷卻性能，比較冷卻通道參數(shù)。2015年，Zamri采用靜態(tài)有限元分析的啟發(fā)式方法，確定冷卻通道尺寸和通道之間的節(jié)距，以確保模具獲得均勻的高冷卻效率溫度分布[9]。目前，國(guó)外熱沖壓模具冷卻水道的工藝研究已經(jīng)比較成熟，但多數(shù)企業(yè)對(duì)熱成形的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行封鎖，模具冷卻水道和熱沖壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、傳熱界面系數(shù)等還有待進(jìn)一步研究。

在國(guó)內(nèi)，從2012年開始，黃英、趙海明、代尚軍等人先后對(duì)高強(qiáng)鋼熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究，冷卻水道的形狀和模型幾乎大同小異，主要集中研究水槽尺寸、水道管數(shù)量、位置等因素對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響[10-12]。2016年，Mengmeng Lv等人提出了一種包括冷卻通道直徑、冷卻通道數(shù)量和與模具接觸面的通道中心等冷卻參數(shù)的選擇準(zhǔn)則，并對(duì)冷卻通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了基于冷卻難易程度的方法，設(shè)計(jì)了防撞梁熱沖模，優(yōu)化了冷卻通道結(jié)構(gòu)[13]。2017年，賀斌對(duì)熱沖壓模具隨形冷卻水道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出縱向隨形冷卻水道模具冷卻水道冷卻性能最好[14]。但隨形冷卻管道加工難，會(huì)影響模具強(qiáng)度。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)仍是亟待攻克的難題，至今沒有很好的解決方案。

3 熱沖壓模冷卻系統(tǒng)研究的不足

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的研究主要集中于圓形冷卻管道尺寸、管道側(cè)壁間距、管道和模具表面間距以及冷卻管道分布等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬，較少關(guān)注模具冷卻系統(tǒng)的冷卻管道形狀、結(jié)構(gòu)以及不同形式的冷卻管道等對(duì)冷卻效果的影響。針對(duì)強(qiáng)度鋼熱沖壓模具冷卻管道，未來要繼續(xù)對(duì)管道形狀、布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，例如，可將微孔流道冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于熱沖壓模具，對(duì)微孔流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

由于汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼已廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造中，高強(qiáng)度鋼的熱成形工藝成為主要研究方向，熱沖壓模具的關(guān)鍵技術(shù)冷卻系統(tǒng)研究是熱沖壓成形工藝的核心。對(duì)熱沖壓模具的冷卻管道形狀、布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可為汽車輕量化技術(shù)提供一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊秀臣.熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[2]王立影，林建平，朱巧紅，等.熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)臨界水流速度研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008（4）：15-17.

[3]譚海林.熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模擬分析[J].模具制造，2012（11）：28-31.

[4]A Erman Tekkaya.Hossein Karbasian.Werner Homberg etal.Thermo-mechanical coupled simulation of hot stamping components for process design[J].German Academic Society for Production Engineering，2007（1）：85-89.

[5]H Hoffmann，H So1，H Steinbeiss.Design of Hot Stamping Tools with Cooling System[J].Annals of the CIRP，2007（1）：269-272.

[6]Heon Young Kim，Jong Kyu Park，Myoung Gyu Lee.Finite Element Simulation of Hot Stamping of Tubular Beam and Its Application to Die Channel Design[J].Materials Transactions，2012（5）：838-846.

[7]Wooseung Lim，Hongseok Choi，Seokyoung Ahn，et al.Cooling channel design of hot stamping tools for uniform high-strength components in hot stamping process[J].Advanced Manufacture Technology，2014（70）：1189-1203.

[8]Taha Z，Yusoff A R，Mohamd Sharif M F，et al.Comparison of Cooling Performance Between High Thermal Conductivity Steel （HTCS 150） and Hot Work Tool Steel （SKD 61） Insert for Experimental Tool Using Finite Element Analysis[J].Advanced Materials Research，2014（903）：163-168.

[9]Mohd Fawzi Zamri，Ahmad Razlan Yusoff.Heuristic optimisation of cooling channel design in the hot stamping die for hot stamping process[J].Advances in Materials and Processing Technologies，2015（1）：27-35.

[10]黃英.高強(qiáng)度鋼板沖壓模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值分析研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[11]代尚軍.超高強(qiáng)度鋼熱成形模具冷卻系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[12]趙海明.熱成形模具冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[13]Mengmeng Lv，Zhengwei Gu，Xin Li，etal.Optimal Design for Cooling System of Hot Stamping Dies[J].ISIJ International，2016（2）：1-9.

[14]賀斌.熱沖壓工藝改進(jìn)及模具隨形冷卻水道優(yōu)化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.