防撞梁热冲压成形模具的设计及优化

【摘要】热冲压技术是一种新型材料加工工艺，将均匀奥氏体化的高温钢板直接送入具有冷却系统的模具中快速冲压成形，然后保压一段时间使其完成马氏体相变，使成形件的强度大幅提高。热冲压技术多用于成形强度高于1500MPa的冲压件，由于热冲压成形件具备回弹小、成形强度高、变形抗力小等特点，对于实现汽车制造的轻量化具有重要意义，热冲压成为近年来的研究热点，并且被越来越广泛的采用。本文以防撞梁热冲压成形模具为研究对象，提出热冲压模具总体设计方案，并对模具结构的各部分进行说明。再以模具一模块为研究对象，选取板料材料为22MnB5，通过理论解析、有限元数值模拟等方式对板料的热冲压过程进行研究，了解热冲压过程中板料的变化，并根据成形及淬火结果得出凹凸模圆角、模具间隙等模具设计参数对热冲压成形及淬火质量的影响并得出优化参数，为以后热冲压模具型面参数的选择提供参考。提出模具冷却系统结构设计方案，通过理论解析、流体工程仿真等方式探讨入水口水温及水流速率对冷却系统冷却效果的影响，并通过模拟讨论冷却系统设计中模具的冷却管道半径R、管道侧壁间距L、管道边缘到模面的垂直距离H参数选择对零件冷却效果的影响，以此提出防撞梁模块中冷却管道排布方案，通过模拟分析，对初始方案进行优化最终使冷却系统达到设计要求。结合热冲压成形以及冷却淬火过程的分析，综合考察了模具型面参数及冷却系统参数对热冲压成形质量及冷却淬火的影响。结果表明，在进行热冲压模具总体结构设计时，需选择合适的模具材料，保证模具对零件的有效冷却以及模具长期高温下工作的热稳定性，对于几何尺寸较大的模具，为使冷却均匀，可将模具划分成具有独立冷却系统的模块，同时在模具设计中由于冷却系统的存在，需注意密封装置的设置。在热冲压成形及淬火过程中，板料内侧侧壁区域减薄最严重、温度最高、应力最大，为提高成形精度及淬火质量，在进行模具型面设计时，需选择合适的模具圆角、模具间隙，凸凹模圆角半径越大，板料成形、淬火质量越好，选择凸凹模圆角时应综合考虑成形效果与成形件具体成形参数；为兼顾板料成形及淬火，模具间隙应选择1.0t-1.1t左右为宜。对于冷却系统的设计，需使冷却系统同时满足冷却速率、冷却均匀性以及长期工作中模具的热平衡性的要求。为保证良好的冷却效果，需保证最低水流速度高于10.5m/s，水温选择室温20℃即可。在选择冷却系统设计参数时，在保证模具结构强度的前提下，应选择较大的管道半径R、和较小的管道侧壁间距L、管道边缘到模面的垂直距离H，对于具体模具的冷却系统时，结合模具几何参数，选择R=5、L=16、H=6，入口水流流速8m/s，保压淬火8s，进行分析后，对R、L、H参数进行局部调整使板料在马氏体相变区域内冷却速率大于30℃/s,淬火后最大温差降低到9℃，长期工作中，各周期结束后成形件最高温度稳定在131℃左右，模具最高温度稳定在120℃左右，冷却系统满足设计要求。
【作者】房欢欢；
【导师】李欣；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】防撞梁；热冲压；22MnB5；冷却系统；数值模拟；

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