CN101486060B - 高强度钢零件的热成形和冲孔一体化工艺及模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强度钢零件的热成形和冲孔一体化工艺及模具。一体化工艺是在高强度钢零件的热成形模具上设置冲孔工具，在高强度钢板料热冲压成形之前，将加热到完全奥氏体化后的高强度钢板料放置于热成形模具中冲压，热成形模具闭合后，接着利用热成形模具上的冲孔工具对冲压后的工件进行冲孔操作。一体化模具包括上模、下模、上冲孔工具和下冲孔工具，上模的上端安装有上模油缸，上模油缸的活塞杆通过顶杆与上冲孔工具连接，下模的下端安装有下模油缸，下模油缸的活塞杆与下冲孔工具连接。本发明降低了热成形的设备投资和生产成本、缩短了生产周期，而且冲孔质量高，零件的尺寸精度及形状精度高。

Description

高强度钢零件的热成形和冲孔一体化工艺及模具

技术领域

本发明涉及高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢冲压零件的热冲压成形及冲孔工艺和模具，属于高强度钢板金零件的成形技术领域。

背景技术

当前，在汽车制造领域，人们对高安全性、低自重和良好的燃油经济性的需求已经成为技术进步的重要推动因素。制造商们通过引入新的安全概念和轻量化的车身结构等措施使消费者的愿望得以实现。尤其是在车身结构方面，通过对高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢的使用，提高了汽车的碰撞性能同时也实现了轻量化的要求。但是随着钢材强度的提高，延伸率下降，材料的成形性能也大大降低，成形过程中还容易产生破裂、起皱、尺寸难以控制和形状不良等问题，传统的冷冲压成形工艺已不能满足技术和生产发展的需要。

近几年，国内外学者开发出一种新的高强度、超高强度钢板热冲压成形工艺，该工艺使高强度钢和超高强度钢板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度(900～950℃)，并在奥氏体区保持5分钟，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100％马氏体组织。该工艺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重量。

中国专利文献CN101288889公开了一种《超高强度钢板热冲压成型模具》，该模具包括上模座和固定在上模座上的凸模、下模座和固定在下模座上的凹模，凹模中设有冷却水通道，冷却水通道与一个冷却水循环系统相连接。

中国专利文献CN1829813公开了一种《热成形法与热成形构件》，对于特定成分的钢板加热至奥氏体点温度(Ac3)以上并保持后，进行最终制品形状的成形，在成形中或者从成形后的成形温度的冷却之时，到达成形构件的马氏点温度(Ms点)的冷却速度在临界冷却速度以上，并且，以从Ms点到200℃的平均冷却速度为25~150℃/s冷却而进行淬火处理。

对于尺寸精度要求较高、热成形零件上有通孔或热成形零件带有压料凸缘的情况下，必须对热成形零件进行二次加工。在冷冲压工序中，一般是利用冲压模具进行冲孔、修边等二次加工，但在热冲压工序中利用常规模具结构进行二次加工极为困难；采用冷冲压模具对淬火后强度提高的成形部件进行切边或冲孔加工需要很大的加工载荷，金属模将被损坏或寿命缩短，对于超高强度钢板的热成形零件甚至无法用冷冲压模具进行加工。

为了使热成形的高强度零件符合相应的尺寸精度和形状要求，目前均采用五轴激光切割技术进行冲孔和修边，但是激光切边或切孔效率低，一条热冲压生成线往往需要数套激光切边或切孔线与之配套，另外，每套激光切边或切孔线均需要相应的夹具对零件进行定位、装夹，因而设备占地面积大、设备投资多、生产成本高。另外，激光切孔后，热成形零件的孔边时会带有一些熔融金属凝固后所形成的金属颗粒，需要后续的打磨工序把金属废料去除，导致热成形零件的生产周期长、零件尺寸精度低，限制了热冲压技术的推广应用。使用激光切割技术切孔时，完成时间受零件大小及孔数量的限制，最简单的零件从零件固定到切孔夹具到切割完成需要30秒以上，对于复杂零件可能需要几分钟。

中国专利文献CN2617549公开了一种《新型热冲孔、切边模具》，用于锻件的热冲孔、切边模具，该专利所公开的模具只能利用压力机的滑块运动，完成单一的冲孔、切边，而不能用于成形、切边或冲孔复合，另外，该模具结构是用于钢块锻造，属于体积成形领域，不能用于属于板料成形领域的高强度板料的冲孔或切边。

中国专利文献CN101326022公开了一种《用于液压冲孔的组合冲头》，用于在液压胀形的构件中形成孔。该组合冲头是在零件液压胀形完成后，让冲头退到模具内部，利用高压液体作为动力，将需要冲孔部位切成几块，从而完成冲孔过程。该工艺及结构只适用于液压胀形的低强度钢板，不能用于高强度钢零件的成形及冲孔。

发明内容

本发明针对目前高强度或超高强度钢冲压成形零件热成形和冲孔时所用二次加工技术存在的问题，提供一种结构简单、生产效率高、质量好的高强度钢零件的热成形和冲孔一体化工艺，同时提供一种实现该工艺的一体化模具。

本发明的高强度钢零件的热成形和冲孔一体化工艺是：

首先在高强度钢零件的热成形模具上设置冲孔工具，在高强度钢板料热冲压成形之前，将加热到完全奥氏体化后的高强度钢板料放置于热成形模具中冲压，热成形模具闭合后，接着利用热成形模具上的冲孔工具对冲压后的工件进行冲孔操作，完成后对热成形模具进行冷却，利用与成形零件相接触的模具部件对成形零件进行淬火。

实现上述一体工艺的高强度钢零件的热成形和冲孔一体化模具采用以下技术方案：

该一体化模具包括上模、下模、上冲孔工具和下冲孔工具，在上模和下模中均设有冷却水通道，上模的底端外部轮廓与零件的内部轮廓形状一致，上模内在零件需要冲孔位置设有通孔，该通孔内装有顶杆，上模的上端安装有上模油缸，上模油缸的活塞杆伸入上模的通孔内并与顶杆的上端连接，顶杆的下端与上冲孔工具连接，下模的型腔外部轮廓与零件的外部轮廓形状一致，下模内也设有通孔，该通孔与上模的通孔在同一轴线上，下模的下端安装有下模油缸，下模油缸的活塞杆伸入下模的通孔内并与下冲孔工具连接。

本发明是在热冲压成形后，在对成形零件进行模内淬火之前，利用不依靠压力机能量的模具内部的冲孔工具对热成形零件进行冲孔，在冲孔后再对零件进行模内淬火，该工艺降低了热成形的设备投资、减少了设备的占地面积、降低了热成形零件的生产成本、缩短了热成形零件的生产周期，而且热成形零件的冲孔质量高，零件的尺寸精度及形状精度高。使用本发明的冲孔工艺，完成冲孔的时间为1~2秒，而且不受零件大小及形状的限制。

附图说明

图1是本发明的热成形和冲孔一体化模具的结构示意图(冲孔之前的闭合状态)。

图2是图1所示的热成形冲孔模具冲孔后的状态示意图。

其中，1、热成形模具上模，2、热成形模具下模，3、上冲孔工具，4、下冲孔工具，5、待冲孔的热成形零件，6、上模油缸，7、活塞杆，8、上油孔，9、下油孔，10、顶杆，11、活塞杆，12、下模油缸，13、上油孔，14、下油孔，15、冲孔废料。

具体实施方式

本发明的高强度钢零件的热成形、冲孔工艺，首先是在高强度钢零件的热成形模具的上模及下模上均设置有相应的冲孔工具，在模具上安装油缸或气缸，油缸或气缸的活塞杆与冲孔工具刚性连接。该工艺的流程是加热到奥氏体状态的板料放置于热成形模具的下模上→在压力机带动下，上下模具闭合，完成零件热成形→模具中的油缸或气缸带动冲孔工具运动，完成冲孔→向模具内部的冷却水道内通入冷却介质对模具进行冷却，实现高强度零件的淬火，同时冲孔工具在油缸或气缸带动下恢复原位，顶出冲孔废料→在压力机带动下，上下模打开，取出热成形零件和冲孔废料。

图1给出了一种零件的热成形和冲孔一体化模具的结构，图2给出了该模具冲孔后的状态。该热成形零件的冲孔模具包括上模1和下模2，采用CN101288889公开的《超高强度钢板热冲压成型模具》的技术，在上模1和下模2中设有冷却水通道(图中没有画出)，冷却水通道与一个冷却水循环系统相连接。上模1的底端外部轮廓与零件的外形一致，上模1内设有与零件所要冲孔位置相应的通孔，该通孔内装有顶杆10，上模1的上端通过螺钉固定安装有上模油缸6，上模油缸6设有上油孔8和下油孔9，上模油缸6的活塞杆7伸入上模1的通孔内并与顶杆10的上端通过螺纹连接在一起，顶杆10的下端通过螺纹与上冲孔工具3连接在一起。下模2的型腔外部轮廓与热成形零件的外部轮廓形状一致，下模2内也设有通孔，该通孔与上模1的通孔在同一轴线上，下模2的下端通过螺钉安装有下模油缸12，下模油缸12设有上油孔13和下油孔14，下模油缸12的活塞杆11伸入下模2的通孔内并与下冲孔工具4连接在一起。上模1通过螺钉及销钉固定在上模板(图中没有画出)上，在上模板的相应位置加工有容纳上模油缸6的空间，上模板通过螺栓及压板固定在压力机的滑块上。下模2通过螺钉及销钉固定在下模板(图中没有画出)上，下模板的相应位置加工出容纳下模油缸12的空间，下模板通过螺栓及压板固定在压力机的工作台上。

上冲孔工具3及下冲孔工具4的截面形状与所冲孔的截面形状相同，冲孔工具是整体式的。冲孔过程中，上冲孔工具3通过与上模1中相应的安装孔进行导向，下冲孔工具4通过与下模2中相应的安装孔进行导向。

在零件热成形过程中，上模1在压力机滑块带动下向下运动，最终将放置于下模2上表面的加热至奥氏体状态的高强度钢板压入下模2中，使高强度板在模具内成形，形成未冲孔的高强度等冲孔热成形零件5。零件热成形之后，辅助配套的液压系统提供的液压油通过下油孔14进入下模油缸12，推动下模油缸12的活塞杆11带动下冲孔工具4向上运动；同时液压系统使液压油通过下油孔9进入上模油缸6，推动上模油缸6的活塞杆7带动顶杆10、上冲孔工具3向上运动。在上模1的下表面、上冲孔工具3、下冲孔工具4的共同作用下，冲孔废料15从待冲孔的热成形零件5上分离，从而完成模具内部热冲孔过程，使待冲孔的热成形零件5成为成形零件。冲孔完成后，向上模1和下模2的冷却水道内通入冷却介质，对模具进行冷却，从而对成形零件淬火。在向模具内通入冷却水的同时，辅助配套的液压系统控制液压油由上油孔13进入下模油缸12，活塞杆11带动下冲孔工具4向下运动；同时液压系统控制上模油缸的活塞杆7带动顶杆10、上冲孔工具3向下运动，将废料15从上模1中顶出。等成形零件完成冷却后，上模1在压力机滑块带动下，向上运动，模具打开，将冲孔废料15、成形零件取出模具，然后进入下一个工作循环。

在对高强度钢零件进行热冲孔时，由于成形后的零件温度高(850℃左右)，冲孔工具及与冲孔工具相结合的模具表面位置容易损坏，为了便于对模具进行维修和保养，在安装冲孔工具的部位采用镶块结构，在冲孔工具或镶块损坏后，只需要更换损坏的部件，而没有必要对上模或下模的整个表面进行修整。

Claims (1)

1.一种高强度钢零件的热成形和冲孔一体化模具，包括上模、下模、上冲孔工具和下冲孔工具，在上模和下模中均设有冷却水通道，上模的底端外部轮廓与零件的外形一致，其特征是：上模内设有与零件所要冲孔位置相应的通孔，该通孔内装有顶杆，上模的上端安装有上模油缸，上模油缸的活塞杆伸入上模的通孔内并与顶杆的上端连接，顶杆的下端与上冲孔工具连接，下模的型腔外部轮廓与上模底端的外部轮廓一致，下模内也设有通孔，该通孔与上模的通孔在同一轴线上，下模的下端安装有下模油缸，下模油缸的活塞杆伸入下模的通孔内并与下冲孔工具连接。

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