2.4 熱沖壓零件工裝開發(fā)

熱沖壓零件的工裝，主要有熱沖壓模具、落料模具、激光切割夾具、檢具、端拾器，部分零件還含有快速模具，以及熱沖壓零件的冷切模具。本節(jié)主要對熱沖壓零件模具進行介紹，熱沖壓模具大多采用板式結(jié)構(gòu)，用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角螺栓固定模塊，凸凹模采用鑲塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)置冷卻水道，采用可升降定位熱坯料托料桿，模板水槽串聯(lián)各模塊的冷卻水道。

2.4.1 熱沖壓模具的工藝設(shè)計

1.熱沖壓模具穩(wěn)定性工藝設(shè)計方式

熱沖壓模具工藝的設(shè)計方式，直接決定了沖壓成形過程中零件的成形性、生產(chǎn)穩(wěn)定性。

模具結(jié)構(gòu)一般分為以下四種：

1）兩件式結(jié)構(gòu)，如圖2-45所示。

2）帶有上活動塊的三件式結(jié)構(gòu)，如圖2-46所示。

3）帶有下活動塊的四件式結(jié)構(gòu)，如圖2-47所示。

4）帶有上、下活動塊的四件式結(jié)構(gòu)，如圖2-48所示。

一般來說，活動部件越少，模具動作越簡單，模具結(jié)構(gòu)也越容易加工制造；活動部件越多，對零件成形過程控制越精細(xì)，模具結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

針對不同的熱沖壓零件斷面形狀，熱沖壓模具也需要采用不同的模具結(jié)構(gòu)形式。熱沖壓常見的A柱、B柱零件，其熱沖壓模具結(jié)構(gòu)介紹如下。

典型的A柱零件，其形狀和斷面如圖2-49所示。

A柱零件一般斷面形狀比較簡單，熱沖壓工藝一般采用兩件式結(jié)構(gòu)，上下模具直接壓制成形；對于部分模具結(jié)構(gòu)，為了防止沖壓過程中料片竄動，一般會做幾個小的局部預(yù)壓塊。

以典型的B柱零件為例，其形狀和斷面如圖2-50所示。

B柱零件一般斷面形狀相對比較復(fù)雜，底端斷面成形深度較深，寬度也較大；向頭部成形深度逐漸變淺，跨度也變窄。B柱熱沖壓工藝一般采用具有頂部襯墊的三件式結(jié)構(gòu)，由上模、下模、壓料器構(gòu)成，壓料器先壓住大頭位置中間部分，再使用上模沖壓成形，如圖2-51所示。

對于法蘭邊寬度較大、在法蘭面平面內(nèi)有較大翹曲的零件，一般還需要做下托芯，以便控制成形過程中的起皺。在這種情況下，模具變成帶有上、下活動塊的四件式結(jié)構(gòu)，其熱沖壓模具如圖2-52所示。

2.熱沖壓模具的零件排布組合方式

熱沖壓的生產(chǎn)過程在高溫下進行，一般采用自動化的上下料系統(tǒng)，熱沖壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要與熱沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備相匹配。

熱沖壓零件的沖壓過程，與傳統(tǒng)冷沖壓過程相比，在料片沖壓成形后，增加了一個保壓的過程，因此，熱沖壓的沖次周期大于冷沖壓的沖次周期。

同時，熱沖壓一般應(yīng)用于車身上的加強結(jié)構(gòu)件，其零件尺寸相對偏小。

綜合以上特點，目前熱沖壓一般盡可能地采用一模多件技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率。

典型的熱沖壓零件的模具排布方式，一般按如下方式進行：

1）對于地板中通道、前圍板等較大的零件，一般采用“1模1出”的方式進行模具排布設(shè)計。

2）常規(guī)的零件，例如B柱、前縱梁等零件，考慮到加熱爐寬度、液壓機臺面尺寸、冷卻系統(tǒng)的冷卻能力等，一般來說采用“1模2出”的方式進行模具排布設(shè)計，如圖2-53所示。

3）門防撞梁、頂蓋橫梁、地板縱梁加強板等細(xì)長形梁夾件，一般采用“1模4出”的方式進行模具排布設(shè)計，如圖2-54所示。

4）對于其他小件，通過合理的工藝連料，可以做到“1模6出”或“1模8出”，從而大幅提高生產(chǎn)效率。

2.4.2 熱沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.熱沖壓模具的主要構(gòu)成

熱沖壓模具主要由基體、鑲塊、導(dǎo)向部件、定位系統(tǒng)、退料部件、冷卻循環(huán)系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖2-55所示。

模具的基體、導(dǎo)向部件，采用的材質(zhì)或零部件與傳統(tǒng)冷沖壓一致。基體（模架）一般采用HT300材質(zhì)鑄造，導(dǎo)向采用導(dǎo)柱、導(dǎo)套或者導(dǎo)腿形式，其設(shè)計方法與傳統(tǒng)冷沖壓基本一致；而冷卻系統(tǒng)、退料部件、定位系統(tǒng)的設(shè)計需要根據(jù)熱沖壓的特點進行專門的設(shè)計。

2.熱沖壓模具的鑲塊材質(zhì)

由于鋼板熱量的傳遞，在沖壓前以及沖壓過程中短暫的時間內(nèi)，熱沖壓模具的鑲塊表面溫度急速上升，隨后在保壓過程中逐步冷卻。鑲塊表面的溫度長期在70～300℃之間交替變化。

對于熱沖壓生產(chǎn)來說，熱沖壓模具鑲塊材料具有以下特性：導(dǎo)熱性能、抗高溫回火性能、延展性/韌性、熱屈服強度、熱膨脹系數(shù)、耐磨性能、可焊接性。

為了滿足以上要求，熱沖壓模具鑲塊材料，需要嚴(yán)格控制鋼材的化學(xué)成分，遵守嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臒崽幚砉に嚄l件。

對于生產(chǎn)出來的鑲塊材料，需要對實物進行金相組織檢查，檢測鑲塊材質(zhì)的非金屬夾雜物（純凈度），測試不同溫度下的沖擊韌性（V形口），檢測鑲塊材質(zhì)在高溫（400～600℃）下的熱傳導(dǎo)性能、強度，以及硬度隨保溫時間的變化等。

3.熱沖壓模具的水路設(shè)計

（1）熱沖壓模具的水路結(jié)構(gòu)

為了對加熱后的板材實施有效的冷卻淬火，熱沖壓模具的一個典型特征是鑲塊模面下方約10～15mm范圍內(nèi)布滿了冷卻水道。有效的水道設(shè)計，需要在滿足強度要求的情況下，實現(xiàn)快速冷卻（冷卻速度不小于27℃/s）。模具需滿足一定的傳熱效率并確保模具型腔表面溫度均勻。

熱沖壓模具的水路，一般采用深鉆孔或者銑刀加工方式。冷卻水路系統(tǒng)設(shè)計目前主要有以下幾種方式：①分段式倒U形水路；②直通式水路；③殼式水路；④插片式水路。其中，前兩種采用深鉆孔方式加工，后兩種采用銑切削加工。

1）分段式倒U形水路。根據(jù)分段的位置，一般有以下兩種，如圖2-56和圖2-57所示。

2）直通式水路。整個鑲塊組從頭開始，一條水路直通到底。相鄰的鑲塊之前沒有水路折彎減速效應(yīng)，有利于保障水流速度，水流可快速通過。由于此特點，直通式水路（圖2-58）是目前熱沖壓模具水路設(shè)計的主流方案。

由于一組鑲塊全部串行為一體，直通水路一個不便利之處是拆卸、安裝其中某個鑲塊的時候，需要將全組的鑲塊拆開，這會造成維護保養(yǎng)不便。另外，直通式水路鑲塊與鑲塊之間的密封全部采用橡膠密封圈，沖壓到一定沖次后，橡膠老化失效的可能性增大，會增加維修的頻次。

分段式倒U形水路、直通式水路加工采用的設(shè)備都是槍鉆。由于機加工的鉆機，僅可在直線方向加工，對于多個方向翹曲的復(fù)雜型面，采用深鉆孔加工水道的方式比較困難。后面的兩種水路設(shè)計方式，是通過機械銑切削加工的方式來實現(xiàn)水路的效果。

3）殼式水路。由于加工工藝限制，深鉆孔方式加工的水道與模面之間的距離很難做到均勻一致，從而導(dǎo)致零件出模后精度受到影響，殼式水路則解決了這個問題，如圖2-59所示。

當(dāng)然，殼式水路也有缺點，首先，殼式水路兩端壁厚區(qū)域冷卻效果不及中央部分；其次，殼式水路對高度方向的裝配精度提出了更高的要求；最后，模面所在整體薄層強度欠佳，沖壓過程中受力容易發(fā)生永久性損傷。

4）插片式水路。插片式水路（圖2-60）能針對性地解決殼式水路的缺點，但由于較大的加工量，目前未被普遍采用。

（2）熱沖壓模具的水路連接方式和密封設(shè)計

水路從壓力機接口處通過快插接頭連接進入模具，然后通過模具分水塊，給各部分鑲塊進行供水，如圖2-61所示。

鑲塊之間通過直接孔連接的水路，鑲塊之間一般采用O形密封圈進行密封，兩個鑲塊在長度方向需要設(shè)計鎖緊螺釘，通過螺釘鎖緊，確保不發(fā)生漏水，如圖2-62所示。

4.熱沖壓模具的板料設(shè)計原則

熱沖壓生產(chǎn)的關(guān)鍵在于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，原材料成本占熱沖壓零件成本的40%～60%，優(yōu)良的板料設(shè)計是熱沖壓生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于熱沖壓工藝特點類似于冷沖壓的非拉延成形，熱沖壓工藝過程具有縮小廢料區(qū)的板料尺寸的能力，因此，熱沖壓的板料一般都盡可能得小，產(chǎn)品邊界周圈除了預(yù)留3～10mm激光切割余量外，基本接近凈尺寸。

（1）第一個原則是滿足成形性

案例 B柱零件的板料設(shè)計，熱沖壓后周圈留有5mm左右激光切割余量，產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)底部大頭段成形過程中減薄過大，首輪調(diào)試出現(xiàn)開裂。然后通過仿真分析，并現(xiàn)場驗證，局部適當(dāng)將料片增大，最終解決了此問題，如圖2-63所示。

（2）第二個原則是滿足生產(chǎn)工藝性穩(wěn)定性

板料設(shè)計需要考慮生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）輥底式加熱爐，出爐撞阻擋器的位置設(shè)計。

2）加熱爐對中位置板料局部邊線設(shè)計。

3）端拾器抓取板料位置局部形狀考慮。

4）熱壓模具上定位用孔設(shè)計、定位桿位置局部邊線形狀考慮。

5）沖壓完成，脫模零件料片頂出輔助特征設(shè)計。

6）后續(xù)定位用板料輔助特征設(shè)計。

案例 下B柱的板料設(shè)計就需要考慮穩(wěn)定性問題。料片在加熱爐內(nèi)運行中并非一條完整的直線，料片在加熱爐撞料端錯開10mm的距離，出爐撞擋板后容易發(fā)生偏離，不利于料片進行對中，如圖2-64所示。

（3）第三個原則是在滿足前2個原則同時兼顧經(jīng)濟性，盡可能縮小板料

以上所述原則，需要結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試、落料工藝設(shè)計綜合考慮，最終確定板料的形狀。圖2-65為某B柱最終的落料工藝排樣圖。

5.熱沖壓模具的定位系統(tǒng)設(shè)計

熱沖壓模具對料片的定位系統(tǒng)設(shè)計，一般采用邊緣定位桿初定位、定位銷精確定位的方式進行，如圖2-66所示。其周圈采用四個定位桿對料片進行粗定位，板料中央采用一個圓孔加一個長圓圈孔的方式，來實現(xiàn)精確定位。

（1）定位桿設(shè)計注意事項

1）周圈定位桿的高度，應(yīng)該高于定位銷的高度，起到初始導(dǎo)向的作用，但是也不能過高，否則沖壓后取件需要的取件空間加大。

2）定位桿一般采用帶托料爪的設(shè)計，避免料片放入模具的瞬間大面積接觸凸模，溫降過快。

3）定位桿在模具結(jié)構(gòu)上需要留出足夠的調(diào)整空間，需要考慮料片的熱脹冷縮效應(yīng)。

4）定位桿需要有足夠的強度，沖壓過程中定位桿溫度會升高，對于分段焊接式定位桿的強度不利，需要做加強筋增強，避免生產(chǎn)過程中斷裂。

（2）定位孔、定位銷設(shè)計注意事項

1）板料上定位孔必須為一個圓孔，一個長圓孔。圓孔的孔心與長圓孔直邊段在一條直線上，保證板料沖壓過程中的熱脹冷縮不會造成卡死定位銷或拉斷定位銷。

2）翻邊孔位置設(shè)計，盡量靠近圓孔區(qū)域。翻邊銷一定要設(shè)計退料裝置，因為成形后，由于冷收縮效應(yīng)，容易將定位銷卡死，無法退料。

3）為了防止定位銷斷裂，圓孔定位銷盡量設(shè)計在成形過程中材料不發(fā)生流動或流動較小的區(qū)域。如果非得設(shè)計在材料流動大的區(qū)域，定位銷所在區(qū)域需要設(shè)置壓料裝置，在整理料片成形前先行壓住該區(qū)域，防止成形過程中，出現(xiàn)料片拉斷定位銷的情況。

2.4.3 熱沖壓模具的加工制造

1.熱沖壓模具的加工制造流程

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，會分為以下兩部分開始實施制造：①模具本體實型、模具本體鑄造、模具本體加工；②鑲塊采購、鑲塊水道加工、鑲塊3D粗仿形、鑲塊淬火，鑲塊裝配。

兩部分并行進行，同時工作完成后，將鑲塊安裝到模座上，進行整體仿形，然后安裝模具標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)件等裝配工作，最后開始調(diào)試并出件。

一個標(biāo)準(zhǔn)的熱沖壓模具項目運作流程如圖2-67所示。

2.熱沖壓模具的開發(fā)周期

（1）熱沖壓量產(chǎn)模具的開發(fā)周期

從接到產(chǎn)品開始到交出合格的工裝樣件，熱沖壓模具的開發(fā)周期根據(jù)零件的復(fù)雜程度不同，一般需要5～6.5個月，如圖2-68所示。

（2）熱沖壓快速模具的開發(fā)周期

基于驗證產(chǎn)品設(shè)計可行性、項目周期緊張等情況考慮，可以采用快速模具來提供小批量的樣件。快速模具，行業(yè)內(nèi)一般稱為軟模，不考慮批量生產(chǎn)的要求，僅保證能提供樣件為目的。

通過使用標(biāo)準(zhǔn)模座、簡化模具脫模動作、取消鑲塊水道等一系列操作，大幅縮短模具的開發(fā)周期，一般開發(fā)周期為2～2.5個月。

由于快速模具僅僅為提供前期試裝樣件，快速模具的樣件與產(chǎn)品的復(fù)合率一般在80%～90%；同時因為無冷卻水道，每次生產(chǎn)一件后，需等模具冷卻下來后再進行下一件的生產(chǎn)，約15min能生產(chǎn)一沖次，生產(chǎn)效率較低。另外，由于采用的鑲塊材質(zhì)、熱處理工藝等因素，一般快速模具僅能提供300～500沖次的樣件生產(chǎn)能力。

2.4.4 熱沖壓模具的檢查與驗收

熱沖壓模具的驗收，主要從以下幾個方面來進行檢查：外觀、安全部件、導(dǎo)向、鑲塊、型面、定位件、活動部件、水路、電路、氣路油路、生產(chǎn)線匹配等，驗收過程一般重點關(guān)注以下三方面：

1.靜態(tài)檢查

包括模具外觀檢查、起吊以及安全部件檢查、導(dǎo)向間隙檢查、密封性檢查、鑲塊硬度檢查、鑲塊安裝間隙檢查、水路暢通性以及密封效果檢查，與生產(chǎn)線安裝匹配相關(guān)的檢查等。

2.動態(tài)檢查

包括研合率檢查、料片投入模具動作穩(wěn)定性檢查、卸料可靠性檢查、氣路（或油路）動作檢查、熱點區(qū)域檢查、裝配拆卸便利性檢查、批量生產(chǎn)能力檢查、生產(chǎn)裕度檢查等。

3.熱沖壓零件性能檢查

熱沖壓后的零件，主要檢查幾何尺寸、零件成形風(fēng)險區(qū)局部、零件表面質(zhì)量。力學(xué)性能方面主要檢查零件硬度、抗拉強度、屈服強度、硬斷后伸長率、金相組織。對于涂層板材料的熱沖壓零件，需要檢查零件涂層厚度，對于裸板材料的熱沖壓零件，需要檢查脫碳層厚度。

熱沖壓模具驗收一般按照各個公司設(shè)定的驗收表格進行，驗收合格的模具，經(jīng)過雙方確認(rèn)后，則可以發(fā)運到母線進行調(diào)試并批量生產(chǎn)。

熱沖壓模具的典型動態(tài)驗收表示例如表2-7所示。