高强度钢板冲压热成形模具及其镶块所用合金铜的配方

摘要

本发明涉及冲压热成形模具和模具镶块所用材料，尤其是高强度钢板冲压热成形模具，包括与凸模匹配的凹模，设置在顶杆顶部的压边圈，以及供淬火和冷却用水的冷却水管道，电热原件和传感器；其中：所述凹模中镶嵌有镶块，该镶块为三块，所述三块镶块呈三角形分布在凹模中;所述三块镶块分别是镶块Ⅰ、镶块Ⅱ和镶块Ⅲ，镶块Ⅰ位于镶块Ⅱ和镶块Ⅲ的上方；所述镶块Ⅱ和镶块Ⅲ由铜合金制成，镶块Ⅰ由铜合金或模具钢制成。本发明由于所述结构而具有的优点是：提高了模具的耐磨性、提高了模具使用寿命、缩短了模具冷却时间、降低了使用成本和提高了零件成形精度。

权利要求

1.一种高强度钢板冲压热成形模具，包括与凸模（1）匹配的凹模（2），设置在顶杆（3）顶部的压边圈（4）以及供淬火和冷却用水的冷却水管道，电热元件和传感器；其特征在于：所述凹模（2）中镶嵌有镶块（5），该镶块（5）为三块，所述三块镶块（5）呈三角形分布在凹模（2）中；

所述三块镶块（5）分别是镶块Ⅰ（6）、镶块Ⅱ（7）和镶块Ⅲ（8），镶块Ⅰ（6）位于镶块Ⅱ（7）和镶块Ⅲ（8）的上方；

所述镶块Ⅱ（7）和镶块Ⅲ（8）由铜合金制成，镶块Ⅰ（6）由铜合金或模具钢制成；

所述冷却水管道由设置在镶块（5）、压边圈（4）、凸模（1）和凹模（2）上的进水通道和出水通道组成，该进水通道与冷水源连通；

所述进水通道又包括设置在镶块Ⅰ（6）上的进水通道Ⅰ（a）、设置在镶块Ⅱ（7）上的进水通道Ⅱ（c）、设置在镶块Ⅲ（8）上的进水通道Ⅲ（L）、设置在压边圈Ⅰ（9）上的进水通道Ⅳ（d）、设置在压边圈Ⅱ（10）上的进水通道Ⅴ（m）、设置在凸模（1）上的进水通道Ⅵ（h）和进水通道Ⅶ（f）以及设置在凹模（2）上的进水通道Ⅷ（k）；

所述出水通道又包括设置在镶块Ⅰ（6）上的出水管道Ⅰ（j）、设置在压边圈Ⅰ（9）上的出水管道Ⅱ（e）、设置在压边圈Ⅱ（10）上的出水管道Ⅲ（n）、设置在凸模（1）上的出水管道Ⅳ（i）和出水管道Ⅴ（g）以及设置在凹模（2）上的出水管道Ⅵ（b）；

所述进水通道Ⅰ（a）的出水口与出水管道Ⅵ（b）的进水口接通、进水通道Ⅷ（k）的出水口与出水管道Ⅰ（j）的进水口接通、进水通道Ⅱ（c）的出水口和进水通道Ⅳ（d）的出水口同时与出水管道Ⅱ（e）的进水口接通、进水通道Ⅲ（L）的出水口和进水通道Ⅴ（m）的出水口同时与出水管道Ⅲ（n）的进水口接通、进水通道Ⅵ（h）的出水口与出水管道Ⅳ（i）的进水口接通以及进水通道Ⅶ（f）的出水口与出水管道Ⅴ（g）的进水口接通。

2.根据权利要求1所述的高强度钢板冲压热成形模具，其特征在于：所述进水通道通过三通阀与冷水源连通，该三通阀的另外一个接口与高压气源连通。

3.根据权利要求1所述的高强度钢板冲压热成形模具，其特征在于：所述铜合金由如下重量百分比含量的元素组成，其中75-80﹪Cu12-15﹪Al2-4﹪Fe0.8-1.0﹪ Mn其他元素0.8-2.5﹪；所述其他元素是指合金制成过程中渗入的杂质以及作为细化剂和变质剂的Co、Zn和稀土。

说明书

高强度钢板冲压热成形模具及其镶块所用合金铜的配方

技术领域

[0001] 本发明涉及冲压热成形模具和模具镶块所用材料，具体是一种提高模具的耐磨性、提高模具使用寿命、缩短模具冷却时间、降低使用成本和提高零件成形精度的高强度钢板冲压热成形模具及其镶块所用合金铜的配方。

背景技术

[0002] 热成形技术是近年来汽车工业出现的一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术，该项技术以板料在红热状态下冲压成形并同时在模具内被冷却淬火为特征，可以成形强度高达1500MPa的冲压件，广泛用于车门防撞梁、前后保险杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等车体结构件的生产。由于具有减轻质量和提高安全性的双重优势，目前，这一技术在德国、美国等工业发达国家发展迅速，并开发出商品化的高强钢热冲压件生产线，高强钢热冲压件在车辆生产中应用也很广泛。

[0003] 热成形技术原理是把特殊的高强度合金钢加热使之奥氏体化，随后将加热后的板料送入带有冷却系统的模具内冲压成形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火，钢板组织有奥氏体转变成马氏体，因而得到超高强度的钢板。具体的生产流程为：卷料通过落料模生产出制件所需的料片。把落完的料片放到加热炉进行加热，加热要均匀，温度达到900°C左右。通过机器手把加热好的料片送到带有冷却系统的模具中进行冲压成形（模具装在800T的高速液压机上），模具闭合后保压5-10秒钟，使板料在模具内快速冷却淬火（模具的温度控制在20-200℃范围内），钢板组织从奥氏体转化成马氏体。零件温度降至80-150℃左右取出。最后用激光切割机切割出最终的零件

[0004] 在奥氏体化条件下，在钢与空气接触时很快就形成氧化膜。为了避免表面氧化和脱碳，大量的金属板会涂覆上一层保护层。在直接热冲压中应用最为广泛的是Al-Si涂层。Al-Si涂层的熔点接近600℃。然而，由于基体中存在Fe，Al-Fe合金有着更高的熔点在界面生长并很快达到表面。Al-Fe合金迁移到表面，它们有高的熔点防止了表层被氧化。对于一个典型950℃热冲压过程，次层组织为交替变化的Al-Fe含量。在直接热冲压过程中，这个保护层阻止了氧化层的的产生。另一种22MnB5的保护涂层是X-tex。这相当于给直接和间接的热冲压附加一层防腐层。根据sol–gel工序涂层以μm的氧化材料的结合为基础。
有机和无机材料混合Al粒子来形成保护层。这种7μm的厚保护层在冷成型过程中使得材料在不加润滑时候还能流动。在热冲压后，氧化层必须经过喷丸移除，以避免不良的涂料附着。

[0005] 在Dessain etal. (2008)中描述了测试模具磨损的方法，文中适用于高温测试的磨带装置。该设备采用电阻加热，在22MnB5棒上涂覆Al–Si层。加热带以一定直径滑行。测试中，接触表面为磨损和粘着区域。主要是模具的磨损，而在空白区域观察到Al–Si层的粘着。这些组合层在测试的早期阶段形成，并在模具表面出现压实层从而获得较低的磨损程度。

[0006] 在热冲压过程中模具暴露在高温下，将使摩擦过程中出现大的变化导致表面形貌不一，移除氧化皮，出现过度磨损。使用适当的表面处理或在表面涂层是克服表面摩擦的一种方法。

[0007] 在高强度板材热冲压成形过程中，冲压板材的强度大幅度提高，成形模具必须具有足够的结构刚性、表面硬度与疲劳寿命。另一方面，模具在剧烈的冷热交替的条件下工作，要求成形模具能够抵抗高温板材对模具产生的强力热摩擦以及脱落的氧化层碎片和颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应。因此，模具材料选择时需要考虑模具的膨胀性、模具表面温度频繁变动、模具型腔表面高温软化加剧磨损带来的模具塑性变形失效、疲劳失效和冷热疲劳失效等，材料选择不当，不仅会导致冲压件质量发生波动，还会产生模具磨损、开裂、报废等问题。因此，需要正确选择模具材料及热处理工艺，模具材料选择除了要综合考虑上述因素，特别要注意加热温度、热传导系数、冷却速度要求等因素的影响。

[0008] 现有技术的高强度钢板冲压热成形模具包括下模座、顶杆、凹模、凸模、压边圈以及冷却水管道。该类模具在使用过程中，由于模具本身结构和所采用的材料，导致冲压件质量发生波动，还会产生模具磨损、开裂、报废等问题。实践表明，对于形状复杂的深拉延件，每生产几百件模具就需要清理和抛光模具，费时费力，严重制约着生产效率。

[0009] 综上所述，现有技术的冲压热成形模具及其镶块所采用材料造成模具的耐磨性低、模具使用寿命短、模具冷却时间长、使用成本高和零件成形精度低。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种提高模具的耐磨性、提高模具使用寿命、缩短模具冷却时间、降低使用成本和提高零件成形精度的高强度钢板冲压热成形模具。

[0011] 为实现本发明上述目的而采用的技术方案是：一种高强度钢板冲压热成形模具，包括与凸模匹配的凹模，设置在顶杆顶部的压边圈，以及供淬火和冷却用水的冷却水管道，电热原件和传感器；其中：所述凹模中镶嵌有镶块，该镶块为三块，所述三块镶块呈三角形分布在凹模中;

[0012] 所述三块镶块分别是镶块Ⅰ、镶块Ⅱ和镶块Ⅲ，镶块Ⅰ位于镶块Ⅱ和镶块Ⅲ的上方；

[0013] 所述镶块Ⅱ和镶块Ⅲ由铜合金制成，镶块Ⅰ由铜合金或模具钢制成。

[0014] 本发明的又一目的是提供一种镶块所用合金铜的配方，所述铜合金由如下重量百分比含量的元素组成，

[0015] 其中75-80﹪Cu12-15﹪Al2-4﹪Fe0.8-1.0﹪Mn其他元素0.8-2.5﹪ ；

[0016] 所述其他元素是指合金制成过程中渗入的杂质，以及作为细化剂和变质剂的Co、Zn 和稀土。

[0017] 由于上述结构和镶块所采用的材料，凹模中镶嵌有铜合金制成的镶块，使得该高强度钢板冲压热成形模具热冲压零件的综合性能提高，同时增强模具本身的耐磨性和寿命。

附图说明

[0018] 本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

[0019] 图1为本发明的结构示意图。

[0020] 图2为本发明冷却水管道处的结构示意图。

[0021] 图中：1、凸模；2、凹模；3、顶杆；4、压边圈；5、镶块；6、镶块Ⅰ；7、镶块Ⅱ；8、镶块Ⅲ；9、压边圈Ⅰ；10、压边圈Ⅱ；a、进水通道Ⅰ；b、出水管道Ⅵ；c、进水通道Ⅱ；d、进水通道Ⅳ；e、出水管道Ⅱ；f、进水通道Ⅶ；g、出水管道Ⅴ；h、进水通道Ⅵ；i、出水管道Ⅳ；j、出水管道Ⅰ；k、进水通道Ⅷ；L、进水通道Ⅲ；m、进水通道Ⅴ；n出水管道Ⅲ。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0023] 参见附图1至2，一种高强度钢板冲压热成形模具，包括与凸模1匹配的凹模2，设置在顶杆3顶部的压边圈4，以及供淬火和冷却用水的冷却水管道，电热原件和传感器；其中：所述凹模2中镶嵌有镶块5，该镶块5为三块，所述三块镶块5呈三角形分布在凹模2中;

[0024] 所述三块镶块5分别是镶块Ⅰ6、镶块Ⅱ7和镶块Ⅲ8，镶块Ⅰ6位于镶块Ⅱ7和镶块Ⅲ8的上方；

[0025] 所述镶块Ⅱ7和镶块Ⅲ8由铜合金制成，镶块Ⅰ6由铜合金或模具钢制成。在该实施例中，铜合金有良好的导热性和耐磨性，在拉伸时产生的热量及时散去；再者，铜与钢的材料分子没有亲合性，不会在挤压高热中粘合或在制件表面产生拉痕，即使在拉伸深度较大的制件表面也由于摩擦系数小而无丝毫擦伤。铜合金材料的导热特性有利于控制模具的温度，也更容易控制成型周期，同时可以保证模具壁温的均匀性，如果与钢模相比，铜合金的成型周期要短得多，模具的平均温度可降低20％左右，当平均脱模温度与模具平均壁温之间相差较小时【例如在模具零件不易被冷却的情况下】使用铜合金模具材料。冷却的时间可以缩短40％左右，而模具壁温只降低15％左右；模具壁温均匀性好，提高了制品的质量。

[0026] 上述实施例中，优选地：所述冷却水管道由设置在镶块5、压边圈4、凸模1和凹模2上的进水通道和出水通道组成，该进水通道与冷水源连通；

[0027] 所述进水通道又包括设置在镶块Ⅰ6上的进水通道Ⅰa、设置在镶块Ⅱ7上的进水通道Ⅱc、设置在镶块Ⅲ8上的进水通道ⅢL、设置在压边圈Ⅰ9上的进水通道Ⅳd、设置在压边圈Ⅱ10上的进水通道Ⅴm、设置在凸模1上的进水通道Ⅵh和进水通道Ⅶf，以及设置在凹模2上的进水通道Ⅷk；

[0028] 所述出水通道又包括设置在镶块Ⅰ6上的出水管道Ⅰj、设置在压边圈Ⅰ9上的出水管道Ⅱe、设置在压边圈Ⅱ10上的出水管道Ⅲn、设置在凸模1上的出水管道Ⅳi和出水管道Ⅴg，以及设置在凹模2上的出水管道Ⅵb；

[0029] 所述进水通道Ⅰa的出水口与出水管道Ⅵb的进水口接通、进水通道Ⅷk的出水口与出水管道Ⅰj的进水口接通、进水通道Ⅱc的出水口和进水通道Ⅳd的出水口同时与出水管道Ⅱe的进水口接通、进水通道ⅢL的出水口和进水通道Ⅴm的出水口同时与出水管道Ⅲn的进水口接通、进水通道Ⅵh的出水口与出水管道Ⅳi的进水口接通，以及进水通道Ⅶf的出水口与出水管道Ⅴg的进水口接通。在该实施例中，模具结构简化，因为冷却水管道减少，可以提高物料温度，从而减小制品的壁厚，降低产品的成本。同时非串联式的冷却水管道，保证出水和入水的模具部分热量降低过程同步，零件降温相同。对整个热压件均匀降温，提高了淬火效果，也就提高了热压件的综合性能。当然，在镶块Ⅱ7上的进水通道和在镶块Ⅲ8上的进水通道可以不止一个，也可以是两个或多个，但后连通实现进出水降温和淬火。

[0030] 上述实施例中，优选地：所述进水通道通过三通阀与冷水源连通，该三通阀的另外一个接口与高压气源连通。在该实施例中，高压气源主要是去除水流管道内残余的水渣以免造成模具的生锈；镶块与镶块的水道连接用可调节高度的二通阀，能够随着模具的打开和关闭，调节连接高度，即采用市场销售耐高温高压软管作为连接管使用。

[0031] 上述实施例中，优选地：所述铜合金由如下重量百分比含量的元素组成，[0032] 其中75-80﹪Cu12-15﹪Al2-4﹪Fe0.8-1.0﹪Mn其他元素0.8-2.5﹪ ；

[0033] 所述其他元素是指合金制成过程中渗入的杂质，以及作为细化剂和变质剂的Co、Zn 和稀土。在该实施例中，铜合金材料具有硬度高、减磨性能好、耐磨性高、静载压力大、强度高、刚性稳定、不易变形、导热系数高等优良的性能。用该合金制作的模具在拉伸、压延不锈钢坯料时不易发生粘模、划伤工件等现象，不仅可以提高产品的质量而且可以减少修模次数及模具损耗。其热膨胀系数只为热作模具钢的1/3，导热性却是热作模具钢的5 倍，是替代Cr12、Cr12MoV、T10A、Cr15合金等铁基合金材料制作在5000-10000 t静态压力工况下工作的拉伸、挤压模具的理想材料。具体而言：A l 是铜合金中最主要的强化元素，不仅提高强度、硬度、耐蚀性及流动性，同时提高高温塑性。M n为抑制青铜合金缓冷脆性最有效的元素，缩小α单相区，显著降低共析转变温度，稳定β相，有一定的固溶强化作用；随M n 量的上升铜合金的抗拉强度几乎直线上升，屈服强度也越高，塑性降低不多。Fe、Ni有改善合金力学性能和耐蚀性能的作用Co是有效促成金属间化合物，形成硬质点弥散分布于基体中，不仅增加强度和硬度，而且不会破坏合金的韧性。添加微量的Co、Zn 和稀土可以较明显地细化合金的β相晶粒和净化金属。该铜合金的热处理方式为850～880℃×3h固溶强化和580～600℃×5 h 时效空冷表现出很高的时效硬化效果，表面硬度达到52 HRC。

[0034] 上述高强度钢板冲压热成形模具制造前防撞横梁的方法如下：

[0035] 首先，将具有防氧化层的高强度钢板料片放入加热炉均匀加热至800℃～1000℃，同时将装在800T高速液压机上的高强度钢板冲压热成形模具预热至550℃；

[0036] 然后，通过机器手把加热好的板料片送入高强度钢板冲压热成形模具中，使该高强度钢板冲压热成形模具闭合后保压5～10秒钟将板料片冲压成形为前防撞横梁毛坯；

[0037] 再然后，通过冷却水管道将上述前防撞横梁毛坯淬火和将所述高强度钢板冲压热成形模具降温，使得该高强度钢板冲压热成形模具的温度处于20℃～200℃之间；

[0038] 最后，将淬火降温至80～150℃的前防撞横梁毛坯取出，再通过激光切割机切割出最终的前防撞横梁零件。

[0039] 上述实施例中，具体出入水组合方式为：a入水，j出水；b出水，k进水； c和d入水，e共出水；这样设计是为了保证对称，L和m入水，n出水；凸模内：h入水，i出水；f入水，g出水。保证出水和入水的模具部分热量降低过程同步，零件降温相同。

[0040] 当然，上述铜合金也可以直接制成凸模和凹模，只是模具的制造成本偏高而已。

[0041] 显然，上述描述的所有实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范畴。

[0042] 综上所述，本模具结构简单，提高了模具的耐磨性、提高了模具使用寿命、缩短了模具冷却时间、降低了使用成本和提高了零件成形精度。