CN101288890A - 超高强度钢板热冲压成形模具的冷却*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，所述模具包括凹模和凹模座，所述凹模与凹模座之间设有水腔，所述水腔与进水口、出水口相连通。本发明在凹模与凹模座之间设有水腔，通入冷却水后，利用模具与钢板之间热传导可以实现钢板工件的迅速冷却，以满足钢板淬火条件。特别是在水腔中还设有支撑柱，支撑柱的上端与凹模的下底面相接触，支撑柱的下端与凹模座的上底面相接触，既保证了凹模的结构强度，并且还可以引导水流走向，提供扰流条件，同时增大传热面积，提高冷却水与模具间的换热效率。

Description

超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***

技术领域

本发明涉及一种热冲压成形模具，特别是涉及用于超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***。

背景技术

热成形技术可以解决超高强度钢板成形性能的局限，用于汽车车身，可以制造形状复杂同时具有超高强度的承力部件，不但可以提高汽车的安全性，同时减轻汽车重量，提高汽车的节能环保性。但各国在将该技术用于实际生产中都面临***热平衡问题：一方面，热成形技术需要钢板以20m/s以上的速度从再结晶温度以上迅速冷却；另一方面，模具及钢板冷却耗时问题，限制了生产效率；另外，与传统冷冲压不同，热成形对生产安全性提出了更高的要求。总结以上分析可知冷却***的设计是热成形技术用于批量化生产的关键技术之一。现有试生产或少量生产中，主要采用气体冷却技术，利用冷却气体(如氮气等)喷射于高温钢板以实现快速冷却。该冷却技术需要气体的制备、储存、输送、喷射以及回收装置，设备庞大复杂；同时，需要在模具上加工冷却气体流通结构、冷却气体喷射结构和冷却气体收集结构，还对模具的强度、寿命以及制造成本方面提出新的挑战。另外，也有先冲压后冷却的热成形工艺，冲压成型后再将制件投入淬火池，可以满足冷却速度，但零件变形严重，远远不能达到汽车零件的精度。

要通过模具冷却***对热成形后的模具和工件进行冷却，应当满足以下要求：①冷却速度，即模具温度必须满足固体淬火条件，使高温钢板迅速冷却再结晶，形成高强度的马氏体组织；②模具型腔表面温度的均匀性，型腔表面温差导致钢板不同位置温差，造成板料组织不均，出现低强度点。③传热效率，即每次热冲压后模具储存热量要被迅速带走，确保每次冲压前模具初始条件相同，从而确保下次冲压质量、确保产品质量稳定。

现有技术中冲压成形模具的冷却***很难达到上述要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种热成形模具的冷却***，可以很好地满足热成形工艺的冷却要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，所述模具包括凹模和凹模座，所述凹模与凹模座之间设有水腔，所述水腔与进水口、出水口相连通。

本发明在凹模与凹模座之间设有水腔，通入冷却水后，利用模具与钢板之间热传导可以实现钢板工件的迅速冷却，以满足固体淬火条件。本发明的冷却***还具有以下优点：①实现了冲压与冷却的同时进行，保证了零件强度与精度要求；②从冲压开始到最终冷却完毕时间控制在3min到6min间，加快了冲压节拍，提高了生产效率；③模具基本处于人体可触摸温度范围，降低了对生产安全性的要求。

一种优选方案是在凹模的外侧壁上设有支撑筋，用于调节水流，将水流分散为几股，使其均布于水腔内；同时也提高了凹模的结构强度。

另一种优选方案是在所述水腔中还设有支撑柱，所述支撑柱的上端与凹模的下底面相接触，支撑柱的下端与凹模座的上底面相接触。设置支撑柱是为了保证凹模的结构强度，并且还可以引导水流走向，提供扰流条件，同时增大传热面积，提高冷却水与模具间的换热效率。

上述支撑柱可以设计成与凹模的下底面一体相连，这样可以消除支撑柱与凹模之间的接触热阻，提高换热效率。

上述支撑柱的横截面优选为圆形，实验证明：采用这种圆柱形支撑柱分散布置，热集中点较少，且热集中点与冷却水流经的点温差较小；可以增大水流扰动，同时避免不必要的回流和漩涡，增加了换热效率。。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明冷却***的结构分解示意图。

图2是凹模背面的结构示意图。

图3是采用直板状支撑柱时水腔中的温度场分布图。

图4是采用圆柱形支撑柱和四棱柱形支撑柱水腔中的温度场分布图。

图5是采用异形板状支撑柱时水腔中的温度场分布图。

具体实施方式

如图1所示，本发明超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，在凹模1与凹模座2之间设有水腔22，水腔22通过导水槽与进水口、出水口相连通。导水槽包括凹模座中水平导水槽、竖直水槽以及位于凹模座表面与凹模接触处的水道21，用于冷却水输入输出。由于冷却水速度由全程最小截面面积决定，因此在设计导水槽时，水道21处设计4条水道，避免出现水速阻力瓶颈。最终设计水道21的总横截面积与水腔中最小截面积基本相同。

如图2所示，凹模1的外侧壁上设有支撑筋12，用于调节水流，将水流分散为几股，使其均布于水腔内；同时也提高了凹模的结构强度。水腔中还设有支撑柱11，支撑柱11的上端与凹模1的下底面相接触，支撑柱11的下端与凹模座2的上底面相接触。设置支撑柱是为了保证凹模的结构强度，并且还可以引导水流走向，提供扰流条件，同时增大传热面积，提高冷却水与模具间的换热效率。

支撑柱11可以是分体式的，独立地设置在凹模1与凹模座2之间，这样可以不必使用模具钢，可降低成本，且可以根据需求更换，但缺点是支撑柱与凹模之间存在接触热阻，影响传热效率；支撑柱11也可以是整体式的，设计成与凹模1的下底面一体相连，这样支撑柱11与凹模1之间没有接触热阻，热导率大。

支撑柱的横截面形状会影响冷却效果，为了确定支撑柱的最佳形状，基于加工条件，初步设计3组6种典型支撑柱形状：直板式、简单形状的离散式、复杂形状的一体式和离散式，分析不同形状对冷却效果的影响，比较优劣，如图3-5所示。

根据分析计算和数值模拟结果：

①直板式冷却***中，支撑体排列越密，水流最小截面积越少，水速越高，增大了冷却水雷诺数Re，同时直板个数增加，加大了换热面积，换热效率提高。

②直板式冷却***扰流件少，冷却水雷诺数Re低，水场以层流为主，换热效果差。同时在支撑体中心部分出现热集中现象。如图3所示。

③简单形状的离散式冷却***中，相同支撑面积，圆柱形支撑体比菱形支撑体换热面积小，但尾部形成小块热集中区域；菱形支撑体头部水流较为稳定，雷诺数Re较小，但在两端因绕流引起的回流、漩涡和涡束现象明显；综合考虑，圆柱形支撑换热率为9803W，而菱形支撑换热率为7023W，因此圆柱形支撑体比菱形支撑体换热效果好。

④简单形状的离散式支撑，支撑体分散布置，热集中点较少，且热集中点与冷却水流经的点温差较小；布置方式以及凸面的支撑体形状可以增大水流扰动，同时避免不必要的回流和漩涡，增加了换热效率。如图4所示。

⑤复杂形状的离散式冷却***中，两者扰流条件相当，分散布置在两个水平方向支撑体之间，出现热集中现象，而集中布置在支撑柱中心部分出现热集中。

⑥复杂形状的离散式支撑的设计初衷是增加粗糙度，从而增加扰动，提高换热效率。经过分析计算及数值模拟，发现在凹槽处出现漩涡与回流，此处与外界换热不在是对流换热，变为固液单纯间导热，降低了平均表面换热效率。同时根据本组分析，得出凸表面比凹表面换热好的结论。如图5所示。

圆柱形离散式冷却***，支撑体分散布置，热集中点较少，且热集中点与冷却水流经的点温差较小；布置方式以及凸面的支撑体形状可以增大水流扰动，同时避免不必要的回流和漩涡，增加了换热效率。因此选择圆柱形离散式支撑是一种最优方案。

采用本发明的冷却***后，在现场试验中，凹模温度保持在40度以下，开模后温度在室温。证明冷却***完全符合热成形工艺的冷却要求。

本发明的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，解决了热成形技术用于实际生产中快速冷却和累计热量发散的两个难题，为热冲压成形技术的实际生产提供支持。

Claims (6)

1.一种超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，所述模具包括凹模(1)和凹模座(2)，其特征是：所述凹模(1)与凹模座(2)之间设有水腔(22)，所述水腔(22)与进水口、出水口相连通。

2.根据权利要求1所述的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，其特征是：所述凹模(1)的外侧壁上设有支撑筋(12)。

3.根据权利要求1或2所述的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，其特征是：所述水腔(22)中设有支撑柱(11)，所述支撑柱(11)的上端与凹模(1)的下底面相接触，支撑柱(11)的下端与凹模座(2)的上底面相接触。

4.根据权利要求3所述的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，其特征是：所述支撑柱(11)与凹模(1)的下底面一体相连。

5.根据权利要求4所述的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，其特征是：所述支撑柱(11)的横截面为圆形。

6.根据权利要求3所述的超高强度钢板热冲压成形模具的冷却***，其特征是：所述支撑柱(11)的横截面为圆形。

Images