汽车前保险杠热成形模具设计详解：结构布局与冷却系统优化

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[摘要] 以汽车前保险杠零件为例，介绍了热成型模具设计流程，重点介绍了模具结构和布局。为了便于加工，凸凹模采用镶件组合拼接方式，并考虑零件的形状。对于压边圈的设计，冷却系统的水路采用串联水路设计，并根据热交换方法和公式估算进出水管的直径。该设计案例可为工程中热成型模具设计提供参考和指导。

关键词：热成型；模具设计；冷却水通道

1 简介

热成型技术是汽车轻量化的重要途径和方向。热成形技术一般是指将硼合金钢加热到再结晶温度（900℃）以上，然后在具有冷却系统的热成形模具中冲压，通过模具冷却系统冷却淬火，使奥氏体转变为马氏体，转变为马氏体。制成超高强度成形零件[1~2]。目前，热成型技术主要应用于汽车安全结构件和防碰撞防护件，如汽车B柱、纵梁加强板、汽车保险杠等。

影响马氏体转变程度的关键是模具的设计和冷却，这也是热成形模具的核心和复杂环节。我国热成型技术起步较晚，国外相关技术尚处于封锁阶段。近年来，国内已建成数百条热成型件生产线。虽然少数科研单位和合资企业开发了独立的热成型生产线，但大多数生产线仍然是从国外引进建立的，特别是热成型零件。大部分成型模具都是进口的。因此，掌握热成型模具的设计对于自主热成型技术的发展至关重要。一些文献对热成形工艺和模具设计方法进行了研究[3~6]，但涉及具体案例和详细设计的文献并不多。本文以某车型前保险杠零件为例，进行热成型模具的设计，并分析其结构和规律，可为热成型模具技术在行业中的应用提供参考。

2 零件及材料

本文选用的零件为前保险杠零件，该零件位于汽车前端，是重要的防撞零件。该零件形状复杂，曲面较大，零件中间有凸起，部分表面有凸台。该零件的数字模型如图1所示。该零件的长度超过，厚度为1.5mm。

这种保险杠材料是热成型零件的主流材料之一。其主要化学成分见表1。成型前后材料的力学性能见表2。

图1 前保险杠数字模型

3 模具设计方法及要点

热成型模具必须同时起到零件的成型和冷却淬火的作用，因此模具结构相对复杂。考虑冷却系统的设计，需要重点关注模具结构的合理布局、工艺性、制造成本等方面。考虑。

(1)模具的总体结构和布局。

模具的整体布局分为以下几部分：上模座、凹模固定板、公母模、压边圈、压边固定板、冲头固定板和下模座。模具的整体布局和结构如图2所示。对于这种接近U形的结构安全零件，为了便于生产过程中零件的取出，一般冲头位于底部，凹模在顶部，整个零件扣在凸模上，方便拆卸；压边圈是为了防止零件被移除。如果拉伸时起皱，则将其放在凸模两侧，并用凸模和凹模固定板之间的边环固定板固定。由于模具尺寸较大，因此模具上的冲裁力也比较大。因此，模板之间应有支撑装置，以稳定模具的整体结构。凹模固定板、压边圈固定板和凸模固定板之间会产生摩擦力的相对运动，所以在凸模固定板上安装导柱，起到定位导向的作用。阴模固定板和压边圈固定板上相应位置安装有导向套。凸凹模均需要冷却水冷却，凸凹模以及凸凹模固定板上分别设置冷却水道和水箱。

根据零件的尺寸和凸凹模的设计高度，可以估算模具的闭合高度为876mm。考虑到拾取空间，模具的开口高度为900~1,000mm。根据相关尺寸，即可确定承压设备工作面的尺寸。

图2 模具总体布置及结构图

1. 上模座 2. 阴模固定板 3. 橡皮圈固定板 4. 冲模固定板 5. 下模座 6. 橡皮圈、冲头 7. 阴模

(2)凸凹模设计。

在热成型模具的设计中，由于工艺性和制造成本等因素，往往需要将公母模分块，将多个镶件拼接在一起，形成所需的形状。对于镶件组成的凸凹模来说，冷却水道的设计非常关键。为了合理设计冷却水道并考虑冷却效率，模具镶件的划分和组合主要考虑以下原则：①模具镶件加工原材料的尺寸。也就是说，要考虑市场上是否有比较常见的尺寸，方便购买，不需要多次加工，省时省力； ② 便于冷却水道加工。也就是说，在制造过程中需要考虑水道孔的尺寸、机床加工平台的尺寸以及孔深的加工范围； ③模具强度和抗冲击能力。即凸、凹模具镶件的分块线应避免重叠，从而保证模具的抗冲击能力和镶件接缝的密封性，同时避免零件表面曲率发生较大变化以及孔平台处的块分离； ④推动其他机制布局。也就是说，镶件的组合设计和尺寸需要考虑顶出机构、支撑架、支撑装置等其他机构的布置。

对于该零件，考虑到长度约为，结合上述原则，镶件长度设计为200~300mm，并将公模和母模分别分为4块。整体刀片结构如图3所示。

图3 凸凹模镶件结构图

(3)压边圈的设计。

一般来说，拉伸筋和压边圈是冷冲压模具中保证零件成形的关键，是防止零件起皱和开裂的有效方法。在热成型中，材料在高温下具有良好的流动性。在某些情况下，无需压边圈即可与模具表面很好地贴合。然而，当零件表面比较复杂时，为了保证零件的成形质量和表面质量，在压边圈的设计中仍然需要考虑。对于该零件，考虑到其几何形状较为复杂，且零件有凸缘边缘，因此在零件长度方向两侧采用局部压边。

(4)冷却水道设计。

本模具设计采用在凸凹模块上加工冲制水道的形式。该方法具有水循环速度较快、冷却效果好、加工难度较低等优点，已得到广泛应用。 。水道的布局需要考虑其中心距凸凹模主表面的距离、相邻两水道之间的最大或最小距离、水道直径等基本设计参数。另外，为了使冷却过程零件的温度分布尽可能均匀，水道的布置也应尽可能均匀地分布在模具表面附近。水路的接入方式一般可分为串联和并联。并联式是指每个插件有一个入口和一个出口，每个插件对应一根与集水器相连的冷却水管；串联式是指水从第一个插片进，水从最后一个插片出，中间使用连接器。形成连接。串联水路结构更简单，能够更好地降低成本。本设计采用串联水路。模具水路结构示意图如图4所示。

图4 凹模水道结构示意图

(5) 估计进、出口管的直径。

进水管和出水管分别在嵌件两端连接集水器，最后与外部水道连接，形成完整的冷却系统。管道示意图如图5所示。

图5 管线图

根据能量守恒定律，散热片发出的热量并非全部被冷却水带走，而是有一部分热量被空气吸收。设冷却水带走90%的热量，n为每小时加工的零件数，m为单件质量（kg），q为板材单位质量发热量（kJ） /kg)，则每小时从板材传递到模具的热量Q为：

Q = nmq (1)

其中 q 可以表示为：

q = C p (t 1 -t 2 ) (2)

式中，C p——板材平均比热，kJ/kg·℃

t 1 ——板材保压起始温度

t 2——板材保压结束温度，因为冷却水要带走总热量的90%，则Q w =0.9Q

热量Q w 引起冷却水温度升高，其表达式为：

Q w = C wmw Δt (3)

式中，Q w——水的比热，kJ/kg·℃

mw——单位时间内流经模具的冷却水质量，kg

Δt——冷却水入口至出口的温度变化，℃

结合式(1)～(3)，可得单位时间内流经模具的冷却水质量为：

0.9C p(t 1 -t 2 ) nm

Δt

分子量 = (4)

同时，

kπd 24

分子量 = vγ (5)

式中，k——进出口管道数量

d——进、出口冷却水管直径，mm

v——冷却水流速，m/s

γ——水的密度，kg/m 3

根据上述公式和方法[7~8]估算，可得出该模具的进、出口管直径为φ35mm。

4 总结

热成型技术是目前车身安全结构件成型的热点技术。热成型模具的设计是热成型技术的关键环节，其方法仍需进一步发展。本文设计了实际前保险杠零件的热成型模具，探索了关键方法，对模具的总体布局与结构、凸凹模设计、压边圈设计、冷却水道设计等进行了研究。进行了详细的分析，估算了进、出口管道的直径，可为工程技术人员提供参考和指导。