郭芳芳

摘 要：近年来，汽车轻量化已成为现代汽车制造发展的趋势。高强度钢既可以实现轻量化又可以保证车体强度和人身安全，成为汽车工业轻量化研究的主流。目前，高强度钢成形主要采用热冲压成形工艺。本文主要介绍了热冲压成形工艺，阐述了国内外热冲压成形模具的冷却系统研究现状，并指出了热冲压模具冷却系统研究的不足和未来可探索的方向。

关键词：轻量化;热冲压;冷却系统

中图分类号：TG386.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）29-0060-03

Analysis of Research Status of Research on Cooling

System of  Hot Stamping Tools

GUO Fangfang

（Jiangxi University of Technology，Nanchang Jiangxi 330098）

Abstract： In recent years， automobile lightweight has become the development trend of modern automobile manufacturing. High strength steel can realize lightweight while ensuring the body strength and personal safety， becoming the mainstream of automobile industry lightweight research. At present， high strength steel forming mainly adopts hot stamping process. This paper mainly introduced the hot stamping process， and described the research status of cooling system of hot stamping tools at home and abroad， and pointed out the shortage of cooling system research of hot stamping die and the direction to be explored in the future.

Keywords： lightweight;hot stamping;cooling system

目前，汽車轻量化发展方向主要有两个。一是整车结构进行优化设计，对汽车零部件优化或集成以减少汽车的重量。二是使汽车材料轻量化，以减轻零部件重量，轻质材料主要有铝、镁、钛等有色合金以及高强度钢材料。其中，高强度钢材料可以满足薄板材高强度的要求，且能较好地吸收汽车碰撞能量，进而降低汽车钣金件的重量，提高汽车的碰撞的安全性。但是，高强度钢材料采用普通冷冲压成形时，工件容易出现回弹、开裂、模具磨损等问题，因此催生了热冲压成形技术。热冲压成形时，高强度钢板料的塑性得到提高，从而改善了冲压成形性能。热冲压工艺不仅克服了冷冲压成形产生的问题，还能获得高强度的轻量化汽车车身零件。

1 热冲压成形工艺概述

高强度钢可以显著提高车身强度，减薄钢板厚度，其主要通过热冲压成形方法加工。热冲压成形工艺流程包括下料、加热保温、移料、冲压成形和冷却淬火几个过程[1]。其原理是先将板料加热保温使板料组织奥氏体化，奥氏体化的板料在高温下具有较好的流动性，有利于冲压成形，然后将板料快速移到具有冷却系统的模具内进行冲压成形，成形的同时也在模具内进行冷却淬火，使板料组织由奥氏体转变为马氏体，进而提高了制件强度和硬度。热成形工艺过程如图1所示。热成形模具冷却系统的设计是热冲压成形的关键技术，冷却系统的设计直接影响模具的冷却性能，进而影响工件的显微组织和力学性能，是热冲压成形工艺中的核心[1-3]。

热冲压模具的冷却系统主要设在热冲压模具内部，冷却系统设有不同结构的冷却管道，冷却管道内通入冷却介质，目前，实际生产中通入的冷却介质一般为水。在冲压成形过程中，板料与模具表面接触进行热交换，模具上的热量与其内部的冷却通道内的冷却介质进行热对流，同时模具和板料也会对外界进行热辐射。冷却通道的常见设计方法有直通式、分块式和随形式。直通式设计的模具加工方法相对简单，这种方法适用于形状简单的小型模具，对于复杂模具，较难保证冷却均匀。分块式设计是将模具分块，每个分块都设有独立的冷却通道，使用时将各分块拼接组合，块上的各冷却通道也相互对齐拼接，形成整体或局部贯通的冷却系统，此种方法适用于形状复杂的模具，分块可简化形状复杂模具冷水通道加工难的问题，但相对直通式通道的模具，其结构较复杂。随形冷却系统的冷却管道可以随模具模面形状变化而变化，可以保证冷却管道中心至模面的距离处处相等，从而保证模具的冷却均匀性。但随形冷却水道模具设计和加工也比较难，强度和成本上仍不占优势。因此，模具冷却管道的设计有待进一步研究。

2 热冲压模具冷却系统国内外研究现状

国外对于热冲压成形模具冷却系统的研究方面起步较早。2007年，Tekkaya通过试验计算的材料加工数据进行了热冲压成形的有限元模拟，并描述了热冲压的模拟过程[4]。Hoffmann等人也研究了一种基于系统优化的模具冷却管道设计新方法，采用优化过程与有限元分析和特定的进化算法相结合，对模具部件分别进行优化，并对热冲压工艺进行热模拟[5]。2012年，Kim等人采用有限元分析法对耦合扭梁桥（CTBA）零件的冲压工艺参数进行优化，考虑了冷却和相变引起的变形和强化，并将开发的有限元程序应用于不同壁厚CTBA新型冷却通道的优化设计[6]。2014年，Lim等人提出了一种冷却通道的设计方法，通过能量平衡原理和安排方法，以提高强度和热冲压部件的均匀性[7]。2014年，Taha等人研究了热冲压模具的冷却通道对模具冷却性能的影响参数，如冷却尺寸孔、冷却孔之间的距离和冷却孔与工具之间的距离[8]。其间采用有限元法对表面轮廓进行了静态和热分析，根据优化后的两种材料冷却性能，比较冷却通道参数。2015年，Zamri采用静态有限元分析的启发式方法，确定冷却通道尺寸和通道之间的节距，以确保模具获得均匀的高冷却效率温度分布[9]。目前，国外热冲压模具冷却水道的工艺研究已经比较成熟，但多数企业对热成形的关键技术进行封锁，模具冷却水道和热冲压工艺参数设计及优化、传热界面系数等还有待进一步研究。

在国内，从2012年开始，黄英、赵海明、代尚军等人先后对高强钢热冲压模具冷却系统进行了研究，冷却水道的形状和模型几乎大同小异，主要集中研究水槽尺寸、水道管数量、位置等因素对冷却系统的影响[10-12]。2016年，Mengmeng Lv等人提出了一种包括冷却通道直径、冷却通道数量和与模具接触面的通道中心等冷却参数的选择准则，并对冷却通道结构进行优化，提出了基于冷却难易程度的方法，设计了防撞梁热冲模，优化了冷却通道结构[13]。2017年，贺斌对热冲压模具随形冷却水道进行了优化设计，得出纵向随形冷却水道模具冷却水道冷却性能最好[14]。但随形冷却管道加工难，会影响模具强度。目前，该技术在国内乃至全球范围内仍是亟待攻克的难题，至今没有很好的解决方案。

3 热冲压模冷却系统研究的不足

目前，国内外对于热冲压成形模具冷却系统的研究主要集中于圆形冷却管道尺寸、管道侧壁间距、管道和模具表面间距以及冷却管道分布等参数的优化设计和模拟，较少关注模具冷却系统的冷却管道形状、结构以及不同形式的冷却管道等对冷却效果的影响。针对强度钢热冲压模具冷却管道，未来要继续对管道形状、布局和结构设计进行优化，例如，可将微孔流道冷却系统应用于热冲压模具，对微孔流道进行优化设计。

4 结论

由于汽车轻量化的发展，高强度钢已广泛应用于汽车零部件制造中，高强度钢的热成形工艺成为主要研究方向，热冲压模具的关键技术冷却系统研究是热冲压成形工艺的核心。对热冲压模具的冷却管道形状、布局和结构设计进行优化，可为汽车轻量化技术提供一定的参考价值。

参考文献：

[1]杨秀臣.热冲压成形模具冷却系统的研究[D].长春：吉林大学，2015.

[2]王立影，林建平，朱巧红，等.热冲压成形模具冷却系统临界水流速度研究[J].机械设计，2008（4）：15-17.

[3]譚海林.热冲压成形模具冷却系统的设计及模拟分析[J].模具制造，2012（11）：28-31.

[4]A Erman Tekkaya.Hossein Karbasian.Werner Homberg etal.Thermo-mechanical coupled simulation of hot stamping components for process design[J].German Academic Society for Production Engineering，2007（1）：85-89.

[5]H Hoffmann，H So1，H Steinbeiss.Design of Hot Stamping Tools with Cooling System[J].Annals of the CIRP，2007（1）：269-272.

[6]Heon Young Kim，Jong Kyu Park，Myoung Gyu Lee.Finite Element Simulation of Hot Stamping of Tubular Beam and Its Application to Die Channel Design[J].Materials Transactions，2012（5）：838-846.

[7]Wooseung Lim，Hongseok Choi，Seokyoung Ahn，et al.Cooling channel design of hot stamping tools for uniform high-strength components in hot stamping process[J].Advanced Manufacture Technology，2014（70）：1189-1203.

[8]Taha Z，Yusoff A R，Mohamd Sharif M F，et al.Comparison of Cooling Performance Between High Thermal Conductivity Steel （HTCS 150） and Hot Work Tool Steel （SKD 61） Insert for Experimental Tool Using Finite Element Analysis[J].Advanced Materials Research，2014（903）：163-168.

[9]Mohd Fawzi Zamri，Ahmad Razlan Yusoff.Heuristic optimisation of cooling channel design in the hot stamping die for hot stamping process[J].Advances in Materials and Processing Technologies，2015（1）：27-35.

[10]黄英.高强度钢板冲压模具冷却系统优化数值分析研究[D].长春：吉林大学，2012.

[11]代尚军.超高强度钢热成形模具冷却系统研究[D].长春：吉林大学，2014.

[12]赵海明.热成形模具冷却系统数值模拟分析[D].长春：吉林大学，2013.

[13]Mengmeng Lv，Zhengwei Gu，Xin Li，etal.Optimal Design for Cooling System of Hot Stamping Dies[J].ISIJ International，2016（2）：1-9.

[14]贺斌.热冲压工艺改进及模具随形冷却水道优化研究[D].大连：大连理工大学，2017.