摘 要

本课题从分析热冲压模具的失效特点、疲劳特征出发，通过模具模膛表面改性以及模具结构设计，尽可能减少热疲劳对模具服役的不利影响，来延长模具寿命，并提高成形制件质量；最后根据模具热疲劳失效特征还有疲劳测试原理和方法，来设计不但简易可行而且经济性高的材料热疲劳测试装置。论文主要研究了热冲压模失效、表面改性和热疲劳装置设计这三个方向，最终研究讨论得出所设计的热应变自身约束型的热疲劳装置。与传统冷冲压模具相比较，热冲压成形模具的价格更高、对加工精度要求更高、模具自身形状结构更复杂，热冲压模具失效所造成的经济损失要比传统冷冲压模具失效所造成的经济损失更大，因此本文对热冲压模失效、表面改性、疲劳特性装置的设计与研究是极其具有影响意义的。

关键词：模具失效； 表面改性； 疲劳特征； 测试装置

Abstract

This topic is to reduce the detrimental effects of thermal fatigue of die service, prolong the service life of the mould, improve the quality of forming parts through the die cavity surface change and mold structure design from analysing the hot stamping die failure characteristics and fatigue characteristic .And combining with the mold thermal fatigue response characteristics and fatigue testing principles and methods, to design the simple and feasible design thermal fatigue testing device. This paper mainly studies the three directions of the failure of hot stamping die, surface modification and thermal fatigue device design, and finally studies the thermal fatigue device designed by the thermal strain self restraint type. And compare with ordinary forming mold, which has high strength steel hot forming mold material costing heavy, complex structure, difficult processing, high precision. in addition, the thermal stamping die would be repeatedly heated and cooled, resulting in a non-uniform thermal strain and thermal stress, combined with high temperature oxidation and corrosion appear, resulting in die failure. Therefore, study on the hot stamping die is extremely meaningful.

Key Words：mould turning Invalid; Surface modification; Fatigue Characteristics ;

Testing device

目 录

第1章 绪论 1

1.1 热冲压模研究目的与意义 1

1.2 热冲压模研究现状与发展 1

1.2.1 热冲压模国内外的研究现状分析 1

1.2.2 热冲压模发展趋势 2

1.3 本章小结 3

第2章 热作模具的失效分析 4

2.1 热作模具的失效形式 4

2.1.1 塑性变形失效 4

2.1.2 热疲劳失效 4

2.1.3 热磨损失效 4

2.1.4 断裂失效 5

2.2热冲压模具延寿措施 5

2.2.1模具结构的合理设计 5

2.2.2 模具材料 6

2.2.3 模具的热处理 6

2.2.4 模具加工与抛光 6

2.2.5 模具的润滑 7

2.3 本章小结 7

第3章 表面改性 8

3.1 化学热处理 8

3.1.1 固体渗 8

3.1.2 气体渗 8

3.1.3 液体渗 9

3.2 表面涂层 9

3.2.1 等离子喷涂 9

3.2.2 电弧喷涂 9

3.2.3 激光熔覆 10

3.2.4 优势与弊端 10

3.3 本章小结 11

第4章 热疲劳性能测试装置设计 12

4.1 影响模具热疲劳失效的因素 12

4.1.1 外部影响因素 12

4.1.2 内部影响因素 13

4.2 模具热疲劳失效的特征 14

4.2.1 疲劳失效的宏观分析 14

4.2.2 疲劳失效的微观分析 15

4.3 热作模具钢热疲劳性能的评价 16

4.3.1 热疲劳图谱法 16

4.3.2 规定循环次数法 19

4.4 热疲劳性能测试装置结构方案 19

4.4.1 结构方案一 20

4.4.2 结构方案二 21

4.4.3 结构方案三 23

4.4.4 三种方案之间比较 24

4.4.5 优化方案与公开报道测试装置比较 25

4.5 优化设计方案的主要构件 26

4.5.1 支架的设计 26

4.5.2 传动装置的设计 27

4.5.3 炉膛盖的设计 28

4.6 本章小结 28

结束语 29

展望 29

参考文献 30

致谢 32

1. 绪论

热冲压成形技术（英文名为Hot stamping forming technology），这种成型方式需要先把原始坯料加热到适当的温度，然后利用热冲压模具对加热后的坯料进行冲压。因对热冲压成形的需求，所以形成了对热冲压模具研究的需求。

1.1热冲压模研究目的与意义

热冲压成形最突出的优点就是它能够能弥补传统冷冲压需要的成形力大的缺点，而且能够冲压形状复杂的板料，因为这样的优势，所以优势带动了发展。除了上述所说的工艺方面，在经济效益方面，热冲压成形模具成本更高，模具失效会带来更大的损失。另外，在环保方面热冲压成形也有着很大的作用，在保证安全强度的前提下，热冲压能够获得更薄的材料板材。所以如何提高模具寿命是我们所有科研人员的一个重点研究内容。热成形模具的使用寿命具体受何种因素影响还是多种因素的相互共同作用，这个问题是相当复杂的。在加工成形零部件的过程中，模具接触界面将会承受热力载荷联合的作用，在高压高温的条件下工作的时候极易发生失效。所以只有掌握了其中机理，才能避免生产过程中的巨大损失。

1.2热冲压模现状与发展

总所周知汽车轻量化已然成为了汽车发展的一种强劲趋势，更高强度的高强钢板将会更加广泛地应用在制造汽车的车身结构件或者覆盖件上，对热冲压成形技术的需要扩大对热成形模具的使用需求。

1.2.1热冲压模国内外的研究现状分析

目前国内对热冲压技术和相关设备进行实验研究的有以同济大学的机械与材料学院为代表的一些高校。此外奇瑞汽车和上海大众汽车等相关的研究单位也有在这方面进行研究。跟国外相比，国内在热冲压技术方面的研究起步较晚，技术水平还处于青涩阶段，没有国外技术成熟，然而也不是全无收获，例如我国在磨损行为微观尺寸有限元模型的基础上，采用数值模拟的方法获得了摩擦因子、界面压力、模具表面温度和模具材料硬度等一些参数对热成形模具磨损行为的一般影响规律即为：随着界面压力越来越大，模具的磨损率将增大，磨损率变化的拐点为界面压力15Mpa，当小于15Mpa的时候，磨损率会随着压力小幅度增加并始终保持在较低水平内，而当界面压力大于15Mpa时，磨损率的几何级将会增大；并且随摩擦因子增加，模具磨损率将会增大，当摩擦因子大于0.5之后，磨损率将会显著的增大；当硬度是HRC48的时候，模具的磨损率是最低的；模具温度为室温到300℃之间的时候，随温度升高磨损率小幅度的升高，并且当温度超过300℃时，随温度升高磨损率急剧升高。

虽然国外对此工艺研究的比国内要早得多，但是由于行业竞争，需要对技术进行保护，所以很难见到一些有实际的用处的关于生产线的技术资料，至于关于高强度汽车板热冲压生产实践性资料就更难被获取了，但在国外特别是欧洲等国家，已经有了设备生产企业，能提供完整生产线。相比之下，国内汽车制造厂只能依靠进口国外设备，国内关于热冲压整套和部分设备都还没有厂家能完成生产。

1.2.2热冲压模发展趋势

模具是塑造产品固定几何形状，并且作为批量生产产品的工具，是现代工业生产中重要的基础装备，广泛应用于汽车、机械、电子、日用品、电子、家电、航天航空以及国防等很多领域^[1]。周所周知的模具不仅仅是机械制造业的一项重要的技术装备，同时它在机械制造业中为龙头产业，它被誉称为“进入富裕社会的必要原动力”、“制造行业中的皇冠”。统计数据表明，近二十年来，我国的模具工业取得了长足发展，平均每年涨幅达18%，占世界模具总值的比重显著提高。作为工业基础装备，模具的质量、精度、寿命对工业的发展，特别是对汽车制造业这种占国民经济很大分量的行业的发展起着重要作用^[2]。所以某种程度上，我们可以这么说，一个国家模具制造水平可以反映该国家的创新能力还有装备制造业水平等。汽车车身上的大部分结构件和覆盖件的加工均是通过模具来完成的。通常一个型号的汽车其制造所需模具高达几千套，成本上亿元^[3]。对于这些模具而言，热成形模具加工成型的部件无疑占了很大的一部分比例。所以随着汽车轻量化的进一步发展，热成形模具的使用比例无疑将随之进一步提高，因此热冲压模具的发展前景广阔。

此外，由于环境污染、能源问题的原因，减少排放、降低油耗已成为了目前汽车制造业中关注并待解决的焦点性问题。让汽车节约能源、降低排放量的方法是多种多样的，比方使用新能源，加大发动机效率甚至是使汽车车身轻量化等途径^[4]。根据有效数据表明，相比之前的内燃机汽车，倘若汽车重量每减低百分之十，耗油量和对应的有害气体排放量能够减少百分之七左右^[5]。值得一提，高强度钢板冲压件能够大幅度地降低车身重量，并且保障汽车的各项安全性能，然而当钢板强度大于或等于1000MPa的情况下，一般的冷冲压成形就无法适用，必须对板料施加更大的成形力，不能确保部件的尺寸精度，甚至存在难以避免回弹现象^[6]，一般来说强度越高，板料成形过程就越不易，而且对于尺寸形状复杂的一些零件，传统的冷冲压成形基本无法保障成形要求。热冲压成形可实现此类高强度板材的成形，广泛用于船舶、汽车、轨道车辆等行业，尤其汽车行业^[7]。

综上所述，不论从成本而言，还是环保性而言，热冲压成形都是汽车等行业不可缺失且发展前景广阔的一项先进技术。

1.3本章小结