热冲压模失效、表面改性和热疲劳装置设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

热冲压模是热加工专用模具，与普通的成形模具相比较，高强钢热成形模具的材料费用高昂、结构复杂、加工难度大、精度要求高，因而模具的使用寿命是部件加工成本的决定性因素，若模具的更换导致生产的停止，生产计划受到打乱，将会对企业造成巨大的损失。所以提高模具寿命已经成为模具研究的一个重点方向。然而热成形模具的使用寿命问题是相当复杂的，受到许多因素的影响。在加工成形零部件的过程中，模具接触界面将承受热力载荷的联合作用，在高温高压条件下工作时易发生失效。根据失效机制的归纳分类，热冲压模失效的形式主要有磨损失效、塑性变形失效、断裂失效（断裂失效更多的是热疲劳断裂失效）三种。其中，磨损失效是影响模具寿命的关键因素。通过对磨损行为的影响因素进行探究，获得界面材料磨损和这些影响因素的关系曲线，为改善模具表面性能提供理论依据，达到提高模具寿命的目的。

汽车的轻量化已经成为汽车发展的一种趋势，强度更高的高强钢板将更加广泛地应用于制造汽车车身的结构件以及覆盖件，这将进一步扩大热成形模具的使用。目前，国内主要是同济大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、上海大众汽车和奇瑞汽车、宝钢研究院等相关研究单位在对热冲压技术、关键设备进行研究。国内大学研究高强度汽车板热冲压工艺取得成果较多的是同济大学机械与材料学院，他们选用的是安赛乐生产的usibor1500高强度钢板，采用热模拟机和量身订制的模具进行试验研究。国内实验研究表明：高强度汽车板热冲压加热温度为850～950℃为宜；模具在室温下，即原始温度10～50℃对热冲压成形没有明显影响；保压时间一般为155～260s，冷却速度一般≥21℃/s，淬火后零件温度为200℃左右，冷却水临界经济流速为0.7m/s。此外，基于磨损行为微观尺寸有限元模型，采用数值模拟方法获得了界面压力、摩擦因子、模具材料硬度和模具表面温度等参数对热成形模具磨损行为的影响规律：随着界面压力增大，模具的磨损率增大，界面压力为15mpa是磨损率变化的拐点，小于15mpa时，磨损率随压力小幅度增加且始终维持在较低的水平，当界面压力超过15mpa后，磨损率几何级增大；随着摩擦因子的增大，模具磨损率增大，而且摩擦因子大于0.5后，磨损率显著增大；硬度为hrc48时，模具的磨损率最低；模具温度在室温至300℃之间时，磨损率随温度升高小幅度升高，温度超过300℃后，磨损率随温度升高急剧升高[1]。

国外对此工艺研究的比较早，由于技术封锁，很难见到有实际意义的生产线的技术文献和有关高强度汽车板热冲压生产实践性资料，但国外尤其是欧洲已有设备生产企业能够提供高强度汽车板热冲压生产线。如瑞典apt公司具备提供整套热冲压设备能力、德国舒勒公司能够提供全套的钢板热冲压设备，舒勒已向一家德国汽车制造厂提供6条全自动热成形生产线，国内热冲压整套和部分设备都还没有厂家能够生产。

2. 研究的基本内容与方案

冲压模具的工作原理按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。热冲压模是热加工专用模具，借助热冲压成形使高强度钢板的强度大为提高，对汽车工业发展具有重要意义。

研究内容以及拟采用的技术方案包括：结合热冲压模具的服役条件、选材热处理、制造使用及修复性能要求，探讨影响热作模具寿命的主要影响因素；结合模具热疲劳失效的特征、热疲劳测试原理，分析提出简易可行的热疲劳性能测试装置结构方案，绘制结构原理图和主要构件加工图；从易用性、复杂程度和测试性能参数等方面分析比较本课题设计装置与公开报道测试装置的异同点及优缺点；从成型专业角度提出热作模表面改性的有效措施和技术方法。简单来说就是掌握热作模失效分析方法、选材及热处理、表面改性，热疲劳性能测试方法，热疲劳性能的影响因素，延寿措施，设计热疲劳测试试验装置，完成结构原理图和主要构件加工图。

由于热冲压时模具反复受热与冷却，产生了不均匀的热应变和热应力，加之高温氧化和腐蚀等出现，最终造成模具失效。因此，提高成型制品质量、延长模具寿命，降低模具成本一直是成型模具设计与制造的重要研究内容。需要从分析热冲压模的失效特点、疲劳特征出发，通过模具模膛表面改性及模具结构设计，尽可能减少热疲劳对模具服役的不利影响，延长模具寿命，提高成形制件质量；并结合模具热疲劳失效特征及疲劳测试原理和方法，设计简易可行的材料热疲劳测试装置。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需试验仪器和设备。确定技术方案，撰写开题报告。

第4-6周：按照设计方案，学习热作模失效分析方法，影响热作模使用寿命的因素，热疲劳性能测试装置结构方案，绘制结构原理图。

第7-10周：分析比较本课题设计装置与公开报道测试装置的异同点及优缺点，讨论提出热作模表面改性的有效措施和技术方法。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]黄炳林. 热成形模具磨损行为数值分析及模具寿命预测[d].吉林大学,2014.

[2]张正修,张镇,赵向珍. 冲模的失效及寿命[j]. 电加工与模具,2004,06:30-36.

[3]陈少斌.热疲劳试验装置研制及21-4n钢热疲劳试验研究[d].东南大学,2008.