彭君武，潘利波，左治江
(江汉大学智能制造学院，湖北武汉430056)
【摘要】以汽车前保险杠零件为例，介绍了其热成形模具设计过程，重点分析了模具结构与 布局，为了便于加工，凸凹模采用镶块组合式拼接方法，并针对零件的形状考虑了压边圈 的设计，冷却系统的水路采用串联式水道设计，且根据热量交换方法和公式对进出口管管 径进行了估算。该设计案例可为工程中的热成形模具设计提供参考和指导。
关键词：热成形；模具设计；冷却水道
汽车保险杠修复中图分类号:TG385.2 文献标识码：B
DOI：10.12147/jki.1671 -3508.2021.02.007
Design of Thermoforming Die for Front Bumper Part
Peng Junwu,Pan Liho,Zuo Zhijiang
(Intelligent Manufacturing School,Jianghan University,Wuhan,Hubei 430056, CHN)
【Abstract】In this study,based on a front bumper part,the thermoforming die was designed. The die structure and layout were analyzed.The punch and matrix were divided into several parts separately to facilitate the manufacturing,and the binder was designed according to part shape.Series connection method was utilized in cooling system channels and the diameter of inlet and outlet pipes were estimated through heat exchange method and related equations.This case could provide reference and guide for thermoforming die design in engineering application. Key words：thermoforming;die design;cooling channel
i引言
热成形技术是汽车轻量化的重要途径与方向。热成形技术一般是指将硼合金钢加热到再结晶温度 (900°C)以上，然后在有冷却系统的热成形模具中进 行冲压成形，并通过模具冷却系统冷却淬火，使奥氏 体转变为马氏体，将其转变为超高强度的成形件^1。目前热成形技术主要应用于汽车的安全结构件及防 撞保护部件，如汽车B柱、纵梁加强板以及汽车保险 杠等。
影响马氏体转化程度关键的是模具的设计及冷 却，这也是热成形模具最核心而又复杂的环节。热成 形技术在我国起步较晚，国外的相关技术仍处于封锁 阶段。近年来，国内建立了上百条热成形制件生产
线，虽然其中也有少量科研单位联合企业开展了自主 热成形线的开发，但绝大部分产线仍通过国外引进的方式建立，特别是对于热成形模具，多数依赖于进口。因此，掌握热成形模具的设计，对于自主热成形 技术的发展至关重要。部分文献对热成形工艺及模 具设计方法进行了研究|3-61，而涉及到具体案例及细节 设计的并不多。本文以某车型前保险杠制件为例，开 展了其热成形模具设计，并对其中的结构与规则进行 了分析，可为行业内热成形模具技术应用提供参考。
2制件与材料
本文选用的制件为前保险杠制件，位于汽车前 端，是重要的防撞部件。该制件形状偏复杂，有较大 的曲面，制件中部有凸起，表面局部有凸台。制件数 模如图1所示，该制件长度超过l，〇〇〇mm，厚度为1.5nim〇
该保险杠材料为22MnB5，作为热成形制件的主
•24 •《模具制造》2021年第2期
流材料之一，其主要化学成分如表1所示，材料在成形开模高度在900~l ，000mm ，根据相关尺寸可确定压力 前后的力学性能如表2所示。
设备工作台面尺寸。
图i 前保险杠数模图表1
材料化学成分
％
牌号C
S i
Mn
P
S
Cr
22MnB 5
0.17- 1.10 〜
0.002〜0.10-0.25
0.40
1.50
0.0250.01
0.0050.30
表2
力学性能
牌号材料状态屈服强度
抗拉强度
延伸率A80m m
/MPa
/MPa
/%
22MnB 5
成形前320-550500-700彡10成形后
950-1,250
1,3〇〇~1.600
彡5
3模具设计方法与要点
热成形模具要同时起到对制件进行成形和冷却
淬火的作用，因此其模具结构比较复杂，考虑到冷却 系统的设计，其模具结构的合理布置、可制造性、制造 成本等方面均需重点考虑=
(1)模具整体结构与布局。
模具整体布局分为以下几个部分：上模座、凹模 固定板、凸凹模、压边圈、压边圈固定板、凸模固定板 以及下模座。模具整体布局和结构如图2所示。对于 这类接近U 型的结构安全件，为生产过程取件方便， 一般凸模在下，凹模在上，整个制件倒扣在凸模上，利 于取件；压边圈是为了防止制件拉伸时起皱，将其放 在凸模两边，用压边圈固定板固定，位于凸模和凹模 同定板之间。由于模具尺寸较大，模具所受冲压力较 大，因此模板之间应有支撑装置，用以稳定模具整体 结构，凹模固定板、压边圈固定板与凸模同定板之间 产生会有相对运动，因而导柱安装在凸模同定板上， 起定位导向的作用，凹模固定板和压边圈同定板上相 应位置安装导套。凸凹模均需通入冷却水进行冷却， 需在凸凹模以及凸模固定板和凹模固定板上分别布 置冷却水道和水槽。
根据制件尺寸以及凸凹模设计高度，可估算模具 的合模高度尺寸为876mm ，考虑到取件空间，该模具
图2模具整体布局和结构图
I .上模座2.凹模固定板3.压边圈固定板4.凸模固定板
5.下模座
6.压边圈、凸模
7.凹模
(2)凸凹模设计。
在热成形模具设计中，因考虑可制造性和制造成 本等因素，凸模和凹模往往需要分块，通过由多个镶 块相互拼接组合成所需形状。对于由镶块组成的凸 凹模而言，冷却水道设计非常关键。为使冷却水道设 计合理化，并考虑冷却效率，模具镶块分块与组合主 要考虑以下原则:①模具镶块加工原料尺寸。即需要 考虑市面上是否有较为通用的尺寸，方便采购，且无 需多次加工，省时省力；②便于冷却水道加工。即需 考虑制造过程中水道孔的尺寸、机床加工平台尺寸及 孔深的加工范围等;③模具强度与抗冲击性。即凸凹 模镶块分块线避免重合，从而保证模具的抗冲击能力 以及镶块拼接处的密封性，同时避免在制件型面曲率 变化较大以及孔台处分块;④便于其他机构的布置。 即镶块的组合设计及尺寸需考虑顶出机构、托料架、 支撑装置等其他机构的布置。
对于该制件，考虑到长度约为1.060mm ，结合上 述原则，镶块长度设计在200~300mm ，凸凹模分别分 为4块，其总体镶块结构如图3所示。
《模具制造》2021年第2期
•
25 .
.冲模技术•
(3) 压边圈设计。
一般而言，拉伸筋和压边圈是冷冲压模具中确保 制件成形的关键，是防止制件起皱与开裂的有效方 法。而在热成形中，材料在高温下具有较好的流动 性，在某些情况下无需压边圈也可与模具型面良好贴 合，但在制件型面比较复杂时，为了保证制件成形质 量与表面质量，仍需要考虑压边圈的设计。针对本制 件，考虑到其几何形状相对复杂，且制件带法兰边，采 用对制件长度方向的两侧进行局部压边的方式。
(4) 冷却水道设计。
本次模具设计采用在凸凹模分块中进行机加工 打孔的水道形式，该方式具有较快的水循坏速度和良 好的冷却效果以及较低的加工难度等有点，并得到了 广泛的应用。水道的布置需要考虑其中心与凸、凹模 主体型面之间距离、两相邻水道之间最大或最小距离 以及水道直径等基础设计参数，另外，为使冷却过程 制件的温度分布尽量均匀，水道的布置也应尽可能均 匀地分布在模具型面附近。水路的进出方式一般可 分为串联式和并联式。并联式即每个镶块单进单出，各镶块对应一个冷却水管连接到集水器
上；串联式则 是从第一个镶块进水，从最后一个镶块出水，中间采 用连通器形式连接。串联式水路结构较简单，可更好 降低成本，本设计选用串联式水路，凹模的水道结构 亦意图如图4所7K。
图4凹模水道结构示意图
(5)进出水管道直径估算。
进出水管道和集水器相连，分别在镶块的两端，最终与外部水道相连，形成一个完整的冷却系统，管 道示意图如图5所示。
通过能量守恒定律可知，冷却板料散发热量并非 全部由冷却水带走，一部分热量被空气吸收，设定冷 却水带走90%热量，n为每小时加工制件数,m为单件 质量(kg),7为单位质量板料的发热量(kJ/kg)，则每小 时由板料传给模具的热量为：
Q= nm q(1)其中</可表示为：
q=C p i t r h)(2)式中C,—板料平均比热，kj/kg-1
U—板料保压开始温度
U—板料保压结束温度，因冷却水应带走热
量为总热量90%，则
热量(?,，使冷却水温度上升，其表达式为：
Q… = Cm,A t(3)式中Q,‘—水的比热，kj/k g-t
m…—单位时间内流过模具冷却水的质量，kg
A t—冷却水由人口到出口的温度变化，t
结合公式（1)〜(3)可得，单位时间内流过模具的 冷却水质量为：
0.9Cl>(t l-t2)nm
rriu=-------(4)
C M
同时，
kird：
m u=----v y(5)
4
式中k—进出水管根数
d—进、出冷却水管直径，m m
v—冷却水流动速度，m/S
y—水的密度，kg/m3
根据上述公式与方法进行估算|M1，可得到本模具 中进出水管管径为(^>35mm。
4总结
热成形技术是当前车身安全结构件成形的热点 技术，热成形模具的设计作为热成形技术中的关键环 节，其方法仍有待进一步发展。本文针对实际的前保 险杠制件，对其热成形模具开展了设计，并对其中的 关键方法进行了探索，并对模具整体布局与结构、凸凹模设计、压边圈设计、冷却水道设计进行了详细分 析，估算了进出水管道直径，可为工程技术人员提供 参考和指导。
• 26 •图5管道示意图
《模具制造》2021年第2
期
•冲模技术•
集成电路元器件管脚成形方法及工艺分析
付小青，汪宗华
(铜陵文一三佳科技股份有限公司技术部，安徽铜陵244000)
【摘要】在集成电路元器件生产过程中，元器件管脚的成形是其中的关键工序为了降低
成本和提高效率，器件外形越来越小并且封装密度越来越大，相对应的元器件管脚的成形
的工艺性越来越苛刻，其中很多前道工序中隐藏的问题也会在管脚成形过程中表现出
来从元器件管脚的成形形状设计开始，分析了如何设计一个满足成形工艺需求的管脚
形状，以及如何实现管脚的成形
关键词：集成电路元器件；管脚成形方法；工艺性
中图分类号:TG385.2 文献标识码：B
DOI：10.12147/jki.1671 -3508.2021.02.008
Forming Method and Process Analysis of the Pins for IC Components
Fu Xiaoqing,Wang Zonghua
(Tong Wenyi Sanjia Tech.Co.,Ltd.,The R&D Department,Tongling,Anhui244000,CH N)
【Abstract】In the production process of IC components,the forming of component pins is the
key process.For the sake of cost and efficiency,the component outline is getting smaller and the
package density is getting larger.The forming manufac*tural)ility of component pin is more and
more rigorous,many of the hidden problems in the previous process will also appear in the pin
forming process.This article starts with the design of the shape of the pins of the components,
describes how to design a pin shape to meet the requirements of forming process,and how to
realize the forming of the pin.
Key words:integrated circuit components;pin forming method;manufacturability
i引言 与引线框架的连接部分分离，然后把管脚弯曲成规定
在丨c电路元器件生产过程中，其中一道工序是对的形状，使电路元器件管脚符合在线路板上贴装或直
封装后的电路元件的外引脚(管脚)进行中筋切除，并插等装配要求。在本道工序中，有可能会出现胶体破
CC-CC-CC C C C C CC C C CC e-C C C C C C C€-£-€€C C C-C C C CG C£-g g C C C C C C £g-£€^g-£ C C C g C-g C g€g^€-&£€€^€C C C C C C C C C€-€g-£-g^C C C C C C C €C C C G€-C C C C C C€-£ C C CC-
参考文献
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丨2丨施文强，徐辉，张嘉晨等.22M n B5超高强度钢热冲压成形 优化设计|J1.广东化工,20丨8,45(19)：丨丨7~丨18+120
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哈尔滨T业大学,2012.
第一作者简介：彭君武，男，1998年生，汉族，湖北 宜昌人，本科，主要从事模具设计及制造工作。
(收稿日期:2020-10-14)
《模具制造》202丨年第2期• 27 •
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