汽车工艺与材料

国家	专利数量/件	占比%
中国	251	86.25
德国	24	8.25
日本	10	3.44
韩国	6	2.06

国家	专利数量/件	占比%
中国	251	86.25
德国	24	8.25
日本	10	3.44
韩国	6	2.06

申请人	申请量/件
东莞市豪斯特热冲压技术有限公司	15
宝山钢铁股份有限公司	8
江西豪斯特汽车零部件有限公司	6
麦格纳技术与模具系统（天津）有限公司	6
重庆桃园金属表面处理有限公司	6
本特勒尔汽车技术有限公司	5
机械科学研究总院先进制造技术研究中心	5
上海凌云汽车模具有限公司	5
华中科技大学	4
吉林大学	4

申请人	申请量/件
东莞市豪斯特热冲压技术有限公司	15
宝山钢铁股份有限公司	8
江西豪斯特汽车零部件有限公司	6
麦格纳技术与模具系统（天津）有限公司	6
重庆桃园金属表面处理有限公司	6
本特勒尔汽车技术有限公司	5
机械科学研究总院先进制造技术研究中心	5
上海凌云汽车模具有限公司	5
华中科技大学	4
吉林大学	4

汽车热冲压模具专利布局分析

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黄芳 ¹ , 李家璇 ²

汽车工艺与材料 | 生产现场 2024,(12): 27-33

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汽车工艺与材料 | 生产现场 2024, (12): 27-33

汽车热冲压模具专利布局分析

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黄芳¹, 李家璇²

作者信息

¹ 天津大学，天津 300350

² 大连海事大学，大连 116026

黄芳（1988—），女，硕士学位，研究方向为专利信息检索与分析、文献统计与计量、复杂网络分析。

The Patent Layout Analysis of Automotive Hot Stamping Dies

Fang Huang¹, Jiaxuan Li²

Affiliations

¹ Tianjin University, Tianjin 300350

² Dalian Maritime University, Dalian 116026

出版时间: 2024-12-20 doi: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230281

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摘要

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利用专利分析方法，从专利申请态势、地域分布、申请人等方面分析了汽车热冲压模具的专利布局，并以汽车B柱热冲压模具、汽车纵梁热冲压模具为例进行了重要专利的技术方案解读，从专利视角，以宏观、微观两个角度剖析汽车热冲压模具技术的发展现状，为汽车热冲压模具技术领域后续研发创新方向提供参考。

关键词

汽车热冲压 / 模具 / 专利分析

Abstract

收起

Using patent analysis methods, this paper analyzes the patent layout of automotive hot stamping dies from the perspectives of patent application trends, regional distribution, and applicants, and taking automotive B-pillar hot stamping dies and automotive longitudinal beam hot stamping dies as examples to interprets important patent technical solutions. From a patent perspective, this paper analyzes the development status of automotive hot stamping die technology from both macro and micro perspectives, and provides reference for subsequent research, development and innovation directions in the field of automotive hot stamping die technology.

Key words

Automotive hot stamping / Did / Patent analysis

引用本文

黄芳, 李家璇. 汽车热冲压模具专利布局分析. 汽车工艺与材料, 2024 , (12) : 27 -33 . DOI: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230281

Fang Huang, Jiaxuan Li. The Patent Layout Analysis of Automotive Hot Stamping Dies[J]. Automobile Technology & Material, 2024 , (12) : 27 -33 . DOI: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230281

正文

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1 前言

收起

汽车热冲压成形是高强度钢汽车零部件的关键制造技术，其核心制造技术集中在模具设计和冲压工艺设计。

对于有定制性能要求的车身零部件，通过模具优化和适当的热冲压工艺可以实现其最优的晶相组织和力学性能分布。与冷冲压模具相比，热冲压模具不仅用于成形，还用于零件冷却淬火，使零部件得到良好的机械性能和尺寸精度^[1]。热冲压模具在结构上拥有零件冷却系统，该系统一般由外部冷却液循环动力系统、模具内冷却回路以及连接管道组成。很多热冲压件的形状十分复杂，如汽车骨架，特殊的曲面设计导致冲压模具需要制造出与其对应的形状非常困难。

因此，如何做到模具表面质量好、耐热冲击、强度高、冷却均匀且速度可控是热冲压模具设计的重点和难点。利用专利分析方法，从专利申请态势、地域分布、申请人等方面分析汽车热冲压模具的专利布局现状，并以汽车B柱热冲压模具、汽车纵梁热冲压模具为例，进行重要专利的技术方案解读，从专利视角，以宏观、微观两个角度剖析汽车热冲压模具技术的发展现状。

2 汽车热冲压模具专利布局趋势分析

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本文使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究中心有限公司自研的全球汽车专利数据库，收录了全球104个国家1.3亿余条汽车及相关领域的专利。专利选取范围以公开日为入口，自2001年1月1日起，截至2022年12月31日。

2.1 专利申请态势分析

基于历年专利申请量的数据（图1），可以看出国内热冲压模具技术发端于2007年之前，2007年开始，每年有少量专利申请，技术创新处于起始阶段，未大规模产业化应用，此阶段，国外拥有先进技术的企业将专有技术引入中国，同时布局相关专利。例如，专利CN100387372C^[2]公开了热冲压模具和冲压方法，该技术能够在短时间内得到强度和尺寸精度优异的冲压制品，并能够减少冲压过程中的模具蓄热，解决了产业化过程中生产效率问题，属于关键技术；专利CN101288889B^[3]公开了更简单实用的热冲压成形模具，使工件冷却和保压在同一工序完成，减小工件变形，以更好满足规模化生产要求，属于关键技术。

2012年开始，专利申请量明显上升，2014年之后专利申请量大幅提高，2019年之后专利申请量进入稳定期，技术创新持续且主要围绕产业化进行。例如，专利CN111936248B^[4]公开了能够减少模具磨损和延迟工件裂纹产生的模具热处理技术，降低了产业化过程中的生产成本，提高了工件质量；专利CN115697580A^[5]公开了抑制模具的磨损并且得到表面外观优异的热压成形工件制造方法，进一步提高了热冲压工件的质量。

2011年之前热冲压模具专利申请量较少，从2011年起申请量有所上升，表明主要申请人从2011年开始进行专利布局。该技术领域专利在2012年、2014年和2019年出现3次阶梯式上涨，2013年出现明显下降，但没有持续下降趋势，整体保持稳定上涨，说明该技术在产业化方面取得了有效进展，技术创新进入可持续期。

考虑专利公开的滞后性，2022年申请的专利还没有完全公开，导致专利申请量有所下降。因此，有必要持续关注2022年该领域专利申请热点和申请量。

2.2 技术来源地域分布

从申请人所在国家/地区进行汽车热冲压模具技术来源地域分布分析，汽车热冲压模具技术专利的技术来源国主要集中在中国、韩国、美国和日本，如表1所示，其中，中国申请量位居第1。可以看出，这几个国家也是汽车主要市场和主要生产国，庞大的市场需求、产业化规模，推动了热冲压模具技术的快速发展。

2.3 专利申请人分析

中国汽车热冲压模具专利主要申请人前10名如表2所示，专利申请量前2名分别为东莞豪斯特和宝山钢铁。国外来华企业德国本特勒有5件专利申请。国内申请人以企业为主，但较为分散，其中与华中科技大学合作的东莞豪斯特和江西豪斯特专利申请量较多，共有21件。总体来看，国内还没有企业在热成形模具领域建立起具有绝对优势的专利壁垒，建议企业在后续持续加大研发创新，进行专利挖掘、规划和布局，以通过构建高价值专利资产，将技术创新优势转化为市场竞争优势。

3 汽车热冲压模具专利布局分析

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热冲压模具除具备成形功能，还具备加热或冷却功能，使工件成形温度可控，或能够在模具型腔内完成工件淬火。保证工件冲压过程中和冲压完成后处于最佳温度范围，完成淬火或保温功能是热冲压模具的特点之一。因此，热冲压模具中一般具备冷却功能、加热功能或者加热冷却功能一体化实现。此外，在一个工序中实现工件的切边、成形和淬火，工件的公差补偿、模具耐磨等也是热冲压模具的重要功能。如图2所示，将汽车热冲压模具专利按功能进行分类，可以看出模具冷却功能、加热冷却功能一体化专利申请量较高，是重要申请方向。同时，热冲压模具优异的加热冷却功能是减少工件褶皱、开裂，实现模内淬火的重要手段，申请人在这些方向的专利布局较多。

3.1 模具冷却结构

按照冷却结构在模具中的位置，热冲压模具的冷却结构专利可分为上、下模具都具备冷却结构、下模具有冷却结构和上模具具备冷却结构3种类型。其中上、下模具都具备冷却结构的专利占比最高，为73.3%；其次为下模具有冷却结构专利，占比为20.0%；上模具具备冷却结构的专利量相对最少，占比为6.67%。其主要原因是上、下模具同时具备冷却功能逐渐成为主流，这种结构不仅能够提高工件质量，对提高生产效率也有一定作用。此外，将上、下模具冷却结构纳入一篇专利也扩大了知识产权的保护范围，更有利于在市场竞争中占据优势地位。

在上、下模具都具备冷却结构的专利中，有多种冷却液通道的形成方式和调节方法，使冷却效果更均匀，工件平整度高、变形小。如专利CN112007995A^[6]采用分水块构成冷却液通道，冷却管道直径可调节，不同位置冷却速率不同。传统模具的水道基本固定，如需调整，只能重新设计模具，对水道进行再布置。这件专利为同一模具灵活变化适应加工不同工件提供了思路。对于采用U型管构成的水道，专利CN111687317B^[7]在工件各部位冷却用U型管排布不同，可避免工件成形后冷却不均出现变形偏差。而专利CN113182436A^[8]提出的成形模具由多个镶块构成，镶块内有随形冷却水道，底板和安装板之间的安装腔有与冷却水道相通的连接冷却系统的构件，使模具变化更加灵活，同时解决了形面较复杂的汽车零件模具采用直管道无法贴合复杂曲面带来的冷却效果差、圆角部位温度过高的问题。而下模具设计冷却腔方案主要用于方便脱模和工件淬火。专利CN110369617B^[9]在下模座下方设计了供冷腔和冷却腔，冲压过程中先缓冲再利用冲击余力压缩囊体，使得囊体中的冷却物质进入冷却腔，实现即时的冷却功能。

3.2 模具加热结构

具备加热功能的模具，可以通过工件不同区域的变温度加热，使工件平整、降低工件开裂率。由图3可知，模具加热方案专利数量较少，原因是冲压工序前模具已实现高温和温度均匀，该工序对工件质量影响较小，另外，炉内热处理一般采用快速冷却或自然保温。后续也可以从提高加热效率和热处理加热保温方面布局相关专利，对创新技术形成保护。典型的模具内加热保温专利如专利CN104525746B^[10]，该发明用于加工空心截面构件，冲压后不同区域的变温度加热能够实现构件的高抗弯模量和高抗剪模量，提高强度，实现工件轻量化。专利在上、下模具冲头中设计了多个均匀分布的加热通道，每个通道设有独立开关，可控制局部冲头温度，使工件不同区域的加热温度不同，从而提高工件性能。

3.3 同时具备加热和冷却功能的结构

由前文分析可知，汽车热冲压模具专利中，将同时具备加热和冷却功能特点的模具结构作为知识产权保护对象是已申请的专利布局重点，见图2。汽车零部件中，有一些不等厚截面零件，如一体式拼焊门环、拼焊B柱等。该类型零件一般采用热冲压工艺，使半成品板料在保持高于铁素体的转变温度状态下进行压型淬火，以满足不等厚截面金属工件变强度要求、降低生产成本。同时具备加热和冷却功能的模具可以从模具本体和加热冷却元件入手来布局专利。

模具本体的典型专利如CN112474959A^[11]发明的热压成形模具，通过板料在不等厚板压型模具中模压和淬火得到不等厚板料，为防止料片过快降温，在模压和淬火模具中均设计了电加热棒，对应工件需要强化的区域在压型淬火模具中设计了冷却管路来控制工件的冷却速率，保证工件内部金相组织由奥氏体转变为马氏体。

模具的加热、冷却元件方面，可以从元件布置和功能特性等方向布局专利。典型专利如专利CN110814185B^[12]将元件同时固定布置在模具的不同位置，并且冷却元件可根据被加工件的需要移动，提高了模具的通用性。也有专利将加热元件特性作为发明点，如：专利CN111438280A^[13]发明的自阻加热电极块，能够自主控制加热温度；专利CN108435914B^[14]发明的电磁加热器，通过电磁感应原理产生电流，从而实现加热装置自供电。

由以上分析可知，加热、冷却功能一体化模具可以从模具本体结构设计、加热/冷却元件结构、加热/冷却元件布置及加热/冷却元件功能实现特点等方面创新设计，并展开专利布局。此外，模具的加热/冷却方式变换控制专利申请较少，亦可从该方向创新设计、布局相关专利。

4 典型热冲压汽车零件产品专利

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在专利布局时，应考虑侵权证据获得的难易程度，更容易获得侵权证据的，可以考虑优先布局。在汽车零部件热冲压领域，按侵权证据获得容易程度，优先级从高到低依次为：热冲压汽车零件产品、热冲压汽车零件模具、热冲压工艺。本文从热冲压汽车零件产品角度剖析专利布局现状。

4.1 汽车B柱模具

汽车B柱类零件中段存在弧形的特征，且零件截面尺寸在零件中段发生较大的变化，导致冲压过程中对应的法兰部分极易发生起皱甚至叠料的缺陷，如图3中虚线部位所示。一般使用压边来防止工件在拉伸、拉延过程中起皱，其结构复杂、成本高，且不能彻底消除起皱，同时，经过长时间的批量冲压后，模具镶块表面将出现明显凹坑，零件起皱缺陷会越来越明显。

为了解决上述问题，专利CN107225181B^[15]通过在凸模中段设计的预压料凸台（图4中的编号3），使用无压边圈工艺，能很好地控制B柱类热冲压零件的法兰部分起皱现象。预压料凸台3的长度L₁、L₂为400~1 000 mm，预压料凸台3的上表面与凸模对应法兰部分上表面的高度差H₁、H₂为30~60 mm，预压料凸台3的宽度W₁、W₂为30~100 mm。该发明取消了原有的B柱压边圈结构，在模具中段易起皱的法兰部分设计了固定式的预压料凸台，如图4b所示，凸台3内侧边缘线a形状与凸模对应法兰部分边缘线b的形状相同并保持平行，与外侧切边线距离g₁和g₂为1~15 mm，用以控制坯料在冲压过程中的材料流动，实现冲压全过程中最大程度地消除起皱趋势，同时保证零件侧壁不会出现开裂缺陷。另外，该方案还具有结构简单、制造成本低、使用维护方便的优点，适于制造超高强度的汽车B柱类零件。

对于B柱类零件的模具，不仅要提供足够的冷却效率，还应具备较高的强度，因此其内部冷却管道的排布既要覆盖足够的面域，又不能过于复杂；另一方面，为保证淬火前工件内部组织完全为奥氏体，工件在转移和冲压过程中的温降应尽可能低。专利CN204486567U^[16]给出的模具冷却水道通过从两端向中心对钻的方式加工，两端设计了密封板。模具对工件进行淬火时，模具内的冷却水沿不同方向带走工件的热量。同时，设计的绝热顶块能够避免模具顶块与模具直接接触而降温。凸模的水道结构如图5所示，总体走向与B柱曲面的弯折方向一致，衔接点位于B柱曲面的弯折处，横向管道位于两组纵向管道之间；凹模水道结构如图6所示，与凸模内管道垂直，等间距分布，覆盖整个型面，并与模具两侧合流槽相通。另外，如图7所示，凹模的绝热顶块与弹簧相连，冲压前顶块突出凹模表面，承载工件，避免其与模具直接接触而降温。该发明的管道布置结构简单，便于加工，考虑工程化加工生产，该结构还有进一步优化空间。

4.2 汽车纵梁模具

汽车纵梁是汽车的重要构件，目前大多采用热成形模具冲压成形，大幅度提高整车碰撞安全性能与NVH性能。专利CN111936248B^[4]实现了汽车热成形纵梁模具快速精准的冲压成形，避免了纵梁模具成形后冷却不均出现变形偏差，且保证了纵梁模具加工后的尺寸精度。所发明的模具如图8所示，包括上模、标准块、出水管、下模和挡板，上模的顶端安装有等间距的标准块，标准块的底端与上模固定连接，且标准块下方的上模底端设有下模，下模上方的上模底部设有模具型腔，型腔内部装有模具型芯，其顶端与上模固定连接，模具型芯一侧的上模底部设有4组第一限位块，第一限位块的顶端与上模固定连接，第一限位块下方的下模顶部设有4组第二限位块，第二限位块的底端与下模固定连接。该发明的模具分块较多，可以考虑适当减少模具分块，减少加工误差隐患点。由此，将模具由整化零也是模具设计一种新思路和专利布局方向。

在热成形工艺中，淬火后零件的屈服强度会达到1 200 MPa以上，后序难以再加工成形，因此需要在同一热成形工序内完成纵梁主体的成形和端部一体式翻边成形。

专利CN113859370B^[17]使板料能够在同一套模具内同时完成纵梁部分和翻边部分的成形与保压淬火，避免了淬火后零件的屈服强度过高，后序难以加工成形的问题。模具如图9所示，包括本体成形模具和翻边模具：本体成形模具用于将其中一部分板料形成纵梁部分；本体成形模具和翻边模具的其中一者能够相对另一者沿指定方向升降，其余伸出本体成形模具的部分板料外翻形成与纵梁部分的纵长方向垂直的翻边部分。在该发明专利基础上，可以考虑将落料工序与成形、翻边工序合并，不仅可以进一步提高生产效率，还能够扩大知识产权保护范围。

5 结束语

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国内汽车热冲压专利布局较晚，随着我国车身轻量化、整车百公里能耗法规日趋严格，汽车热冲压模具专利申请量经历了2次快速上涨。从专利申请来看，热冲压模具技术从2012年开始快速发展，到2019年再次突破式增长。热冲压过程中板料的加热、保温、冷却温度及时间等是零件镀层及表面质量的重要因素，也是热冲压模具设计需要考虑的重点。从专利数量来看，模具加热/冷却细分领域的专利数量较高。汽车热冲压模具的技术创新集中在加热和冷却结构设计。由于结合热冲压成形具备工件加热和淬火功能，模具的技术创新主要集中于加热和冷却结构设计，在一体化加工、保证零件几何尺寸和提高生产效率方面也有部分专利申请。但从专利申请的细分领域看，温控部件和温度控制方式专利布局较少，国内企业可以进一步布局相关专利。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

[1]

胡平, 盈亮, 戴明华, 等. 热冲压先进制造技术[M]. 北京: 科学出版社,2018: 230-232.

[2]

栗栖泰, 四阿佳昭, 山村和人, 等. 金属板材的热压成型装置及热压成型方法: CN 100387372C[P]. 2008-05-14[2024-09-15].

[3]

倪峰, 林建平, 周全, 等. 超高强度钢板热冲压成型模具: CN 101288889B[P]. 2012-07-11[2024-09-15].

[4]

久保雅宽, 藤田宗士, 中泽嘉明, 等.热压成型品的制造方法、压制成型品、冲模模具及模具套件: CN 111936248B[P]. 2022-08-30[2024-09-15].

[5]

藤田宗士, 铃木优贵, 布田雅裕, 等. 热压成形品的制造方法以及热压成形品: CN 115697580A[P]. 2023-02-03[2024-09-15].

[6]

朱歆, 朱晓永, 戴宏亮, 等. 一种随形冷却管道截面积可变的热冲压模具: CN 112007995A[P]. 2020-12-01[2024-09-15].

[7]

魏仁, 仇晴鹏. 一种汽车热成型纵梁模具: CN 111687317B[P]. 2024-08-27[2024-09-15].

[8]

严建文, 冯毅雄, 洪兆溪, 等. 一种用于间接热成型生产线的随形水冷模具: CN 113182436A[P]. 2021-07-30[2024-09-15].

[9]

姜伟. 一种汽车前盖加工模具: CN 110369617B[P]. 2021-04-23[2024-09-15].

[10]

初冠南, 赵洪运, 姚圣杰. 一种快速加热及成形一体化装置及方法: CN 104525746B[P]. 2016-11-02[2024-09-15].

[11]

解焕阳, 林超, 李彦波. 一种不等厚截面工件热压成型模具及其热压成型工艺: CN112474959A[P]. 2021-03-12[2024-09-15].

[12]

袁博, 吴伟俊, 张贝, 等. 一种汽车零部件热成型模具: CN110814185B[P]. 2024-08-13[2024-09-15].

[13]

周俊. 一种新能源汽车钢板冲压模具及冲压方法: CN111438280A[P]. 2020-07-24[2024-09-15].

[14]

陆世勇. 一种自带冷却系统的热冲压模具: CN108435914B[P]. 2019-05-10[2024-09-15].

[15]

洪振军, 徐伟力, 吴彦骏, 等. 一种无压边圈的汽车B柱类零件热冲压模具: CN107225181B[P]. 2019-08-27[2024-09-15].

[16]

刘永刚, 张建, 陈其伟, 等. 一种汽车B柱热冲压模具: CN 204486567U[P]. 2015-07-22[2024-09-15].

[17]

袁百强, 徐成林, 谢文才, 等. 一种超高强钢热成形地板纵梁和模具: CN 113859370B[P]. 2023-04-14[2024-09-15].

2024年第卷第12期

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188

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doi: 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230281

首发时间：2025-11-26
出版时间：2024-12-20

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¹ 天津大学，天津 300350

² 大连海事大学，大连 116026

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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