基于SIMUFACT的熱沖壓模具冷卻系統數值模擬及靈敏度分析

陳磊，張春，王樂平，徐嬌嬌，方志鑫

(湖北汽車工業學院材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002)

基于SIMUFACT的熱沖壓模具冷卻系統數值模擬及靈敏度分析

陳磊，張春，王樂平，徐嬌嬌，方志鑫

(湖北汽車工業學院材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002)

熱沖壓模具冷卻系統對超高強度鋼板成形至關重要。以平板件為例，建立熱沖壓有限元模型，對熱沖壓模具與板料的溫度場進行研究。采用SIMUFACT.FORMING軟件對其保壓淬火階段進行熱力耦合模擬仿真，基于數值模擬的正交試驗，考察了管道直徑D、管道中心距模面距離H、管道中心間距S對保壓結束后凸凹模與板料溫差的靈敏度數值大小。研究結果表明，管道直徑D對保壓結束后板料溫差T的影響最顯著，管道間距S對凸模溫差θ的影響最顯著，管道直徑D對凹模溫差μ的影響最顯著。

熱沖壓；模具冷卻系統；正交試驗；靈敏度

進一步改善汽車的安全性能以及降低其自身重量是當前汽車行業發展的必然趨勢，超高強度鋼板的應用是實現該目標的方法之一[1,2]。熱沖壓工藝是將高強度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍，鋼板組織完成變化后，快速移動到模具，快速沖壓，在壓機保壓狀態下，通過模具中布置的冷卻系統保證一定的冷卻速率，對工件進行淬火冷卻，最后獲得超高強度沖壓件的工藝[3]。

目前，國內外學者通過熱力耦合數值分析發現板料在保壓淬火過程中溫度的均勻性是模具冷卻系統設計的關鍵，并提出熱沖壓模具冷卻系統的設計準則并完成初步設計，在此基礎上總結出冷卻系統的重要參數并分析其對冷卻效果的影響規律[4]：重慶交通大學張渝等對熱沖壓模具的熱應力與熱變形大小和分布進行了研究[5]；重慶大學毛安利用MSC.Marc軟件模擬成形前后模具的溫度場分布和演變對于板料成形后的淬火效果、模具的疲勞壽命以及生產有著重要影響[6]；哈爾濱工業大學崔俊佳研究表明，當模具溫度超過200℃時，成形件由于溫度過高不能在保壓時間內生成馬氏體組織，因此模具溫度超過200℃的位置，應通過增加水流速、減小水管與型面等因素協同來降低溫度[7]；吉林大學谷諍巍等以防撞梁熱沖壓模具冷卻系統為研究對象，利用FLUENT軟件優化冷卻系統，結果表明管道頂部至模面的垂直距離對于模具冷卻系統冷卻速率的影響較大，管道側壁間距對于溫差影響較大[8]。

模具冷卻系統不僅影響冷卻速率和工件的強度，而且也對工件的使用壽命和生產效率有一定影響。下面，筆者采用SIMUFACT.FORMING軟件建立了熱沖壓模具熱力耦合模型，研究了管道直徑、水道中心距模面距離和相鄰管道間距分布對凸模、凹模和板料的溫度影響。

1 熱沖壓模具傳熱分析理論及計算

熱沖壓模具保壓淬火階段的熱交換情況主要包括冷卻水管道里面的冷卻水與模具之間的對流換熱、模具與板料之間的熱交換以及模具與周圍環境之間的熱交換。研究需要計算的有冷卻水管道內水流的對流換熱系數和板料與模具接觸時的等效換熱系數[5]。

1.1 冷卻水與熱沖壓模具之間的對流換熱系數

根據試驗參數對冷卻水的對流換熱系數進行計算，冷卻水管道內的冷卻水平均溫度為20℃，冷卻水流速v=4m/s，冷卻水管道長度L=70mm，根據飽和水的熱物理性質得到10℃水的黏度系數η=1.006×10-6m2/s,熱傳導系數λ=59.9×10-2W/(m·K)，普朗特常數為7.02，由式(1)計算可得冷卻水的雷諾系數Re(見表1)：

(1)

因為不同管徑下的雷諾數都大于臨界雷諾數(10000)，可得管道內的水流為旺盛湍流狀態。根據Dittus-Boelter公式[9]，計算得出努謝爾特數Nu(見表2)：

Nu=0.021Re0.8Pr0.43

(2)

表2 不同管徑下努謝爾特數

表3 不同管徑下冷卻水的對流換熱系數

將不同管徑下努謝爾特數Nu帶入式(3)，求出冷卻水的換熱系數h：

(3)

代入數值后得到冷卻水的對流換熱系數(見表3)。

1.2 熱沖壓模具與板料接觸的等效換熱系數

在熱沖壓保壓淬火冷卻階段，板料和模具通過直接接觸進行熱交換，接觸面積會隨著保壓壓力的增大而增大，進而有利于板料和模具之間的傳熱，等效換熱系數M(W/(m2·K)與保壓壓力P(MPa) 之間的關系式為[10]:

M=1300+191.6P-2.8P2

試驗中保壓壓力為30MPa，帶入公式求得等效換熱系數M=4528W/(m2·K)。

2 基于SIMUFACT的熱沖壓冷卻系統有限元模擬

2.1 建立有限元模型

圖1 冷卻管道初始模型

采用SIMUFACT.FORMING軟件對平板件淬火過程進行數值模擬，有限元模型包括板料和模具2部分。板料的長度×寬度×厚度分別為180mm×84mm×4mm。冷卻水道的初始參數如下：水道直徑6mm，管道中心離模面距離6mm，管道中心距離是6mm，其中沖壓行程為26mm，沖壓速度為26mm/s，保壓時間30s。選取模具、水道(水道內通有冷卻水)和板料的一個截面(見圖1)，在模具尺寸一定的情況下，每次排列都按管道數量的最大排列原則。

2.2 材料參數的確定

模具材料H13，密度為7800kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，熱學性能隨溫度變化參數如表4[11]所示。所選板料材料為熱沖壓專用鋼板22MnB5，板料初始溫度為850℃，屈服強度為400MPa，抗拉強度為600MPa。其熱學性能隨溫度變化參數如表5[11]所示。

表4 不同溫度下H13的材料參數

3 試驗設計與分析方法

3.1 正交試驗設計

正交試驗方法是根據數理統計學與正交性原理，從大量試驗點中選取合適的有代表性的點，再按照“正交表”安排試驗。由于正交表具有“均衡分散性”和“整齊可比性”的構造原則。因此，按照此方法設計的試驗次數少，并且能反映客觀事物的變化規律。

表5 不同溫度下硼鋼22MnB5的材料參數

表6 正交試驗方案

對于熱沖壓模具冷卻系統來說，不同的冷卻水管排布會產生不同的冷卻效果，現考查不同水道排布的影響因素水道直徑D、管道中心距模面距離H和管道中心間距S對模具內部冷卻系統的冷卻效果產生主要影響。哪個因素對冷卻效果影響最大，哪個因素中哪個水平最好，可以通過正交試驗法獲得。在確定了因素、水平之后，選取合適的正交試驗表來安排試驗方案。試驗涉及三因素三水平，選用L9(33)正交表，正交試驗方案如表6所示。

3.2 正交結果分析方法

按照正交表設計的試驗進行分析，計算各試驗的指標，根據試驗結果判斷單個因素對指標影響的敏感性大小。筆者采用極差分析方法對正交試驗結果數據進行分析。

設D，H，S分別表示試驗中的不同因素，Xij表示因素j的第i個水平值，i=1，2，…，n，j=D，H，S。在Xij下進行n次試驗得到n個試驗結果Yk，k=1，2，…，n，計算統計參數：

極差法分析因素敏感性的評價標準是各因素的極差值Rj，其定義為該因素各水平下計算的統計參數Kij的最大值與最小值的差值。計算公式為：

Rj=max{K1j,K2j,…}-min{K1j,K2j,…}

極差Rj越大，表明該因素的水平改變對試驗指標的影響越大，即該因素的敏感性越大；相反，極差Rj越小，因素的敏感性越小。

4 數值模擬試驗結果分析

根據選用的正交試驗表L9(33)，進行9組模擬試驗，由模擬試驗得出凸模溫差θ、凹模溫差μ和板料溫差T大小及分布的9組結果。

圖2 板料溫度分布云圖

由表7對比發現，第1～3組試驗中，隨管道中心道距模面距離的改變，凸模溫差先增大后減小，凹模溫差先減小后增大；第4～6組試驗中，管道直徑、管道中心距模面距離和管道中心間距的改變對板料溫差和凸凹模溫差影響不大，溫差波動小；第7～9組試驗中，管道中心距模面距離和管道中心間距對凸模溫差和凹模溫差的影響相反。由模擬結果得出第2組試驗結果如圖2所示，其中凸凹模溫度最大值均位于模具與加熱板料接觸的中心處(見圖3和圖4)，凸模由于設置有保壓壓力與板料充分接觸，在相同時間內吸收熱量高于凹模，所以溫度顯示較高。板料冷卻均勻性與實際生產現實相符。

圖3 凸模溫度分布云圖 圖4 凹模溫度分布云圖

表7 正交試驗設計方案及計算結果

5 影響因素靈敏度分析

表8 指標T影響因素極差分析結果

按照表7設計的試驗方案分別計算凸模溫差、凹模溫差和板料溫差，再根據計算結果采用極差分析法分析各參數對試驗指標的敏感性大小。對指標T(板料溫差)的影響因素進行極差分析，分析結果如表8所示。結果顯示，各因素對指標T的敏感性由大到小依次為D、S、H。

對指標θ(凸模溫差)的影響因素進行極差分析，分析結果如表9所示。結果顯示，各因素對指標T的敏感性由大到小依次為S、H、D。

對指標μ(凹模溫差)的影響因素進行極差分析，分析結果如表10所示。結果顯示，各因素對指標T的敏感性由大到小依次為D、H、S。

對各試驗指標D、H和S的極差分析結果進行整理，按照各因素對各試驗指標的極差值大小繪制極差值柱狀圖，如圖5所示。

表9 指標θ影響因素極差分析結果

表10 指標μ影響因素極差分析結果

圖5 指標參數敏感性對比結果

從圖5可以看出，各試驗指標的極差值大小，當以指標θ(凸模溫差)為標準時冷卻水道間距影響最顯著；當以指標μ(凹模溫差)為標準時，試驗因素D、H、S影響效果基本一致；當以指標T(板料溫差)為標準時，冷卻管道直徑影響最顯著。

6 結論

1)以平板工件為例，通過SIMUFACT數值模擬，得到不同管道直徑、管道中心距模面距離和管道中心間距這3種冷卻水管道排布因素的改變對凸模溫度、凹模溫度、板料溫度的變化情況，得到了各因素在不同水平下對熱沖壓模具、板料的溫度影響。為熱沖壓模具冷卻系統管道排布及設計提供了工藝參考。

2)通過正交試驗，綜合考慮了多指標因素不同水平下熱沖壓模具、板料溫度差大小的影響因素，通過極差分析法得出凸模溫度主要影響因素是管道中心間距，凹模溫度主要影響因素是管道直徑，板料溫度主要影響因素是管道直徑。隨著管道直徑的增大，凸模溫度和板料溫度先增大后減小；管道中心距離模面距離越大，凸凹模和板料溫差越大，管道中心間距越大凸凹模和板料溫差越大。

3)試驗得出的模擬分析結果為研究熱沖壓模具的疲勞壽命提供了初始數據，為提高模具的疲勞壽命提供了良好的理論依據。

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[編輯] 洪云飛

2017-01-29

國家自然科學基金項目(51205116)；湖北省自然科學基金項目(2014CFB628)；湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目(T201518)。

陳磊(1992-)，男，碩士生，現主要從事熱沖壓模具冷卻系統設計方面的研究工作，cl099@qq.com。

TG306

A

1673-1409(2017)09-0028-05

[引著格式]陳磊，張春，王樂平，等.基于SIMUFACT的熱沖壓模具冷卻系統數值模擬及靈敏度分析[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(9)：28～32.