基于仿真和試驗的U形件熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的驗證

許冰，崔俊佳，歐航

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545000;2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙 410082)

0 引言

由于高強鋼板比強度高、綜合力學性能好，在同等安全系數(shù)下，可以有效地減輕汽車質量而在汽車行業(yè)中得到廣泛應用。然而，與普通鋼板相比，高強鋼板件室溫成形存在容易開裂、起皺、回彈大等缺陷而極大地限制了它在汽車行業(yè)中的發(fā)展。熱沖壓技術是將加熱至奧氏體后的鋼板進行成形并保壓、淬火的一項板材成形技術，可以實現(xiàn)復雜型面高強鋼板的成形。

熱沖壓模具中加入冷卻管路可以實現(xiàn)模具的快速冷卻，最早出現(xiàn)的冷卻系統(tǒng)為直通式，冷卻水通道通常為直線型，主要依靠鉆孔來實現(xiàn)[1-2]。研究表明[3]：加入直通式冷卻系統(tǒng)的模具可以使板料溫度在8 s內降低到Mf點以下，且模具溫度始終低于100 ℃。對于簡單型面模具來說，直通式冷卻系統(tǒng)具有加工方便、成本低等優(yōu)點，但對于復雜型面，不能保證水管距離型面高度一致，導致板料各位置散熱不均衡，成形件各位置力學性能不一致，出現(xiàn)強度和硬度過小點。

混排式冷卻系統(tǒng)可以有效地解決板料位置散熱不均衡問題。哈爾濱工業(yè)大學邢忠文設計的盒型件混排式冷卻系統(tǒng)，凸模采用分體式“月牙”形冷卻管路，在規(guī)定時間內可以有效地對高溫板料進行降溫，同時研制了高強鋼板熱成形溫度控制系統(tǒng)[4-5]。

型腔式冷卻系統(tǒng)是將凸、凹模型面加工成一個厚的片體，將片體嵌入到模具座中。M G LEE等[6]應用自行研制的型腔式模具對高強鋼板進行熱沖壓試驗，試驗結果證明模具可以有效地冷卻板料。

文中以U形件熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)為研究對象，基于經(jīng)驗公式確定冷卻水道的尺寸和位置等重要設計參數(shù)；建立共軛傳熱仿真模型，對U形件冷成形后保壓淬火過程進行數(shù)值模擬，指導冷卻系統(tǒng)設計；開展U形件冷成形后模內保壓淬火工藝試驗，通過熱電偶和紅外測溫儀對不同保壓時間下模具和成形件的溫度進行記錄，通過力學性能測試和微觀分析對冷卻系統(tǒng)工作性能進行驗證分析。

1 共軛傳熱數(shù)值模擬

1.1 材料

材料屬性包括模具、鋼板的物性參數(shù)，其中鋼板采用22MnB5，模具采用5CrMnMo，板料的化學成分如表1所示。

表1 22MnB5鋼的典型化學成分(質量分數(shù))[2]%

1.2 U形件熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設計

冷卻系統(tǒng)的設計包括模具冷卻系統(tǒng)管道的結構設計、冷卻水管尺寸參數(shù)、進出水回路的設計以及水管與模具的連接方式的設計。根據(jù)U形件的設計參數(shù)，設計模具的模面，管路沿長度方向進行通路設計，且與模面平行。在傳熱學原理、能量守恒定律基礎上，結合熱沖壓工藝及試驗的特點，對冷卻系統(tǒng)水管的參數(shù)進行初步計算。其中包括：冷卻管道的直徑、管道的數(shù)目及管路之間的位置關系。經(jīng)裁剪的沖壓板料可知，沖壓板件長220 mm，寬150 mm，厚度為1.2 mm，圓形冷卻管道直徑計算公式[7]如下：

(1)

其中：m為沖壓件的單個質量；Cp為模具的比熱，設為0.46 kJ/(kg·K)；T1為沖壓件開始淬火的溫度；T2為沖壓件淬火結束時的溫度；Cw為水的比熱容，此時為4.174 kJ/(kg·K)；ΔT為冷卻水流入和流出時的溫度之差；tu指單位時間，為3 600 s；γ指水的密度。

將以上參數(shù)代入式(1)可以求得冷卻管道的直徑為8 mm；根據(jù)經(jīng)驗，冷卻管道的管壁面積要接近沖壓件與模具接觸的面積，因此可以算出冷卻管道的數(shù)目至少為16根，凹模、凸模各取8根；冷卻管道到模面的距離一般為管道直徑的2倍左右，文中取管道中心到模面的距離為14 mm；相鄰管道之間的距離一般設計為管道直徑的3倍，在這里設計為24 mm。由于沖壓件取較為簡單的U形件，所以管道比較容易加工，都是平行于模面的直通孔。U形件熱成形模具和冷卻水管的分布如圖1所示。

圖1 模具及冷卻系統(tǒng)

2 共軛傳熱數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

有限元網(wǎng)格采用ICEM-CFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)劃分，模具和成形件采用四面體網(wǎng)格自由劃分，網(wǎng)格總數(shù)為563.174 6×104；流體部分網(wǎng)格采用掃掠方法，邊界層對壁面附件流場特性影響流體的熱對流擴散過程，文中對流體域劃分了邊界層網(wǎng)格，邊界層初始高度0.1，增長比例為1.2。為了保證計算精度同時提高計算效率，對靠近型面和圓角處網(wǎng)格進行細化處理，其余地方進行粗化處理，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分結果

2.2 模擬仿真結果

如圖3所示為保壓力10 MPa時，水流速相等情況下，基于經(jīng)驗設計的模具表面溫度分布情況。

圖3 模具表面溫度分布云圖

在10 MPa保壓力下，保壓淬火10 s，基于經(jīng)驗設計的冷卻管道的冷卻效果如圖3所示，其凹、凸模具表面大部分區(qū)域溫度為350～388 K，最高溫度出現(xiàn)在過渡區(qū)的側壁上。

在10 MPa保壓力下，保壓淬火10 s后，成形件上溫度分布(如圖4所示)與模具表面溫度規(guī)律一致，經(jīng)驗設計方案的成形件溫度為326～388 K，溫度差大約60 K，最高溫度出現(xiàn)在側壁上。

圖4 成形件溫度分布云圖

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺及模具

根據(jù)熱沖壓工藝的要求，U形件沖壓和保壓淬火試驗在YQ32-200系列四柱液壓機上進行，其公稱力為2 000 kN；實驗室條件下，鋼板的加熱采用電阻爐，其最大加熱溫度為1 000 ℃。此次U形件熱沖壓試驗的重要設備如圖5所示。外圍水路控制系統(tǒng)如圖5(c)所示，主要包括總進水管、分流閥、分流進水管、分流回水管、流量計以及回流總閥等。

圖5 熱沖壓試驗設備

3.2 試驗流程

熱成型整個過程由沖壓件的預成型、加熱處理、轉移、保壓淬火組成。合模過程使板料產生的變形很小，其影響幾乎可以忽略不計；保壓過程中，持續(xù)通入冷卻水對模具進行冷卻，采用10 MPa的壓力對成形件進行保壓淬火，10 s后，成形件溫度均已降至馬氏體轉變溫度以下，試驗完成。

3.3 試驗結果與討論

3.3.1 模具和成形件溫度分布

通過預埋在模具內的熱電偶采集得到模具的溫度分布和隨著保壓時間的變化情況，選取模具上面3個位置輸出觀測點的溫度變化情況，溫度變化情況如圖6所示。

如圖6(a)所示：經(jīng)驗設計的冷卻系統(tǒng)，3個觀測點上的模具溫度隨保壓時間的變化趨勢基本一致，但是在保壓時間達到4 s后3個觀測點的溫度曲線開始出現(xiàn)明顯差異，更靠近側壁的1號觀測點的溫度明顯高于其他兩個觀測點，這與模擬仿真結果基本一致；對保壓時間為0～10 s后沖壓件表面溫度進行測量，3個測量點的溫度變化如圖6(b)所示，并與模擬仿真的數(shù)據(jù)進行對比。經(jīng)驗設計方案下，沖壓件3個測量點中，位于側背位置的5號測量點的溫度最高，保壓4 s之后，3個測量點的溫度差別逐漸顯現(xiàn)，仿真和試驗數(shù)據(jù)吻合良好。

3.3.2 成形件力學性能分析

通過宏觀的拉伸強度來表征U形件成形質量和冷卻系統(tǒng)冷卻效果，并通過成形件微觀組織狀態(tài)來分析造成成形件抗拉強度差異的原因。強度測試采用Instron萬能材料試驗機，拉伸試樣截取位置和尺寸如圖7所示。

圖7 試樣準備

在10 MPa保壓力下，保壓淬火10 s后，成形件兩個位置材料的抗拉強度如圖8所示。

如圖8(a)所示：從法蘭部分截取的1號拉伸試樣抗拉強度為1 504 MPa，高于從底部截取的2號拉伸試樣的抗拉強度，而延伸率更低。導致抗拉強度和延伸率差別的原因是經(jīng)驗設計的冷卻系統(tǒng)在成形件的法蘭部位優(yōu)于底部，法蘭部位生成了數(shù)量更多的馬氏體組織。

圖8 成形件力學性能測試

對熱成形件進行金相觀察，從微觀角度分析造成成形件抗拉強度差異的原因。從金相組織照片[如圖8(b)]可以看出：基于經(jīng)驗設計方案的成形件中，視野內出現(xiàn)了較多的貝氏體組織，其組織是馬氏體+貝氏體的混合物。出現(xiàn)這一金相組織狀態(tài)的原因是，成形件在法蘭部位的溫度雖然也較低但是分布不均勻，使得出現(xiàn)局部高溫的材料未能實現(xiàn)全部馬氏體轉變。

4 結論

(1) 采用共軛傳熱仿真模型實現(xiàn)對U形件冷成形后保壓淬火過程的數(shù)值模擬，結果顯示經(jīng)10 MPa保壓力、10 s保壓時間后，模具和成形件最高溫度出現(xiàn)在側壁上，最大值為388 K。

(2)U形件保壓淬火試驗結果顯示：熱電偶記錄的模具表面3個測量點溫度分布情況與模擬仿真結果吻合良好，紅外測溫儀記錄的不同保壓時間下成形件表面溫度變化情況與模擬仿真結果吻合良好，驗證了仿真模型的準確性。

(3)成形件上截取材料的拉伸測試結果表明：試樣的抗拉強度達到1 504 MPa；微觀分析結果顯示保壓淬火后成形件材料的金相組織為大量馬氏體和極少量貝氏體的混合組織，說明設計的冷卻系統(tǒng)具有良好的冷卻效果。