基于熱力耦合場(chǎng)的帽形件熱成形模具冷卻系統(tǒng)研究

王雷

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心總體研發(fā)部，長(zhǎng)春130062）

1 前言

汽車車體輕量化替代材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為目前關(guān)注和亟待解決的焦點(diǎn)問題之一。高強(qiáng)度鋼的比強(qiáng)度高，可以同時(shí)滿足實(shí)現(xiàn)輕量化和使用性能的要求，與傳統(tǒng)材料相比有明顯優(yōu)勢(shì)，因此在轎車防撞梁等安保類零件的應(yīng)用越來越廣泛[1]。但是高強(qiáng)度鋼的冷沖壓成形性能較差，成形力大，制件回彈嚴(yán)重，尺寸精度控制困難，傳統(tǒng)冷沖壓工藝難以解決構(gòu)型復(fù)雜的制件成形問題[2]。

熱成形技術(shù)是在高溫狀態(tài)下對(duì)板料進(jìn)行沖壓成形并冷卻淬火，具有形狀尺寸精度高、成形性能優(yōu)良、制件成形后的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa以上等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為新興的高強(qiáng)度鋼先進(jìn)成形技術(shù)之一。由于熱成形工藝過程復(fù)雜，制件的成形過程都在溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下完成，因此熱成形模具必須同時(shí)滿足制件形狀尺寸的成形要求和快速高效的冷卻能力，才能保證成形后的制件機(jī)械性能和尺寸精度達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求；導(dǎo)致熱成形模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)工藝開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)、開發(fā)成本高。

瑞典Lule?大學(xué)Paul?kerstr?m研究了硼鋼的熱成形同時(shí)冷卻變形的數(shù)學(xué)模型及材料參數(shù)的影響[3]，A.Erman Tekkaya等人對(duì)熱成形件的熱力耦合工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬研究[4]。國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)王立影等建立了熱成形模具部件和水流的傳熱模型，并研究了臨界水流速度的影響[5]。吉林大學(xué)谷諍巍等研究了防撞梁等熱成形制件的成形工藝、模具內(nèi)淬火過程對(duì)制件性能的影響以及超高強(qiáng)度鋼板激光點(diǎn)焊技術(shù)[6-7]。

針對(duì)某車型帽形件熱成形過程開展研究，分析了基于熱力耦合場(chǎng)的熱成形模具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其數(shù)值優(yōu)化方法，并通過試驗(yàn)研究，獲得了熱成形模具冷卻管路關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)冷卻淬火過程、制件組織性能的影響關(guān)系。

2 帽形件熱成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 高強(qiáng)度鋼熱成形的基本原理

熱成形技術(shù)（也稱為熱沖壓成形技術(shù)）的主要原理是將高強(qiáng)度鋼板料送入專用加熱爐中加熱到材料的再結(jié)晶溫度以上，并保溫一段時(shí)間，使板料內(nèi)部組織完全實(shí)現(xiàn)奧氏體化轉(zhuǎn)變，然后將仍處于高溫狀態(tài)的板料迅速送至熱成形模具中快速成形，熱成形模具開設(shè)有若干組冷卻管路，可以在板料成形后對(duì)其快速冷卻淬火，使得成形淬火后制件的微觀組織由成形前的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉鸟R氏體組織，從而使成形制件具有更高的機(jī)械性能和優(yōu)異的尺寸精度。熱成形用高強(qiáng)度鋼在成形前的抗拉強(qiáng)度約為500～600 MPa，經(jīng)過模具淬火成形后，最終成形制件的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500 MPa以上，尺寸精度高，基本無回彈[7-9]。根據(jù)成形制件的形狀復(fù)雜程度，熱成形工藝可分為直接成形工藝和間接成形工藝。直接成形工藝是將板料首先加熱到完全奧氏體化，迅速轉(zhuǎn)移到成形模具中并在高溫下快速成形淬火，適用于成形形狀較簡(jiǎn)單的制件，如圖1a所示；間接成形工藝的板料首先進(jìn)行冷沖壓預(yù)變形，使板料的形狀尺寸接近制件最終形狀尺寸90%以上，再將板料進(jìn)行加熱、最終成形淬火，可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制件，如圖1b所示。

圖1 熱成形工藝

2.2 熱成形模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)冷沖壓模具相比，熱成形模具必須具備同時(shí)將板料成形淬火的功能，才能保證制件預(yù)期的機(jī)械性能和尺寸精度。因此，熱成形模具必須從保證零件的可成形性、模具可加工性、可靠性以及成本等多方面綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局、尺寸參數(shù)、工況條件，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)板料和模具的高效冷卻。其設(shè)計(jì)要求應(yīng)考慮如下方面。

a.模具應(yīng)具備高效的冷卻能力。高溫板料與模具接觸后，板料變形的同時(shí)即開始降溫，但是板料只有在冷卻速度大于某一臨界速度（27℃/s）時(shí)才會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此，模具對(duì)板料的最小冷卻速率必須大于該臨界值。冷卻系統(tǒng)需要將熱量及時(shí)吸收轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)板料快速淬火，保證板料內(nèi)部組織由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變；同時(shí)，冷卻系統(tǒng)還應(yīng)滿足生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，保證制件成形時(shí)模具表面的初始溫度相同；

b.冷卻系統(tǒng)應(yīng)保證均勻冷卻，減小模具型面、制件表面的溫度差，避免制件組織分布不均勻以及由于溫差引起的熱應(yīng)力對(duì)成形精度和模具使用壽命的不利影響；

c.模具機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)滿足使用壽命要求。冷卻系統(tǒng)布設(shè)有數(shù)量眾多的冷卻管路，需要在模具內(nèi)鉆孔，導(dǎo)致模具機(jī)械強(qiáng)度下降，因此必須保證鉆孔后模具的機(jī)械強(qiáng)度大于模具材料的許用強(qiáng)度。

熱成形模具冷卻系統(tǒng)可以分為3個(gè)部分，即冷卻介質(zhì)循環(huán)動(dòng)力源、模具外接冷卻循環(huán)管路以及模具內(nèi)部的冷卻循環(huán)管路。本研究主要探討模具內(nèi)部冷卻循環(huán)管路設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其中配流板內(nèi)部開設(shè)有冷卻水主干管路，并與凸模通過連接螺釘裝配連接，為了保證冷卻效率和模具加工便利性，通常將凸模沿著長(zhǎng)度方向分為若干個(gè)分塊，并且貼近凸模型面進(jìn)行鉆孔開設(shè)冷卻水流道；考慮到較長(zhǎng)的流道需要從兩端對(duì)鉆以便降低加工難度，為了保證鉆孔的有效連接，在邊孔的中間銑削出空腔水槽，密封螺釘用于將空腔水槽端部開孔封死，使得凸模內(nèi)部的冷卻水流道形成閉合的流動(dòng)回路。空腔水槽與配流板連接處安裝密封圈進(jìn)行密封。冷卻水從進(jìn)水口流入，沿箭頭所示方向流過模具，最后從出水口流出，冷卻水通過與模具之間的熱交換實(shí)現(xiàn)對(duì)模具材料以及板料的冷卻。

圖2 熱成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 基于熱力耦合場(chǎng)的熱成形模具冷卻系統(tǒng)理論模型構(gòu)建

3.1 熱成形過程的熱力耦合分析基本方程

熱成形過程中，板料在溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下發(fā)生塑性變形并與模具接觸傳遞熱量，并且板料還存在組織相變的過程，因此，大大增加了模擬的難度和建模的復(fù)雜程度。

板料的塑性變形過程可視為彈塑性邊值求解問題，而板料的受熱為瞬態(tài)熱傳導(dǎo)求解問題，為了綜合考慮二者耦合現(xiàn)象，需要將其對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量聯(lián)立求解。

在顯式動(dòng)態(tài)熱力耦合模擬中，可以采用質(zhì)量矩陣的時(shí)間中心差分積分公式求解力學(xué)方程，采用向前差分公式逐步積分求解傳熱方程。當(dāng)向前差值積分和中心差值積分都為顯式時(shí)，顯式耦合方法可以同時(shí)獲得傳熱和力學(xué)的對(duì)應(yīng)解，從而實(shí)現(xiàn)熱變形過程的耦合分析。

傳熱方程的向前差分時(shí)間積分公式為：

式中，TN為節(jié)點(diǎn)N處的溫度值，為當(dāng)前增量步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。向前差值積分在采用集中熱容矩陣且不需求解條件下是顯式的。每步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的溫度值可由上一步的求解，則由式（2）計(jì)算求解。

力學(xué)方程集中質(zhì)量矩陣的中心差值積分公式如下。

式中，uN為節(jié)點(diǎn)N處的自由度。中心差值積分在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由前一節(jié)點(diǎn)的確定條件下是顯式的。

3.2 熱成形模具冷卻系統(tǒng)有限元模型的建立

在熱成形工藝中，板料與模具發(fā)生直接接觸后主要通過模具內(nèi)部開設(shè)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻。相對(duì)于板料與模具間的接觸傳熱，板料與空氣的對(duì)流傳熱比例很小，因此本研究忽略板料對(duì)空氣的散熱。

圖3所示為熱成形模具的凸模冷卻管路透視圖，由于在模具中開設(shè)有圓形冷卻管路，冷卻水在管路內(nèi)部流動(dòng)，模型簡(jiǎn)化后屬于圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題。冷卻水進(jìn)入冷卻管路流經(jīng)一段距離后，冷卻水的流速和流動(dòng)狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，這一段距離稱為入口段。流態(tài)穩(wěn)定后，流動(dòng)進(jìn)入充分發(fā)展段。流體在充分發(fā)展段的流態(tài)可通過Reynolds數(shù)來判定。

圖3 熱成形模具凸模冷卻管路透視圖

式中，ν為流體平均流速；d為管路直徑；μ為流體動(dòng)力粘度；v為流體運(yùn)動(dòng)粘度；ρ為流體密度；Q為體積流量；A為管道橫截面積。

熱成形模具冷卻系統(tǒng)對(duì)流換熱聯(lián)立方程如下。

式中，h為對(duì)流傳熱膜系數(shù)；d為冷卻管直徑；l為入口段長(zhǎng)度；L為冷卻管長(zhǎng)度；角標(biāo)f和w分別表示管道內(nèi)部的流體和管壁附近的流體，Pr為Prandtl數(shù)。

由于模型長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向，因此本文忽略對(duì)入口段的研究，將模型簡(jiǎn)化為2D模型，并且該模型為對(duì)稱模型，可取其1/2進(jìn)行建模，如圖4所示。凹模剛體的運(yùn)動(dòng)自由度完全約束，凸模的運(yùn)動(dòng)采用位移幅值曲線約束Y軸平動(dòng)自由度控制，并約束凸模參考點(diǎn)的X、Z軸平動(dòng)自由度以及X、Y、Z三軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由于壓邊圈要對(duì)板料起到壓邊作用，因此約束設(shè)定與凸模參考點(diǎn)相同。

圖4 熱成形模具冷卻系統(tǒng)的有限元模型

4 熱成形模具冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)方案

高強(qiáng)度鋼板料選用厚度為2 mm的22MnB5板材。帽形件形狀及尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 帽形件幾何形狀尺寸

熱成形主要工藝參數(shù)為加熱溫度950℃，保溫時(shí)間5 min，沖壓速度400 mm/s，保壓時(shí)間8 s。

為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，采用同一套模架，配有不同管路尺寸的試驗(yàn)?zāi)K，試驗(yàn)裝置及模具如圖6、圖7所示。

圖6 熱成形試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

圖7 熱成形試驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在冷卻系統(tǒng)中，距離入水口越遠(yuǎn)的冷卻管路，其入口流速和出口流速都較離入水口近的冷卻管路慢，管路入口與出口的速度降幅也較大。因此距離入水口較遠(yuǎn)的冷卻管路冷卻效果較差，導(dǎo)致板料冷卻不均勻，影響成形件質(zhì)量。

設(shè)定模型初始條件為冷卻管道長(zhǎng)度為300 mm,管路間距為15 mm，初始入水口距水管距離為70 mm，入水口流速為10 m/s情況下，增大最外側(cè)冷卻管路（管路1）的直徑尺寸，研究各管路的流行情況。分別模擬研究了冷卻管路直徑D均為8 mm和將最外側(cè)冷卻管道增大到10 mm和12 mm三種情況下管路水流速的情況。圖8為單組冷卻管路參數(shù)示意圖。

圖8 單組冷卻管路參數(shù)示意圖（增大外側(cè)冷卻管路直徑）

圖9為采用有限元模擬獲得的增大外側(cè)冷卻管路直徑后各管路的流速損失情況。從圖9可知，當(dāng)各管路直徑都為8 mm時(shí)，直線斜率較大，說明各管路流速損失差別較大，距入水口較遠(yuǎn)的最外側(cè)冷卻管路1的流速損失最大。增大管路1直徑后，3條管路流速損失差別逐漸較小。當(dāng)管路1直徑增大到12 mm時(shí)，3條管路流速損失差別較小，說明各管路水流的均勻性變好。這是由于冷卻水流經(jīng)水槽流向管道時(shí)，距離較遠(yuǎn)處水壓較小，且在彎角處會(huì)產(chǎn)生水路回流，造成最外側(cè)冷卻管路水流速度較小，與中心水流速度差別較大。隨著管徑的增加，最外側(cè)管路水流逐漸增大，與中心管水路差別越來越小，水路流動(dòng)均勻性較好。

圖9 各管路的流速損失（增大外側(cè)冷卻管路直徑）

圖10所示為不同管路直徑的熱成形模具淬火后板料的微觀組織分布圖，由圖10可知，隨模具冷卻管路直徑的增大，淬火后馬氏體的板條尺寸變小。這是由于隨著冷卻管路直徑的擴(kuò)大，板料單位面積上可帶走的熱量增加，因此，降溫速率加快，馬氏體板條變細(xì)。細(xì)小的馬氏體板條組織會(huì)增加板料的硬度及強(qiáng)度，提高成形件的質(zhì)量。

圖10 不同冷卻管路直徑的淬火后板料微觀組織

圖11所示為冷卻管路直徑對(duì)板料平均顯微硬度的影響曲線。隨著冷卻管路直徑的增大，板料的平均顯微硬度升高。這是由于隨著冷卻效果的增強(qiáng)，板料內(nèi)部馬氏體板條束逐漸增多，裂紋擴(kuò)展過程需要克服的阻力越大，消耗的功越多，因而提高了材料的硬度、強(qiáng)度。

圖11 冷卻管路直徑對(duì)板料顯微硬度的影響

5 結(jié)論

a.采用基于熱力耦合場(chǎng)的數(shù)值迭代計(jì)算方法，建立了熱成形模具冷卻系統(tǒng)的有限元理論分析模型，獲得了模具冷卻管路幾何參數(shù)對(duì)帽形件冷卻效果、顯微組織及機(jī)械性能的影響規(guī)律。

b.采用有限元仿真和成形試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，合理增大外側(cè)冷卻管路直徑后，冷卻系統(tǒng)各管路流速損失差異逐漸較小，冷卻水流的均勻性得到改善，有利于提高制件成形質(zhì)量。

c.在保證模具強(qiáng)度的前提下，增大冷卻管路直徑，有助于提高模具的冷卻效果，獲得的馬氏體組織板條尺寸更細(xì)小，從而了提高制件的機(jī)械性能。