陳磊，張春，王樂平，徐嬌嬌，方志鑫

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

基于SIMUFACT的熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)數(shù)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(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)對超高強(qiáng)度鋼板成形至關(guān)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(jìn)行研究。采用SIMUFACT.FORMING軟件對其保壓淬火階段進(jìn)行熱力耦合模擬仿真，基于數(shù)值模擬的正交試驗(yàn)，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(jié)束后凸凹模與板料溫差的靈敏度數(shù)值大小。研究結(jié)果表明，管道直徑D對保壓結(jié)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(tǒng)；正交試驗(yàn)；靈敏度

進(jìn)一步改善汽車的安全性能以及降低其自身重量是當(dāng)前汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的方法之一[1,2]。熱沖壓工藝是將高強(qiáng)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(jī)保壓狀態(tài)下，通過模具中布置的冷卻系統(tǒng)保證一定的冷卻速率，對工件進(jìn)行淬火冷卻，最后獲得超高強(qiáng)度沖壓件的工藝[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通過熱力耦合數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)板料在保壓淬火過程中溫度的均勻性是模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，并提出熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并完成初步設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出冷卻系統(tǒng)的重要參數(shù)并分析其對冷卻效果的影響規(guī)律[4]：重慶交通大學(xué)張渝等對熱沖壓模具的熱應(yīng)力與熱變形大小和分布進(jìn)行了研究[5]；重慶大學(xué)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(chǎn)有著重要影響[6]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔俊佳研究表明，當(dāng)模具溫度超過200℃時(shí)，成形件由于溫度過高不能在保壓時(shí)間內(nèi)生成馬氏體組織，因此模具溫度超過200℃的位置，應(yīng)通過增加水流速、減小水管與型面等因素協(xié)同來降低溫度[7]；吉林大學(xué)谷諍巍等以防撞梁熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)為研究對象，利用FLUENT軟件優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，結(jié)果表明管道頂部至模面的垂直距離對于模具冷卻系統(tǒng)冷卻速率的影響較大，管道側(cè)壁間距對于溫差影響較大[8]。

模具冷卻系統(tǒng)不僅影響冷卻速率和工件的強(qiáng)度，而且也對工件的使用壽命和生產(chǎn)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(jì)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(huán)境之間的熱交換。研究需要計(jì)算的有冷卻水管道內(nèi)水流的對流換熱系數(shù)和板料與模具接觸時(shí)的等效換熱系數(shù)[5]。

1.1 冷卻水與熱沖壓模具之間的對流換熱系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)對冷卻水的對流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，冷卻水管道內(nèi)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(jù)飽和水的熱物理性質(zhì)得到10℃水的黏度系數(shù)η=1.006×10-6m2/s,熱傳導(dǎo)系數(shù)λ=59.9×10-2W/(m·K)，普朗特常數(shù)為7.02，由式(1)計(jì)算可得冷卻水的雷諾系數(shù)Re(見表1)：

(1)

因?yàn)椴煌軓较碌睦字Z數(shù)都大于臨界雷諾數(shù)(10000)，可得管道內(nèi)的水流為旺盛湍流狀態(tài)。根據(jù)Dittus-Boelter公式[9]，計(jì)算得出努謝爾特?cái)?shù)Nu(見表2)：

Nu=0.021Re0.8Pr0.43

(2)

表2 不同管徑下努謝爾特?cái)?shù)

表3 不同管徑下冷卻水的對流換熱系數(shù)

將不同管徑下努謝爾特?cái)?shù)Nu帶入式(3)，求出冷卻水的換熱系數(shù)h：

(3)

代入數(shù)值后得到冷卻水的對流換熱系數(shù)(見表3)。

1.2 熱沖壓模具與板料接觸的等效換熱系數(shù)

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

M=1300+191.6P-2.8P2

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

2 基于SIMUFACT的熱沖壓冷卻系統(tǒng)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(jìn)行數(shù)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(shù)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(shí)間30s。選取模具、水道(水道內(nèi)通有冷卻水)和板料的一個(gè)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(shù)量的最大排列原則。

2.2 材料參數(shù)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(xué)性能隨溫度變化參數(shù)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(qiáng)度為400MPa，抗拉強(qiáng)度為600MPa。其熱學(xué)性能隨溫度變化參數(shù)如表5[11]所示。

表4 不同溫度下H13的材料參數(shù)

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)方法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理，從大量試驗(yàn)點(diǎn)中選取合適的有代表性的點(diǎn)，再按照“正交表”安排試驗(yàn)。由于正交表具有“均衡分散性”和“整齊可比性”的構(gòu)造原則。因此，按照此方法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)少，并且能反映客觀事物的變化規(guī)律。

表5 不同溫度下硼鋼22MnB5的材料參數(shù)

表6 正交試驗(yàn)方案

對于熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)來說，不同的冷卻水管排布會產(chǎn)生不同的冷卻效果，現(xiàn)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(nèi)部冷卻系統(tǒng)的冷卻效果產(chǎn)生主要影響。哪個(gè)因素對冷卻效果影響最大，哪個(gè)因素中哪個(gè)水平最好，可以通過正交試驗(yàn)法獲得。在確定了因素、水平之后，選取合適的正交試驗(yàn)表來安排試驗(yàn)方案。試驗(yàn)涉及三因素三水平，選用L9(33)正交表，正交試驗(yàn)方案如表6所示。

3.2 正交結(jié)果分析方法

按照正交表設(shè)計(jì)的試驗(yàn)進(jìn)行分析，計(jì)算各試驗(yàn)的指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷單個(gè)因素對指標(biāo)影響的敏感性大小。筆者采用極差分析方法對正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

設(shè)D，H，S分別表示試驗(yàn)中的不同因素，Xij表示因素j的第i個(gè)水平值，i=1，2，…，n，j=D，H，S。在Xij下進(jìn)行n次試驗(yàn)得到n個(gè)試驗(yàn)結(jié)果Yk，k=1，2，…，n，計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)：

極差法分析因素敏感性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是各因素的極差值Rj，其定義為該因素各水平下計(jì)算的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Kij的最大值與最小值的差值。計(jì)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(yàn)指標(biāo)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(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)選用的正交試驗(yàn)表L9(33)，進(jìn)行9組模擬試驗(yàn)，由模擬試驗(yàn)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(jié)果。

圖2 板料溫度分布云圖

由表7對比發(fā)現(xiàn)，第1～3組試驗(yàn)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(yàn)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??；第7～9組試驗(yàn)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(jié)果得出第2組試驗(yàn)結(jié)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(shè)置有保壓壓力與板料充分接觸，在相同時(shí)間內(nèi)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(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

5 影響因素靈敏度分析

表8 指標(biāo)T影響因素極差分析結(jié)果

按照表7設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案分別計(jì)算凸模溫差、凹模溫差和板料溫差，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用極差分析法分析各參數(shù)對試驗(yàn)指標(biāo)的敏感性大小。對指標(biāo)T(板料溫差)的影響因素進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表8所示。結(jié)果顯示，各因素對指標(biāo)T的敏感性由大到小依次為D、S、H。

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

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

對各試驗(yàn)指標(biāo)D、H和S的極差分析結(jié)果進(jìn)行整理，按照各因素對各試驗(yàn)指標(biāo)的極差值大小繪制極差值柱狀圖，如圖5所示。

表9 指標(biāo)θ影響因素極差分析結(jié)果

表10 指標(biāo)μ影響因素極差分析結(jié)果

圖5 指標(biāo)參數(shù)敏感性對比結(jié)果

從圖5可以看出，各試驗(yàn)指標(biāo)的極差值大小，當(dāng)以指標(biāo)θ(凸模溫差)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)冷卻水道間距影響最顯著；當(dāng)以指標(biāo)μ(凹模溫差)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，試驗(yàn)因素D、H、S影響效果基本一致；當(dāng)以指標(biāo)T(板料溫差)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，冷卻管道直徑影響最顯著。

6 結(jié)論

1)以平板工件為例，通過SIMUFACT數(shù)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(tǒng)管道排布及設(shè)計(jì)提供了工藝參考。

2)通過正交試驗(yàn)，綜合考慮了多指標(biāo)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?。还艿乐行木嚯x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(yàn)得出的模擬分析結(jié)果為研究熱沖壓模具的疲勞壽命提供了初始數(shù)據(jù)，為提高模具的疲勞壽命提供了良好的理論依據(jù)。

[1]胡星，李淑慧.高強(qiáng)鋼板壓邊力設(shè)計(jì)及敏感性分析[J]. 鍛壓技術(shù)，2007， 32(6) : 45～50.

[2]田成達(dá)，李大永.DP780 高強(qiáng)鋼板動態(tài)變形力學(xué)行為研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)， 2008(6) : 48～53.

[3]林建平,孫國華,朱巧紅，等.超高強(qiáng)度鋼板熱成形板料溫度的解析模型研究[J].鍛壓技術(shù)，2009,34(1):21～22.

[4]蔡玉俊，陳樹來，王玉廣.高強(qiáng)鋼板熱沖壓模具冷卻水道優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013.44(1)：254～257.

[5]張渝，丁波，馬軍偉.基于正交試驗(yàn)的熱沖壓冷卻過程數(shù)值模擬分析[J].鍛壓技術(shù)，2015.40(3)：106～107.

[6]毛安.高強(qiáng)度鋼板熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2015.

[7] 崔俊佳.BR1500HS高強(qiáng)鋼板熱成形及強(qiáng)度預(yù)測[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[8]谷諍巍，陸冠含，李欣，等.防撞梁熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的數(shù)值分析及優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2015,45(4)：1190～1191.

[9]李沁怡，陳其偉.連續(xù)熱沖壓中熱物性參數(shù)的研究[J].鍛壓技術(shù)，2014，39(8) : 19 ～ 23.

[10]王榮吉，馮曉欣，張立強(qiáng)，等.基于數(shù)值模擬的U形件熱沖壓工藝參數(shù)研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2014，39(5):29～36.

[11]Lin Tao, Song Hong wu, Zhang Shihong. Cooling Systems Design in Hot Stamping Tools by a Thermal-Fluid-Mechanical Coupled Approach[J]. Advances in Mechanical Engineering,2014,54(12)：2～3.

[編輯] 洪云飛

2017-01-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205116)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB628)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201518)。

陳磊(1992-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)數(shù)值模擬及靈敏度分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(9)：28～32.