盈 亮，高天涵，蔣 迪，侯文彬，胡 平

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7XXX系鋁合金HFQ溫成形界面換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

盈 亮1, 2，高天涵2，蔣 迪2，侯文彬1, 2，胡 平2

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2. 大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，大連 116024)

基于自主設(shè)計(jì)的圓臺(tái)模具淬火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究高強(qiáng)度7075-T6鋁合金在HFQ溫成形過(guò)程中的瞬態(tài)傳熱規(guī)律。通過(guò)Beck非線性估算法(Beck反算法)獲得界面換熱系數(shù)(IHTC)在不同因素下(包括合模壓強(qiáng)與表面粗糙度)隨溫度變化的瞬態(tài)換熱規(guī)律，并分析各因素對(duì)IHTC的影響機(jī)理。結(jié)果表明：Beck反算法在計(jì)算瞬態(tài)換熱系數(shù)時(shí)具有較高的計(jì)算精度。7075-T6鋁合金與模具界面的瞬態(tài)換熱系數(shù)隨壓強(qiáng)增大而增大，當(dāng)壓強(qiáng)增大到80 MPa時(shí)，瞬態(tài)平均換熱系數(shù)IHTC趨近于3375 W/(m2?K)。進(jìn)一步，表面粗糙度也會(huì)影響7075-T6鋁合金溫成形過(guò)程的IHTC，當(dāng)粗糙度大于0.57 μm并小于0.836 μm時(shí)，IHTC隨粗糙度的增大而明顯減小，當(dāng)粗糙度小于0.57 μm或大于0.836 μm時(shí)，IHTC值均隨粗糙度的增大而緩慢減小。

7075-T6鋁合金；HFQ溫成形；界面換熱系數(shù)；Beck反算法；工藝因素

輕量化與安全性是汽車(chē)工業(yè)追求的兩大永恒目標(biāo)。鋁合金由于其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、無(wú)磁性、耐腐性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天及汽車(chē)等領(lǐng)域。然而鋁合金在常溫下成形性較差，難以使用冷沖壓工藝成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車(chē)身結(jié)構(gòu)件[1?2]。針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)業(yè)界興起了一種針高強(qiáng)度鋁合金板材的新型溫成形HFQ(Heat-Forming-Quenching)工藝[3?4]，即固溶處理?熱成形?淬火一體化工藝。該工藝突出優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、難直接沖壓成形的7XXX系鋁合金，尤其是7075-T6鋁合金板材的成形加工[5?6]，通過(guò)將高強(qiáng)度鋁合金板料加熱、保溫、固溶，隨后在冷模具中進(jìn)行沖壓成形并快速淬火，進(jìn)而完成零件成形及達(dá)到性能要求。相比常規(guī)溫?zé)岢尚畏椒?溫度低于300 ℃)[7?8]，新型HFQ工藝使得高強(qiáng)度鋁合金能在較高溫度和應(yīng)變率下獲得成形性能更為優(yōu)良的復(fù)雜汽車(chē)零部件。

在HFQ溫成形過(guò)程中，高溫板材與冷模具進(jìn)行接觸淬火會(huì)發(fā)生熱量的傳遞，零件的降溫速率導(dǎo)致溫度場(chǎng)的變化，使得板材與模具之間換熱效能的重要參 數(shù)?界面換熱系數(shù)IHTC(Interfacial Heat Transfer Coefficient)發(fā)生瞬態(tài)改變，從而影響淬火溫度場(chǎng)分布、顯微組織演化及材料的力學(xué)性能[5]，因此，準(zhǔn)確獲得7075-T6鋁合金在溫成形過(guò)程中的界面瞬態(tài)換熱系數(shù)規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)高強(qiáng)度7075-T6鋁合金溫成形工藝力學(xué)性能、有效指導(dǎo)成形仿真預(yù)測(cè)都具有重要的指導(dǎo)作用。

HFQ溫成形工藝下鋁合金與模具間的換熱為固?固傳熱形式，主要受到接觸表面載荷、溫度、粗糙度和材料熱物理性能等諸多因素的共同影響[9]。為獲得典型金屬板材溫?zé)岢尚芜^(guò)程中的瞬態(tài)界面換熱系數(shù)，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作。胡平等[10?11]通過(guò)圓臺(tái)實(shí)驗(yàn)，研究了高強(qiáng)鋼22MnB5在模具淬火過(guò)程中界面換熱系數(shù)與壓強(qiáng)的關(guān)系，并針對(duì)相變和表面微觀形貌對(duì)界面換熱系數(shù)的影響機(jī)理進(jìn)行了分析；白倩等[12]通過(guò)閉合的加熱模具與板料，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法直接測(cè)定了Ti-6Al-4V材料與H13模具鋼材料的瞬態(tài)界面換熱系數(shù)并通過(guò)FE分析檢驗(yàn)了計(jì)算的精確度；CARON等[13]通過(guò)平板模具實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用反向熱傳導(dǎo)分析算法研究了USIBOR 1500P硼鋼在熱成形過(guò)程中界面換熱系數(shù)與壓強(qiáng)和模具溫度的關(guān)系；JI等[14]通過(guò)GLEEBLE 3800熱力拉伸機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的方法研究了AA5754鋁合金在溫成形過(guò)程中界面換熱系數(shù)與壓強(qiáng)和潤(rùn)滑情況的關(guān)系，并使用FE模型提高了IHTC數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，與鋼的熱沖壓傳熱過(guò)程相比，鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大、敏感性高、材質(zhì)偏軟，且涉及的傳熱過(guò)程溫度也相對(duì)較低。目前基于HFQ工藝的7075-T6鋁合金溫成形過(guò)程界面?zhèn)鳠岬难芯縿t很少有學(xué)者涉及。因此，對(duì)HFQ溫成形過(guò)程中7075-T6鋁合金與模具之間的瞬態(tài)換熱系數(shù)進(jìn)行研究就顯得十分必要。

本文作者以高強(qiáng)度7075-T6鋁合金板材為研究對(duì)象，分析了HFQ溫成形過(guò)程中影響界面換熱的因素，并基于自主設(shè)計(jì)的二維軸對(duì)稱(chēng)圓臺(tái)模具淬火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了7075-T6鋁合金在不同壓強(qiáng)、不同表面粗糙度的瞬態(tài)傳熱測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究了各因素對(duì)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)IHTC的影響。同時(shí)，本文作者還將IHTC應(yīng)用到基于COMSOL固體傳熱模塊的仿真中，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，分析了Beck反算法的計(jì)算精度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為美國(guó)Kaiser鋁業(yè)7075-T6鋁合金，通過(guò)電火花線切割加工成直徑為70 mm的圓形樣件，板厚2 mm。其化學(xué)成分如表1所列。

表1 7075-T6鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在圓形樣件側(cè)面的中心位置，采用電火花打孔機(jī)沿半徑方向打孔至樣件中心，小孔直徑1 mm，孔深35 mm，用于布置熱電偶。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，分別由5部分組成：液壓壓頭、上模和下模、自平衡座、電阻式加熱爐和MX100溫度采集器。上、下模材料均為H13鋼，直徑70 mm，高度40 mm；上模固定在液壓壓頭上，下模固定在自平衡座上。本實(shí)驗(yàn)使用的液壓壓力機(jī)型號(hào)為SANLI Y27Y?400，其最大壓力為400 kN，相當(dāng)于143 MPa；自平衡座可以使下模在一定程度內(nèi)旋轉(zhuǎn)以使試件表面獲得均勻的壓強(qiáng)。

圖1 圓臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片

下模內(nèi)分別布有3個(gè)溫度采集的1 mm直徑的K型熱電偶。通過(guò)電火花小孔固定其中，小孔直徑1.2 mm，深度35 mm，從表面開(kāi)始，每隔2.5 mm一個(gè)，具體如圖2所示。K型熱電偶通過(guò)小孔深入最深處，以監(jiān)測(cè)圓臺(tái)中心軸線上相應(yīng)位置點(diǎn)的溫度變化情況。實(shí)驗(yàn)前，模具的接觸面均已進(jìn)行表面熱處理和拋光，以保證其表面硬度和粗糙度與工業(yè)模具一致。K型熱電偶布置在試件及模具小孔中，然后連接到MX100溫度采集器。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)鋁合金HFQ溫成形工藝流程(見(jiàn)圖3)，先將板料在電阻爐中加熱至7075-T6鋁合金的多相共晶溫度475?℃以上，保溫30?min使其充分固溶。隨后轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，待試件溫度降低至480 ℃時(shí)，合模保壓并淬火。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)熱電偶和MX100互聯(lián)進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)采集。

圖2 圓臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸(單位：mm)

圖3 7075-T6鋁合金溫成形HFQ工藝流程圖

2 Beck非線性估算法

由于試件與模具內(nèi)部均不存在內(nèi)熱源，所以可以認(rèn)為此過(guò)程的傳熱在一定區(qū)域內(nèi)為一維瞬態(tài)傳熱模型[15]。Beck非線性估算法(即Beck反算法)即是給定一個(gè)在時(shí)刻的邊界熱流密度，使用偏微分方程求解時(shí)刻模具內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，并與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的溫度場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)，從而修正邊界熱流密度，直至滿足收斂條件。偏微分方程如下所示：

實(shí)際計(jì)算的原理框圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示為保壓壓強(qiáng)為50MP時(shí)，通過(guò)熱電偶采集的板料和模具中心溫度隨時(shí)間的變化情況。由圖5(a)所示，板料溫度隨保壓時(shí)間的增加而降低，而模具溫度則隨之升高。當(dāng)成形開(kāi)始時(shí)，由于試件和模具的溫差較大，降溫速率較快；當(dāng)模具溫度上升，試件溫度下降時(shí)，試件與模具的溫差減小，試件的降溫速率下降，直到最后趨于熱平衡。試件的降溫速率以及試件與模具的溫差決定界面的換熱系數(shù)。

圖5 板料及模具測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線和板料界面換熱系數(shù)曲線(p=50 MPa)

基于試驗(yàn)采集的溫度數(shù)據(jù)，分別采用Beck反算法進(jìn)行IHTC計(jì)算，其中Beck反算法需要用到圖5(a)中的4條溫度曲線。得到結(jié)果如圖5(b)所示，即瞬態(tài)換熱系數(shù)隨溫度的降低先增大再減小。為了驗(yàn)證基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的IHTC的準(zhǔn)確性，將以上計(jì)算得到的IHTC作為模具的熱邊界條件代入到仿真軟件COMSOL中開(kāi)展模擬仿真，選用二維軸對(duì)稱(chēng)模型，基本參數(shù)設(shè)置與1.2節(jié)相一致。合模8 s后，仿真得到的下模具的溫度場(chǎng)分布如圖6所示，以得到的板料降溫曲線和模具第一測(cè)點(diǎn)的溫度曲線對(duì)比如圖6所示。

可以看出，采用Beck反算法仿真計(jì)算的溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度曲線相對(duì)吻合，模具的仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度的平均誤差率為3.08%；試件的仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度平均誤差率為4.44%，由此可以說(shuō)明，Beck反算法的計(jì)算精度置信程度較高。

圖6 板料與下模第一測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的比對(duì)

4 影響因素分析

4.1 壓強(qiáng)對(duì)換熱系數(shù)的影響

在進(jìn)行壓強(qiáng)的影響規(guī)律研究時(shí)，選取表面未經(jīng)處理、無(wú)潤(rùn)滑的原始7075-T6板料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。壓強(qiáng)分別為10、30、50、80、100以及133 MPa，每一組實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)4次，共開(kāi)展實(shí)驗(yàn)24次。

圖7所示為通過(guò)Beck反算法求得的不同壓強(qiáng)下瞬時(shí)界面換熱系數(shù)隨板料溫度變化的曲線關(guān)系。從總體上看，隨著壓強(qiáng)的增大，換熱系數(shù)變大；不同壓強(qiáng)下的IHTC曲線隨板料溫度變化的趨勢(shì)則基本一致。即某一壓強(qiáng)下，隨著板料溫度的降低，換熱系數(shù)先逐漸增大，這是由于壓機(jī)壓力逐漸增大使得板料受到的壓強(qiáng)逐漸增大，板料和模具表面接觸更加充分所致，促進(jìn)了界面換熱效率的提升，從而表現(xiàn)為界面換熱系數(shù)的逐漸增大；液壓機(jī)升壓遲滯時(shí)間約為1.0 s，當(dāng)壓力穩(wěn)定為設(shè)定值時(shí)，板料溫度降至200~300 ℃區(qū)間，此時(shí)板料與模具的溫差仍然較大，換熱系數(shù)達(dá)到了峰值；當(dāng)板料進(jìn)一步降溫時(shí)，板料與模具溫差逐漸減小，IHTC也逐漸降低。當(dāng)試件與模具達(dá)到熱平衡時(shí)，界面換熱系數(shù)也趨于平穩(wěn)。

圖7 不同壓強(qiáng)下瞬時(shí)IHTC與溫度的關(guān)系

圖8所示為平均界面換熱系數(shù)隨壓強(qiáng)變化的關(guān)系圖。可以看出平均IHTC與壓強(qiáng)近似成波爾茲曼函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式如圖8所示。由圖8可知，隨著壓強(qiáng)的增大，平均換熱系數(shù)的總體趨勢(shì)為上升；在30 MPa之前，平均IHTC隨著壓強(qiáng)增大的增幅較??；當(dāng)壓強(qiáng)在30 MPa到80 MPa之間，平均IHTC隨著壓強(qiáng)增大的增幅大；當(dāng)壓強(qiáng)大于80 MPa時(shí)，平均IHTC隨著壓強(qiáng)增大的增幅非常小，可認(rèn)為趨于穩(wěn)定。

圖8 壓強(qiáng)對(duì)平均界面換熱系數(shù)的影響

由于實(shí)際情況下鋁合金和模具表面都存在一定的凹凸不平形貌，當(dāng)壓強(qiáng)比較小時(shí)，表面之間的貼合度并不充分，微觀上存在很多較大的空氣間隙，阻礙了傳熱的發(fā)生，因而界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)IHTC較??；當(dāng)壓強(qiáng)增大后，由于鋁合金的硬度明顯小于H13模具鋼的硬度，所以當(dāng)鋁合金板料被壓時(shí)，鋁合金表面的微觀凸起部分會(huì)被模具表面的微觀凸起所壓潰，壓強(qiáng)越大，試件在接觸表面的微觀凸起越小，甚至發(fā)生表面的相互嵌合，導(dǎo)致接觸面積變大，換熱效果變好，從而IHTC變大。而當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到80 MPa以上時(shí)，由于板料和模具表面的接觸近乎達(dá)到了嵌合極限，因而IHTC不再隨壓強(qiáng)的增大而顯著增大，而是趨于穩(wěn)定。

4.2 表面粗糙度對(duì)換熱系數(shù)的影響

考慮到鋁合金溫成形過(guò)程中容易出現(xiàn)表面橘皮特征及磨損刮痕，在鋁合金溫成形過(guò)程中表面粗糙度會(huì)發(fā)生變化，且表面粗糙度對(duì)傳熱過(guò)程有重要影響，其作用機(jī)理相當(dāng)于界面熱阻，表面粗糙度越大，兩接觸面的實(shí)際接觸面積就越小，接觸熱阻越大。

為進(jìn)一步研究板料表面粗糙度對(duì)界面換熱系數(shù)IHTC的具體影響，本研究中通過(guò)采用不同牌號(hào)的砂紙(36號(hào)、180號(hào)、600號(hào)以及1200號(hào)砂紙)對(duì)鋁合金試件表面進(jìn)行打磨處理，以制造較大的粗糙度范圍。然后采用日本山善三豐SJ210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行粗糙度測(cè)定，其試粗糙度檢測(cè)結(jié)果及放大1000倍的顯微照片如圖9所示，其相應(yīng)的粗糙度測(cè)量值見(jiàn)表2，其中采用180號(hào)砂紙打磨后的試件表面粗糙度與模具表面最相近。

由4.1節(jié)的研究表明，當(dāng)合模壓強(qiáng)大于80 MPa后，平均IHTC逐漸趨于穩(wěn)定值，因此，本次研究選擇的壓強(qiáng)為80 MPa。將5組不同粗糙度的鋁合金試件加熱后在80 MPa的壓強(qiáng)下進(jìn)行沖壓，得到的IHTC隨溫度變化結(jié)果如圖10(a)所示。

從圖10(b)中可以看出，平均換熱系數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系可以近似擬合成為L(zhǎng)ogistic函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式如圖所示，當(dāng)壓強(qiáng)為80 MPa時(shí)，峰值IHTC和平均IHTC均隨表面粗糙度的減小而增大；當(dāng)試件的表面粗糙度大于模具的表面粗糙度時(shí)，平均IHTC均維持在較小的值，且隨界面粗糙度的減小而緩慢增大；當(dāng)試件表面粗糙度小于模具時(shí)，平均IHTC隨界面粗糙度的減小而急劇增大。

圖9 不同砂紙打磨后的表面微觀形貌

表2 砂紙型號(hào)以及試件與模具表面與表面粗糙度的測(cè)試值對(duì)照

圖10 不同表面粗糙度下瞬時(shí)IHTC與溫度的關(guān)系(p= 80 MPa)和表面粗糙度對(duì)平均界面換熱系數(shù)的影響

這主要是因?yàn)殇X合金的硬度小于H13模具鋼，當(dāng)鋁合金表面粗糙度較大時(shí)，模具表面的微觀凸起需要首先克服鋁合金表面的凸起，進(jìn)而與鋁合金表面發(fā)生嵌合以增大實(shí)際接觸面積；而當(dāng)鋁合金表面粗糙度較小時(shí)，模具表面微觀凸起對(duì)鋁合金表面凸起的克服量變小，阻力也相對(duì)減小，因而可以較快地進(jìn)入嵌合階段，使得實(shí)際接觸面積增大，傳熱效果變好，因而總體上IHTC隨粗糙度的變小而增大。

而當(dāng)鋁合金樣件的表面粗糙度大于模具粗糙度時(shí)，由于80 MPa的壓力不足以使模具表面的凸起充分嵌入鋁合金表面，而只能在一定程度上增大貼合面，因而接觸面積的增大程度有限，從而導(dǎo)致粗糙度對(duì)IHTC的影響不明顯。這也正好解釋了4.1節(jié)中，沖壓后試件表面粗糙度隨壓強(qiáng)增大而變大的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1) HFQ工藝下，7075-T6鋁合金的IHTC與壓強(qiáng)有關(guān)，當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，平均IHTC亦增大；當(dāng)壓強(qiáng)小于30 MPa或大于80 MPa時(shí)，IHTC隨壓強(qiáng)的增大而緩慢增大，而在30 MPa到80 MPa之間時(shí)，IHTC隨壓強(qiáng)增大的快速增大；此外，沖壓后板料表面的粗糙度也隨壓強(qiáng)的增大而增大。上述現(xiàn)象與鋼的熱沖壓過(guò)程界面?zhèn)鳠崽匦悦黠@不同，這主要是由于板料和模具的硬度差不同而造成的。

2) HFQ工藝下，7075-T6鋁合金在合模壓強(qiáng)相對(duì)較小的情況下，當(dāng)試件表面粗糙度大于模具表面粗糙度時(shí)，鋁合金的IHTC總體上隨試件表面粗糙度的減小而增大。而當(dāng)試件的表面粗糙度小于模具時(shí)，IHTC隨粗糙度的減小而顯著增大。

3) Beck反算法作為第二類(lèi)傳熱邊界條件與優(yōu)化方法的結(jié)合，在計(jì)算界面換熱系數(shù)過(guò)程中有著較高的求解精度。

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Experimental study of interfacial heat transfer coefficient for 7XXX series aluminum alloy in HFQ warm forming

YING Liang1, 2, GAO Tian-han2, JIANG Di2, HOU Wen-bin1, 2, HU Ping2

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Based on self-developed cylindrical-die experimental model, transient heat transfer law of high-strength 7075-T6 aluminum alloy in HFQ warm forming was investigated in this paper. Beck’s non-linear estimation method (Beck’s method) was used to calculate IHTC under different processing factors, including different closure pressure and surface roughness. The results showed that Beck’s method has a high accuracy in calculating IHTC; The transient IHTC of 7075-T6 aluminum increases with the increases of closure pressure, and when pressure is above 80 MPa, IHTC approaches to 3375 W/(m2?K). Furthermore, surface roughness can also affect IHTC, when surface roughness is between 0.57 μm and 0.836 μm, IHTC decreases obviously with the increase of surface roughness, and when surface roughness is larger than 0.836 μm or less than 0.57 μm, IHTC decreases slowly with the increase of roughness.

7075-T6 alloy; HFQ warm forming; IHTC; Beck’s method; process factor

Project(51705065) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (DUT17JC38) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China

2017-02-15;

2018-01-08

HOU Wen-bin; Tel: +86-411-84702775; E-mail: houwb@dlut.edu.cn

1004-0609(2018)-04-0662-08

TG146.2

A

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.04.03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51705065)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(DUT17JC38)

2017-02-15；

2018-01-08

侯文彬，教授，博士；電話：0411-84702775；E-mail: houwb@dlut.edu.cn

(編輯 王 超)