超高強(qiáng)度鋼熱成形模具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

1、超高強(qiáng)度鋼熱成形模具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中南林業(yè)科技大學(xué) 鄭文慧1，曾箴1，郜季1，胡豪2，田創(chuàng)2(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 2013級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；(2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 2012級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）張立強(qiáng) 副教授摘 要：利用DEFORMV11.0軟件對(duì)22MnB5超高強(qiáng)鋼U形件的熱沖壓成形過(guò)程板料的形變過(guò)程、減薄率、溫度場(chǎng)、微觀組織轉(zhuǎn)變的分布特點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示：模具冷卻系統(tǒng)管道的直徑，管道到模具表面距離和管道與管道間距會(huì)影響熱沖壓成形的溫度場(chǎng)和馬氏體體積分?jǐn)?shù)。通過(guò)分析冷卻系統(tǒng)對(duì)熱

2、沖壓件溫差場(chǎng)和微觀組織轉(zhuǎn)變的影響機(jī)制和規(guī)律得知，冷卻系統(tǒng)主要通過(guò)提高模具內(nèi)部溫度梯度、熱流速率以及模具表面與制件的溫差，降低模具工作面的溫度，從而影響制件溫度場(chǎng)。因此，合理提高冷卻管道的直徑和改變管道到模具表面距離和管道與管道間距，可以有效控制零件冷卻速度。關(guān)鍵詞：熱沖壓成形；超高強(qiáng)度鋼；冷卻系統(tǒng)；數(shù)值仿真近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，為了滿足汽車(chē)車(chē)身輕量化、和提高汽車(chē)安全性的要求，汽車(chē)使用高強(qiáng)度鋼板比例的越來(lái)越大1-3。但高強(qiáng)度鋼板，尤其是超高強(qiáng)度鋼板在常溫下的變形范圍很窄。因此，如何實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度鋼板的成形就成為一項(xiàng)迫切需要解決的技術(shù)難題。目前使用熱成形工藝實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板成形是一種先進(jìn)制造

3、技術(shù)，熱成形技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將板料成形和淬火兩個(gè)工藝結(jié)合，一方面解決高強(qiáng)鋼成形難題，另一方面改善成形件的力學(xué)性能4-6。本文通過(guò)數(shù)值仿真分析模具冷卻系統(tǒng)對(duì)板料成形過(guò)程溫度場(chǎng)和微觀組織的影響，從而獲得正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為模具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。一 熱沖壓有限元模型的建立1. 幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分在汽車(chē)零部件中，B柱零件是汽車(chē)車(chē)身安全結(jié)構(gòu)部件，對(duì)汽車(chē)的側(cè)防撞性能起到舉足輕重的作用。圖1(a)為汽車(chē)B柱零件，以其成形工藝角度來(lái)說(shuō)屬于U形沖壓件，本研究以B柱零件某局部U形件特征部件作為幾何模型，U形沖壓件如圖1(b)所示。 為提高軟件計(jì)算與模擬的效率，根據(jù)U形件及其成形模具均具有對(duì)稱性的特

4、點(diǎn)，將幾何模型作對(duì)稱處理。Deform-3D的單元模型是四面體，在同類(lèi)網(wǎng)格重劃分中，體積損失最小。本模擬中的模型為簡(jiǎn)單幾何的中小型模型，為了兼顧模擬的精度和計(jì)算效率，對(duì)模型均采用絕對(duì)劃分法，其最小尺寸置為1mm，尺寸比率為5；凹、凸的網(wǎng)格最小尺寸為0.8mm，尺寸比率為5，劃分后的有限元模型如圖2所示。2. 材料模型的選擇與建立熱沖壓過(guò)程中，模具材料的熱力學(xué)性將直接影響制件的幾何精度與力學(xué)性能。本研究中凹、凸模擬選用Deform-3D材料庫(kù)中常用熱作模具鋼H-13，材料模型定義為剛體；板料材料為22MnB5，其材料模型定義為塑性體。二 熱沖壓成形過(guò)程仿真通過(guò)Deform軟件仿真時(shí)，分別設(shè)置以下

5、熱沖壓工藝參數(shù)，板料初始溫度（板料轉(zhuǎn)移至模具上時(shí)的溫度）800 、沖壓速度40mm·s-1、保壓時(shí)間120s。成形過(guò)程分如下三步，如圖3：第一步：合模過(guò)程中板料在模具中自由散熱，時(shí)長(zhǎng)為4秒。第二步：U形件的沖壓折彎成形過(guò)程，時(shí)長(zhǎng)約為1.5秒。第三步：U形件在模具中的保壓冷卻過(guò)程，時(shí)長(zhǎng)為120秒。 圖1 U形沖壓件幾何模型 圖2 網(wǎng)格劃分(a) 第一步 (b) 第二步 (c) 第三步圖3 成形過(guò)程仿真三 仿真結(jié)果分析與討論仿真中，對(duì)25組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱沖壓成形過(guò)程中的板料模具溫度場(chǎng)、板料厚度減薄率、板料微觀組織的分布情況分析與比較板料溫度場(chǎng)與Martensite曲線，模具冷卻系統(tǒng)管道

6、的直徑，管道到模具表面距離和管道與管道間距可得到最優(yōu)數(shù)據(jù)組。1減薄率分析板料的減薄率是評(píng)價(jià)一個(gè)制件品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)仿真得到經(jīng)冷卻后制件的厚度分布圖4。從圖中發(fā)現(xiàn)，沖壓完成后的板料的最小厚度為1.57mm，最大板厚為2mm，最大減薄率為21.5%，由圖5可對(duì)比分析各組減薄率均小于30%。 圖4 板料厚度分布 (t=125.5s) 圖5 板料各組厚度比較 2溫度場(chǎng)變化分析熱沖壓過(guò)程中板料的溫度變化情況反映組織變化，影響零件機(jī)械性能；此外，板料溫差不僅會(huì)使板料厚度不一致，使最大較薄率增大，還會(huì)造成板料內(nèi)部殘余應(yīng)力。1）合模階段，如圖6（a）：板料降中間部位的降溫速率大于板料的兩側(cè)部位，導(dǎo)

7、致4s后板料整體溫度分布不均，總體呈中間低兩邊高狀態(tài)。2）沖壓成形階段，如圖6（b）和（c）：在這個(gè)過(guò)程中，側(cè)壁位置處（P2P5）的板料溫度降低較快。3）保壓冷卻階段，如圖6（d）：該階段為主要的冷卻階段，板料、模具與冷卻系統(tǒng)制件發(fā)生大量熱量交換，該階段的板料與模具溫差懸殊，接觸面大，接觸換熱系數(shù)大。 （a）開(kāi)始沖壓（t=4s）; （b） 沖壓過(guò)程（t=4.9s） （c）沖壓結(jié)束（t=5.5s）; （d）冷卻結(jié)束（t=125.5s）圖6 熱沖壓過(guò)程中板料溫度場(chǎng)的變化通過(guò)軟件的點(diǎn)追蹤功能，可得到凸模、凹模上各點(diǎn)的溫度變化曲線圖7。模具一方面由于與板料接觸換熱而升溫，另一方面與冷卻水道中的流水發(fā)生

8、對(duì)流換熱，使溫度降低。 （a）凸模 （b）凹模 圖7 模具溫度變化曲線3. 板料溫度場(chǎng)與Martensite曲線對(duì)比分析圖8與9表示25組正交試驗(yàn)馬氏體體積分?jǐn)?shù)在板料中的最大體積分?jǐn)?shù)和最小體積分?jǐn)?shù)，對(duì)比分析可知馬氏體的體積分?jǐn)?shù)分布與冷卻均勻性成正相關(guān)。 圖8 板料各時(shí)刻溫度場(chǎng) 圖9板料各時(shí)刻Martensite體積分?jǐn)?shù)四 結(jié)論1） 對(duì)模具冷卻系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)模具冷卻系統(tǒng)管道的直徑，管道到模具表面距離和管道間距，采取三因數(shù)五水平的25組正交試驗(yàn)。2） 采用DeformV11.0進(jìn)行仿真，點(diǎn)跟蹤各組的溫度場(chǎng)、減薄率、微觀組織分布數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析出各因數(shù)的正相關(guān)關(guān)系，得到最優(yōu)數(shù)值。3） 根據(jù)

9、仿真結(jié)果可得出最優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值，溫度場(chǎng)的分布和冷卻效果以及Martensite的轉(zhuǎn)化率都具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。參考文獻(xiàn)1 Min, J.Y., Lin, J.P., Min, Y.A., Li, F.F., On the ferrite and bainite transformation in isothermally deformed 22MnB5 steelsJ. Materials Science & Engineering A, 2012, 550, 375-387.2 譚海林, 張宜聲, 桂中祥, 等. 奧迪B柱熱沖壓成形熱-力-相變耦合仿真分析J, 熱加工工藝, 2013, 42(1):67-69.3 于宏元. 車(chē)用高強(qiáng)度鋼板熱沖壓工藝改進(jìn)研究及應(yīng)用D. 遼寧: 大連理工大學(xué), 2013. 31-32.4 劉文, 王夢(mèng)寒, 冉云蘭, 等. 超高強(qiáng)度鋼熱成形冷卻過(guò)程數(shù)值模擬J. 熱加工工藝, 2012, 41(3): 78-80.5 郭怡暉, 馬鳴圖, 張宜生, 等. 汽車(chē)前防撞梁的熱沖壓成形數(shù)值模擬與試驗(yàn)J. 鍛壓技術(shù), 2013, 38(3): 46-50.6 Shi, Z.M., Liu, K., Wang, M.Q., Shi, J., Dong, H., Pu, J., Chi, B., Effect of non-i