熱沖壓工藝改進(jìn)及模具隨形冷卻水道優(yōu)化研究.pdf

1、高強(qiáng)度鋼板熱沖壓是一種基于水冷模具淬火的高溫成形技術(shù)，在車身上使用熱沖壓零件能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和提升被動(dòng)安全性。成形良好且機(jī)械性能均勻的熱沖壓零件有利于保障車體焊裝性能并提高整車強(qiáng)度，而采用傳統(tǒng)的熱沖壓基礎(chǔ)工藝流程和直冷卻水道模具無(wú)法完全滿足復(fù)雜形狀零件對(duì)成形質(zhì)量和機(jī)械性能均勻性的要求。因此，改進(jìn)熱沖壓基礎(chǔ)工藝，并考慮熱沖壓中溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的傳熱耦合過(guò)程，對(duì)熱沖壓模具進(jìn)行隨形冷卻水道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造出適合工業(yè)化應(yīng)用的隨形冷卻水道模具對(duì)

2、于改善熱沖壓零件性能具有重要的意義。本文針對(duì)熱沖壓中的工藝流程、高溫板料與模具的界面?zhèn)鳠?、溫度?chǎng)和流場(chǎng)的傳熱耦合仿真、模具隨形冷卻水道的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造方法進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)和仿真研究。主要研究工作包括:
　　(1)設(shè)計(jì)開(kāi)展了系統(tǒng)的熱沖壓工藝試驗(yàn)，研究了板料厚度、初始成形溫度、保壓壓強(qiáng)和保壓時(shí)間對(duì)U型件硬度和回彈的影響，分析了U型件主要特征位置的降溫規(guī)律?；跓釠_壓基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)研究，提出了一種熱沖壓急冷工藝，該工藝能改善熱沖壓零件的成

3、形性，提高硬度及其分布均勻性并減小回彈，而且在保證與基礎(chǔ)工藝同工況零件具有相近性能的前提下，還可以減少成形所需的保壓壓強(qiáng)和保壓時(shí)間。通過(guò)分析板料入模前的冷卻速率和馬氏體相變開(kāi)始后的二次冷卻速率，結(jié)合高強(qiáng)度鋼板的CCT曲線與微觀組織的分析，揭示了熱沖壓急冷工藝的微觀機(jī)理。進(jìn)一步將急冷工藝應(yīng)用在一款典型B柱的熱沖壓試驗(yàn)中，驗(yàn)證了該工藝對(duì)零件性能的改善作用。
　　(2)設(shè)計(jì)開(kāi)展了具有傳熱差異化的熱沖壓試驗(yàn)，基于有限元優(yōu)化反算原理，建立了

4、熱沖壓界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的求解方法，研究了邊界類型、初始設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法對(duì)板料與上、下模界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。結(jié)果表明，隨板料溫度降低，上、下模界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。在傳熱初期，上模的傳熱系數(shù)大于下模的值，當(dāng)板料降至一定溫度后，下模的傳熱系數(shù)大于上模的值;由第一、二類邊界求解的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本相同，由第三類邊界求解的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)規(guī)律與由第一、二類邊界所得結(jié)果相同，但數(shù)值整體偏小，這是由于使用第三類邊界求解時(shí)引入了板料的傳熱屬性所致

5、;由梯度優(yōu)化算法反算的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)初始設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的敏感性，從與實(shí)際物理規(guī)律相近的初始設(shè)計(jì)出發(fā)尋優(yōu)，使用NLPQL、MOST和MISQP三種優(yōu)化算法更有利于獲得穩(wěn)定的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)結(jié)果，綜合考慮求解效率后，得出NLPQL是適合熱沖壓界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)求解的最佳算法;將由第三類邊界和NLPQL算法求解的等效界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代入U(xiǎn)型熱沖壓仿真，零件硬度的仿真值與試驗(yàn)值誤差小于6.5％。
　　(3)基于離散-聚集原理，建立了熱沖壓模具隨形冷卻水道設(shè)

6、計(jì)方法。通過(guò)流體傳熱仿真分析，結(jié)合全因素設(shè)計(jì)和多指標(biāo)優(yōu)劣距離綜合評(píng)價(jià)法，研究了不同冷卻水道設(shè)計(jì)方案的模具冷卻性能，結(jié)果表明熱沖壓模具的冷卻性能主要取決于冷卻水道的設(shè)計(jì)形式和入口流量，冷卻水流量處在低雷諾數(shù)工況時(shí)，蛇形隨形冷卻水道模具的冷卻性能最好，而在高雷諾數(shù)工況時(shí)，縱向隨形冷卻水道模具的冷卻性能最好。為獲得更加準(zhǔn)確的熱沖壓溫度場(chǎng)，在熱沖壓模型和流體傳熱模型中引入節(jié)點(diǎn)時(shí)均熱流密度并應(yīng)用網(wǎng)格數(shù)據(jù)映射方法，同時(shí)考慮了熱沖壓過(guò)程中板料-模具的

7、界面?zhèn)鳠岷湍＞?水流的對(duì)流傳熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)了熱沖壓過(guò)程的傳熱耦合仿真。與單次熱沖壓仿真的溫度場(chǎng)相比，采用傳熱耦合仿真時(shí)，U型凹、凸模和板料上的最大溫度值分別升高了80％、82％和75％，而且模具和板料的溫度場(chǎng)亦不再對(duì)稱分布，而是靠近水道入口處溫度低，靠近出口處溫度高。此外，連續(xù)節(jié)拍熱沖壓試驗(yàn)采集的溫度值與傳熱耦合仿真的溫度值誤差小于10％。
　　(4)建立了基于熱沖壓傳熱耦合仿真、最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)曲面模型和多目

8、標(biāo)優(yōu)化的熱沖壓模具隨形冷卻水道集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)一款典型B柱熱沖壓模具內(nèi)的縱向隨形冷卻水道進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了隨形冷卻水道設(shè)計(jì)的Pareto最優(yōu)前沿，選取某最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，對(duì)比優(yōu)化前、后的模具溫度場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后模面平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下降了11.7％和28.2％。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隨形冷卻水道模具的制造，研究了陶瓷芯鑄造和覆膜砂3D打印鑄造兩種方法，并分別制定了詳細(xì)的鑄型制作、澆注工藝和后續(xù)處理流程，結(jié)果表明兩種方法都能成功制造出