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和流場的傳熱耦合過程，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?、溫度場和流場的傳熱耦合仿真、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。通過分析板料入模前的冷卻速率和馬氏體相變開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，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)溫度場的影響，實(shí)現(xiàn)了熱沖壓過程的傳熱耦合仿真。與單次熱沖壓仿真的溫度場相比，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