超高强度钢热成形模具冷却系统结构拓扑优化

1、超高强度钢热成形模具冷却系统结构拓扑优化中南林业科技大学 郑文慧1，曾箴1，郜季1，胡豪2，田创2(1. 中南林业科技大学 机电工程学院 2013级机械设计制造及其自动化专业，湖南 长沙 410004；(2. 中南林业科技大学 机电工程学院 2012级机械设计制造及其自动化专业，湖南 长沙 410004）张立强 副教授摘 要：利用DEFORMV11.0软件对22MnB5超高强钢U形件的热冲压成形过程板料的形变过程、减薄率、温度场、微观组织转变的分布特点进行仿真分析，结果显示：模具冷却系统管道的直径，管道到模具表面距离和管道与管道间距会影响热冲压成形的温度场和马氏体体积分数。通过分析冷却系统对热

2、冲压件温差场和微观组织转变的影响机制和规律得知，冷却系统主要通过提高模具内部温度梯度、热流速率以及模具表面与制件的温差，降低模具工作面的温度，从而影响制件温度场。因此，合理提高冷却管道的直径和改变管道到模具表面距离和管道与管道间距，可以有效控制零件冷却速度。关键词：热冲压成形；超高强度钢；冷却系统；数值仿真近年来，随着汽车工业的高速发展，为了满足汽车车身轻量化、和提高汽车安全性的要求，汽车使用高强度钢板比例的越来越大1-3。但高强度钢板，尤其是超高强度钢板在常温下的变形范围很窄。因此，如何实现超高强度钢板的成形就成为一项迫切需要解决的技术难题。目前使用热成形工艺实现高强度钢板成形是一种先进制造

3、技术，热成形技术的实质是将板料成形和淬火两个工艺结合，一方面解决高强钢成形难题，另一方面改善成形件的力学性能4-6。本文通过数值仿真分析模具冷却系统对板料成形过程温度场和微观组织的影响，从而获得正交试验数据，为模具冷却系统结构的拓扑优化提供数据支持。一 热冲压有限元模型的建立1. 几何模型的建立和网格划分在汽车零部件中，B柱零件是汽车车身安全结构部件，对汽车的侧防撞性能起到举足轻重的作用。图1(a)为汽车B柱零件，以其成形工艺角度来说属于U形冲压件，本研究以B柱零件某局部U形件特征部件作为几何模型，U形冲压件如图1(b)所示。 为提高软件计算与模拟的效率，根据U形件及其成形模具均具有对称性的特

4、点，将几何模型作对称处理。Deform-3D的单元模型是四面体，在同类网格重划分中，体积损失最小。本模拟中的模型为简单几何的中小型模型，为了兼顾模拟的精度和计算效率，对模型均采用绝对划分法，其最小尺寸置为1mm，尺寸比率为5；凹、凸的网格最小尺寸为0.8mm，尺寸比率为5，划分后的有限元模型如图2所示。2. 材料模型的选择与建立热冲压过程中，模具材料的热力学性将直接影响制件的几何精度与力学性能。本研究中凹、凸模拟选用Deform-3D材料库中常用热作模具钢H-13，材料模型定义为刚体；板料材料为22MnB5，其材料模型定义为塑性体。二 热冲压成形过程仿真通过Deform软件仿真时，分别设置以下

5、热冲压工艺参数，板料初始温度（板料转移至模具上时的温度）800 、冲压速度40mm·s-1、保压时间120s。成形过程分如下三步，如图3：第一步：合模过程中板料在模具中自由散热，时长为4秒。第二步：U形件的冲压折弯成形过程，时长约为1.5秒。第三步：U形件在模具中的保压冷却过程，时长为120秒。 图1 U形冲压件几何模型 图2 网格划分(a) 第一步 (b) 第二步 (c) 第三步图3 成形过程仿真三 仿真结果分析与讨论仿真中，对25组正交试验数据的热冲压成形过程中的板料模具温度场、板料厚度减薄率、板料微观组织的分布情况分析与比较板料温度场与Martensite曲线，模具冷却系统管道

6、的直径，管道到模具表面距离和管道与管道间距可得到最优数据组。1减薄率分析板料的减薄率是评价一个制件品质好坏的一个重要指标。通过仿真得到经冷却后制件的厚度分布图4。从图中发现，冲压完成后的板料的最小厚度为1.57mm，最大板厚为2mm，最大减薄率为21.5%，由图5可对比分析各组减薄率均小于30%。 图4 板料厚度分布 (t=125.5s) 图5 板料各组厚度比较 2温度场变化分析热冲压过程中板料的温度变化情况反映组织变化，影响零件机械性能；此外，板料温差不仅会使板料厚度不一致，使最大较薄率增大，还会造成板料内部残余应力。1）合模阶段，如图6（a）：板料降中间部位的降温速率大于板料的两侧部位，导

7、致4s后板料整体温度分布不均，总体呈中间低两边高状态。2）冲压成形阶段，如图6（b）和（c）：在这个过程中，侧壁位置处（P2P5）的板料温度降低较快。3）保压冷却阶段，如图6（d）：该阶段为主要的冷却阶段，板料、模具与冷却系统制件发生大量热量交换，该阶段的板料与模具温差悬殊，接触面大，接触换热系数大。 （a）开始冲压（t=4s）; （b） 冲压过程（t=4.9s） （c）冲压结束（t=5.5s）; （d）冷却结束（t=125.5s）图6 热冲压过程中板料温度场的变化通过软件的点追踪功能，可得到凸模、凹模上各点的温度变化曲线图7。模具一方面由于与板料接触换热而升温，另一方面与冷却水道中的流水发生

8、对流换热，使温度降低。 （a）凸模 （b）凹模 图7 模具温度变化曲线3. 板料温度场与Martensite曲线对比分析图8与9表示25组正交试验马氏体体积分数在板料中的最大体积分数和最小体积分数，对比分析可知马氏体的体积分数分布与冷却均匀性成正相关。 图8 板料各时刻温度场 图9板料各时刻Martensite体积分数四 结论1） 对模具冷却系统进行结构优化，设计模具冷却系统管道的直径，管道到模具表面距离和管道间距，采取三因数五水平的25组正交试验。2） 采用DeformV11.0进行仿真，点跟踪各组的温度场、减薄率、微观组织分布数据，进行对比分析出各因数的正相关关系，得到最优数值。3） 根据

9、仿真结果可得出最优化的冷却系统的结构设计数值，温度场的分布和冷却效果以及Martensite的转化率都具有较高的准确性和可靠性。参考文献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 谭海林, 张宜声, 桂中祥, 等. 奥迪B柱热冲压成形热-力-相变耦合仿真分析J, 热加工工艺, 2013, 42(1):67-69.3 于宏元. 车用高强度钢板热冲压工艺改进研究及应用D. 辽宁: 大连理工大学, 2013. 31-32.4 刘文, 王梦寒, 冉云兰, 等. 超高强度钢热成形冷却过程数值模拟J. 热加工工艺, 2012, 41(3): 78-80.5 郭怡晖, 马鸣图, 张宜生, 等. 汽车前防撞梁的热冲压成形数值模拟与试验J. 锻压技术, 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