车门防撞梁局部热冲压模具设计与工艺研究（可编辑）

车门防撞梁局部热冲压模具设计与工艺研究（可编辑） 硕硕硕士士士学学学位位位论论论 文文文 车门防撞梁局部热冲压模具设计 与工艺研究 THELOCALHOTSTAMPINGDIE DESIGNANDPROCESSSTUDYOFTHE DOORIMPACTBEAM 于于于晓晓晓凯凯凯 哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学 2012年年年07月月月国内图书分类号:TG156.31 学校代 码:10213 国际图书分类号:621 密级:公开 工工工学学学硕硕硕士士士学学学位位位论论文文 车门防撞梁局部热冲压模具设计 与工艺研究 硕士研究生:于晓凯 导 师:王少纯副教授 申 请 学 位:工学硕士 学 科:机械制造及其自动化 所 在 单 位:机电工程学院 答 辩 日 期:2012年 07月 授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: TG156.31 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering THELOCALHOTSTAMPINGDIE DESIGNANDPROCESSSTUDYOFTHE DOORIMPACTBEAM Candidate: Yu Xiaokai Supervisor: Associate Prof. Wang Shaochun AcademicDegreeAppliedfor: Master of Engineering Specialty: Mechanical Manufacturing and Automation A liation: School of Mechatronics Engineering DateofDefence: July, 2012 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 热冲压成形技术使高强钢广泛应用于汽车领域,保证汽车安全性 的同时减 轻车体重量,是一项非常有前途的工艺。车门防撞梁的抗碰撞性 和装配焊接性 要求其中间部位的强度高和两端的塑性好,故提出了局部热冲压 成形的概念。 高强钢的强度高低取决于材料奥氏体向马氏体转变的程度,组织 转变的程度取决于成形件的冷却速度和冷却均匀性,即要求冷却系统要以大于 27 C/s的冷却 速度对成形件进行冷却才能使之完全马氏体化,从而使高强钢强度大幅提高。 合理设计热冲压模具冷却系统,为车门防撞梁局部热冲压数值模拟奠定基础。 首先,应用 SolidWorks三维绘图软件对热冲压模具结构和冷却系统进行合 理设计,初步探索了热冲模及其冷却系统的设计准则,解决了冷却管道参数、 冷却管道排布等关键技术问。 其次,为提高计算效率,对模具进行合理的简化,利用 ANSYS CFX流体 分析模块对保压淬火阶段进行多工艺循环数值模拟。研究保压力、保压时间、 水流速、工艺循环次数和冷却水入口温度对凸、凹模及成形件温度场分布的影 响,分析各工艺参数对成形件温度场的影响规律,通过模拟正交试验确定了关 键工艺参数。 最后,对热冲压过程中板料的变形方式进行了阐述,利用 ABAQUS Explicit 模块对不同初始温度的板料成形和淬火两阶段进行了数值模拟, 研究板料初始 温度对成形件温度场、应力场和应变场的影响,得出了最低板料 初始温度以及 成形件温度场与应力场和应变场的对应关系,并分析出成形件成 形中容易破裂 的部位。 关键词:车门防撞梁;局部热冲压;冷却效果;数值模拟 - I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Hot stamping technology is a very promising technology,which enables high-strength steel widely used in the automotive sector to ensure vehicle safety while reducing body weight.The concept of local hot stamping is proposed because anti-collision and welded assembly of the door crash beam requirements the high-intensity of the middle part and of the good-plastic at both ends. The strength of high strength steel depends on the extent of material from austenite to martensite transformation,and organizational change depends on the cooling rate of the forming part and uniformity of the cooling. The forming partmade fully martensitic must be cooled with a cooling rate more than 27 C/s, then a sub- stantial increase in the strength of high strength steel. Firstly, SolidWorks 3D graphics software is applied to design rationally the hot stamping mold structure and its cooling system. A preliminary exploration for the design criteria of the hot stamping mold and its cooling system is performed,and to solve the key technical issues in parameters of the cooling system and the cooling pipe’s arrangement in the hot stamping mold. Secondly, a reasonable simpli?cation of the mold being made to improve computa- tional e ciency, numerical simulation of multi-process cycle on the packing quenching stage is achieved with ANSYS CFX ?uid analysis module. Research the temperature dis- tribution of the convex and concave mold and forming part in di erent holding pressure, packing time, water ?ow rate, process cycle timesand cooling water inlet temperature and analyse in?uence law of temperature ?eld of the forming part in various process parame- ters,to determine the key process parameters through analog quadrature test. Finally,sheet deformation mode in the hot stamping process is described.ABAQUS Explicit module is used to perform umerical simulation for di erent initial temperature of the sheet in metal forming and quenching of a two-stage. Research the in?uence of the sheet initial teperature to the forming part temperature ?eld, stress and strain ?elds.and obtain the lowest initial temperature of sheet and the correspondence between forming part temperature ?eld and stress and strain ?elds.In addition,the places where are easy to break in hot stamping forming is analyzed. Keywords: Door Impact Beam, local hot stamping, cooling e ect, numerical simulation - II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1章 绪论. 1 1.1 引言1 1.2 汽车用高强钢板的应用与研究现状2 1.3 热冲压成形技术的应用与研究现状4 1.3.1 热冲压成形工艺机理4 1.3.2 热冲压成形技术国内外研究现状4 1.4 课题意义与主要研究内容. 6 1.4.1 课题意义. 6 1.4.2 课题主要研究内容7 第 2章 模具结构与冷却系统设计 8 2.1 引言8 2.2 成形件几何形状处理8 2.3 模具总体结构设计9 2.4 凸凹模间隙确定 10 2.5 模具材料的选择 11 2.6 模具冷却系统设计11 2.6.1 热冲压模具冷却系统的设计要求11 2.6.2 冷却水管直径的计算12 2.6.3 冷却水管间距及冷却水管与型面距离的确定 14 2.7 密封的处理. 14 2.7.1 冷却水管间距及冷却水管与型面距离的确定 15 2.8 冲压方向的确定 15 2.9 模具强度校核 15 2.10本章小结. 16 第 3章 冷却效果数值模拟 17 3.1 引言17 - III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2 共轭传热理论 17 3.2.1 热传导机理. 18 3.2.2 热对流机理. 19 3.2.3 热辐射机理. 19 3.3 接触热阻理论 20 3.4 冷却效果数值模拟20 3.4.1 模拟软件的选择 20 3.4.2 建立有限元模型 21 3.4.3 数值模拟相关参数的设定. 22 3.5 冷却效果数值模拟结果分析 28 3.5.1 工艺循环对温度的影响. 28 3.5.2 冷却水流速对凸凹模及成形件温度的影响 32 3.5.3 保压力对凸凹模及成形件温度的影响. 34 3.5.4 保压时间对凸凹模及成形件温度的影响. 38 3.5.5 冷却水入口温度对凸凹模及成形件温度的影响40 3.5.6 关键工艺参数确定42 3.6 本章小结. 44 第 4章 成形过程数值模拟 45 4.1 引言45 4.2 热冲压变形理论 45 4.2.1 热冲压过程中板料的弹性变形 45 4.2.2 热冲压成形中板料的塑性变形 46 4.3 成形过程数值模拟47 4.3.1 求解算法和单元的选择. 47 4.3.2 材料参数的设定 48 4.3.3 有限元的建立 48 4.3.4 热冲压成形数值模拟过程描述 50 4.4 成形过程数值模拟结果分析 50 4.4.1 热冲压成形过程温度场分布 50 4.4.2 初始温度对温度场分布的影响 51 4.4.3 应力场的分布 52 4.4.4 应变场的分布 53 4.5 本章小结. 54 - IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 结 论 56 参考文献 57 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 61 致 谢 62 - V -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1章绪论 1.1引言 随着人类工业化的进程,环境问题和能源问题日益突出,降低油耗、减少 排放已成为汽车行业关注和迫切需要解决的主要问题。同时随着科技的进步和 人们生活水平的提高,人们对汽车的安全性、舒适性、经济性以及节能性提出 [1] 了更高的要求 。 当今社会能源的匮乏和环境的恶化对汽车发展提出了节能减排的要求。汽 车节能减排的方法很多,如使用新能源、改善发动机性能和车体轻量化等。减 轻车体质量是众多中最直接最有效的一个,世界铝业协会的报告指出,汽 车每减重 10%可燃油消耗可降低 6%?8%, 由此可见汽车轻量化对节能减排、 [2] 保护环境具有十分巨大的意义 。此外,汽车减轻自重还可以改善 其运动转向 及制动性能,同时还可以降低车体噪音和振动,提高汽车舒适性和汽车寿命。 自 1974年以来,减轻汽车自重就一直是汽车行业面临的中心任务之一,实现 汽车轻量化的方法有两种:一是优化汽车结构设计,除去零部件的冗余部分, [3] 尽可能减少零件数量;二是使用新材料,如高强度钢、铝合金等 。所以,车 门防撞梁作为一个必须的被动加强件要实现轻量化采用新材料是最好的选择。 安全性是出行要考虑的首要问题,各种车辆数量的增加导致交通事故的频 发,交通意外成为人们出行中的隐患,威胁着人们的生命安全。侧面碰撞是交 通事故中发生频率最高的事故形态,占所有交通事故的 32%,如图 1-1所示; [4] 同时,侧碰也是造成伤亡最多的,其所造成的人员伤亡约占 30.1% 。汽车侧 面有车门,且中间部位是悬空的,因此汽车侧面是车体中强度较 为薄弱的部 位。由于车门和乘员之间的空间距离相对较小,发生侧面碰撞时没有足够大的 空间产生结构变形来吸收撞击能量以确保成员的安全。车门防撞梁的作用是作 为车门加强件增加汽车侧面抗碰撞性能,在发生侧碰时产生结构变形吸收碰撞 [5] 能量,降低车门变形量,从而起到保护人员的目的 。车门防撞梁是汽车侧面 除 B柱意外唯一可以保护乘客的安全件,因此,防撞梁具有高的屈服强度、抗 拉强度和延伸率来提高其抗碰撞性,具有极其重要的意义。 鉴于以上两方面的考虑,对车门防撞梁用材料提出了特殊的要求,即高强 度和轻质量。高强钢具有高强度、抗凹能力、质量轻以及价格低廉等优势,使 - 1 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1-1各种事故形态死亡人数所占比例 [6] 用高强度钢可以通过减小壁厚来实现轻量化,其高强度又能保证安全性 。因 此,高强钢无疑是车门防撞梁最合适的材料。 然而,高强度钢随着强度的提高,其硬化指数n值和各向异性指数r值减小, 成形性变差,成性缺陷突出,而且高强度钢还存在较大回弹,很难保证成形精 [7] 度,这使得成形相当困难 。热冲压成形技术的应运而生很好地解决了这些问 题。近年来,对超高强度钢板热冲压成形工艺的研究国外给予了很大关注,受 [8] 到如通用、福特以及大众各大国际汽车公司的重视 。国内对高强钢的研究和 应用较少,仅有少数几家公司从国外引进热冲压成型设备生产线,更不用说自 主研发了。 热冲压模具的设计是热冲压成形技术的关键所在,冷却系统的设计是热冲 [9] 压模具的核心 。所以要发挥热冲压成形技术的优势,必须设计好冷却系统, 这样才能使材料发生预定的变形,产生适合的组织转变,生产出 符合机械性能 和精度的零件。 局部热冲压是应车门防撞梁的实际需要提出来的。车门防撞梁的首要作用 就是作为侧加强件满足碰撞性要求,保护乘客的安全,采用高强钢既可以满足 高强度性能要求又能减轻重量。但是由于车门防撞梁的装配要求两端焊接于 汽车主体上,所以又对车门防撞梁提出了塑性要求。基于碰撞性和焊接性的考 虑,本论文提出了局部热冲压成形的概念。局部热冲压成形就是对加热的板料 进行局部淬火,加强所需要部位材料的强度,满足工程需要。 1.2汽车用高强钢板的应用与研究现状 高强钢是按照材料抗拉强度来分的,抗拉强度在 270?700MPa 之间为高强 [10] 钢,大于 700MPa的称为超高强钢 。材料抗拉强度和延伸率的比值如图 1-2 所示,可知随着高强钢板抗拉强度的提高其塑性明显下降,这将给零件成形带 来困难。 - 2 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1-2材料抗拉强度和延伸率的比值图 由于能源危机和环境污染,现代汽车的发展越来越趋向于轻量化,高强钢 的出现和应用很好的解决了这一问题。此外,高强钢的应用还增加了汽车的抗 凹性和抗碰撞性,从而提高了汽车的安全性。因此,高强钢被广泛应用于汽车 的零部件中,汽车用高强钢的开发也随之得到推进。 传统汽车用钢板是通过添加合金元素、细化晶粒和复合组织的形式实现高 强度化,但其用途多受限制。现代现代汽车高强钢提高强度的方法是在冶炼及 热处理过程中控制金相组织,而获得组织强化、相变强化、时效强化和冷作硬 [11] 化强化效应 。但是由图1-1可以看出,虽然钢板的抗拉强度逐渐提高,但塑 性是逐渐降低的,从而使其成形性下降,成形力变大,回弹增大,成形精度难 控制,有些复杂零件难以成形等缺点。因此,钢板成形前应具有一定的强度和 韧性,在冲压成形时通过相变来提高强度。 目前欧洲的 Arcelor公司能够批量生产热冲压用镀锌层钢板 USI-BORI1500, [12] 其化学成分如表 1-1所示 。USI-BORI1500淬火后抗拉强度 可达 1600MPa, b 该钢板还具有良好的韧性、低温脆性以及焊接性。此外,采用这种钢板可以使 [13] 同强度的零部件质量减轻高达 50%以上 。瑞典SSAB公司开发的超高强 Docol [14] Roll钢板,具有良好的冲压成形性,能够达到极高的精度 。世界钢铁大王 [15] TK集团生产的锰硼合金钢经热冲压淬火后强度可达到 1600MPa 。德国纽伦 [16] 堡大学对 22MnB5进行了深入研究,确定了其奥氏体化温度和保温时间 ,又 采用 Gleeblel500热模拟试验机对板料进行研究,得出拉伸前冷 却速率会一定 程度影响材料力学性能。阿赛洛公司和蒂森克虏伯钢铁公司合作研发出具有 [17] TWIP效应的高锰钢,称为 X-IPTM,淬火后最高抗拉强度达到 1400MPa 。日 本的 NKK公司使用水淬连续退火技术生产 1200MPa级别的汽车用超高强度钢, 还有 JEE公司用兼具淬火功能的连续退火线 WQ-CAL工业化生产最高抗拉强 [18] [19] 度可达 1450MPa的高成形性超高强度钢板 。韩国的 POSCO钢铁公司 正在 研发带有纳米镀层的超高强度钢板,以提高镀层的结合力,防止镀层在加热和 - 3 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 成形过程中剥落。 表 1-1材料的化学成分 C Mn Cr B 0.22 1.2 0.15 0.002 而在我国,先进高强度钢的研究和应用尚处于起步阶段。高强钢的供应很 大部分要靠进口,国内的唯一热冲压用高强钢供应商是宝钢集团,其开发的不 [20] 带镀层的 B1500HS和 BR1500HS均已实现批量生产 。 1.3热冲压成形技术的应用与研究现状 1.3.1 热冲压成形工艺机理 热冲压成形是指高强度钢板加热达到材料的再结晶温度以上使钢板完全奥 氏体化,然后将高温板料运输至热冲模上进行冲压成形,通冷却水的模具将成 [21] 形件冷却淬火,使奥氏体转变成马氏体以提高零件强度 。热冲压技术不同于 传统冷冲工艺,冷冲压成形无需加热,其冷却方式一般为空冷;而热冲压成形 中板料则是在高温下冲压成形的,其冷却方式为水冷,相当于经过了淬火。热 冲压成形后零件的强度相比于成形前常温下材料的强度提高数倍,比如室温下 [22] 抗拉强度为 500?600MPa的 硼合金钢板热成形后强度可达 1500MPa 。 与冷冲压成形技术相比较,热冲压工艺的优势在于:成形件强度高,成形 性好,精度高,几乎无回弹;易于实现自动化,生产效率高;高温下材料流动 [23] 性好,变形抗力小,易于成形空间结构复杂的制件 。由于这些传统冷冲压成 形工艺无可比拟的优点,热冲压成形在汽车保险杠、防撞梁及车顶框架等保安 [24] 件和结构件中得到广泛使用 。 1.3.2热冲压成形技术国内外研究现状 基于减轻车身重量和环保的考虑,高强度钢板的热冲压成形技术已渐为人 们所重视,各大汽车公司以及国内外很多大学纷纷开始了这方面的研究。但是 由于技术保密的原因,我们所能见到的热冲压成形方面的资料相对较少,现仅 对国内外部分大学开展热冲压研究现状进行阐述。 在国内方面,主要是同济大学、哈工大等高校以及上海大众、宝钢研究 [25] 院等研究所对热冲压原理和应用进行了初步的探索 。同济大学选用高强钢 - 4 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 USIBOR1500作为研究对象,对高强钢的初始最宜加热温度、组织转变模式、 临界淬火速度以及模具温度对零件成形性的影响等进行了数值模拟,获得了最[26] 佳奥氏体化温度为 900摄氏度,临界冷却速度为 27 C/s ,积累了大量有用的 数据。同济大学自主设计了试验模具的水冷却循环系统,为我国热冲压技术的 发展应用做了积极的探索。 哈工大以宝钢生产的高强度钢板 BR1500HS为研究材料,以盒形件为研究 对象进行了深入研究,基于 Lemaitre损伤理论推导得到了适用于高强钢热冲压 成形过程中的韧性断裂准则,利用 Gleeble 1500热模拟实验机以不同温度和应 变速率对拉深样件进行了单向拉伸试验,建立了高强钢 BR1500HS的热流变方 程。哈工大与宝钢集团进行了深入合作,以汽车保险扛为研究对象设计并制造 出试验模具,结合理论推导、耦合场数值模拟和试验研究对 BR1500HS进行了 系统的研究,热冲压多工艺循环数值模拟的方式更接近实际情况,并提出了组 织分布和强度相对应的思路,建立 BR1500HS硬度和抗拉强度的对应关系,实 [27] 现了对成形件抗拉强度的预测 。 国外很多高校也对热冲压技术饶有兴趣,纷纷加入研究。瑞典的 LUT大学 以 22MnB5为研究对象,通过数值模拟得出了奥氏体进行组织转变的规律,并 [28] 研究了热冲压成形件的厚度分布和硬度分布情况 。德国纽伦堡大学通过大量 试验确定了 22MnB5的奥氏体化开始温度和最佳保温时间,还研究了高强钢板 轧制方向对板料在热冲压成形过程中材料流动性的影响规律,获得了大量数 [29] 据 。意大利帕多瓦大学同样对 22MnB5进行了试验研究,确定了最佳奥氏体? [30] 化温度为 900 C以及奥氏体向马氏体转变临界温度为 382 C 。德国 Munchen 理工大学多年致力于热冲压工艺的研究,通过数值模拟获得并优化了凸凹模 保压过程温度场和高强钢板的冷却速度。伊朗Arak大学研究了热冲压过程中组 织转变的影响因素,得出钢板淬火初始温度和应变速率对马氏体转变影响规 [31] 律 。 此外,美国蒂森克虏伯钢铁公司、德国本特勒公司及瑞典 AP&T公司等世 [32] 界各大公司对热冲压技术饶有兴趣,纷纷投入大量财力物力研究关键技术 。 德国 Daimler-Chrysler公司通过数值模拟和大量试验得出了最佳保压力、冷却水 [33] 流速度以及高温下高强钢变形方式 。一些世界级的汽车制造商逐渐采用高强 钢零部件提高产品竞争力。MAZDA2的B柱采用高强钢热成形技术提高抗碰撞 性能;保时捷CAYENNE后保杆采用含硼高强钢材料热冲压成形,提高汽车行 [34] 驶安全性;VOLVO XC90热冲压成形零件有效减轻车体重量达 12kg 。 车门防撞梁采用高强钢热冲压成形的研究在国内外也得到广泛开展。国内 - 5 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 [35] 方面,庄百亮等 以高强钢 BR150HS为研究材料研究了车门防撞梁热冲压工 艺,得出了车门防撞梁硬度和厚度的分布,微观组织为均匀条状马氏体,最大 [36] 抗拉强度为 1545MPa。范荣等 采用 1.2mm高强钢板和 1.8mm普通钢板的车门 防撞梁耐碰撞性进行了对比,并对高强钢成形的车门防撞梁进行了优化,优化 [37] 后吸能能力增加了 148.3%。吉林大学徐虹等 以 DP600超高强度钢的某乘用 车车门防撞梁热冲压和冷冲压成形工艺进行了模拟研究,分析了 压边力、冲压 速度和摩擦力等对成形质量及回弹的影响。国外方面,美洲豹XJ车门防撞梁采 用 SSAB生产的超高强马氏体钢 Docol Roll,热冲压成形后强度达到 1200MPa; SSAB公司开发的热浸镀锌超高强度钢板 Dogal 800 DP热冲压成形然后激光焊 [5] 接的车门防撞梁 。 1.4课题意义与主要研究内容 1.4.1 课题意义 随着社会经济的发展,汽车已经逐渐成为了人们出行的必不可少的代步工 具。近年来车辆数量的增加导致交通事故发生量有不断增加的趋势,交通事故 成为人们出行中的隐形杀手,威胁着人们的生命安全。汽车侧面碰撞安全性是 汽车安全性重要组成部分,已经得到世界各大汽车制造厂家和汽车研究机构的 重视。 汽车侧面的中间大部分是悬空而没有支撑的,再加上汽车的侧面有车门, 因此汽车侧面是车体中强度较为薄弱的部位。由于车门和乘员之间的空间距离 相对较小,发生侧面碰撞时没有足够大的空间产生结构变形来吸收撞击能量 以确保成员的安全。车门防撞梁的使用可以很好提升汽车的侧面抗碰撞性,它 的研究已经在世界各地广泛开展。车门防撞梁的作用是碰撞初期其自身发生 溃缩吸收碰撞的能量,抵抗汽车侧撞时车门的大变形,从而起到保护乘员的目 [38] 的 。因此,研究防撞梁的成形过程,通过热冲压技术使防撞梁具有高的屈服 强度、抗拉强度和延伸率来提高其抗碰撞性,具有重要的意义。 随着国家汽车碰撞、排放等强制法规的相继推出,汽车车身用钢面临严峻 考验,高强钢的使用无疑是一个趋势。高强度钢不但可以实现汽车碰撞安全性 要求,而且易于实现车体轻量化。但随着强度的提高,高强钢的成形性变差, 尤其强度达到 1000MPa以上时,一些结构复杂的零件,传统的冲压成形工艺将 [39] 束手无策,而且高强度钢还存在较大回弹,这使得成形相当困难 。热冲压成 - 6 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 形技术的问世很好的解决了这些问题,从而使高强钢广泛应用于汽车。国外给 予热冲压工艺以很大关注,但我国近年来才逐渐认识到热冲压技术的优势。随 着我们对热冲压技术研究和应用的深入,高强钢开始逐渐应用于汽车领域,汽 车碰撞安全性领域成为高强钢的天地,车门防撞梁作为汽车侧面安全性不可或 缺的一个零件,高强钢热冲压成形无疑使最好的选择。 1.4.2 课题主要研究内容 本课题以产业化应用为目的,着重于提高车门防撞梁的力学性能指标,主 要进行热冲压成形以提高其强度。对此,主要研究内容如下: 车门防撞梁热冲压模具及冷却系统的设计; 车门防撞梁局部热冲压冷却效果数值模拟; 车门防撞梁局部热冲压成形过程数值模拟。 - 7 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2章模具结构与冷却系统设计 2.1引言 热成形技术机理是加热到一定温度(使板材奥氏体化的温度)的板材在特 定模具上被冲压成形后保压一段时间,在冲压件保压过程中给模具通以冷却 液,使板料以一定的冷却速度淬火,从而使之发生组织转变已达到强化的目 的,因此这种技术又被称为模具淬火技术。热冲压成形技术在国外早已是比较 成熟的技术,在国内对其研究及应用也慢慢得到发展,但是无论在国际还是国 内局部热冲压成形的研究很少,而现实中却有些产品零件需要这样的技术,像 车门防撞梁、汽车 B柱等抗碰撞加强件,一方面需要其中间部位要有足够高的 强度抵抗碰撞冲击力,另一方面要求其两端有足够好的塑性满足安装需要,所 以研究局部热成形就很有必要了。热冲压成形模具与传统冷冲压成形模具有很 多相似之处,如导向装置、结构设计、冲压方向选择等,但是热冲压成形模具 除了完成成形之外还承担淬火的功能,所以热冲压模具要比冷冲 压模具复杂, [40] 热冲压模具的关键所在就是对热冲压模具主要是冷却系统的设计和研究 。 2.2成形件几何形状处理 车门防撞梁(Door Impact Beam)是在车门内部结构中加上横梁用以加强 汽车侧面的结构,是作为一种额外的吸能保护层而设计的。由于它是发生侧面 碰撞时除了B柱以外唯一有效的保护乘员的结构,加上其距离乘员极近,所以 [41] 其必须采用高强度设计。一般来说,采用 1000?1700MPa 的钢板制造 。按形 状分,车门防撞梁可分为管形和帽形:日韩车系多采用管形车门防撞梁(一般 情况下两端有支架,用于连接固定防撞梁与车门),而欧美车系多采用帽形车 门防撞梁(一般是直接焊接在车门上)。帽形车门防撞梁又分为U形和M形,本 课题的研究对象就是M形车门防撞梁。M型车门防撞梁形状比较复杂,是非对 称零件,广泛应用于现役汽车的侧面保护中,成品件形状如图 2-1所示。 图 2-1修前零件图 - 8 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 为了简化模具,零件成形分工序进行加工,整体成形出来之后再进行零件 中间圆孔和边缘切口的冲裁加工,本文只讨论只做零件整体成形分布,修补后 零件及其局部强化尺寸如下图 2-2所示。 图 2-2修后零件及尺寸图 2.3模具总体结构设计 传统冷冲压模具的设计方法与制造技术已经很成熟,热冲压作为新兴技术 在模具结构、设计方法上可以借鉴冷冲模的经验,例如模具的总体结构、导向 装置、定位装置等。不同于传统冷冲压的是,热冲压成形模具不仅要完成零件 的成形,还要对零件保压淬火,所以模具必须设计出合理的冷却系统,保证零部件的冷却速率不小于 27 C/s及均匀冷却,故要比冷冲压模具设计起来更加复 杂。管道式冷却系统设计主要包括模具内部冷却管道排布、外部的水循环动力 系统、连接用的管道及密封装置,模具内部的冷却管道的排布是设计重点。此 外,热冲压模具材料的选择、模具的润滑和密封也要特别注意。 模具结构设计好坏不仅会影响模具使用和维修,还直接关系到零件的成形 质量。热冲压成形模具的设计不仅要保证零件的成形性,还要保证对零件的冷 却效果即对零件的淬火性要求,因此这就对模具结构、模具材料、密封和润滑 提出了特殊的要求。为此,热冲压模具设计必须满足一下要求: (1)模具在满足强度的前提下重量应尽量减小,为此可以设计减重槽; (2)模具结构尽量简单,而且要保证铸造的可行性; (3)热冲压模具内有冷却水管道,其与外部连接要保证密封可靠性; (4)模具材料要有足够的强度、刚度、抗凹性,导热性能要好; (5)模具冷却水采用集水和分水形式,以减少出水管和入水管数量,减 少故障率,便于维护; (6)模具要有导向装置,以便于凸凹模的合模; (7)模具型面要有比较好的光滑度,采用液态石墨使模具足够润滑。 实际中模具的结构相当复杂,本文的结构设计选择模具主要部件进行设 计,为简单起见略去其余非重要部件或附属部件。本文主要设计的部分包括: - 9 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 凸模、凹模、冷却水管、入水管、分水管、进出水口、减重槽、U型槽、导向装 置、固定挡料板和活动挡料板等,见图 2-3所示。 图 2-3模具装配三维示意图 热冲压模具总体结构的设计参照冷冲压冲压模具,技术相对成熟的冷冲成 形模具设计经验可以选择性的借鉴到热冲压模具设计中。减重槽的设计作用在 于最大程度的降低模具的重量,减少铸造材料,降低成本,同时增大了模具的 散热面积,但要注意的是要保证模具的强度,为此我们要对设计的模具进行强 度校核。U型槽是用于把模具安装于压力机上,U型槽的位置和尺寸要根据压 力机上的T型槽来确定,连接用的螺栓要保证连接强度。模具冷却水管道采用 预埋式,各个管道分别预先焊接于进出水管上,如图 2-4和 2-5 所示;模具冷却 水的进出水口位置的安排要保证与上料不干涉,尽量安排在同一侧,即上料的 另一侧,因为都要与橡胶水管相连,所以进出水口的尺寸大小要参考市面上常 见的橡胶水管尺寸,另外连接要保证密封性和可靠性。固定挡料板和活动挡料 板是为了使板料在模具上能够快速的定位,以减少板料空冷的时间。此外本模 具设计有专门的导向装置,保证合模的准确性和精度。 2.4凸凹模间隙确定 为了加强板料与模具之间的热传导作用,提高板料与模具的热传递,快速 有效的降低板料的温度,取模具与成形件制件的间隙为零间隙,即凸、凹模间 - 10 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a凸模水管排布 b凹模水管排布 图 2-4模具冷却水管道排布示意图 a凸模水管形式 b凹模水管形式 图 2-5凸、凹模冷却水管形式图 隙为板料厚度,为 2mm。高温下板料有较好的塑性和流动性,材料变形抗力 小,根据实验室以及宝钢集团热冲压模具设计的经验可知,模具与成形件之间 [40] 的间隙为零间隙具有可行性,这是与冷冲压不同的地方 。 2.5模具材料的选择 模具材料应具有良好的导热能力,以便于高温板料传给模具的热量迅速的 散失,从而使模具不致于产生过多热量积累对零件成形造成不利的影响。模具 的温度工作环境处在不断地冷热交替,对模具材料的热疲劳性能提出了更高的 要求,以保证制造的零部件的尺寸精度。模具长期处在间歇性的加载中,这就 要求模具要具备良好的力学性能、机械性能和减震性能。模具一般采用铸造成 型,模具材料要有良好的铸造性能。由于在模具中设计了冷却系统,故所选模 具材料还应具有较好的防腐蚀能力,以提高工作寿命,降低维护费用。基于以 上要求,综合考虑选择凸、凹模材料为 2G55CrMnMo铸钢。 2.6模具冷却系统设计 2.6.1 热冲压模具冷却系统的设计要求 (1)优异的冷却能力是冷却系统的首要目标。一方面对零部件进行快速 - 11 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 冷却,实现由奥氏体向马氏体的转变;另一方面及时带走模具的热量,使模具 不致于过多的热量积累而影响零部件的成形精度和质量。 (2)冷却系统的设计要保证冷却的均匀性。若冷却不均匀会导致零部件 不同位置之间产生热应力,导致局部的热变形,成形质量下降。 (3)模具要有较高的机械强度。在冲压模具内部铺放冷却管路,导致整 体模具强度的下降,故必须对模具进行强度校核,以保证模具热冲压成形中模 具不被压溃。 2.6.2冷却水管直径的计算 冷却水管的结构计算主要是根据能量守恒定律,板料散发的热量等于空气 吸收的热量和冷却水带走的热量的总和。其中,冷却水带走的热量占板料传递 总热量的 90%左右。 首先计算板料散发的热量。根据已有数据和经验作以下假设:工作效率为? 180件/每小时,工件淬火开始温度 850 C,工件淬火结束温度 200 C,模具初始 [42] 温度 20 C,冷却水的入口温度 15 C,出口温度 35 C,冷却水流速 1m/s 。 板料单位时间内传给模具的热量为: Q nmq 2-1 式中 n???每小时冲压工件的数量,此时为 180件/小时; m???单件车门防撞梁的质量,此时约为 1.21kg; q???单位质量的零件散发的热量(kJ/kg)。 单位质量的零件散发的热量 q的计算如下: q Cptt 2-2 1 2 式中 C ???模具材料比热容; pt???成形件淬火的开始温度 850 C; 1t???成形件淬火的结束温度 200 C。 2 冷却水带走的热量占高温钢板散发总热量的 90%: Q 0:9Q 2-3 w 式中 Q ???每小时冷却水带走的热量(kJ/h)。 w 根据能量守恒定律有: Q C m t 2-4 w w w - 12 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式中 C ???水的比热容; w m ???每秒冷却水通过冷却管道的质量(kg); w t ???冷却水在入口与出口温度差 20 C。 每秒中冷却水通过冷却管道的质量: 2 d m vt 2-5 w u 4 式中 d???冷却水管当量直径(m); v???冷却水流速(m/s); 3 ???水的密度,此时 1000kgm 。 2 d m t 2-6 w u 4 式中 d???冷却水管当量直径(m); v???冷却水流速(m/s); 3 ???水的密度,此时 1000kgm 。 由以上式整理得: ?? 3:6nmC tt p 1 2 d 2-7 C t w u 其中,n 180,m 1:21kg,C 0:46kJkg? C,t 800 C,t 200 C, p 1 2? 3 C 4:187kJkg? C, t 20 C, 1:5ms,t 3600s, 1000kgm。 把数据 w u 代入上式得d 0:233mm。 可得当量冷却水管的直径为 23.3mm,考虑到其他未知因素,元整 为 d 25mm。根据流过当量水管的水的体积等于各分水管的水的体 积之和,可以 得到: 1 1 2 2 d h n d h 2-8 1 4 4 整理后得出当量水管和分水管的直径关系: d d 2-9 ? 1 n 从车门防撞梁的形状特点考虑,其形状和尺寸如图 2-6所示,为 使成形件 冷却比较均匀,故安排水管形式如图 2-7所示,凸、凹模各排布5 根水管。故实 际每根水管的直径为d 11:2mm,圆整为d 12mm。 1 1 - 13 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 2-6车门防撞梁横截面示意图 图 2-7冷却水管排布示意图 2.6.3冷却水管间距及冷却水管与型面距离的确定 从冷却效果方面来说,水管间距 t和水管与型面距离 h越小冷 却效果越好; 从模具机械强度方面讲,但冷却管道破坏了模具的完整性,会对模具造成强度 上的影响。因此,冷却效果和模具强度是冷却管道排布上的一个矛盾。另外车 门防撞梁空间结构复杂,若水管距离型面太近,要满足与型面相近的趋势,在 工艺上不好实现。根据宝钢汽车零件整体式预埋管热冲压模具专利中设计的经 [40] 验 :冷却水管之间的距离为 22?26mm, 冷却水管中心与模具型面的距离为 19mm。冷却水管间距和冷却水管与型面距离两者具体值根据与型面走势的具 体位置而定。 2.7密封的处理 热冲压过程需要通一定压力的冷却水,热冲压模具凸凹模各部件是由多个 部分构成,装配后容易出现泄漏,如果密封处理不好,可能会使零件局部冷却 过快造成残余应力过大,同时还会使得冷却水管水压降低水流速不稳定,影响 零件成形质量。因此,考虑密封的可靠性和模具制造的方便性采用焊接密封。 采用焊接密封能够达到密封要求。因为冷却系统采用预埋式,只需对冷却水管 与出水管和入水管的连接处进行密封,如图 2-8所示。 图 2-8焊接示意图 - 14 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.7.1冷却水管间距及冷却水管与型面距离的确定 2.8冲压方向的确定 冲压方向的确定是热冲压工艺设计的前提。冲压方向不但影响冲压过程中 材料的变形以及冲压模具结构的设计,决定能否拉出合格的冲压件,还直接影 [43] 响所有的后续工序,选择好冲压方向在热冲压生产中意义重大 。 确定冲压方向就是确定零件在模具上的最佳位置。在长期的实践中总结出 一些准则和经验,车门防撞梁局部强化热冲压成形冲压方向的选择可以参考这 些经验。 (1)保证成形件一次性拉深成形,不应有负角。 (2)初始接触面积应尽量大,同时接触点要多且分布均匀,保证冲 压的 平稳性,还要防止应力集中,避免造成局部破裂。. (3)拉深深度尽量小,以减少材料的变形量和进料阻力。 (4)尽量避免表面缺陷,防止成形件翘曲变形,此外还要考虑后续工序 对冲压方向的要求。 2.9模具强度校核 由于在模具内预埋水管,致使模具的强度降低,故必须使模具的最大应力 点小于模具材料的许用应力,对于复杂的大型模具无法通过经典的强度计算公 式计算,故通过ansys软件进行校核,用 200t压力机最大载荷给模具加载,凸、 凹模应力分布如图 2-9所示。由图可知,模具最大应力为 125.4MPa,远远小于 模具材料的抗拉强度,说明模具满足热冲压强度要求。 a凸模 b凹模 图 2-9凸、凹模应力分布图 - 15 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.10 本章小结 根据车门防撞梁实际需要、生产节拍和冷却速度的要求,参考冷冲模进行 热冲压模具总体结构设计经验方法,合理选择冲压方向。根据传热学相关理 论和公式计算得出满足工件淬火要求的冷却水管直径为 12mm,共 10根水管, 凸、凹模各排布 5根水管;冷却水管之间的间距水平距离为 22?26mm ,具体数 值依模具型面而定;水管走势和空间位置根据凸、凹模型面的走势进行安排, 冷却水管中心与模具型面的距离为 19mm;出水管和入水管的直径都为 25mm, 保证供水和出水的通畅。冷却系统采用预埋式,冷却水管与出水管和入水管的 连接处进行焊接性密封处理,保证了整个冷却系统的密封性,为后续数值模拟 验证奠定基础。 - 16 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3章冷却效果数值模拟 3.1引言 热冲压技术分为成形和淬火两个阶段。在成形阶段,模具未通冷却水,热 量主要靠板料与模具的接触传热和向空气的热辐射散失,加上成形过程时间相 对比较短暂,所以成形过程板料的热消耗很少。而淬火阶段则是一个复杂的热 平衡过程,决定着成形件的成形质量,淬火阶段占整个工艺循环的将近一半时 间。淬火阶段有一定的保压力使高温件与模具型面充分接触,高温成形件通过 与模具的接触传热使本身的温度降低,这是一个固体-固体传热过程;淬火阶 段冷却系统通以冷却水,冷却水带走模具的热量从而间接冷却成形件,这是一 个流体-固体传热过程。因此,淬火阶段是一个非常复杂的流体-固体、固体-固 体共轭传热过程。 本文采用 CFX软件不但能很容易的设定流体流动速度,还能很好的解决 保压力设定的问题,使保压淬火过程模拟结果更准确,温度场的分布及变化更 接近实际。根据流体动力学和传热学理论知识,用 CFX软件数值模拟分析零件 和模具保压阶段的温度场变化、温度场分布,研究保压力、保压时间、冷却水 流速度、冷却水入口温度以及工艺循环对车门防撞梁冷却效果的 影响规律,为 车门防撞梁的实际局部热冲压形成提供理论支持。 3.2共轭传热理论 淬火阶段有一定的保压力使高温件与模具型面充分接触,高温成形件通过 与模具的接触传热使本身的温度降低,这是一个固体-固体传热过程;淬火阶 段冷却系统通以冷却水,冷却水带走模具的热量从而间接冷却成形件,这是一 个流体-固体传热过程。因此,淬火阶段是一个非常复杂的流体-固体、固体-固 体共轭传热过程。 热量传递有三种基本方式,即热传导、热对流和热辐射。车门防撞梁局部 热冲压保压淬火阶段同时存在三种热传递方式,即成形件与模具的热传导和冷 却管道和模具之间的热传导、、冷却水与模具管道的对流换热以及成形件侧端 面与空气的对流换热和热辐射。以下是三种热量传递方式的工作原理。 - 17 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2.1热传导机理 热传导是指依靠物质粒子的热运动使热量从高温处向低温处传递的现象。 [44] 热传导是成形件与模具之间热量主要传递方式,可用傅里叶定律表示 : dt q ? 3-1 dx 2 式中 q???热流密度(W/m); ???导热系数,又称导热率(W/m? K); dt ???物体沿x方向