裴孜藝， 王冰濱， 王子健

（蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院， 江蘇 蘇州 215131）

0 引 言

近年來為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提升汽車碰撞安全性，發(fā)展超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)已成為主流趨勢(shì)。超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形技術(shù)憑借其成形載荷小、回彈量小、成形精度高等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于汽車車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和安全零部件制造中，如汽車A柱、B柱、防撞梁等。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，縮短生產(chǎn)周期已成為當(dāng)今汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向，因此模具冷卻系統(tǒng)的重要性也日益突出。熱沖壓模主要通過模具零件工作表面與板料的接觸帶走板料的熱量，實(shí)現(xiàn)板料在模具內(nèi)淬火，因此模具零件材料的熱導(dǎo)率對(duì)冷卻速率起著關(guān)鍵作用[1]。

通過整體均勻加熱獲得完全馬氏體狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)件具有較高的拉伸強(qiáng)度和硬度，但其在失效前的延展性卻較低，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。因此研究人員希望獲得具有定制性能的制件，如B柱和其它可能承受沖擊載荷的部件，需要使其具有較高的延展性，起到緩沖吸能的作用，使駕駛者和乘客的安全得到保護(hù)[2]，高強(qiáng)度鋼熱成形制件變強(qiáng)度工藝也就應(yīng)運(yùn)而生。在該背景下從冷卻水路的設(shè)計(jì)與加工、模具零件材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響、模具零件溫度場(chǎng)對(duì)成形制件性能和尺寸的影響等方面進(jìn)行了描述。

1 冷卻水路設(shè)計(jì)與加工

熱沖壓模應(yīng)具有良好的成形和冷卻能力，能使高溫板料產(chǎn)生均勻塑性變形的同時(shí)，還要保證成形制件淬火時(shí)快速、同步地降溫。通過軟件分析發(fā)現(xiàn)由于冷卻水路設(shè)計(jì)的不合理，圖1所示水路上、下兩端的流速大于其它地方的流速，為得到外形尺寸精確、組織為全馬氏體的合格熱沖壓制件，需要對(duì)熱沖壓模進(jìn)行合理的冷卻水路設(shè)計(jì)與加工。

圖1 熱沖壓模冷卻水路流速分析

熱沖壓模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于冷卻水路的設(shè)計(jì)[3]，如圖2所示，冷卻水路設(shè)計(jì)主要考慮管道和模具零件表面距離（x和a）、管道間距（s）、管道直徑等參數(shù)。HUNG T H等通過有限元分析和分?jǐn)?shù)因子法建立經(jīng)驗(yàn)方程，研究冷卻水路參數(shù)對(duì)板料冷卻速度和冷卻均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)模具零件表面到冷卻管道邊緣的距離以及冷卻管道邊緣之間的距離對(duì)板料冷卻速率有影響，冷卻管道邊緣之間的距離是影響冷卻均勻性的主要參數(shù)[4]。設(shè)計(jì)水路時(shí)應(yīng)盡可能減小管道與模具零件表面距離以及冷卻管道的間距，以便將熱量快速地從板料傳遞給冷卻介質(zhì)。由于模具中凸模比凹模冷卻慢，在熱沖壓模中凸模設(shè)計(jì)應(yīng)引起重視[5]，可以通過設(shè)計(jì)小直徑的冷卻管道，布置在靠近模具零件表面的凸起區(qū)域，并且增加管道的數(shù)量，使模具對(duì)板料進(jìn)行均勻冷卻[3]。減小管道半徑的同時(shí)應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，以獲得更好的淬火效果，并減少模具制造成本以及加工難度。袁俞哲等以模具零件型面溫度均勻度、最高溫度、平均溫度為優(yōu)化目標(biāo)，通過響應(yīng)面法（RSM）建立預(yù)測(cè)模型，并運(yùn)用NSGA-II遺傳算法獲得了最優(yōu)水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合[6]。

圖2 冷卻水路設(shè)計(jì)參數(shù)

熱沖壓模制造的關(guān)鍵在于如何將設(shè)計(jì)的冷卻管道加工，開設(shè)冷卻管道的方式有多種，在目前生產(chǎn)中，主要采用鉆孔、鑄造和鑲拼3種加工方式。其中鉆孔的方式應(yīng)用最為廣泛，它是通過在模具零件內(nèi)部加工一系列空腔結(jié)構(gòu)作為冷卻管道。鑄造方式則是采用與模具零件型面相對(duì)應(yīng)的隨形布置冷卻管道，然后通過向已預(yù)埋一系列優(yōu)質(zhì)鋼管的砂型內(nèi)澆注熔融態(tài)材料，并待其在鋼管周圍完全凝固后形成冷卻管道。鑲拼方式是通過銑刀在凸凹模非工作表面內(nèi)開設(shè)一系列溝槽，槽深及形狀由模具零件表面形狀決定，并將模塊上的溝槽部分拼合組成冷卻管道。表1所示為3種冷卻管道加工方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，在模具制造時(shí)可根據(jù)不同的工況進(jìn)行選擇[1,7]。

表1 3種冷卻管道加工的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

熱沖壓模冷卻管道應(yīng)具有較好的定位靈活性，而熱沖壓模的設(shè)計(jì)一般采用直型水道設(shè)計(jì)方案，該方案由于加工方面的限制，無法均勻冷卻形狀復(fù)雜的制件。隨形冷卻水路設(shè)計(jì)可以提高熱沖壓模冷卻均勻性[8,9]。M E PALMIERI等提出了一種熱沖壓模內(nèi)隨形冷卻水路的設(shè)計(jì)方法，并以22MnB5汽車B柱為例進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管道之間距離為9 mm、模具零件表面與管道中心之間距離為12 mm時(shí)的水路結(jié)構(gòu)最佳，能夠有效減少淬火時(shí)間[10]。YUN S等提出一種組合直冷卻水路（SCC）和隨形冷卻水路（CCC）的混合冷卻水路設(shè)計(jì)方法（MCC），以改善拼接毛坯熱沖壓模的冷卻性能，圖3所示為SCC、CCC和MCC的結(jié)構(gòu)[11]。劉雪飛等設(shè)計(jì)了縮小B柱加強(qiáng)件的3種熱沖壓冷卻系統(tǒng)，如圖4所示，并通過數(shù)值模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)鉆孔式隨形冷卻為最優(yōu)方案，冷卻效果最好[12]。HU P等研究發(fā)現(xiàn)在低雷諾系數(shù)下，蛇形隨形冷卻水路的設(shè)計(jì)效果優(yōu)于其它設(shè)計(jì)，而在高雷諾系數(shù)下，縱向隨形冷卻水路的設(shè)計(jì)效果最好[13]。

圖3 3種冷卻水路結(jié)構(gòu)

圖4 縮小B柱加強(qiáng)件的3種冷卻水路布置

通過直接能量沉積工藝，可以對(duì)冷卻水路通道進(jìn)行更加靈活的設(shè)計(jì)。A KOMODROMOS等研究了熱沖壓模近表面冷卻水路的制造工藝，發(fā)現(xiàn)熱沖壓模的冷卻能力不僅與冷卻水路的位置和尺寸有關(guān)，而且與管道的幾何形狀有關(guān)，如圖5所示[14]。D CHANTZIS等提出了一種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)熱沖壓模增材制造方法，可以在模具零件工作表面與冷卻水路之間的傳熱不受影響的情況下，減少從冷卻管道到模具本體的傳熱，提高生產(chǎn)效率和冷卻效率[15]。

圖5 板料最終溫度與完全馬氏體轉(zhuǎn)變所需時(shí)間的影響

由于冷卻管道的幾何形狀受制造、強(qiáng)度和剛度的限制，僅對(duì)冷卻管道的直徑和布置進(jìn)行優(yōu)化，這樣不會(huì)使凸模和凹模表面得到均勻的溫度分布，為實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布，還應(yīng)采用不同的冷卻水流量[5]。增大冷卻水流量，冷卻作用明顯，而冷卻水流量過大，可能導(dǎo)致熱成形件產(chǎn)生裂紋，因此選擇合理的冷卻水流量是提高沖壓制件性能的關(guān)鍵[3]。曹曉擎等通過對(duì)比不同冷卻水流速的模具和冷卻水路的溫度場(chǎng)（見圖6），發(fā)現(xiàn)在55 L/min的冷卻水流量可以獲得較好的冷卻效果[16]。劉迪輝等針對(duì)多腔熱沖壓模冷卻水流量分配問題提出冷卻水流量分配方法，設(shè)計(jì)了可變管道參數(shù)的U形件熱沖壓工藝仿真模型，研究結(jié)果表明，冷卻水流量的調(diào)整對(duì)成形件最后溫度的影響顯著[17]。

圖6 不同冷卻水流量的模具溫度

2 材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響

為了提高冷卻速率和實(shí)現(xiàn)成形件表面更均勻的溫度分布，研究者致力于開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)模具冷卻系統(tǒng)的模型[18]，然而有些模型計(jì)算量大，不適用于幾何形狀復(fù)雜的模具，且設(shè)計(jì)的模具冷卻系統(tǒng)加工和維修費(fèi)用高，增加了制造成本，同時(shí)還存在冷卻能力的極限問題。目前加快冷卻速率的另一種方法是使用高熱導(dǎo)率的模具材料[19]，通過提高模具材料的熱導(dǎo)率以提升模具的冷卻能力。此外模具的服役條件對(duì)模具使用壽命有較大影響，熱作模具鋼的主要失效原因是熱疲勞，而熱疲勞是由模具溫度不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力所致[20]，有必要研究模具材料對(duì)熱沖壓過程中模具溫度變化的影響。

采用不同的模具材料進(jìn)行熱沖壓時(shí)，模具各部分的溫度變化規(guī)律基本相同，而使用高熱導(dǎo)率的模具材料可以將熱量更順利地從高溫區(qū)轉(zhuǎn)移至低溫區(qū)，縮短模具達(dá)到熱平衡的時(shí)間[21]，因此使用高熱導(dǎo)率模具材料能夠有效提高模具的冷卻效率，加快熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率。與傳統(tǒng)熱作模具鋼相比，高熱導(dǎo)率材料能夠降低模具的最高溫度，使其保持在較低溫度，并有效提升模具內(nèi)溫度分布均勻性，降低模具熱應(yīng)力，延長(zhǎng)模具的熱－機(jī)械疲勞壽命[21-23]。A ABDOLLAHPOOR等通過研究發(fā)現(xiàn)使用低電導(dǎo)率的模具材料Macor?保持在175 ℃時(shí)得到的性能類似于模具材料AISIH11保持在450 ℃得到的性能，這表明使用低電導(dǎo)率的模具材料可以降低所需的模具溫度以獲得一定的相分?jǐn)?shù)和硬度，在這種情況下可以節(jié)約能源[24]。

3 溫度場(chǎng)對(duì)成形制件性能和尺寸的影響

為了在不對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行大幅度改動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)板料不同部位產(chǎn)生不同組織，即高強(qiáng)度鋼熱成形制件變強(qiáng)度工藝，通常采用模具分塊加熱方式[25,26]，因此研究模具溫度對(duì)成形制件力學(xué)性能與尺寸的影響具有重要意義。

冷卻速率對(duì)組織的影響如圖7所示[27]，成形制件硬度的降低是由于模具溫度升高引起貝氏體體積分?jǐn)?shù)增加[2]。LEI C X等研究了不同模具溫度對(duì)熱沖壓方杯形件顯微組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)模具溫度越高，板料的冷卻速度越小，冷卻效果越差，成形件的抗拉強(qiáng)度下降[28]。ZHANG Z等測(cè)量了不同模具溫度下Usibor1500P硼鋼的力學(xué)性能，并使用掃描電鏡和色調(diào)蝕刻法來量化不同模具溫度下實(shí)現(xiàn)的淬火相，發(fā)現(xiàn)隨著模具溫度的升高，馬氏體含量從85%減少到30%，而貝氏體從12%增加到55%，鐵素體也有少量增加，同時(shí)硬度值和抗拉強(qiáng)度下降，而延伸率上升[29]。陳揚(yáng)等研究了模具溫度對(duì)22MnB5熱沖壓零部件組織和性能的影響，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)為避免出現(xiàn)貝氏體組織而導(dǎo)致塑性和韌性惡化，熱沖壓模軟區(qū)的加熱溫度應(yīng)高于500 ℃[30]。CHEN L W等研究了150 ℃到500 ℃的模具加熱溫度對(duì)CSC－15B22鋼板性能的影響，發(fā)現(xiàn)模具加熱到350 ℃時(shí)，成形制件所能吸收的沖擊能量最大[31]。包麗等研制了一種新型熱沖壓分區(qū)式加熱模具，沖壓件加熱區(qū)、過渡區(qū)、低溫區(qū)的硬度值依次增大[27]。

圖7 冷卻速率對(duì)組織的影響

圖8 不同模具溫度下 22MnB5 的力學(xué)性能

在大的成形力和溫度急劇變化的共同作用下，回彈量是成形制件精度和質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。張志強(qiáng)等分析了不同模具溫度下Usibor1500P硼鋼板在加熱區(qū)、過渡區(qū)以及低溫區(qū)的回彈規(guī)律，發(fā)現(xiàn)馬氏體組織越多回彈越大，貝氏體組織越多回彈越小[32]，因此適當(dāng)提高模具溫度，可有效提高成形后制件尺寸精度。

預(yù)測(cè)熱沖壓過程中的組織轉(zhuǎn)變對(duì)控制成形制件性能和加工精度有較好的作用。薛飛等通過圖像處理法和有限元計(jì)算法分別對(duì)不同模具溫度制件成形后組織含量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)2種方法所得結(jié)果相近[33]。有效地預(yù)測(cè)變強(qiáng)度熱沖壓制件的組織與力學(xué)性能，對(duì)指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)和試驗(yàn)過程具有重要意義。

4 模具溫度場(chǎng)仿真模擬

制件的組織和性能與成形過程中模具內(nèi)的溫度場(chǎng)有關(guān)聯(lián)，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形制件性能，規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷，縮短開發(fā)周期，需采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)熱沖壓過程溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。在熱沖壓工藝中，模具零件和板料之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（IHTC）是熱沖壓模冷卻仿真模型中重要的參數(shù)，其精度將影響溫度場(chǎng)的計(jì)算精度。

目前求解IHTC或TCR（接觸熱阻）的主要方法有4種：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、熱平衡法、逆熱傳?dǎo)分析法、有限元優(yōu)化反算法[34,35]。郝新等提出了一個(gè)描述熱沖壓試驗(yàn)過程中換熱系數(shù)的理論模型，該模型建立了換熱系數(shù)與接觸面粗糙度、界面壓力等參數(shù)之間的關(guān)系，且對(duì)于描述換熱系數(shù)簡(jiǎn)單易行[36]。然而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果依賴于材料硬度等參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度，只有在接觸壓強(qiáng)為0時(shí)能得到良好驗(yàn)證，所得IHTC誤差較大[37]。熱平衡法基于板料散失的所有熱量都被模具吸收的假設(shè)[38]，廖錚瑋等考慮馬氏體相變影響，采用數(shù)值積分對(duì)熱平衡方程進(jìn)行求解，獲得了與板料溫度和接觸壓強(qiáng)相關(guān)的IHTC曲線[39]。逆熱傳導(dǎo)分析法是利用逆熱傳導(dǎo)分析獲得板料與模具零件之間的熱流密度，并用其計(jì)算IHTC。LI Y等通過有限元仿真和試驗(yàn)對(duì)反熱傳導(dǎo)（IHC）和有限元法優(yōu)化（FEM-OPT）2種方法進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)IHC方法對(duì)溫度的預(yù)測(cè)精度較高[40]。有限元優(yōu)化反算法則是利用有限元軟件建立仿真模型，在模型中定義了整體的等效IHTC，利用優(yōu)化程序調(diào)用有限元模型進(jìn)行熱沖壓傳熱分析，并不斷調(diào)整有限元模型中的邊界條件，最終使模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的差異最小。胡平等在考慮了空氣間隙、熱電偶響應(yīng)時(shí)間、相變潛熱等因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元反算法求解IHTC，得到IHC與壓強(qiáng)的關(guān)系[41]。

模具溫度場(chǎng)是熱沖壓過程中重要的物理場(chǎng)，獲得準(zhǔn)確的熱沖壓模溫度場(chǎng)，有助于指導(dǎo)模具隨形冷卻水路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。LEI C等通過CFX對(duì)淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了模具的冷卻效果，關(guān)注接觸熱阻對(duì)熱沖壓淬火過程的影響，有效預(yù)測(cè)熱沖壓淬火過程中模具的溫度分布，但數(shù)值模擬采用的是瞬態(tài)熱分析過程，沒有考慮成形時(shí)的導(dǎo)熱過程[42]。辛志宇等分析對(duì)比了流固耦合分析方法和第三類邊界條件法的計(jì)算效率與求解精度，發(fā)現(xiàn)2種方法得到的模擬結(jié)果接近，前者能夠有效反映冷卻管道內(nèi)的流速及溫度分布，但后者的計(jì)算模型更簡(jiǎn)單，計(jì)算效率更高[43]。LIN T等基于MpCCI（基于網(wǎng)格的并行碼耦合接口）進(jìn)行熱－流體仿真和熱－流體－機(jī)械耦合仿真，對(duì)模具的冷卻效果進(jìn)行分析，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[44]。賀斌等基于通用結(jié)構(gòu)仿真分析軟件ABAQUS與流體仿真軟件STAR－CCM＋進(jìn)行FEM－CFD弱耦合的熱沖壓過程循環(huán)仿真，最終獲得模具的穩(wěn)定溫度場(chǎng)分布[45]。劉碩等通過軟件ABAQUS進(jìn)行了熱力耦合仿真，并對(duì)凹、凸模溫度場(chǎng)進(jìn)行分析[46]。為了減少有限元模擬的時(shí)間，CHEN J等采用響應(yīng)面法，建立了分段有限元模型，與整個(gè)U形構(gòu)件模型相比，計(jì)算時(shí)間節(jié)省了92.6%，有限元模擬的計(jì)算效率顯著提高[47]。劉迪輝等基于LS-DY?NA軟件在成形仿真和模溫分析方面的長(zhǎng)處以及Fluent軟件在流體分析方面的優(yōu)勢(shì)，提出一種考慮實(shí)際流場(chǎng)分布差異影響的模溫分析方法（見圖9），通過與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)該方法仿真精度較采用平均傳熱系數(shù)的仿真方法更高，能夠用于復(fù)雜制件及多腔模具的模溫分析[48]。

圖9 考慮實(shí)際流場(chǎng)的熱成形模溫分析流程

為保證獲得性能梯度分布的熱成形制件，劉雪飛等基于Deform軟件建立了B1500HS超高強(qiáng)度鋼相變-溫度-硬度多物理場(chǎng)耦合模型，分析保壓淬火過程模具的冷卻效果[12]。L BAO等利用軟件AN?SYS Maxwell15.0對(duì)區(qū)域感應(yīng)加熱沖壓過程板料的溫度場(chǎng)進(jìn)行電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合計(jì)算，且模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致[49]。

5 結(jié)束語

在國(guó)內(nèi)已投入應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)，使國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)在安全性、環(huán)保、節(jié)能等各方面都有了質(zhì)的飛躍，一定程度上突破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，降低了制造成本，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)高端汽車制造業(yè)的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一批先進(jìn)的熱成形材料及其應(yīng)用技術(shù)，當(dāng)然還存在一些值得關(guān)注的研究方向。

（1）目前國(guó)內(nèi)常用的熱沖壓模材料仍以進(jìn)口為主，且價(jià)格昂貴，熱沖壓模材料是限制國(guó)內(nèi)汽車零部件制造商利益與發(fā)展的重要因素，應(yīng)開展對(duì)熱沖壓模材料的研制，以實(shí)現(xiàn)模具材料的國(guó)產(chǎn)化。

（2）熱沖壓工藝的數(shù)值模擬涉及熱-力-相多場(chǎng)耦合問題，因此如何在理論與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立精確的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)高效的熱沖壓過程仿真是值得深入探討的課題。

（3）用于汽車重要安全結(jié)構(gòu)件的熱成形鋼及其成形工藝，還要滿足不同車身安全性能、不同使用環(huán)境的要求，因此實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼熱成形制件性能定制要求的變強(qiáng)度技術(shù)具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>