（机械制造及其自动化专业论文）双相钢温成形模具设计分析与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 双相钢具有高强度和高延性良好配合的优点，目前在高强度钢的应用中被广 泛采用。然而随着钢板强度的增加，其延伸率下降，成形性能会大大降低，在常 温下很难成形。近年来，板料的温成形方法开始得到广泛使用，可以将温成形技 术运用到双相钢板料中以提高成形性能。而在温成形技术中，温成形模具的设计 至关重要。 本文针对双相钢温成形模具的设计、关键结构的模拟分析以及相应试验进行 了深入研究，具体内容如下： 1 ) 以典型盒形件为例，介绍了双相钢温成形模具的设计，主要包括温成形 模具结构的设计要求，模具工作部件的确定，模具加热和冷却方式的选择。 2 ) 基于御3 a q u s 软件建立了双相钢盒形件温拉深热力耦合有限元模型，并 通过模拟得到了凸模温度和不同模具温度布置对双相钢温成形的影响规律，结果 发现：凸模温度低于凹模及压边圈温度很多且高于室温时可以提高其成形性能； 采用凹模圆角加热的方案已经能基本满足双相钢的成形性能。在此基础上，确定 了双相钢温成形模具的加热布置设计方案。 3 ) 基于f l u e n t 的传热数值模拟，分析了镶拼结构与钻孔结构两种冷却板 的冷却散热能力，模拟结果发现：镶拼结构的冷却散热能力只是略高于钻孔结构， 但是从速度矢量、压力分布模拟以及实际加工等方面综合考虑来讲，钻孔结构的 冷却板更加适合。在此基础上，确定了采用钻孔结构的冷却板。随后，分析了水 流速度对钻孔结构冷却效率的影响，发现水流速度对冷却效果影响明显。 4 ) 制造了双相钢温成形模具，随后进行了双相钢不同温度下的盒形件拉深 试验，结果发现成形效果比较理想。同时，在温拉深时对模具的加热部件、非加 热部件、冷却板以及出口水流温度进行了检测，结果发现所设计制造的加热和冷 却系统达到了预期效果。 5 ) 从失效形式、尺寸精度、金相组织以及显微硬度四个方面对盒形件的成 形质量进行了分析，结果发现：在常温和4 0 0 。c 冲压成形时，在压边力过小和过 大时都分别出现了起皱和破裂现象，符合常见的失效形式：常温和4 0 0 的成形 盒形件的板厚、拐角半径、盒形件尺寸经过测量满足尺寸精度要求；4 0 0 。c 的成 形盒形件不同区域的金相组织满足预期要求：4 0 0 。c 的成形盒形件不同区域的显 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 微硬度也满足机械性能要求。总体来讲，盒形件的成形质量得到了预期的效果， 从而有效的验证了温成形模具设计与制造的有效性和合理性。 关键词：温成形，模具设计，成形质量，双相钢 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n g t ot h eg o o dm a t c ho fh i l g hs t r e n g t ha n dh i g l ld u c t i l i t y , d u a l - p h a s es t e e l s h a v eb e e nw i d e l yu s e di nh i g hs t r e n g t hs t e e l s h o w e v e r , a st h es t r e n g t hi n c r e a s i n g ，t h e e l o n g a t i o no ft h es t e e ld e c r e a s e s ，a n dt h ef o r m a b i l i t yo fd u a l p h a s es t e e l si sg r e a t l y r e d u c e d s o ，i ti s d i f f i c u l tt ob ef o r m e da tn o r m a lt e m p e r a t u r e a sa l le n a b l i n g m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h ew a r mf o r m i n gp r o c e s sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e da sa p r o m i s i n ga l t e r n a t i v e ，w h i c hc a l lb ea p p l i e dt ot h ef o r m i n go fd u a l p h a s es t e e l st o i m p r o v ei t sf o r m a b i l i t y i nt h i sw a r mf o r m i n gp r o c e s s ，t h ed e s i g no ft h ew a r mf o r m i n g d i ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g n i n go ft h ew a r mf o r m i n gd i ea n dt h er e l a t e de x p e r i m e n t s h a v eb e e nd e e p l ys t u d i e d d e t a i l e dc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 ) t a k i n gt h et o p i c a l 删柚g l l l a rc u p f o re x a m p l e ，t h ed c s 咖o ft h ew a i l lf o r m i n gd i ef o r t h ed u a l p h a s es t e e l sw a sd e s c r i b e d ，m a i n l yi n e l u d i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f w a r mf o r m i n gd i es t r u c t u r e ，t h ed e t e r m i n a t i o no fd i ep a r t s ，t h es e l e c t i o n so ft h e h e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e mo ft h ew a r mf o r m i n gd i e 2 ) t h et h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rw a r mf o r m i n go f d u a l - p h a s es t e e l sw a se s t a b l i s h e db a s e do na b a q u ss o f t w a r e ，a n dt h ei n f l u e n c el a w o ft h ep u n c ht e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n th e a t i n ga r r a n g e m e n t so nt h ew a r mf o r m i n go f d u a l - p h a s es t e e l st h r o u g h t h es i m u l a t i o n , t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep u n c h t e m p e r a t u r eb e l o wt h et e m p e r a t u r eo ft h e d i ea n db l a n kh o l d e ra n da b o v er o o m t e m p e r a t u r ec a ni m p r o v et h ef o r m a b i l i t y ；d i ef i l l e th e a t i n gs c h e m eh a sb e e na b l et o b a s i c a l l ym e e tt h ef o r m a b i l i t yo ft h ed u a l p h a s es t e e l s o nt h i sb a s i s ，t h ed e s i g n s c h e m eo fh e a t i n ga r r a n g e m e n t sf o rt h ew a r mf o r m i n gd i ew a sd e t e r m i n e d 3 ) t h ec o o l i n gc a p a b i l i t yo f t h es p l i t t i n gs t r u c t u r ea n dt h ed r i l l i n gs t r u c t u r eo ft h e c o o l i n gp l a t e sw a sa n a l y z e dt h r o u g ht h eh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do n f l u e n ts o f t w a r e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o o l i n gc a p a b i l i t yo ft h es p l i t t i n g s t r u c t u r ew a so n l ys l i g h t l yh i g h e rt h a nt h ed r i l l i n gs t r u c t u r e ，b u tc o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fv e l o c i t yv e c t o r , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n da c t u a l p r o c e s s i n g ，t h ed r i l l i n gs t r u c t u r eo ft h ec o o l i n gp l a t ew a sm o r es u i t a b l e i r l 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 4 ) t h ew a r mf o r m i n gd i ew a sm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g n t h e nt h e s t a m p i n ge x p e r i m e n t so fr e c t a n g u l a rc u p so fd u a l p h a s es t e e l sw e r em a d eu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef o r m i n gw a si d e a l m e a n w h i l e ， t h et e m p e r a t u r e so ft h eh e a t i n gp a r t s ，n o n - h e a t i n gp a r t s ，t h ec 0 0 1 吨p l a t e sa n dt h e o u t l e tw a t e rf l o ww e r ed e t e c t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h eh e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e ma c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c t 5 ) t h ef o r m i n gq u a l i t yo ft h ew a r mf o r m e dr e c t a n g u l a rc u p su n d e rr o o m t e m p e r a t u r ea n d4 0 0 cw a sa n a l y z e df r o mt h ef l o wf o u ra s p e c t s ：f a i l u r ef o r m s ， d i m e n s i o np r e c i s i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e c t a n g u l a rc u p sw e r ew r i n k l e da n df r a c t u r e dw h e nt h eb l a n kh o l d e rf o r e ew a st o o l a r g e o rt o os m a l l ，a c c o r d i n gw i t ht h ef a i l u r ef o r m s ；t h ed i m e n s i o no ft h eb l a n k t h i c k n e s s ，c o m e rr a d i u s ，a n dt h e s i z eo ft h er e c t a n g u l a rc u p sw e r em e a s u r e d ， a c c o r d i n gw i t hd i m e n s i o np r e c i s i o n ；t h em i c r o s t r u c t u r eo fd i f f e r e n tr e g i o n so ft h e r e c t a n g u l a rc u p f o r m e du n d e r4 0 0 m e tt h e e x p e c t e dr e q u i r e m e n t s ；t h e m i c r o h a r d n e s so fd i f f e r e n tr e g i o n so ft h er e c t a n g u l a rc u pf o r m e du n d e r4 0 0 cm e t t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o v e r a l l ，t h ef o r m i n gq u a l i t yo ft h e r e c t a n g u l a rc u p sa c h i e v e dt h er e s p e c t e de f f e c t ，a n dt h ea f f e c t i v i t ya n dr e a s o n a b i l i t yo f t h ew a r mf o r m i n gd i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ew a sv e r i f i e d i v k e yw o r d s ：w a r mf o r m i n g ，d i ed e s i g n ，f o r m i n gq u a l i t y , d u a l - p h a s es t e e l s 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着人们生活水平的提高，汽车已经逐渐成为大部分家庭的代步工 具，因此世界汽车产量逐年攀升，汽车保有量也逐年增加，由此也产生了三大社 会问题：燃油的消耗、排放污染和安全性。而其中减少燃油消耗和排放的有效途 径是汽车轻量化，据相关文献介绍：乘用车自重每减轻1 ，则油耗下降0 6 1 0 【1 1 。但汽车轻量化与安全性是相悖的，既减轻了自重实现轻量化而又能保证汽车的 安全性能的方法就是各种高强度钢板的应用。而在高强度钢的应用中，兼有高强 度和高延性良好配合的双相钢用量竞达7 0 一8 0 1 2 1 。 双相钢( d u a lp h a s es t e e l ，简称d p 钢) 属于相变强化高强度钢，其组织是以 马氏体等第二相粒子分布于铁素体基体中，具有高强度、低屈强比、高的应变强 化指数和良好的抗碰撞性能等特点。由于双相钢所具有的优良材料特性、经济性 和循环使用性，在汽车制造业中已发展成为一种高强度新型冲压用钢 3 - q 。然而随 着钢板强度的增加，其延伸率下降，成形性能会大大降低，在常温下很难成形。 根据金属塑性成形原理中的再结晶理论，可把金属塑性成形分为冷成形和热 成形两类；而在工程应用中，金属塑性成形常被分为三类：冷成形、热成形和温 成形。冷成形是指在不发生回复和再结晶温度以下所完成的常温加工；热成形是 指在再结晶充分进行的温度以上所完成的高温加工。而温成形是指金属的成形温 度在高于常温和低于再结晶温度范围内所完成的成形工艺，目前温成形的具体温 度范围没有定论。运用温成形技术，在进行塑性加工时，金属材料除会产生加工 硬化外，也会产生部分回复，内部应力大大减少，变形抗力降低，塑性将明显提 高。因此，近年来，板料的温成形方法开始得到广泛使用 7 - 8 1 ，可以运用到双相钢 板料中以提高成形性能。 温成形模具是温成形工艺的关键桥梁，温成形模具集成了板料的加热及模具 的加热与冷却功能，因此其模具结构更加复杂，对模具设计提出了更加严格的要 求，模具不仅要能够满足制件成形的要求，模具还要具有良好的加热、冷却效果 以保证自身的使用寿命和制件的机械性能。由此可见，温成形模具的设计在温成 形工艺中占有非常重要的地位，有必要对温成形模具设计进行深入研究，从而推 动国内温冲压成形工艺的研究进展。 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 1 2 研究现状及主要问题 1 2 1 双相钢的研究与应用现状 1 9 7 5 年，h a y a m i 和f u m k a w a 对双相钢的化学成分、显微组织、机械性能和 成形性能作了完整的描述，双相钢的巨大潜力逐渐被人们所认识。由于双相钢的 优良性能，国内外许多学者对其进行了研究，其实际应用范围也越来也广阔。 韩国的w j n a m 和c m b a e 9 l 对双相钢的微观组织变化和相关机械性能变化 进行了研究，发现双相钢中的马氏体晶粒排列方向对成形性能影响很大，应变强 化指数与微观组织演变密切相关。巴西的r o r o c h a 和澳大利亚的e vp e r e l o m a 等人f 1 0 l 通过改变临界区退火工艺参数，包括加热速度、加热温度和时间以及快冷 开始温度，对冷轧双相钢的微观组织和机械性能进行了研究，发现冷轧双相钢的 性能与它的微观组织密切相关。伊朗的s h m o u s a v i a n i j d a n 等人【1 1 】研究了在1 5 0 4 5 0 温度范围内发生不同预应变、含有不同比例和形状马氏体的不同双相钢在室 温时的机械性能，发现双相钢在室温时的抗拉强度和屈服强度与拉伸件的温度、 预应变、马氏体含量和形状相关。 在双相钢上的研究和应用方面做的比较出色的是日本，目前，日本已使 9 8 0 m p a 、1 1 7 0 m p a 级双相钢商品化，同时开发了1 3 7 0 m p a 、1 5 6 0 m p a 级超高强度 冷轧双相钢。日产汽车早在2 0 0 5 年就已经采用了9 8 0 m p a 级别双相钢。以美国和 加拿大为代表的北美，也对双相钢进行了大量研究和实际生产。2 0 0 7 年，d p 5 9 0 双相钢己在通用s a t u r na u r a 车型上被广泛采用：d p 9 8 0 双相钢也在c h e v y e q u i n o x p o n t i a ct o r r e n t 车型上被大量采用；d p 6 0 0 双相钢在f o r d5 0 0 车型上的使 用量高达1 5 。相对西欧，双相钢在一些欧洲的有名汽车厂中被广泛用作车身材 料。2 0 0 8 年，高强度钢在奔驰c 系列车型中被大量采用，其用量高达7 0 ；2 0 1 0 年，双相钢在新款奥迪0 5 车身中也被大量采用【1 2 1 。 我国双相钢的研发和生产虽然相对于国外还有一定的差距，但也有不少研究 和应用。上海交通大学的柳建韬等【1 3 1 采用方差分析法研究了工艺参数对热轧双相 钢中马氏体体积分数的影响，同时对双相钢的力学性能也进行了相关研究。夏源 明、周元鑫、杨报昌等【1 4 】研究了双相钢中马氏体的含量对其力学性能的影响，同 时对双相钢的弹塑性变形进行了有限元仿真，模拟的结果与试验数据相差不大。 1 9 9 2 年宝钢就试轧了一炉双相钢，用2 0 5 0 热连轧机组轧制了两种不同厚度规 2 江苏大学硕士学位论文 格( 2 7 5 r a m 和4 0 0 r a m ) 的热轧双相钢，实际应用了北京吉普车的车轮1 1 5 1 。随后 宝钢对双相钢的开发取得了实质性突破，成功研发了d p 5 0 0 、d p 5 9 0 等双相钢， 同时在2 0 0 7 年宝钢实现了对7 8 0 m p a 级双相钢的批量生产【1 2 1 。鞍钢在“七五，期问 完成了d p 6 4 0 级热轧双相钢的研发与应用项目。武钢自主研发的r s 5 0 和r s 5 5 两 种4 9 0 m p a 级钢板，成功在一汽集团c a l 4 1 汽车上使用，用于冲压成纵梁、横梁 和轮辐，目前的研发重点已是8 0 0 m p a 级乃至更高的超高强度双相钢【1 6 1 。 综上所述，双相钢已广泛被应用，这必然给冲压生产带来新的问题，而冲压 生产中以双相钢为代表的高强度钢将为冲压模具设计，冲压工艺带来新的挑战。 1 2 2 温成形技术与模具研究现状 温成形一般可以分为等温成形和差温成形，等温成形常先采用加热炉对板料 进行加热，使板料与模具保持在同一温度，然后再进行冲压。差温成形是指模具 与板料温度不同，因而板料上产生较大的温度梯度，一般采用凹模法兰部分和压 边圈加热、凸模冷却的方式进行板料的冲压。温成形的工艺过程如图1 1 所示【1 7 1 。 一 卜1i | 厂 图1 1 温成形工艺过程 f i g 1 1w a n n i n gf o r m i n gp r o c e s s 在生产实践中，采用温成形技术的主要目的是改善会属材料的性能，缩短或 减少热处理的工序以及提高加工性能。温成形不仅集中了冷、热成形的优点，而 且避免了它们各自的缺点。与热成形相比，温成形的成形温度要低，过热、过烧、 氧化、吸气、脱碳等倾向小，模具寿命长；与冷成形相比，温成形的成形抗力要 3 园v 多 隧 谰嚣 一，一口 渤 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 小，成形性能好，零件尺寸精度高，不需要前软化热处理、皂化、磷化等辅助工 序，便于在国内实现生产。温成形的这些优点使其成为如今金属塑性成形主要发 展方向之一【1 叭9 1 。 由于温成形技术所具有的优点，国内外学者对温成形技术进行了大量的理论 和应用研究，其中也有部分涉及到温成形模具的研究。 在国外，温成形技术其实并不是一种新的成形方法，早在1 9 4 6 年，f i n c h 和 w i l s o n 等学者阻2 1 】就已经成功使用温成形技术拉深出了铝合金圆筒形件和盒形 件，并通过研究发现成形性能与成形温度、温成形模具结构、压边力等有关，同 时在试验中通过凸模保持室温、板料以及压边圈加热的方式使得铝合金的极限拉 深高度进一步提高。 日本的t e t s u on a k a 等学者【凋通过深拉伸试验研究了变形温度，变形速率等工 艺参数对成形性能的影响。在所用的温成形模具中，凸模通过水冷却，凹模加热。 他们研究发现，板料的极限拉深高度随着凹模温度的增加而增加，而随着速率的 增加而降低。 日本京都大学的h t a k u d a 和丰桥大学的km o d 等学者吲对5 1 8 2 镁铝合金 材料进行了温单向拉伸试验以及筒形件的温拉深试验，同时应用有限元模型模拟 了筒形件的温拉深过程，经研究发现不同模具温度布置和凸凹模圆角半径对成形 性能的影响显著。 韩国的y h m o o n 等学者【纠研究了凸凹模温度对板料拉深成形性能的影响。 结果发现凸凹模温度对板料拉深成形性能有着显著的影响。凸凹模局部温度的控 制对板料拉深高度的提高非常有效。 日本京都理工学院的s h o i c h i r oy o s h i h a r a 等学者【2 5 。2 6 1 将镁合金板材按温度划分 了3 个区域，并相应的设定了3 个区域的材料参数，然后对温拉深成形过程进行 了模拟。并在此基础上进行了后续试验研究，发现采用局部加热和冷却方法可以 大大提高镁合金板材的极限拉深高度。 美国的k i m 等学者【2 7 】通过建立的铝合金筒形件温拉深耦合模型，在等温和差温 条件下进行了筒形件拉深有限元模拟分析，并且得出了在等温和差温条件下的筒 形件极限拉深比与工艺参数之间的关系。同时也发现当凸凹模之间形成较大的温 度梯度时可以大大提高成形性能，并且指出：等温条件下筒形件拉深过程中破裂 4 江苏大学硕士学位论文 位置最开始出现在凸模圆角处，而差温条件下破裂位置最开始出现在凹模圆角处。 美国的p a l a n i s 咖v 等学者f 捌建立了镁合金零件差温拉深的二维和三维有限 元模型，通过模拟对拉深的工艺参数进行了研究。在二维有限元模拟中，通过对 比各个温度下凸模力和减薄率，最终发现在2 0 0 时拉深的效果最佳，此外还分析 了拉深高度在3 0 m m 、7 0 r n i m 和l o o m m 时筒形件的温度场分布；在三维有限元模拟 中，同样分析了在不同拉深高度下的温度场分布。最后还进行了试验的验证，验 证模拟的准确性。 韩国的ys k 等学者1 2 9 - 3 0 ) 对a z 3 1 镁合金在不同成形温度和应变速率下的 成形极限，主要研究工作有这三方面内容：不同成形条件下的单向拉伸试验，盒 形件温拉深有限元模拟以及盒形件温拉深试验，盒形件试验后微观组织变化研究。 a n d r e w s 等学者f 3 l 】和e s p e r a n c e 等学者【3 2 】通过研究都认为凸凹模的加热控制的 差温拉深方式可以更好的提高板料的温成形性能。他们在研究中发现最好有相应 的温度梯度场来平衡铝合金板在成形过程中的应力梯度场，因此采用对凸凹模进 行加热控制的方法，从而改善成形时的应变分布状态，进而提高成形性能。 密歇根大学d a o m i n gl i 等学者1 3 3 1 以盒形件拉深试验为研究对象，分析了温度 对三种汽车用铝合金成形性能的影响。在该试验中所用的温成形模具的凸凹模采 用了嵌入的加热元件( 热电偶) 进行加热，比较系统地研究了不同凸凹模温度组 合对成形性能的影响，并通过f l d 和盒形件拉深高度这两个指标来评价铝合金板料 的成形性能。 意大利g p a l u m b o 等学者 3 4 - 3 5 】 对板厚为0 8 m m l 拘铝合金筒形件进行了温拉深 研究。他们自行设计了一套试验模具，该温成形模具在凹模法兰上设置了加热块 来加热板料，并在凸模中通水从而冷却凸模，进而使板料的温度梯度加大。 在国内，上海交通大学苌群峰等学者1 3 6 - 3 7 进行了a z 3 1 镁合金筒形件在不同温 度下的等温拉深模拟。研究发现：在温度为1 5 0 ，极限拉深速度为1 5 m m s ，其他 工艺参数不变下，极限拉深比能够达到2 5 ，通过变压边力工艺可以明显提高冲压 性能，极限拉深比能达到5 0 。他们在后续的研究中，建立了一个带有温度自由度 热力耦合模型，研究了镁合金筒形件在温拉深过程中板料的温度场变化，在此基 础上分析了差温拉深对镁合金成形性能的影响。研究发现：差温拉深工艺比起等 温拉深更能提高镁合金的温成形性能。 5 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 上海交通大学于忠奇等学者 3 8 - 3 9 1 建立了二维铝合金筒形件拉深模型，利用不 同模拟方案，分析了初始温度布置对拉深性能的影响，并指出了拉深件破裂失效 的位置。他们在后续研究中，又提出了一种综合考虑温度和应变率影响的铝合金 板成形极限预测方法。 华北工学院张宝红等学者【加】对3 5 c r m n s i 钢的温成形力学行为进行了研究，分 析了变形温度、应变速率以及变形程度与其变形抗力之间的关系，并通过冶金学 的方法对其进行了进一步的分析。 香港理工大学的c p l a i 等学者【4 1 4 3 1 通过对钛合金拼焊板在不同温度下进行 s w i f t 胀形试验，研究了模具温度对成形性能的影响。利用在不同温度下的有限元 模拟结果得到最优化的成形工艺条件，并进行相关试验进行验证，通过仿真与试 验的结果得出钛合金拼焊板温成形的最优工艺参数。其中试验主要为钛合金拼焊 板筒形件拉深试验，并在温成形模具方面自行设计了加热系统和温度控制系统。 北京科技大学万玉刚等学剖叫设计并制造了a z 3 1 镁合金薄板的手机外壳温 冲压模具，对温冲压模具结构的设计进行了简单阐述，并通过该模具对镁合金的 温成形性能进行了试验研究。他们指出，合理的模具结构设计能提高板料的成形 性能，通过有限元软件的模拟能够较好的验证模具结构设计的合理性，也能够分 析a z 3 1 镁合金的温冲压成形性能。 综上所述，对于目前国内外温成形技术及其模具的研究现状，发现温成形技 术由于所具有的优点而被广泛研究与应用，然而国内外的研究主要围绕温成形技 术对板料成形性能影响方面展开研究，事实上温成形技术的应用需要依靠温成形 模具来实现，合理的温成形模具结构也会影响板料的成形性能，而在这方面国内 外学者特别针对温成形模具结构设计的分析研究很少，更少有人研究到温成形模 具其特有的加热和冷却系统的结构优劣问题，因此有必要对温成形模具的特有加 热和冷却系统结构开展分析研究并进行相关的试验研究。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容及研究流程 1 3 1 主要研究内容 本文将对双相钢温成形模具的设计及关键结构的分析进行深入研究，并进行 相应的试验分析，各章节具体内容安排如下： 第一章，介绍双相钢的研究与应用现状，总结温成形技术以及所用温成形模 具的研究现状，在此基础上提出本文的主要研究内容。 第二章，介绍本文所涉及到的一些基本原理，主要为热力耦合分析技术的基 本原理以及流体传热数值模拟理论基础，为后文双相钢温成形模具关键结构设计 的有限元模拟分析提供理论指导。 第三章，以典型盒形件为例，提出温成形模具的设计要求，并对模具的工作 部件进行设计；阐述温成形模具的加热和冷却系统设计，并通过刽b a q u s 双相钢 温成形的热力耦合有限元模拟，对温成形模具结构的加热布置方案进行分析；通 过f l u e n t 的流体传热数值模拟，对温成形模具结构的冷却层冷却流域进行分析； 最后基于模拟的对比分析，确定温成形模具的结构，并最终完成温成形模具的设 计。 第四章，介绍所设计的双相钢温成形模具的制造过程，并进行盒形件的温拉 深试验；在进行温拉深试验的同时，对模具的加热部件、非加热部件以及冷却板 和出口水流进行温度测试，分析模具加热与冷却系统的加热和散热效果；最后从 失效形式、尺寸精度、金相组织以及显微硬度四个方面对盒形件的成形质量进行 分析，来验证温成形模具设计与制造的合理性。 第五章，总结本文的研究内容并对未来工作提出展望。 7 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 1 3 2 本文研究流程 8 第一章绪论 论述研究背景、意义、现状以及存在问题，提出本文研究内容。 i 第二章热力耦合分析与流体传热数值模拟基础理论 阐述了热力耦合有限元分析的基本原理和流体传热数值模拟基本 理论，为后文双相钢温成形模具设计的有限元分析提供理论指导。 j 第三章温成形模具关键部件设计及模拟分析 温成形模具设计数值模拟分析模具结构确定 l t 作部什设计 i盒形件温拉深模拟l 模具加热布置方案确定 l 加热和冷却系统设计il 冷却板散热模拟l 冷却极流域结构确定 l 第四章温成形模具的制造与试验研究 温成形模具制造温成形试验盒形件成形质量分析 l 模具主体的加工制造ii 盒形件温拉深试验l卜- 失效形式 i 尺寸精度 l 模具附件的采购组装ii 模具温度检测试验i 微观组织 i 显微硬度一 l 第五章结论与展望 图1 2 本文研究思路及流程 f 适1 2t h ec o n t e n ta n dp r o c e s si nt h i sp a p e r 江苏大学硕士学位论文 第二章热力耦合分析与流体传热数值模拟基础理论 2 1 引言 双相钢温成形模具在冲压板料过程中，模具与板料都需要加热，因而温度对 板料的变形行为影响较大，塑性变形与传热相互影响，所以将塑性变形和传热问 题进行热力耦合分析显得格外重要。结合板料成形数值模拟和热力耦合分析，可 以实现双相钢温成形模具冲压板料过程的有限元分析，为研究和分析温成形时模 具的温度分布规律提供一种有效方法。 双相钢温成形模具中也有不少非加热部件，为保证它们的正常工作，需要防 止模具加热所产生的热量传递到这些部件上，所以模具的冷却散热显得格外重要。 流体传热的数值模拟分析，为研究和分析模具冷却散热部件的散热效果提供一种 有效方法。 因此本章将着重介绍变形与传热的耦合分析技术以及流体传热数值模拟基础 理论，为后文相关分析提供理论指导。 2 2 变形与传热的耦合分析 2 2 1 塑性加工传热问题的基本理论 塑性加工中存在不少温成形或热成形工艺，即工件是在高温或较高温度下进 行塑性变形的。这时，在塑性变形过程中温度对工件的影响较大。工件在变形前 和变形过程中将以各种形式与模具及周围环境进行热交换，会产生不均匀温度场。 因此，对于这类工艺问题，必须在进行变形分析的同时分析其温度场的变化，并 且考虑二者之间的相互影响作用。可见塑性加工过程中的传热问题是一个非常复 杂的热力学问题，热量在工件塑性变形过程中始终产生并相互传导。因此，塑性 加工中的传热问题是含有内热源的瞬态热传导问题1 4 5 - 4 a 1 。 把内热源认为是塑性变形过程中的功能转换而来；并假定工件导热且各向同 性；则控制热流传导和温度分布的热传导方程，即能量平衡方程为1 4 5 - 4 0 i ： 七( 窘+ 窘+ 窘卜一肛詈= 。七【萨+ 矿+ 可卜一肛百枷 或简记为： 9 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 幌+ q - 伊于= o ( 2 1 ) 式中，k 表示材料的传热系数，珥表示热导率；肛于为内能率，c 、p 分别表示 材料的比热容和密度；圣为塑性变形能内热源率，如下式所示： 口- k p 品 ( 2 2 ) 其中，万、孛分别表示等效应力和等效应变率a k ，表示塑性变形热排除率，常取 值0 9 。 瞬态热传导问题中的温度z 与时间t 有关，则解方程( 2 1 ) 需要初始条件， 即变形初始时的温度分布，在控制体积y 内一般表示为【4 5 4 q ： r g ，y ，z ，t = o ) = 瓦g ，y ，z ) ( 2 3 ) 其中，t o ( x ，y ，z ) 表示初始状态t 为0 时的温度分布。 传热问题可能的边界条件有以下三种i 蛔： ( 1 ) 第一类边界条件。指在传热过程中某给定表面( 边界) 上质点的温度值 给定不变。设该表面为s ，则表示为： z k y ，z ) = r o ( 2 4 ) ( 2 ) 第二类边界条件。指热流密度鼋在物体表面上已知。设该表面为s ：，则 表示为： 七娶- q = 0 ( 2 5 ) o r 式中，n 为s ：上任意一点外法线方向，k 表示材料传热系数。 ( 3 ) 第三类边界条件。指热损失在物体表面上给定。设该表面为s ，则表示 为 。 七娶+ h ( r 一瓦) ：o ( 2 6 ) o n 式中，咒和h 分别表示环境温度与放热损失系数。 塑性变形传热问题的边界条件可以分析和归类为两部分脚蛔：自由表面s 。和 与模具接触表面s ，。 江苏大学硕士学位论文 1 ) 自由表面 塑性变形时，工件通过自由表面向周围环境放热，主要方式为对流和辐射两 种。其中对流换热可表示为： q c - - h c ( t 一瓦) ( 2 7 ) 式中，h c 和瓦分别表示对流换热系数与环境温度。而遵循斯蒂芬一波尔兹曼定律的 辐射换热可表示为： 吼= c t e ( t 4 一瓦4 ) ( 2 8 ) 式中，占表示材料表面黑度，仃表示斯蒂芬一波尔兹曼常数。 2 ) 接触表面 热变形时工件与模具温差很大，在接触表面上工件会发生热量损失，热量也 会向接触表面传导。由于工件加工时一般会加润滑剂，因此可表示为： 吼= j l 胁仃一t d ) ( 2 9 ) 式中，k 表示经试验确定的润滑剂传导系数；乃表示模具接触表面处的温度。 同时，模具在接触表面上与工件间有相对滑动，会产生摩擦，而摩擦会产生 热量，产生的热流可表示为： g ，= l f v ，i ( 2 1 0 ) 式中，表示摩擦力；u 表示相对滑动速度。 由此可见，在塑性加工中，自由表面上是第三类边界条件；接触表面上同时 有第二、三类边界条件。 2 2 2 传热问题的有限元公式与求解 固体热传导问题必须一同求解热传导方程、初始条件和边界条件。一般说来， 求解时比较困难的，因此在求解微分方程问题时，经常采用变分法将其转变成求 解泛函的极值问题【州7 】。 1 ) 传热问题的变分原理 4 6 。l 7 对物体内温度分布问题的求解，可理解为在满足边界条件式( 2 4 ) 至( 2 6 ) ， 并在式( 2 3 ) 给出的初始条件下对控制方程式( 2 1 ) 进行求解。求解这个问题等 同为对以下泛函j 求极小值问题。 1 1 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 卜2 ，f k l ：o 锄2 r 。+ 矿0 2 t + - 0 引2 t d v + 工詈聊一工删一互q t d s + 三p 仃一l ) 2 嘏 ( 2 1 1 ) 对于本问题，其正确解为满足初始条件式( 2 3 ) 、边界条件式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) ， 并能将泛函式( 2 1 1 ) 的一阶变分等于0 的温度场。 2 ) 有限元公式 4 6 4 7 1 将待求解区域y 假设分为e 个单元和个节点，则可用节点温度z 插值得到 任一单元e 内的温度分布，即 t = f 互= 日r t 。 ( 2 1 2 ) 式中，m 是形函数。在三维八节点六面体单元中， 其中： h r ( n in 2n 3n 4n 5n 6n 7 8 ) t 。= 亿r e 己l 互瓦弓瓦) 将泛函式( 2 i i ) 离散化，并将其一阶变分等于0 ，即 日= 河。= o # ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 日= 弘( 罢可罢) + 等文等) + 罢文笔 一0 一店詈 卜+ j 1l ； 仃一瓦) 嬲+ l ；口嬲 ( 2 1 6 ) 由于 肚沁。) 景 乃万亿) = ( 砑。厂位。日；矿。 b t = 忉。厂日 t = h r 于e 式中，z 。为单元节点温度变化率。 把式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) ，并考虑旧。) r 的任意性得 ( 2 1 7 ) 江苏大学硕士学位论文 筹= 王。七，叫哪+ 工。矽陋7 沙8 + 三l ；乃p t 。) h d s + ；q h d s ( 2 邶) 又由于 式中，毛= g ，y ，z ) 饥。考，则 式中，m = 姒 o x 姒 砂 叭 o z o n 2 锄 o n 2 砂 a n 2 彪 硎3 嬲 o n 3 砂 a 3 a z 驴( l o 挑n 1o 挑n 2 r b 。h ：i = m m f 。 o n , 玉 o n 4 砂 8 n 。 o z 眺 o x o n , 砂 8 n s o z o n 6o n 7 弧 叙苏苏 o n eo n 7o n s 动匆劬 o n , 翻1 翻8 a za z钯 把式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 6 ) ，将各单元方程整理得： k t + c t = q ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中，r 和于分别表示总体节点温度向量和变化率向量；c 和k 分别表示总体热容 矩阵和总体热传导矩阵；q 表示总体热流向量；可表示为： k ：yfk m m r d v 一卫o c = 工。p c 陋r 砂 其中 q = q p + q c + q d + q ， q a2 一；“伍一乃舢 q ，一莓f ；g ，h d s ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 口 k 棚 似 妒觚。小i 驯。艺。 双相钢温成形模具设计分析与试验研究 q ，、仍、q c 、q p 分别表示摩擦生热流量，模具接触传导热损失流量，对流和辐 射损失热流向量和节点内热源热流向量。 3 ) 瞬态传热问题求解【悔4 7 1 为了求解瞬态传热问题中任意乃至最后时刻的温度场，需要对时间域进行差 分离散。以式( 2 2 2 ) 为例，其中假定k 、c 与z 无关，而q 为已知时间的函数。 设互与互+ 有下述关系： t + & = 互+ 【( 1 一) 霞+ 应+ 血】f ( 2 2 7 ) 式中，霉、霉+ 出分别代表f 和h - a t 时刻的稳定率，因子取值为0 1 。 如下所示，一个隐式方法可以由方程( 2 2 2 ) 和式( 2 2 7 ) 推导而来。先列出 t 时刻的，然后列出f + 时刻的