超高强度钢热成形模具冷却系统研究

【摘要】在汽车工业，高效、节能、安全的大环境下高强度钢板因其在车身轻量化方面的巨大潜力并提高整车被动安全性能而备受瞩目。但是组织结构为铁素体-珠光体的高强度钢尤其是超高强度钢,在室温时，成形性能差，因此一般采用热冲压技术对超高强度钢板进行成形。热成形工艺是出现的相对较晚的板料成形技术，成形过程中，板料先被加热到奥氏体温度保温一段时间后形成奥氏体组织，随后高温状态的板料在模具中成形并以一定的冷却速率淬火冷却，最后得到内部组织为马氏体，抗拉强度为1500MPa的零件。热冲压具有以下优点：板料在高温状态的成形性能优异；成形后获得的零部件强度高；可以成形复杂型面的零件；冲裁力要求较低；成形件的精度高，几乎无回弹。因此汽车企业普遍采用热冲压工艺成形高强度钢板。但是热成形是一个非常复杂的加工工艺，成形件最终的组织性能受冷却速率的影响。研究表明：成形后的高温板料必须以不低于27℃/s的冷却速度冷却才能获得全马氏体组织。模具冷却系统设计的合理性决定了模具对高温板料的冷却速率，进而决定成形件的性能。从冷却过程来看，高温板料通过与模具接触换热把热量传递给模具，而冷却系统内的冷却介质通过不断的流动带走模具的热量,由此可见高温板料与模具之间的换热效率及模具与冷却介质的换热效率决定整个冷却速率。板料和模具之间的接触状态、压力载荷、两者之间的温度差、材料的导热系数等都会影响板料和模具之间的换热，而模具与冷却介质之间的换热则由两者之间的温差，流体的流动状态，流速等决定。此外模具内置冷却系统的结构设计合理性，如管道直径，排布方式等也对板料的冷却速率和温度场分布有影响。本文依据传热学和流体动力学相关原理，兼顾数值模拟计算效率及计算精度，对热成形模具内置冷却系统冷却过程进行了相关研宄。建立了高强度钢热成形过程保压淬火冷却过程的数值模型，并在此基础上研究了热成形模具冷却系统设计的关键因素，如流速、模具初始温度场、连续作业下冲程数、保压载荷等对热成形过程中模具及成形件温度场及性能的影响。并且通过实验验证保压载荷与等效换热系数关系式的合理性。相关研究对实际热成形工艺冷却系统的设计和数值模拟分析具有指导意义。
【作者】代尚军；
【导师】张志强；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】热成形；CFD；冷却系统；数值模拟；

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