地板蓋板模具冷卻系統流動均勻性研究

陳磊，黃陽

（1.十堰市生產力促進中心創業服務科，湖北十堰 442000；2.十堰市銘港建設工程有限公司，湖北十堰 442000）

0 引言

當下，汽車車身面臨著高強度、高安全性能的要求，高強度鋼板熱成形技術越發受到工業界關注[1－2]。熱成形工藝主要使鋼板在900-950℃高溫下加熱保溫一定時間，使組織形態完全轉變成為奧氏體組織，然后利用急冷條件使奧氏體組織轉變為馬氏體組織，從而改變材料的力學性能，使成形件強度高達1500MPa 以上[3]。鋼板在快速冷卻下需要帶走大量熱量，要求模具冷卻系統組織轉變階段帶走鋼板熱量的90%，水流在模具冷卻系統中流過，因此如何高效充分冷卻鋼板是模具冷卻系統設計的關鍵[4]。A.Turetta 等[5]為了得到最佳奧氏體化加熱溫度和保溫時間，以1.5mm 厚鋼板為試驗材料，結果表明避免出現貝氏體的最低冷卻速率為30℃/s，馬氏體開始轉變的溫度為382℃。H.Hoffmann 等[6]以冷卻水道直徑和冷卻水道數量為參數，以冷卻的均勻性和降溫速率為評判標準，通過改變設計參數實現對熱成形模具冷卻系統的優化。李小平等[7]研究利用ABAQUAS 軟件模擬當改變水槽尺寸、入水口位置時，對各冷卻管道內水流速度的影響規律。賀斌等[8]基于FEM-CFD 耦合優化方法對熱沖壓模具冷卻水道相關影響參數進行分析，結果表明：對流換熱系數hc 和水道與模面距離H 能影響模具溫度分布。陳磊等[9]對模具冷卻系統設計相關參數進行靈敏度分析得出管道直徑D 對保壓結束后板料溫差T 的影響最顯著，管道間距S對凸模溫差θ 的影響最顯著，管道直徑D對凹模溫差μ 的影響最顯著。本文采用ANSYS FLUENT 軟件建立了流體分析模型，著重研究底板模具冷卻系統進水口管長度對分管水流的影響規律，為模具冷卻系統設計提供依據。

1 建立模型

建立有效的模具冷卻系統模型對于零件的生產制造及各種性能預測有很大作用。管路設計情況會對冷卻水流在管道內的流動產生較大影響[10]。

地板蓋板模具簡單示意圖，如圖1 所示。本次模具是一模四腔的熱成形模具，取其中單腔模具冷卻系統進行研究分析。圖2為凸模冷卻系統，分為水流進口、水流出口、矩形冷卻水道、進口水槽和出口水槽，圖中標示的黑色箭頭方向為冷卻水流動方向，冷卻水流從進口水道流入冷卻系統，經進口矩形導流槽分流到各個冷卻管道后，由另一端出口導流槽匯流，從出口水道流出，形成一個冷卻回路，從而實現對板料的冷卻。凸、凹模冷卻系統的水流流動方向相反，上下模具形成回流增加，增強冷卻水流在模具內對高溫板料的冷卻效率。

圖1 地板蓋板模具簡單示意圖

圖2 凸模冷卻系統尺寸圖

圖2所示，此次模具管道為矩形截面，S為導流槽入水口距冷卻管道的距離，L 為入水管道的長度，D 為導流槽入水口直徑。冷卻矩形管道寬度為10mm，冷卻矩形管道長度為310mm，管道的間距為10mm。根據流體力學原理，管道截面積變小，液體通過管道的速度將增加；反之，如果管道截面積變大，液體通過管道的速度將減小，因此，流速和流管截面積之間存在反比例關系。

2 基本傳熱和流動參數計算

該零件的質量為：

因高溫板料在空氣停留時間短，散熱很少。忽略高溫板料因對流、熱輻射所散失的熱量，假設高溫板料散發熱量的90%完全被模具吸收由冷卻水流帶走，簡化計算過程，板料初始溫度:900℃；板料成形后溫度：80℃；冷卻水進口溫度：20℃；冷卻水出口溫度：30℃。

板料所散發的總熱量[11]：

式中：m 為板料質量；Cp為板料的比熱容；t1為板料初始溫度；t2為板料最終溫度。

為使成形板料能夠充分馬氏體化，板料初始成形溫度要高于800℃，成形結束后溫度低于180 ℃。根據能量守恒定律，板料傳遞給模具的熱量為Q1。

故散熱量Q1=0.9Q=866108.30J

冷卻水帶走的熱量為:

q1為冷卻水流量；ρ 為水的密度；C1為水的比熱容；t3為冷卻水出口溫度；t4為冷卻水進口溫度。

由假設條件可知，Q=Q1，故冷卻所需水流量為[12]：

計算可得模具管道進口出水流速度不低于5.17m/s。

3 建立邊界條件

應用Ansys icem 的Tet/Mixed 四/六面體混合方法進行網格劃分，將得到的網格文件導入到Fluent 中，網格劃分如圖3。使用三維不可壓縮k-ε 湍流模型進行迭代計算，采用Fluent5/6 三維CFD 求解器，利用SIMPLE 算法，流體模型材質選為water-liquid，進水口設為速度進口（velociytiulent），且進口流速設為5.17m/s，水力直徑設為16mm，出水口為自由出流（outflow），其他部分為Wall 壁面邊界條件。

圖3 網格劃分

4 仿真模擬及結果分析

從圖2 可以看出，進、出水口在同一側，每個分管道的流程長短不一致，可能導致流程短阻力小的分管道冷卻效果好，進、出水口的分管道流程長而冷卻效果差。為得到均勻流速分布，應根據實際模具的結構調整進水口的位置，本次采用進水口管道增加的方法，將進水口前移。冷卻水流由進水口管道流入，先到達進口水槽，由進口矩形集水槽分流到各管道，再匯流到出口集水槽，經出水口管道流出。建立進水口管道長度分別為0、115.45、135.45、175.45、195.45mm，基于此分析各分管道水流流動的情況。

矩形導流槽尺寸為355×305×20mm，進水口水流速度5.17m/s，進水口管道直徑為16mm。如圖4 所示分析不同進水口管道長度對各個分管道的流動影響，模擬得到凸模管道流速，如圖4（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）所示。

圖4 不同進水口長度凸模管道流速圖

進水方向沿導流槽長度方向，由于進水口管道端部和進水口之間存在壓力差，從進水口流入導流槽中的冷卻水流有流向各分管道的流動趨向，進水口處的冷卻水流會在慣性作用下沿導流槽長度方向流動一段距離，在壓力差的作用下沖擊導流槽壁面和各分管道[13]。模擬結果取凸模導流槽中心截面，得到不同進水口管道長度各分管道水流速度云圖。

表1為不同管長時，各分管道水流流速，圖4a 為模具進水口管道長度不變時，各分管道水流流動情況，取管道中心截面處水流流速分別為2.08、2.08、2.14、2.14、2.14、2.01、2.08、1.58、1.48、1.47m/s，結果表明各分管道流速相差并不是很大；如圖4b，當進口管道長度為50mm 時，進水口管道覆蓋過的冷卻管道逐漸增多，3、4、5 號管道在水流流入時受到的沖擊最大，水流流速基本一致，水流越向外，對分管道的沖擊逐漸減小，流速也依次降低，各冷卻管道的流速為：0.90、0.90、1.23、1.25、1.21、0.90、0.30、0.30、0.30、0.30m/s；圖4c 水流速度在5.17m/s 時，水流的沖擊作用能夠覆蓋到的區域越來越小，只能覆蓋1、2、3、4、5 號管道。圖4d、4e隨著管道長度的增加，進水口管道所能流到管道的流速增加，但是未能流到的管道區域也增加；圖4f、4g 隨著進水口管道長度的增加對導流槽壁面的沖擊越來越強，導致冷卻水流速度矢量發生急劇改變，形成強烈的局部旋渦。水流沿著相反方向流動，這樣反而伴隨著冷卻水流能量的損失。在水流改變方向后，未能保持原有能量返回，回流后的流動距離反而減小，致使管長195.45mm 的8、9、10 號管流速增加。

表1 管徑16mm，進口流速5.17m/s 時各冷卻管道流速

對不同進水口管道長度進行方差計算，進水口管道長度為0、115.45、135.45、175.45、195.45mm 時各分管道水流流速方差分別為0.082、0.174、0.091、0.510、0.586、0.267、0.347。通過管內各流速分布小和方差分析，在進水口管道長度不加長的情況下各分管道水流流動情況最好，滿足模具冷卻系統流速均勻且流速最快。

5 地板蓋板成形件微觀組織及力學性能試驗驗證

5.1 地板蓋板成形試驗

實驗平板件的尺寸為363×228×4mm，工藝流程如圖5。把平板件放到加熱溫度為900℃的熱處理爐，保溫6min 使之完全奧氏體化，然后轉移到熱沖壓模具上，進行沖壓成形。該模具進水口管長伸長為0mm，進水口流速為5.17m/s，試驗后對成形零件進行微觀組織分析和性能檢測。

圖5 地板蓋板熱沖壓成形流程

5.2 地板蓋板成形件力學性能檢測

試驗后，對地板蓋板零件進行性能檢測，試樣取6 個點位置，如圖6 所示。此次試驗檢測材料的硬度、抗拉強度和延伸率。

圖6 地板蓋板試樣取樣

從表2 可以看出，在同樣的成形條件下，對比①號位置和③號位置，成形后③號位置的平均硬度值為51.0HRC，①號位置平均硬度值為48.3HRC。?、佗厶栁恢锰帉Ρ扔^察金相組織，發現①號位置組織為回火屈氏體+板條馬氏體，③號位置為板條馬氏體，這是由于①號位置在300-350℃時降溫速率過快，馬氏體在低于珠光體形成溫度時，便分解為鐵素體和細粒狀滲碳體。觀察③號位置金相組織，板條狀馬氏體含量低且組織分布并不均勻。

表2 地板蓋板各位置布氏硬度值

對比②④⑤號位置，成形后鋼板平均硬度值為51.4HRC、51.2HRC、50.9HRC，②號位置和⑤號位置在零件兩側水流速度基本一致，所以硬度值基本相同。④號位置平均硬度值為51.2HRC，④⑤號位置從微觀組織大致看出板條馬氏體少于②號位置，也可驗證④⑤號位置抗拉強度低于②號位置，而硬度略高于④⑤號位置，延伸率小于④⑤號位置。

⑥號位置在零件的中心，平均硬度值為51.2HRC。由于凹模下行⑥號位置最后與凸、凹模接觸，此時鋼板初始溫度降低，冷卻速度發生變化，馬氏體形核速率慢，致使底部位置的板條馬氏體含量低，導致殘余奧氏體含量增加，⑥號位置處的馬氏體板條平均寬度與數量小于其他位置處的馬氏體含量。

通過金相顯微鏡能夠直觀看到成形件內部各組織的形態、大小、數量和分布特征，如圖7 所示，此次①②③④⑤⑥處位置使用放大400 倍的顯微鏡觀察金相組織。

圖7 各位置金相組織

圖8顯示，成型件抗拉強度基本與延伸率相反，強度越高鋼板延伸率越低。①號位置處抗拉強度明顯小于②號位置處抗拉強度值，③、④、⑤處的強度基本一致，而⑥號位置處抗拉強度值高于其它各處。由上述數值模擬可知，水流在靠近模具側壁處流速比較小，導致降溫速率低于其它位置，并沒有完全馬氏體化，從①④⑤號微觀組織圖看出，①號為回火屈氏體+片狀馬氏體，④號為片狀馬氏體，⑤號為回火屈氏體+片狀馬氏體。②③⑥號位置水道流速基本能夠保持一致，使板料降溫速率保持一致，達到降溫均勻性，這三個試樣微觀組織均獲得了較大比例的板條馬氏體組織，或基本達到馬氏體化，因而得到抗拉強度變化不大。

圖8 各位置鋼板力學性能

6 結論

（1）利用FLUENT 軟件模擬了具有矩形截面冷卻管道的地板蓋板熱成形模具冷卻系統的流場分析，通過改變地板蓋板凸模進水口位置，根據模擬結果，得出進水口不進行增加時，各分管道到出水口的流程雖然不一致，但各分管道水流速度仍然分布是最均勻的，方差為0.082。

（2）根據流體力學管道進口流量確定、流量一定的情況下，管道內截面越大，會導致流速越小，基于工件模型，所設計矩形截面為最大截面，若改變管道截面形態，會增加管道內水流流速，提升傳熱效果。

（3）在熱成型試驗中，對4mm 厚鋼板成型，進口管道不增加，試驗后對工件進行力學性能及金相分析，各位置金屬力學性能均滿足要求，強度可達1600MPa 以上，硬度可達46-52HRC，金相組織主要是回火屈氏體+片狀馬氏體。