汽车前地板热冲压成形模具设计

摘 要

　　热冲压成形工艺是将加热至奥氏体后的钢板进行成形并保压、淬火的新型复杂板材成形工艺，可以实现高强度复杂零件的成形，有效地解决高强钢板件室温成形存在容易开裂、起皱、回弹大等缺陷。高强钢板由于比强度高、综合力学性能好，在同等安全系数下，可以有效的减轻汽车重量，在汽车行业中得到广泛应用。汽车前地板为车室前部的汽车驾驶席的地板结构件，对汽车的稳定性、安全性以及舒适性起着重要作用，是汽车的关键部件之一。研究汽车前地板热冲压成形模具及冷却系统设计关键技术和工艺参数对冷却效果的影响规律，在扩展热冲压成形技术在工程中的应用和推动热成形工艺的发展方面，具有重要的意义。

　　借鉴冷冲压成形模具设计经验，用CATIA建立了汽车前地板的热冲压成形模具三维模型，结合前地板的型面特点，采用型腔式和钻孔式相结合的方式。设计了汽车前地板热冲压成形模具及其冷却系统，使其强度满足要求。

　　依据流体动力学原理，结合共轭传热理论，建立了有限元仿真模型。采用流体仿真分析软件CFX进行多工艺循环下的汽车前地板保压淬火阶段的数值模拟。通过模拟分析，验证了模具及冷却系统设计方案的合理性。分析了冷却水流速、保压力、保压时间、工艺循环次数等工艺参数对热冲压模具、热成形件冷却效果的影响规律。确定了汽车前地板热冲压成形的合理工艺参数。

　　研究表明：汽车前地板热冲压成形时，合理的冷却水流速应不小于5 m/s，保压力应不小于30 MPa，保压时间不小于10 s；经历五次工艺循环后，模具的温度趋于稳定。

　　关键词： 汽车前地板；热冲压成形；冷却系统；共轭传热；仿真分析

Abstract

　　As an innovative forming process for High strength steel(HSS), hot stamping with integrated heating, forming and quenching in one process, can e?ectively soften the blank and prevent it from cracking and wrinkling. Because of the phase transformation of austenite to martensite within the stamping operation, the blank can acquire substantial high tensile and yield strength. Under the same safety conditions, HSS can e?ectively re-duce vehicles weight due to its high specific strength and good comprehensive mechanical properties. HSS is widely used in the automotive industry. Automotive front floor(AFF) is one of the key components of the car which located in the front compartment of the car, plays an important role in the stability, security and comfort. Design the hot stamping mold of AFF and the cooling system, research on the influence law of the crucial pro-cess parameters to the quenching e?ect. It is of great significance to promotion in the development of the hot forming process and applications in engineering.

　　Learning from the cold stamping mold design experience, design the hot stamping mold of AFF with CATIA. According to surface characteristics of AFF, design the cooling system with the method of a combination of cavity-type and drilling-type. And make its strength meet the requirements.

　　In accordance with the principle of fluid dynamics, combined with the theory of con-jugate heat transfer, build the finite element simulation model. Under the multi-process cycle conditions, do the numerical simulation of the AFF in the holding pressure quench-ing stage. Through simulation analysis, verify the rationality of the mold and cooling system design. Analyze the influence of the cooling water velocity, holding pressure, holding time, process cycle times to the temperature of the mold and cooling e?ect. De-termine the reasonable parameters of AFF hot stamping.

　　The studies show that the water velocity, holding pressure, holding time should be not be less than 5 m/s, 30 MPa, 10 s during AFF hot stamping process. And after five process cycle, the mold temperature tends to stabilization.

　　Keywords: Automotive front floor, hot stamping, cooling system, conjugate heat transfer,Simulation Analysis

　　在全球化变暖、能源危机的今天，如何在提高汽车安全性能的同时降低油耗、减少温室气体的排放、节约钢材已经成为汽车行业亟待解决的焦点问题。汽车节能减排的方法有很多种，例如新能源的使用、发动机效率的提高以及车身轻量化等。有关研究数据表明，汽车的质量每减重1%，可节油1%；运动部件每减重1%，可节油2%[1]。由此可见，减轻车身重量是实现汽车节能减排的有效手段。除优化汽车结构、调整零部件的尺寸和数量、最大限度地降低零部件的重量来实现汽车的轻量化之外，采用轻量化材料代替低强度钢材是实现汽车轻量化的另一有效途径。汽车发展至今已经有180多年的历史，汽车结构及零部件的尺寸和数量已经基本成型，对汽车结构和零部件的改进比较困难，相比而言，采用轻量化材料更容易实现汽车的轻量化，更容易满足不同的需求。

　　热冲压成形的出现很好地解决了上述问题。钢板在高温下变形抗力急剧降低，若对高温下的高强钢板进行成形并淬火处理，即可以应用较小的载荷获得抗拉强度高于1500 MPa的高强度冲压件。

　　热冲压成形技术虽然只有三十多年的发展[4]，但目前该技术已经被汽车行业大范围采用，用于生产具有高比强度的汽车金属零件。汽车通过使用热冲压成形的高强度钢减轻自重，不仅在保证汽车的使用性能和碰撞性能的前提下，使车体的弯曲刚度和扭转刚度都得到显着提高，甚至使这些性能在轻量化的同时还有所提高，而且可以降低油耗，改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能，同时还可以降低部件振动和噪声，提高舒适性和元器件的耐久性[5]。所以，高强度钢越来越受到汽车制造商的关注。因此，设计合理的热冲压成形模具，尤其是其冷却系统，分析传热过程，优化冷却回路，对高强度钢的进一步发展起到至关重要的作用。

　　热冲压成形工艺是将钢板加热至奥氏体化温度范围，待钢板组织完全变成奥氏体后，快速移动到模具中进行成形的新型成形工艺[6]。在压机保压状态下，通过模具中布置的冷却水路使成形件冷却速度达到一定范围（以22MnB5硼合金钢为例，钢板在冲压、保压过程中温度要以27?C/s 以上的速度冷却[7]），从而生成马氏体组织，最终获得超高强度冲压件（抗拉强度可达到1.5 GPa，甚至更高）。

　　热冲压成形工艺作为一种新兴的板材成形工艺，是解决高强钢板、超高强钢板室温起皱、破裂等缺陷的有效途径，具有广阔的应用前景。热冲压成形模具冷却系统的设计是该技术的核心之一，合理地设计冷却系统，使其在热冲压生产线达到预期的冷却效果，对热冲压工艺的发展，尤其对该技术在汽车覆盖件成形中的应用显得更为重要。由于国外的技术封锁，国内的研究起步较晚，虽然国内各大科研院所和高校进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，但在连续加热炉技术、热冲压模具设计、模具制造方式和能耗等方面存在很多的问题亟待解决。为扩展热冲压成形技术在工程中的应用，以汽车覆盖件——汽车前地板为研究对象，设计型腔式冷却方式的热冲压成形模具，并对生产节拍下模具的冷却效果进行仿真，分析研究型腔式冷却方式热冲压成形模具的工作特点，研究各工艺参数对热冲压成形的影响规律。

　　汽车前地板热冲压成形模具设计：

CFX-PRE中凸、凹模具初始设置示意图

第五工艺循环不同水流速度对凸模的温度云图

 
第五工艺循环不同水流速度对凹模的温度云图

截面位置示意图

凸、凹模具纵向截面的温度云图

第五工艺循环凸模在不同保压力下的温度场云图

第五工艺循环凹模在不同保压力下的温度场云图

凸凹模具的横向截面示意图

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第1章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 热冲压成形工艺
　　　　1.3 热冲压成形的国内外研究现状
　　　　　　1.3.1 国外研究现状
　　　　　　1.3.2 国内研究现状
　　　　1.4 课题意义及主要研究内容
　　　　　　1.4.1 研究对象
　　　　　　1.4.2 课题意义
　　　　　　1.4.3 主要研究内容
　　第2章 热冲压成形理论研究
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 热冲压成形中相变过程
　　　　2.3 热冲压成形过程中的共轭传热理论
　　　　　　2.3.1 热冲压过程的传热途径
　　　　　　2.3.2 换热系数的计算
　　　　　　2.3.3 共轭传热数值计算
　　　　2.4 接触热阻
　　　　2.5 本章小结
　　第3章 汽车前地板的热冲压成形模具设计
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 汽车前地板热冲压成形模具的结构设计
　　　　　　3.2.1 热冲压成形模具材料的选择
　　　　　　3.2.2 冲压方向的确定
　　　　　　3.2.3 前地板的热冲压成形模具总体结构设计
　　　　3.3 前地板热冲压成形模具冷却系统的设计
　　　　　　3.3.1 模具内冷却系统结构方案的选择
　　　　　　3.3.2 模具冷却水流量计算及水管的设计
　　　　　　3.3.3 模具钻孔式冷却系统设计
　　　　　　3.3.4 模具型腔式冷却系统的设计
　　　　3.4 热冲压成形模具的强度校核
　　　　3.5 热冲压成形模具冷却系统的合理性分析
　　　　3.6 本章小结
　　第4章 模具冷却系统的共轭传热数值模拟分析
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 模拟工具的选择
　　　　4.3 有限元模型的建立及网格划分
　　　　　　4.3.1 有限元模型的建立
　　　　　　4.3.2 有限元网格划分
　　　　4.4 流动模型的选择
　　　　4.5 接触热阻的处理
　　　　4.6 多工艺循环共轭传热数值模拟
　　　　4.7 CFX前处理
　　　　　　4.7.1 材料属性的设置
　　　　　　4.7.2 初始条件的设置
　　　　　　4.7.3 边界条件的设置
　　　　4.8 共轭传热数值模拟分析
　　　　　　4.8.1 水流速度对模具、板料温度分布的影响
　　　　　　4.8.2 保压力对模具、板材成形温度分布的影响
　　　　　　4.8.3 保压时间对板料温度分布的影响
　　　　　　4.8.4 工艺循环对模具、板料温度分布的影响
　　　　　　4.8.5 多种工艺参数对板料温度影响的对比分析
　　　　4.9 板料的冷却速率分析
　　　　4.10 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明