門檻加強梁熱沖模冷卻水道數值模擬及參數優化

張 靖，蔡振權，陳王海，鄭東旭，劉永躍

（寧波合力科技股份有限公司，浙江 寧波 315700）

0 引言

鋼板熱沖壓是近30年來發展的先進成形技術，成形后的沖壓件抗拉強度可達到1 500 MPa，相比超高強鋼零件冷沖壓，熱沖壓有明顯的技術優勢，不僅能提高零件的沖壓成形性，還能控制回彈及提高零件成形尺寸精度，降低沖壓設備所需的壓力。熱沖壓技術具有成形零件輕量化的優勢，在汽車行業得到廣泛應用。

熱沖壓生產過程中，模具冷卻效率影響成形后零件的力學性能和生產效率[1-2]。熱沖模冷卻水道的設計決定了模具冷卻效率，目前主流的冷卻水道是鉆孔式，即加工直通式水道。熱沖模冷卻水道設計的主要參數為水道直徑、水道與水道間距、水道與工作表面的距離。通過正交試驗的方法，可以考察這3 項參數對冷卻效果的影響，再結合實際生產的成本因素，可獲得熱沖模水道的優選方案[3-5]。

1 門檻加強梁模具冷卻水道模型

門檻加強梁是典型安全結構件，是常見的高強鋼熱沖壓零件，原材料一般采用B1500HS，可通過模具內熱成形快速實現奧氏體向馬氏體轉化，熱成形強化效果顯著。門檻加強梁截面均勻規整，零件厚度為1～1.8 mm，長度為1.0～1.5 m，寬度約200 mm，適合進行熱成形模冷卻系統優化研究。

選擇門檻加強梁零件作為研究對象，并對其模具細節特征進行簡化，模具鑲件總長為1 500 mm，共劃分為5個鑲塊，采用直通式水道，水流從鑲塊端部進入相鄰鑲塊，鑲塊與鑲塊之間有密封圈防漏，鑲塊下方為安裝墊板，鑲塊的水道通過墊板上的集水盒匯集，進出水口分別設置在安裝墊板上，如圖1所示。

圖1 門檻加強梁模具水道示意圖

2 基于正交試驗法的有限元分析

2.1 有限元模型建立

建立的門檻加強梁模具內部直通水流場模型如圖2 所示，沿模具零件的工作表面均勻設置15 根冷卻水道，水道的直徑、水道間的間距、水道距離工作表面的距離根據試驗條件進行調整。水道兩端由豎直水管連接，匯集后連通進出水口。

圖2 模具水流場模型

對水流場模型進行六面體網格劃分，綜合考慮計算精度和效率，設置網格的精度為6級，最大尺寸為10 mm，對水道附近網格進行3 級細化，以提高仿真結果的可靠性，最小網格尺寸為1.25 mm，如圖3所示。

圖3 有限元網格劃分

模具零件材料選用優質熱作模具鋼H13（即4Cr5MoSiV1），密度為7 860 kg/m3，比熱容為400 J/（kg·K），熱導率為25 W/（m·K）。冷卻介質為水，定義熱沖模和冷卻水的初始溫度為20 ℃。

板料成形淬火時，板料的熱量大部分由模具吸收，而模具的熱量則由循環的冷卻水帶走。冷卻水與模具之間為對流換熱，產生的熱流量為Q，其計算公式為：

其中，A為水道壁表面積，mm2；Tω為模具水道表面的溫度，℃；T∞為冷卻水的溫度，℃；h為對流換熱系數。

現主要考察不同冷卻水道參數對模具冷卻效果的影響，在模具的工作表面設置功率恒定的熱源，熱源功率為200 000 W/m2，給定邊界條件為入口壓力0.6 MPa，出口壓力為標準大氣壓，約0.1 MPa，水流速度和流量由系統計算獲得。

2.2 有限元模型初始計算結果

圖4 所示為初始計算結果的截面溫度場，在當前參數條件下的計算結果表明，因為熱傳導的影響，高溫區集中在模具的工作表面，冷卻水道能阻止熱量傳遞到模具的心部。模具工作表面平直區域及凹角區域溫度均勻，而模具凸角處溫度較高，較平面區域約高30 ℃。

圖4 模具零件截面溫度場分布

在模具零件截面上平面區域，每間隔10 mm 測量模具溫度，獲得的溫度曲線如圖5所示，表面距離水道越近的位置，模具表面溫度也越低。為方便評估冷卻效果，后續優化計算中采用上平面溫度平均值作為評價指標。

圖5 模具截面上平面的溫度分布線

2.3 正交試驗設計

熱沖壓常使用的水道直徑D為φ6、φ8、φ10 mm，水道壁之間的間距L一般為6～10 mm；水道壁距離工作表面的距離H一般為6～10 mm，如圖6所示。

圖6 水道各參數示意圖

冷卻系統模擬設計三因素三水平的正交試驗，如表1所示，正交試驗方案如表2所示。

表1 冷卻水道參數和水平設計 mm

表2 正交試驗方案 mm

3 數值模擬結果分析

按正交試驗方案進行數值模擬，模擬結果如圖7～圖15所示。

圖7 試驗編號1數值模擬結果

圖8 試驗編號2數值模擬結果

圖9 試驗編號3數值模擬結果

圖10 試驗編號4數值模擬結果

圖11 試驗編號5數值模擬結果

圖12 試驗編號6數值模擬結果

圖13 試驗編號7數值模擬結果

圖14 試驗編號8數值模擬結果

圖15 試驗編號9數值模擬結果

正交試驗分析結果如表3 所示，對試驗數據進行整理，取上平面的平均溫度T作為考察指標，進行正交試驗差方分析，其中K1、K2、K3分別為各對應列（因子）上1、2、3 水平效應的估算值，其計算式：K1i（K2i，K3i）=第i列上對應水平1（2，3）的數據和。k1為水平1數據的綜合平均值=K1/水平1的重復次數。R為極差，表明因子對結果的影響幅度。

表3 正交試驗結果分析

從冷卻效果的指標來看，模具冷卻水道的最優組合：水道直徑φ8 mm，水道間距6 mm，水道距離工作表面距離6 mm。經試驗結果分析，得出以下結論：冷卻水道與工作表面的距離對冷卻效果影響顯著。水道距離表面越近，冷卻效果越好；水道直徑對冷卻效果的影響不大，從趨勢上看，水道直徑對冷卻效果的影響趨勢呈V 形曲線，水道直徑φ8 mm最佳；水道間距越小，冷卻效果越好，但影響不顯著。

4 熱沖模冷卻水道優化建議

（1）僅考慮冷卻效果的指標，模具冷卻水道的最優組合：水道直徑φ8 mm，水道間距6 mm，水道距離工作表面距離6 mm。

（2）冷卻水道直徑對冷卻效果影響不顯著，但是對加工成本影響顯著，φ10 mm 水道比φ6、φ8 mm的孔更方便加工，選擇φ10 mm孔徑為成本最優。

（3）水道間距對冷卻效果影響不顯著，但是對加工成本影響顯著，選擇10 mm水道間距為最優。

（4）水道與工作表面的距離對冷卻效果影響顯著，但對流量、應力、加工成本影響不顯著，僅從冷卻效果來看，水道距離工作表面6 mm 是最優；綜合實際模具使用壽命、尺寸調整、模具修復等因素，選擇水道距離工作表面9 mm為最優設計值。

綜合考慮冷卻效果和生產制造的經濟性，常規熱沖模冷卻水道的最優選擇：水道直徑φ10 mm、水道間距10 mm、水道距離工作表面9 mm；對于類似補丁板等需要局部加快冷卻的情況，可以考慮縮小冷卻水道與工作表面的距離。

5 結束語

建立熱沖模冷卻系統流場和溫度場的有限元模型，利用模擬軟件結合正交試驗設計方法，可以得到高強鋼熱成形過程中溫度場分布狀態，設計熱沖模的最佳冷卻效果的冷卻水道。熱沖模冷卻水道在實際設計時，還需考慮加工成本、模具使用壽命、凹模尺寸預留調整空間、模具修復等綜合因素，平衡考慮，才可以得到熱沖模冷卻系統的最優設計方案。