热成形模具热平衡分析及冷却系统设计优化

【摘要】：热冲压成形技术，是利用金属热塑性成形的原理，能够在成形的同时实现对板料的淬火热处理，提高材料的成形性能，大大扩展了高强度超高强度钢在汽车零件的应用范围。但由于热冲压成形和传统冷冲压成形机理上的差异，板料的机械性能和成形性能以及具体工艺参数的制定都必须建立在对热冲过程中钢板温度场分布的了解和研究基础上。因此研究热成形模具的热平衡状态并设计优化其冷却系统，对其在汽车工业中的应用具有十分重要的意义。 本文在对Usibor 1500型超高强度硼钢板材料性能的试验性研究和利用热冲压成形工艺加工U型制件的工艺性研究基础上，采用解析法分析、计算机数值模拟和实验相结合的方法进行研究。提出热冲压模具冷却系统的设计准则并完成初步设计，在此基础上总结出冷却系统的重要参数并分析其对冷却效果的影响规律。以钢板为研究对象，运用解析法和数值模拟法建立数学模型，分析三种不同边界条件下钢板温度变化规律，得出热冲成形过程中钢板温度随时间按照指数规律变化的结论，并得到试验初步验证。同时展开热冲压模具传热机理的研究，分析竖直水平两个方向上钢板温度场分布以及最大温差点位置分布情况，并对凹模温度场的分布作了初步分析。通过实验性研究，分析试验所得试件的机械强度以及尺寸精度，验证冷却系统的有效性和合理性；同时展开了针对水流速度对冷却效果的影响规律以及钢板温度随时间变化规律的实验性研究。在以上研究结果基础上提出速度临界值的概念，分析水流速度在临界点两侧对模具换热的不同影响，为模具冷却系统的工程设计提供了理论支持。