门槛加强梁热冲模冷却水道数值模拟及参数优化

张 靖，蔡振权，陈王海，郑东旭，刘永跃

（宁波合力科技股份有限公司，浙江 宁波 315700）

0 引言

钢板热冲压是近30年来发展的先进成形技术，成形后的冲压件抗拉强度可达到1 500 MPa，相比超高强钢零件冷冲压，热冲压有明显的技术优势，不仅能提高零件的冲压成形性，还能控制回弹及提高零件成形尺寸精度，降低冲压设备所需的压力。热冲压技术具有成形零件轻量化的优势，在汽车行业得到广泛应用。

热冲压生产过程中，模具冷却效率影响成形后零件的力学性能和生产效率[1-2]。热冲模冷却水道的设计决定了模具冷却效率，目前主流的冷却水道是钻孔式，即加工直通式水道。热冲模冷却水道设计的主要参数为水道直径、水道与水道间距、水道与工作表面的距离。通过正交试验的方法，可以考察这3 项参数对冷却效果的影响，再结合实际生产的成本因素，可获得热冲模水道的优选方案[3-5]。

1 门槛加强梁模具冷却水道模型

门槛加强梁是典型安全结构件，是常见的高强钢热冲压零件，原材料一般采用B1500HS，可通过模具内热成形快速实现奥氏体向马氏体转化，热成形强化效果显著。门槛加强梁截面均匀规整，零件厚度为1～1.8 mm，长度为1.0～1.5 m，宽度约200 mm，适合进行热成形模冷却系统优化研究。

选择门槛加强梁零件作为研究对象，并对其模具细节特征进行简化，模具镶件总长为1 500 mm，共划分为5个镶块，采用直通式水道，水流从镶块端部进入相邻镶块，镶块与镶块之间有密封圈防漏，镶块下方为安装垫板，镶块的水道通过垫板上的集水盒汇集，进出水口分别设置在安装垫板上，如图1所示。

图1 门槛加强梁模具水道示意图

2 基于正交试验法的有限元分析

2.1 有限元模型建立

建立的门槛加强梁模具内部直通水流场模型如图2 所示，沿模具零件的工作表面均匀设置15 根冷却水道，水道的直径、水道间的间距、水道距离工作表面的距离根据试验条件进行调整。水道两端由竖直水管连接，汇集后连通进出水口。

图2 模具水流场模型

对水流场模型进行六面体网格划分，综合考虑计算精度和效率，设置网格的精度为6级，最大尺寸为10 mm，对水道附近网格进行3 级细化，以提高仿真结果的可靠性，最小网格尺寸为1.25 mm，如图3所示。

图3 有限元网格划分

模具零件材料选用优质热作模具钢H13（即4Cr5MoSiV1），密度为7 860 kg/m3，比热容为400 J/（kg·K），热导率为25 W/（m·K）。冷却介质为水，定义热冲模和冷却水的初始温度为20 ℃。

板料成形淬火时，板料的热量大部分由模具吸收，而模具的热量则由循环的冷却水带走。冷却水与模具之间为对流换热，产生的热流量为Q，其计算公式为：

其中，A为水道壁表面积，mm2；Tω为模具水道表面的温度，℃；T∞为冷却水的温度，℃；h为对流换热系数。

现主要考察不同冷却水道参数对模具冷却效果的影响，在模具的工作表面设置功率恒定的热源，热源功率为200 000 W/m2，给定边界条件为入口压力0.6 MPa，出口压力为标准大气压，约0.1 MPa，水流速度和流量由系统计算获得。

2.2 有限元模型初始计算结果

图4 所示为初始计算结果的截面温度场，在当前参数条件下的计算结果表明，因为热传导的影响，高温区集中在模具的工作表面，冷却水道能阻止热量传递到模具的心部。模具工作表面平直区域及凹角区域温度均匀，而模具凸角处温度较高，较平面区域约高30 ℃。

图4 模具零件截面温度场分布

在模具零件截面上平面区域，每间隔10 mm 测量模具温度，获得的温度曲线如图5所示，表面距离水道越近的位置，模具表面温度也越低。为方便评估冷却效果，后续优化计算中采用上平面温度平均值作为评价指标。

图5 模具截面上平面的温度分布线

2.3 正交试验设计

热冲压常使用的水道直径D为φ6、φ8、φ10 mm，水道壁之间的间距L一般为6～10 mm；水道壁距离工作表面的距离H一般为6～10 mm，如图6所示。

图6 水道各参数示意图

冷却系统模拟设计三因素三水平的正交试验，如表1所示，正交试验方案如表2所示。

表1 冷却水道参数和水平设计 mm

表2 正交试验方案 mm

3 数值模拟结果分析

按正交试验方案进行数值模拟，模拟结果如图7～图15所示。

图7 试验编号1数值模拟结果

图8 试验编号2数值模拟结果

图9 试验编号3数值模拟结果

图10 试验编号4数值模拟结果

图11 试验编号5数值模拟结果

图12 试验编号6数值模拟结果

图13 试验编号7数值模拟结果

图14 试验编号8数值模拟结果

图15 试验编号9数值模拟结果

正交试验分析结果如表3 所示，对试验数据进行整理，取上平面的平均温度T作为考察指标，进行正交试验差方分析，其中K1、K2、K3分别为各对应列（因子）上1、2、3 水平效应的估算值，其计算式：K1i（K2i，K3i）=第i列上对应水平1（2，3）的数据和。k1为水平1数据的综合平均值=K1/水平1的重复次数。R为极差，表明因子对结果的影响幅度。

表3 正交试验结果分析

从冷却效果的指标来看，模具冷却水道的最优组合：水道直径φ8 mm，水道间距6 mm，水道距离工作表面距离6 mm。经试验结果分析，得出以下结论：冷却水道与工作表面的距离对冷却效果影响显著。水道距离表面越近，冷却效果越好；水道直径对冷却效果的影响不大，从趋势上看，水道直径对冷却效果的影响趋势呈V 形曲线，水道直径φ8 mm最佳；水道间距越小，冷却效果越好，但影响不显著。

4 热冲模冷却水道优化建议

（1）仅考虑冷却效果的指标，模具冷却水道的最优组合：水道直径φ8 mm，水道间距6 mm，水道距离工作表面距离6 mm。

（2）冷却水道直径对冷却效果影响不显著，但是对加工成本影响显著，φ10 mm 水道比φ6、φ8 mm的孔更方便加工，选择φ10 mm孔径为成本最优。

（3）水道间距对冷却效果影响不显著，但是对加工成本影响显著，选择10 mm水道间距为最优。

（4）水道与工作表面的距离对冷却效果影响显著，但对流量、应力、加工成本影响不显著，仅从冷却效果来看，水道距离工作表面6 mm 是最优；综合实际模具使用寿命、尺寸调整、模具修复等因素，选择水道距离工作表面9 mm为最优设计值。

综合考虑冷却效果和生产制造的经济性，常规热冲模冷却水道的最优选择：水道直径φ10 mm、水道间距10 mm、水道距离工作表面9 mm；对于类似补丁板等需要局部加快冷却的情况，可以考虑缩小冷却水道与工作表面的距离。

5 结束语

建立热冲模冷却系统流场和温度场的有限元模型，利用模拟软件结合正交试验设计方法，可以得到高强钢热成形过程中温度场分布状态，设计热冲模的最佳冷却效果的冷却水道。热冲模冷却水道在实际设计时，还需考虑加工成本、模具使用寿命、凹模尺寸预留调整空间、模具修复等综合因素，平衡考虑，才可以得到热冲模冷却系统的最优设计方案。