汽車制造連續(xù)高速沖壓模具高效散熱數(shù)值模擬研究

摘要：針對汽車鈑金沖壓制造工藝中金屬件與模具連續(xù)累積熱效應影響產(chǎn)品性能和沖壓質(zhì)量的關鍵問題，文章進行了連續(xù)高速沖壓模具高效散熱數(shù)值模擬研究，建立了流-熱耦合三維矩形通道流動傳熱數(shù)值模型，并分析了無量綱壓差/壓損、無量綱湍動能及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等動態(tài)參數(shù)隨無量綱長度變化的規(guī)律。結(jié)果顯示，最高溫度點出現(xiàn)在模具與板料界面且靠近中軸線處，最高熱點溫度達到309 K；局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流向先升后降，在無量綱長度為3左右時達到峰值2 700 W/（m2K） ，并且湍動能擾動越劇烈，換熱強度越大。研究證實了主動冷卻的高效性。

關鍵詞：高效散熱；主動冷卻；高速沖壓模具；流動傳熱；數(shù)值模擬

中圖分類號：B60" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0108-05

0 引言

先進高強度鋼具有較高的強度級別，在冷成形過程中，模具和板料接觸界面會產(chǎn)生較大的接觸應力及溫升，并且隨周期性高速生產(chǎn)累積，易導致模具磨損或板料表面損傷，成為高強度鋼在冷沖壓工藝應用中的關鍵技術(shù)難點。國內(nèi)外對此進行了深入研究，包括冷沖壓工藝、熱-力學有限元模型、摩擦和變形行為、環(huán)境溫度控制及冷卻散熱等方面。國外研究如Nielsen等［1］揭示了不銹鋼工業(yè)薄板成形中界面溫度可高達220 ℃，遠超潤滑劑臨界溫度；Kim等［2］通過有限元分析和摩擦試驗，研究了特定模具材料和涂層組合對鍍鋅汽車結(jié)構(gòu)件沖壓中潤滑劑失效和擦傷的臨界界面壓力和溫度；Pereira等［3］的實驗研究表明，毛坯和模具材料溫度可分別達108 ℃和181 ℃，摩擦和變形共同導致溫度峰值；Choi等［4-5］實測了沖壓過程溫度分布，驗證了熱-力學有限元模型，并分析了摩擦系數(shù)和環(huán)境溫度等對熱變形的影響。在國內(nèi)，Jiang等［6］提出了穩(wěn)態(tài)溫度場下“U”形沖壓件回彈行為的有限元預測模型，研究了溫度與應力分布的作用關系；Hou等［7］和顧新建等［8］采用有限元模擬了DP590鋼板冷沖壓過程，分析了材料性能、拉伸速度和摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)對冷沖壓界面溫度的影響；李貴等［9-10］分析了沖壓摩擦的形成機理，總結(jié)了摩擦副特性、沖壓工藝參數(shù)、界面接觸狀態(tài)等方面的影響因素和模型；Wang等［11］研究了上模溫度對AZ31B鎂合金板材沖壓成形性能的影響，結(jié)果表明上模溫度與成形性正相關。此外，還有學者開展了熱力耦合沖壓研究，考慮了變形熱和摩擦熱效應［12-13］。本文針對冷沖壓工藝，提出沖壓模具高效冷卻方法，明確了主動冷卻的散熱性能，對克服汽車關鍵零部件高速連續(xù)沖壓工藝中的熱力效應具有重要意義。

1 沖壓工藝基礎

1.1 冷沖壓工藝

冷沖壓工藝是航空航天、電子、汽車、農(nóng)業(yè)機械及輕工等國防及民用工業(yè)中的重要加工技術(shù)。該工藝在常溫下，利用沖壓設備和沖模，通過施加外部壓力，使不同規(guī)格的板料或坯料在模具之間進行非線性滑動接觸，從而實現(xiàn)塑性永久變形和材料流動分離，最終制得所需形狀、尺寸和性能的零件。冷沖工藝具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、操作簡便、易于機械化與自動化、成本低且節(jié)省能耗等優(yōu)勢。

1.2 沖壓基本工序

沖壓基本工序分為分離和成形兩類。分離工序是在沖壓過程中，按特定輪廓線將沖壓件與板料分離，包括落料、沖孔、切斷、切邊及剖切等；成形工序則在不破壞材料完整性的前提下，通過塑性變形將其轉(zhuǎn)化為所需形狀，包括彎曲、拉伸、翻邊、翻孔、漲形、擴孔、縮孔及壓印等。本文以某冷沖壓生產(chǎn)線為研究對象，其工藝流程見圖1，流程依據(jù)加工要求設計為5個處理工序（P1～P5），涉及落料、拉延、修邊、翻邊、沖孔、剖切等工藝環(huán)節(jié)。

冷沖模是冷沖壓加工的重要工藝設備，其使用壽命決定了產(chǎn)品加工的經(jīng)濟性和效益。模具長期處于高溫、高速、高摩擦及腐蝕性的工作環(huán)境中，沖壓生產(chǎn)工藝及模具設計、模具材料（如冷熱疲勞抗力）均會受到影響。因此，合理設計冷沖壓模具結(jié)構(gòu)、妥善使用與維護模具、確保良好的潤滑條件，是延長模具使用壽命的必要條件。此外，在連續(xù)快速的冷沖壓過程中，零件與板料之間因摩擦產(chǎn)生熱累計效應，這也是影響產(chǎn)品加工的重要因素。

2 數(shù)學物理模型

采用Ansys AIM 19.1有限元分析軟件進行模擬計算，針對冷卻介質(zhì)水為連續(xù)相湍流的情況，選用能量方程、湍流標準k-ε模型及輻射DO模型作為數(shù)學模型。當質(zhì)量、動量、能量等相關量的殘差量級降至10-6時，判定計算達到收斂標準。沖壓模具高效散熱冷卻通道物理結(jié)構(gòu)示意圖和參數(shù)表分別見圖2和表1。

設計工況條件表見表2。熱側(cè)熱載荷設定為冷卻通道上界面的恒定熱流密度邊界，值為1 476 W/m2，采用coupled換熱模式；冷卻側(cè)入口條件包括恒定速度（0.5～4 m/s）和溫度范圍（274.15～308.15K）；冷卻側(cè)出口設定為定壓出口，壓力為1個大氣壓。所有壁面均設置為無滑移、恒定粗糙度，其中左右側(cè)面和底面為絕熱壁面。重力加速度為9.8 kg/（m·s2），方向沿y軸負向豎直向下。

鑒于沖壓模具高效散熱冷卻通道內(nèi)部管道的結(jié)構(gòu)布局及其對稱特性，將其物理結(jié)構(gòu)簡化為單一熱源均勻加熱的矩形管道，并構(gòu)建熱力耦合數(shù)值仿真一體化三維模型。采用ICEM CFD 19.1軟件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（見圖3），并對壁面區(qū)域進行邊界層局部加密處理。為確保計算精度，進行網(wǎng)格的獨立性實驗驗證（見圖4），結(jié)果顯示，當體積單元網(wǎng)格數(shù)量達到16 929個時，滿足獨立性要求，并且溫度偏差小于0.01%。

3 結(jié)果及分析

基于所構(gòu)建的流-熱耦合數(shù)值仿真一體化三維模型，進行了包含附加冷卻及模具冷卻通道的優(yōu)化仿真分析，獲得了溫度場、壓力場及速度場的定量數(shù)據(jù)，并揭示了無量綱壓差/壓損、無量綱湍動能、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等動態(tài)參數(shù)隨無量綱長度變化的規(guī)律。

3.1 多維物理場定量描述

3.1.1 溫度場定量描述

圖5為考慮摩擦熱效應的汽車制造連續(xù)高速沖壓模具高效散熱冷卻通道內(nèi)冷卻介質(zhì)的溫度場分布云圖。最高溫度點出現(xiàn)在模具與板料界面且接近中軸線處，與試驗結(jié)果相符。模具最高溫度為309 K，冷卻介質(zhì)最高溫度為308.4 K，確保了模具溫度相對穩(wěn)定，防止零件產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3.1.2 壓力場定量描述

壓力場云圖見圖6，流道內(nèi)流體壓力沿流動方向逐漸降低，整體壓差為1 021.6 Pa，這是由于沿程阻力損失導致；在同一截面，流場壓力基本保持一致。

3.1.3 速度場定量描述

圖7為速度場云圖，速度場呈軸對稱或中心對稱，流道中軸線附近流速較快，中心區(qū)域等速線呈橢圓形，并逐漸向流道邊界轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦?。在均勻來流條件下，受黏性力影響，出口流速為0.28～0.63 m/s，速度變化幅度達到45%。

3.2 流動及傳熱特性

為了得到普適性規(guī)律（變化趨勢），定義了以下4個無量綱參數(shù)：①無量綱壓差，即壓差與一個大氣壓力的比值（[Δ]P/P0）。②無量綱長度，即管長與水力直徑的比值（L/d）。③無量綱湍動能，即湍動能與冷卻介質(zhì)入口流速平方的比值（k/u2）。④無量綱壁面溫度，即壁面溫度與環(huán)境溫度的比值（T/T0）。

3.2.1 流動特性

圖8為冷卻介質(zhì)側(cè)無量綱壓差/壓損沿流向的分布情況?？傮w上，無量綱壓差沿流向呈現(xiàn)近似的線性降低趨勢（或反比例函數(shù)變化趨勢），主要受沿程阻力損失影響；入口處壓差最大，無量綱壓差值為0.01。

3.2.2 湍動能分析

管內(nèi)冷卻介質(zhì)的擾動程度可以用湍動能（k）表示，其計算公式如下：

[k=32UI2] ，" " " " " nbsp; " " " " " " "（1）

其中：U表示平均速度，m/s；I表示湍流強度，%。

圖9為冷卻介質(zhì)側(cè)無量綱湍動能沿流向的分布情況。總體上，無量綱湍動能沿流向先降低后升高，并最終趨于穩(wěn)定值。入口處曲線變化幅度較大，受入口效應影響明顯，該效應在無量綱長度約60時基本消失。入口處無量綱湍動能最大值為0.003 75，隨后降至0.001 3，降幅達65.33%。谷底出現(xiàn)在無量綱長度約10處。當無量綱長度達到67左右時，冷卻介質(zhì)進入充分發(fā)展階段，流體擾動加劇，無量綱湍動能接近穩(wěn)定狀態(tài)，表明管內(nèi)湍動能分布較均勻。

3.2.3 傳熱特性

圖10為冷卻介質(zhì)側(cè)無量綱壁面溫度沿流向的分布情況?？傮w上，無量綱壁面溫度沿流向呈上升趨勢。在無量綱長度約為25時，無量綱壁面溫度呈現(xiàn)近似線性增長（或正比例函數(shù)增長）。在無量綱長度約為18處，因入口效應出現(xiàn)短暫的凸起。曲線谷底位于入口附近，此處壁面溫度驟升，略高于環(huán)境溫度。當無量綱長度達到251左右時，壁面溫度達到峰值，與環(huán)境溫差最大，換熱過程較為劇烈，為熱流集中且易發(fā)生傳熱惡化的區(qū)域。管道出口上壁面溫度驟降，與管道內(nèi)部的回流現(xiàn)象相關。

圖11為冷卻介質(zhì)側(cè)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流向的分布情況?？傮w上，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流向呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，在1 970 ～2 700 W/（m2K）區(qū)間波動。在無量綱長度約為25處，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈反比例函數(shù)變化趨勢。無量綱長度在3和23處出現(xiàn)短暫凸起，主要受入口效應影響。曲線谷底位于出口附近。值得注意的是，在無量綱長度為3前后，壁面溫度達到峰值，與湍動能存在一定的對應關系，即流體擾動越劇烈，換熱強度越大。

4 結(jié)論

本文針對汽車制造中的連續(xù)高速沖壓模具，構(gòu)建了高效散熱冷卻過程的流動與傳熱數(shù)學模型。模型中，冷卻介質(zhì)被視為連續(xù)相，通過對模型進行數(shù)值求解，在給定工況下獲得了沿流向的穩(wěn)態(tài)流動與傳熱特性，主要結(jié)論如下。

（1）最高溫度點出現(xiàn)在模具與板料界面且近中軸線處，模具最高溫度為309" K，冷卻介質(zhì)最高溫度為308.4 K。在設計的主動冷卻結(jié)構(gòu)條件下，模具溫度能夠保持基本不變，有效防止了零件的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（2）局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流向先增后減，波動范圍為1 970 ～2 700 W/（m2K）。在無量綱長度約為3的位置，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)達到峰值。當湍動能擾動增強時，換熱強度增大。

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*廣西重點研發(fā)計劃項目“基于熱力耦合效應的連續(xù)高速沖壓模具高效散熱設計及其工業(yè)示范”（AB22035044）；國家青年科學基金項目“火箭發(fā)動機再生冷卻的甲烷跨臨界流動傳熱機理研究”（52406118）。

【作者簡介】姚遠，女，湖南沅江人，碩士，工程師，研究方向：飛行器熱防護、多相流動及傳熱傳質(zhì)；賓峰，男，廣西來賓人，博士，副研究員，研究方向：催化燃燒與污染物控制；韋旺華（通信作者），男，廣西來賓人，本科，高級工程師，研究方向：沖壓技術(shù)及模具開發(fā)。

【引用本文】姚遠，賓峰，韋旺華.汽車制造連續(xù)高速沖壓模具高效散熱數(shù)值模擬研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：108-112.