壓力對熱沖壓界面換熱系數的影響范文

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《上海交通大學學報》2015年第十期

隨著汽車工業的發展，人們對汽車安全性和節能性的要求越來越高．因高強度鋼板經過熱沖壓后具有較高的比強度而受到廣泛關注．由于熱沖壓過程涉及熱力相三場耦合，故比冷沖壓成形復雜得多．在熱沖壓成形過程中，板料與模具的熱交換過程對零件內部的溫度場和應力－應變場以及相變都有很大的影響［1］，因此，獲得準確的換熱系數對于獲得高質量的成形件和對其進行準確模擬至關重要．近年來，針對材料的熱交換特性已進行了一些研究．例如：Tondini等［2］通過反分析模型并結合傳熱模擬研究了不同壓力下材料的換熱系數，得到了換熱系數與壓力的變化關系；Bai等［3］將板料與模具之間的傳熱簡化為一維傳熱過程，并用一種封閉式算法分析換熱系數，得出了不同壓力和表面粗糙度下的換熱系數；Merklein等［4］運用牛頓冷卻定律研究了不同的溫度和壓力下的界面換熱系數；Ding等［5］研究了真空和低溫狀態下不銹鋼之間的熱交換；朱智等［6］和邢磊等［7］運用自制實驗裝置研究了多種合金與模具的瞬態接觸換熱系數的變化情況．但是，這些研究大多是通過溫度、壓力和表面粗糙度等因素的影響來研究換熱系數的變化，而很少考慮板料的氧化作用．在實際熱沖壓的生產過程中，鋼板的氧化很難避免，即使表面涂覆防氧化涂層也無法完全避免氧化的產生［8］．Hua等［8］和常穎等［9］研究發現，22MnB5硼鋼板的氧化作用可使其換熱系數減小，但其中未分析壓力增加時鋼板氧化皮的破裂作用對其換熱系數的影響．鑒于此，本文以常用熱沖壓材料BR1500HS高強度鋼和5CrMnMo模具鋼為研究對象，測定不同保溫時間下的板料氧化皮厚度，建立保溫時間與氧化皮厚度的關系，依據工業生產的條件，利用自制實驗裝置測定模具和板料的溫度，運用DEFORM－3D軟件模擬計算板料和模具的溫度，并通過最小二乘法［10］求解不同壓力及不同硼鋼板的氧化作用下的換熱系數，分析了其對換熱系數的影響及其交互作用．同時，將換熱系數與影響因素進行整體擬合，以期為熱沖壓溫度場的建立及其參數設定提供依據．

1實驗設計

1．1實驗裝置所用實驗裝置由加載機構和溫度記錄機構組成．加載機構利用旋壓機的頂針提供壓力，其壓力為0～10MPa．采用8通道溫度記錄儀記錄各測點的溫度，其測量所用熱電偶均為K型熱電偶，溫度測量區間為0～1200°C，其簡化實驗裝置如圖1所示。將BR1500HS高強度鋼切割成直徑80mm、厚度1．8mm的圓片狀試樣，如圖2（a）所示；上、下模具加工成直徑80mm、厚度分別為30和20mm的圓柱狀，如圖2（b）所示；將上、下模具在距離表面0．5mm處鉆盲孔以安裝熱電偶，另外，將下模具鉆通孔并安裝熱電偶以測量板料的溫度．

1．2實驗步驟根據壓力裝置的加載范圍，本實驗設計了10種不同的載荷（1～10MPa），以評價壓力對換熱系數的影響；另外，根據實際的工業生產條件，本實驗通過控制板料的保溫時間來評價板料的氧化作用，并以板料的氧化皮厚度的檢測來確定保溫時間與板料氧化作用的關系．每一次實驗時，先將板料在加熱爐中加熱至950°C并分別保溫0～12min，間隔時間為1min；然后，迅速轉移至下模具表面，上、下模具迅速閉合并加載所需壓力；同時，用溫度記錄儀記錄板料和模具的溫度直至溫度基本穩定．

2換熱系數求解方法

本文所用換熱系數的測定方法是：通過軟件模擬獲取在某一換熱系數下的瞬時溫度；利用最小二乘法［10］來縮小軟件模擬計算的溫度與實際測定的瞬時溫度的差異，直到兩者的溫度值基本吻合為止．

2．1實驗模擬利用DEFORM－3D軟件模擬上、下模具與板料之間的傳熱過程，其模擬簡化過程如圖3所示．模型的邊界條件見表1～3．表中：ρ為材料密度；E為彈性模量；ν為泊松比；c為比熱容；λ為材料的熱導率．模擬過程的換熱系數為0．5～4．0kW／（m2•°C），模具初始溫度設為20°C，板料初始溫度根據對應的實驗測量溫度設定．先將板料在爐中加熱至950°C，再放入模具上面并基本穩定至860°C左右．在模擬過程中，選取與實際測量溫度位置一致的測點來模擬計算溫度，取距離上模具表面0．5mm位置的模擬計算溫度，并與實際測量溫度進行對比，通過最小二乘法求解最佳的換熱系數，直至模擬計算溫度與實際測量溫度在允許誤差范圍以內。

2．2最小二乘法求解本文采用最小二乘法優化模擬計算溫度與實際測量溫度之間的差異以測定換熱系數．在一定的壓力下，熱電偶所測溫度與模擬所得溫度的差異可用以下誤差函數表示。

3結果與分析

3．1保溫時間與板料氧化層厚度的關系在實際的工業生產中，可以宏觀控制保溫時間和壓力等參數．為了表征保溫時間與鋼板氧化程度的關系，采用金相法測定加熱后的板料的氧化皮厚度d．加熱保溫3min后的板料表面如圖5所示．可以看出，板料的氧化較為嚴重，整個板料已被氧化皮所包裹．在加熱溫度為950°C時，各保溫時間所對應的氧化皮厚度如圖6所示．由圖6可見：隨著保溫時間增加，板料的氧化皮厚度增大，但在保溫時間達到6min左右時，氧化皮厚度的增長趨勢有所減緩．另外，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼板氧化皮的表面形貌，其結果如圖7所示．可以看出，氧化皮表面部分呈現出開裂和脫落狀態，其組織結構較為疏松。

3．2板料的氧化作用對換熱系數的影響為研究壓力和板料的氧化作用對換熱系數的影響，本文采用等效換熱系數來表征換熱系數的大小［11］，即每個壓力和氧化皮厚度下對應于一個固定的換熱系數。由圖8可以看出，隨著板料氧化皮厚度的增大，換熱系數呈現出減小的變化趨勢，這是由于板料表面氧化物的熱導率比金屬基體的熱導率低得多，造成了氧化皮厚度越大，板料與模具之間的熱交換越困難，表現為換熱系數越小，且隨著氧化皮厚度不斷增加，換熱系數的減小趨勢越緩慢，即氧化物對換熱系數的阻礙作用越不明顯．根據這一特征。式中，A和n均為所求參數，n值取為0．04～0．18，其擬合結果如圖9所示．其中，擬合優度為0．947～0．981，擬合結果良好．n值反映了氧化皮厚度對換熱系數的阻礙作用，n值越小，其阻礙作用越弱，即壓力越大，氧化作用對換熱系數的阻礙作用越弱．由于高溫下板料表面氧化的速度小于碳原子從內部向表面擴散的速度，氧化皮上表面出現了大面積脫碳行為，脫碳部分的組織由于碳原子缺失而使其含碳量小于金屬基體的含碳量，造成了脫碳部分組織的硬度和強度比金屬基體的小得多，氧化皮越厚，其強度和硬度較低的脫碳組織越厚［12］，同一壓力下上層強度和硬度較低的氧化皮將發生變形甚至破裂，而且壓力增大時也會導致氧化皮變形甚至破裂，造成板料與模具之間的接觸作用增強，從而弱化了氧化皮的阻礙作用，氧化皮厚度和壓力越大，其弱化作用越強，在圖8和9中表現為同一壓力下隨著氧化皮厚度的增加而換熱系數減小的趨勢變緩，且壓力越大，氧化作用對換熱系數的阻礙作用越弱．

3．3壓力對換熱系數的影響通過最小二乘法獲得不同板料氧化皮厚度下換熱系數隨著壓力變化的關系曲線如圖10所示。由圖10可以看出，在一定的氧化皮厚度下，隨著壓力增大，換熱系數呈現出增大的變化趨勢．這是由于隨著壓力增大，板料和模具的實際接觸面積增大，熱量可以通過更多的接觸點進行熱量傳遞；另外，隨著壓力增大，換熱系數的增幅減緩，即換熱系數對壓力的敏感性降低。由式（8）擬合的結果如圖11所示．其中，各擬合優度為0．98～0．98，擬合結果較好．n值為0．41～0．59，且n值隨著氧化皮厚度的增加而增大．壓力越大，接觸面的微凸體變形越大，變形越趨于完全，可變形的微凸體越來越少，造成進行熱交換的接觸面增加減緩，在圖9和10中表現為換熱系數隨著壓力的增大而對壓力的敏感性降低．3．4整體擬合分析根據換熱系數與氧化皮厚度和壓力的關系，可將換熱系數與氧化皮厚度以及壓力進行整體的擬合，由式（7）、（8）可將換熱系數與氧化皮厚度以及壓力按照以下關系式進行擬合。其擬合優度為0．974，擬合結果較好．從指數的大小來看，板料氧化皮厚度對換熱系數的阻礙作用低于壓力對換熱系數的促進作用，故實際生產中根據保溫時間的大小來適當增加板料的界面壓力，以減緩氧化皮厚度對熱交換的阻礙作用，從而達到良好的熱交換效果．量化后的表達式對于熱沖壓換熱系數的確定具有十分重要的意義．

4結論

（1）在加熱溫度為950°C，保溫時間0～12min條件下，隨著保溫時間增加，氧化皮厚度增加，但當保溫時間超過6min后氧化皮厚度的增速趨緩．（2）在9～135μm的氧化皮厚度下，板料與模具之間的換熱系數隨著氧化皮厚度的增加而減小，且由于氧化皮組織結構導致的受壓時氧化皮破裂，使得換熱系數隨著氧化皮厚度的增加而其降幅趨緩；另外，板料的氧化對換熱系數的阻礙作用隨著壓力的增大而減弱．（3）在1～10MPa的壓力下，換熱系數隨著壓力的增加而增大，且其增幅隨著壓力的增加而降低，由于氧化皮的破裂作用，使得換熱系數對壓力的敏感性隨著氧化皮厚度的增加而增強．（4）通過擬合分析可將換熱系數與板料的氧化皮厚度和壓力的關系進行整體擬合．

作者：夏玉峰 張嚴東 紀帥 單位：重慶大學 材料科學與工程學院