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摘 要: 以預(yù)時(shí)效態(tài)7075 鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料,采用熱傳導(dǎo)和熱力耦合分析建立了包括模具液氮制冷、板料液氮噴淋和沖壓成形的W 型防撞梁超低溫沖壓仿真流程,使用溫度相關(guān)的材料本構(gòu)以及分區(qū)網(wǎng)格劃分方法建立了有限元數(shù)值模型,并進(jìn)行了超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。搭建了超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試平臺(tái),采用反傳熱法求解得到了超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)。結(jié)果表明,隨著溫度的降低,超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)增大,溫度為-165 ℃時(shí)超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)為2 kW·m-2·℃-1。在模具液氮制冷后,下模具表面的最低溫度為-58.5 ℃,整體預(yù)測(cè)誤差小于5.2%。在板料液氮噴淋后,預(yù)測(cè)的板料中部區(qū)域溫度為-163.5 ℃,接近實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度-160 ℃。W 型防撞梁的特征小圓角過(guò)渡區(qū)為關(guān)鍵變形區(qū),該區(qū)域的成形溫度需低于-150 ℃,以保證成形性能。

 

關(guān)鍵詞: 超低溫沖壓;界面熱傳導(dǎo);預(yù)時(shí)效態(tài)鋁合金;防撞梁;溫度場(chǎng)

 

引言

 

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高及抗蝕性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天和新能源汽車(chē)等領(lǐng)域[1]。隨著節(jié)能減排和汽車(chē)輕量化要求的日益提高,7XXX 系高強(qiáng)鋁合金逐漸應(yīng)用到車(chē)身安全薄壁構(gòu)件中,如前防撞梁、B 柱加強(qiáng)板等碰撞吸能結(jié)構(gòu)件[2-3]。然而,高強(qiáng)鋁合金在常溫下塑性差,成形時(shí)容易產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷。采用溫成形、熱成形等熱輔助成形工藝能提高鋁合金成形性,但同時(shí)面臨著高溫變形組織調(diào)控難、局部減薄嚴(yán)重及表面磨損加劇等問(wèn)題[4,5]。近年來(lái),相關(guān)研究[6-7]表明,鋁合金在超低溫條件下具有伸長(zhǎng)率增大和硬化能力增強(qiáng)的“雙增效應(yīng)”,成形極限提高,變形均勻性增強(qiáng),零件表面質(zhì)量好,因而超低溫成形技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金車(chē)身薄壁構(gòu)件的制造方面有待進(jìn)一步應(yīng)用。

 

針對(duì)金屬薄板沖壓成形工藝的研究,通常采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)分析成形質(zhì)量,避免缺陷形成,優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。在超低溫板料成形數(shù)值模擬方面,REICHL C 等[8]從對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)3 個(gè)方面考慮超低溫Nakajima 實(shí)驗(yàn)中熱交換過(guò)程,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了鋁合金板的溫度場(chǎng),并通過(guò)設(shè)置不同虛擬空氣層厚度模擬板料和模具的實(shí)際接觸情況,對(duì)B 柱特征件模具的溫度分布進(jìn)行分析,指出合適的板料厚度和模具結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)板料降溫效果有重要影響。此外,WANG C 等[9]將整個(gè)超低溫沖壓視為等溫過(guò)程,進(jìn)行尾翼尖端蒙皮的超低溫成形模擬。然而,在進(jìn)行超低溫沖壓之前,模具和板料一般會(huì)使用低溫介質(zhì)進(jìn)行預(yù)冷降溫,受到制冷方式、模具結(jié)構(gòu)及零件尺寸等因素的影響,產(chǎn)生局部溫差和溫度時(shí)變,難以實(shí)現(xiàn)全局等溫,需要考慮成形前和成形過(guò)程中板料與模具的溫度場(chǎng)分布。并且,溫度的不同帶來(lái)鋁合金塑性和硬化能力的改變,影響成形性能,凡曉波等[10]的研究表明,2195 鋁合金表現(xiàn)出超低溫雙增效應(yīng)的溫度需要低于-140 ℃。因此,溫度是超低溫成形工藝的關(guān)鍵因素,對(duì)于模擬超低溫成形過(guò)程中溫度場(chǎng)變化的全流程仿真仍較為缺乏。

 

在超低溫成形時(shí)模具與板料之間會(huì)進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換,溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是保證傳熱邊界條件的可靠性,即精確測(cè)試和識(shí)別超低溫下板料和模具各種接觸條件下的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)。當(dāng)前,因冷熱成形方式的長(zhǎng)期發(fā)展,常溫和高溫條件下的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)已開(kāi)發(fā)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置和對(duì)應(yīng)的識(shí)別算法。王斌[11]搭建了圓臺(tái)換熱試驗(yàn)?zāi)＞?研究了冷模熱沖壓條件下鋁合金和模具之間的界面熱傳導(dǎo)系數(shù),對(duì)比了Beck 非線(xiàn)性估算法和熱平衡法的求解精度,分析了載荷、溫度、界面介質(zhì)和模具材料對(duì)溫?zé)岢尚谓缑鏌醾鲗?dǎo)系數(shù)的影響規(guī)律。孫靜娜等[12]通過(guò)鈦合金板熱軋實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元仿真修正,獲得了板坯與軋輥間的接觸換熱系數(shù)。然而,對(duì)于超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù),鮮見(jiàn)有相關(guān)的專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備,超低溫下接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度和壓力的變化尚不清楚,缺乏可靠的超低溫界面熱傳導(dǎo)參數(shù),在一定程度上制約了超低溫成形數(shù)值模擬的發(fā)展與應(yīng)用。因此,亟需對(duì)超低溫下板料和模具材料間的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行測(cè)試和識(shí)別。

 

綜上所述,如何獲取接觸界面的熱邊界條件,并通過(guò)仿真手段進(jìn)行成形過(guò)程溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),是超低溫成形面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以預(yù)時(shí)效態(tài)7075 鋁合金為對(duì)象,建立W 型防撞梁特征件超低溫沖壓仿真方法,進(jìn)行超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試,并通過(guò)超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為鋁合金超低溫成形工藝探索和優(yōu)化提供指導(dǎo)。

 

1、 實(shí)驗(yàn)材料與成形工藝

 

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文選用預(yù)時(shí)效態(tài)7075 高強(qiáng)鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料,板料厚度為1.6 mm,初始板坯長(zhǎng)度為250 mm,寬度為200 mm,為同時(shí)滿(mǎn)足超低溫增塑和高服役強(qiáng)度的要求,對(duì)初始T6 態(tài)板料進(jìn)行如下預(yù)處理: 首先在高溫爐中進(jìn)行475 ℃、35 min 的固溶熱處理,取出后立即放入水中淬火,然后在烘烤爐中進(jìn)行120 ℃、1 h 的時(shí)效處理,最終得到預(yù)時(shí)效態(tài)的7075鋁合金。這種預(yù)時(shí)效態(tài)鋁合金常溫下能夠穩(wěn)定儲(chǔ)存,在超低溫成形后僅需進(jìn)行180 ℃、20 min 的烘烤就能達(dá)到約峰值強(qiáng)度的90%,適用于快節(jié)拍的車(chē)身零部件制造[13]。預(yù)時(shí)效態(tài)7075 鋁合金在常溫至液氮溫度下的單向拉伸力學(xué)性能如圖1 所示,該材料在超低溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大,硬化能力增強(qiáng),均勻伸長(zhǎng)率在低于-150 ℃時(shí)明顯提高。

 

圖1 預(yù)時(shí)效態(tài)7075 鋁合金在不同溫度下的力學(xué)性能

Fig.1 Mechanical properties of pre-aged 7075 aluminum alloys at different temperatures

 

1.2 目標(biāo)零件與成形工藝

目標(biāo)零件為W 型汽車(chē)防撞梁特征件,三維模型和尺寸如圖2 所示,該零件截面呈W 型,主要分為中梁、外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁3 部分,并且在寬度方向沿中心面左右對(duì)稱(chēng)。中梁的上頂面和下頂面通過(guò)過(guò)渡區(qū)連接,過(guò)渡區(qū)、內(nèi)側(cè)壁和上頂面的交界處具有小圓角特征,圓弧半徑為3 mm,在常溫下沖壓時(shí)該區(qū)域容易發(fā)生開(kāi)裂。

 

圖2 W 型防撞梁特征件

Fig.2 Characteristic part of W-shaped anti-collision beam

 

采用預(yù)強(qiáng)化超低溫成形工藝[13]進(jìn)行鋁合金板料的成形,主要過(guò)程如圖3 所示。首先模具通過(guò)液氮流道預(yù)冷,待模具溫度穩(wěn)定后,將經(jīng)過(guò)液氮浸泡的預(yù)時(shí)效態(tài)鋁合金板轉(zhuǎn)運(yùn)到模具上,同時(shí)采用液氮噴淋的方式對(duì)板料實(shí)施降溫,在-196～-150 ℃溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行超低溫成形,最后下料取出零件。

 

圖3 超低溫沖壓工藝的主要過(guò)程

Fig.3 Main process of cryogenic stamping process

 

2、超低溫沖壓仿真方法

 

2.1 分析步設(shè)定

在Abaqus 中建立仿真模型,根據(jù)超低溫成形工藝,將超低溫沖壓仿真流程分為模具液氮制冷、板料液氮噴淋和沖壓成形3 個(gè)步驟,如圖4 所示。

 

圖4 超低溫沖壓仿真過(guò)程和分析步類(lèi)型

Fig.4 Cryogenic stamping simulation process and analysis step type

 

第1 步是模具液氮制冷過(guò)程模擬,為保證超低溫成形溫度,通過(guò)在模具中開(kāi)設(shè)液氮流道進(jìn)行預(yù)冷,這一過(guò)程采用熱傳導(dǎo)分析步,計(jì)算獲取模具的溫度場(chǎng)。

 

第2 步是板料液氮噴淋過(guò)程模擬,以第1 步的計(jì)算結(jié)果作為板料液氮噴淋過(guò)程的初始模具溫度場(chǎng)。因?yàn)榘辶限D(zhuǎn)運(yùn)時(shí)在空氣中持續(xù)散熱,初始溫度將不再為-196 ℃,假定板料溫度場(chǎng)均勻分布,將其初始溫度設(shè)置為-170 ℃。當(dāng)板料轉(zhuǎn)運(yùn)完成后,板料兩側(cè)與模具支撐面接觸,通過(guò)界面進(jìn)行熱交換。同時(shí),液氮從下模具中央開(kāi)設(shè)的孔洞中一直噴淋而出,即始終有一冷源對(duì)板料中部持續(xù)制冷,進(jìn)而也采用熱傳導(dǎo)分析步計(jì)算板料轉(zhuǎn)運(yùn)到模具上后整體溫度場(chǎng)的變化。

 

第3 步是進(jìn)行沖壓成形模擬,將第2 步得到的板料和模具的穩(wěn)定溫度場(chǎng)作為初始條件,使上模具下行,進(jìn)行沖壓成形過(guò)程的熱力耦合分析。

 

2.2 材料本構(gòu)模型

采用Mises 屈服準(zhǔn)則,通過(guò)Voce 模型描述材料的硬化行為,如式(1) 所示。

式中: 為等效應(yīng)力;為等效塑性應(yīng)變;A 和B為材料參數(shù);C 為無(wú)量綱材料參數(shù)。

 

超低溫沖壓過(guò)程中鋁合金發(fā)生的是非等溫變形,為考慮溫度對(duì)鋁合金超低溫變形行為的影響,擬合得到Voce 模型各個(gè)參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系,如式(2) 所示。

 

 

 

式中: T 為溫度。

 

2.3 模具與板料網(wǎng)格劃分

實(shí)際模具較為復(fù)雜,安裝孔、定位孔等局部微小結(jié)構(gòu)特征較多,如若全部考慮將成倍增大計(jì)算量,但對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小,為提高計(jì)算效率,僅保留沖壓模具主要結(jié)構(gòu)。為便于網(wǎng)格劃分,將下模具分為左、中和右3 個(gè)部分,較為復(fù)雜的中部采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)獲得較高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。由于沖壓零件的中間區(qū)域?yàn)榇笞冃螀^(qū),對(duì)應(yīng)于初始板料的中部,該處網(wǎng)格種子設(shè)置為1,最中間區(qū)域?yàn)?.5,保證中部網(wǎng)格足夠細(xì)小。板料兩側(cè)種子設(shè)置為4,在厚度方向上分為6 層網(wǎng)格,最終板料劃分得到的單元總數(shù)為186000,板料和模具的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5 所示。在模具液氮制冷、板料液氮噴淋兩個(gè)分析步中單元類(lèi)型采用C3D8,在沖壓成形步驟中采用C3D8RT。

 

圖5 模具及板料的網(wǎng)格劃分結(jié)果

Fig.5 Meshing results for die and sheet metal

 

2.4 熱力邊界條件

超低溫沖壓工藝涉及到的力邊界條件主要有摩擦因數(shù)和沖壓速度。由于溫度極低,模具和板料的表面會(huì)形成極薄冰層,對(duì)于成形過(guò)程起到一定潤(rùn)滑效果,因此摩擦因數(shù)通常較小,參考LIU W 等[14]的研究結(jié)果,將摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2,另外,沖壓速度設(shè)置為450 mm·s-1。在熱邊界條件方面,根據(jù)REICHL C 等[8]的研究結(jié)果設(shè)置相關(guān)參數(shù),不同溫度下7075 鋁合金以及模具鋼的比熱容Cp、熱傳導(dǎo)系數(shù)λ 如表1 所示,板料與空氣、模具與空氣之間的熱對(duì)流換熱系數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為0.58 W·m-2·℃-1,板料和模具的熱輻射系數(shù)為0.6。在第1 步模具液氮制冷模擬中,從液氮入口到出口流道側(cè)壁的恒定熱流等距離依次設(shè)置為-30、-40、-30、-20 和-15 mW·mm-2;第2 步板料液氮噴淋模擬中,板料下表面中部噴淋段設(shè)置為強(qiáng)制對(duì)流換熱,該處表面環(huán)境溫度為-170 ℃。此外,板料和模具之間的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到。

 

表1 7075 鋁合金和模具鋼的熱物性參數(shù)[8]

Tab.1 Thermophysical parameters of 7075 aluminum alloy and die steel[8]

 

3、 超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試與沖壓實(shí)驗(yàn)

 

3.1 超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試

基于超低溫沖壓工況,在Zwick 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上搭建了超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試裝置,如圖6 所示,主要包括上、下圓臺(tái)模具、半徑為35 mm的圓片試樣、液氮容器、4 個(gè)直徑為Φ1 mm 的探針式T 型熱電偶、KEITHLEY7708 數(shù)據(jù)采集器和后處理電腦。設(shè)計(jì)圓臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呤篃崃恐饕剌S向傳遞,盡可能滿(mǎn)足一維熱傳導(dǎo)假設(shè)。圓片試樣側(cè)面開(kāi)有直徑為Φ1 mm,深度為15 mm 的盲孔,用于固定熱電偶,對(duì)于薄板而言,板料厚向上的溫度梯度可以忽略,即認(rèn)為熱電偶測(cè)試的溫度為板料表面溫度。在下模具內(nèi)部距離上表面2、6 和10 mm 位置處分別安裝3 個(gè)熱電偶。實(shí)際測(cè)試時(shí),先將圓片試樣在液氮容器中浸泡15 min,然后快速轉(zhuǎn)運(yùn)到下圓臺(tái)模具,同時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)通過(guò)上夾頭帶動(dòng)上圓臺(tái)模具以20 mm·s-1 的速度下行,達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)停止并保壓,在板料溫度恢復(fù)至室溫后取下板料,完成測(cè)試。通過(guò)數(shù)據(jù)采集器記錄模具和板料對(duì)應(yīng)位置的溫度變化歷史,數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為25、26、27 和28。實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置界面壓力分別為0.5、5 和10 kN。

 

圖6 界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試裝置

Fig.6 Test device of interfacial heat transfer coefficient

 

界面熱傳導(dǎo)性系數(shù)計(jì)算原理是用流過(guò)界面的熱流密度除以?xún)蓚€(gè)接觸表面的溫度差,如式(3)所示。

 

 

式中: h 為板料與模具之間的界面熱傳導(dǎo)系數(shù);q 為板料和模具之間的熱流密度;Td 和Tb 分別為模具和板料表面的溫度。

 

在獲得4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化歷史后,采用Beck反傳熱法來(lái)識(shí)別超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù),即通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的溫度場(chǎng)來(lái)反向求解邊界條件,在離散的時(shí)間步內(nèi)尋找最優(yōu)的對(duì)流換熱系數(shù)使求解的模具溫度場(chǎng)和測(cè)試溫度場(chǎng)偏差最小,最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)如式(4) 所示。

 

 

式中:分別為位置i 和j 處的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)試值。參考LI Y 等[15]建立的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)反求法,基于MATLAB 開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的求解程序,并進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別。

 

3.2 W 型汽車(chē)防撞梁超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)

在300 t 小松伺服壓機(jī)上搭建了W 型汽車(chē)防撞梁的超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖7 所示,該平臺(tái)包括沖壓模具、自增壓液氮罐、液氮輸送管、隔熱防護(hù)罩和溫度采集模塊等。在W 型防撞梁冷沖壓模具上開(kāi)通額外的流道,位置在下模具中部,形狀為圓孔貫通型。使用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的液氮作為冷卻介質(zhì),自增壓液氮罐通過(guò)輸送管向模具中運(yùn)送液氮,實(shí)現(xiàn)模具降溫。同時(shí)考慮到防撞梁特征件的主要變形區(qū)在零件的中部區(qū)域,因而在下模具對(duì)應(yīng)位置鉆通兩個(gè)圓孔,使流道中的一部分液氮從中間的小口直接噴淋到板料上,達(dá)到板料局部降溫的效果。此外,由于沖壓過(guò)程在開(kāi)放空間進(jìn)行,為了實(shí)現(xiàn)更低的成形溫度,使用亞克力材質(zhì)的隔熱防護(hù)罩包裹上模具和下模具,減少板料和模具在空氣中的散熱。

 

 

圖7 超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Fig.7 Cryogenic stamping experimental system

 

在下模具中梁的表面固定5 個(gè)高精度探針式T型熱電偶,具體位置如圖8 所示,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)KEITHLEY7708 數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模具各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度。同時(shí)板料中心固定一個(gè)熱電偶,記錄板料從液氮浸泡到轉(zhuǎn)運(yùn)成形后的溫度變化。

 

圖8 溫度監(jiān)控與采集測(cè)試裝置示意圖

Fig.8 Schematic diagram of temperature monitoring and acquisition experimental device

 

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,啟動(dòng)溫度采集模塊記錄溫度,并逐步打開(kāi)自增壓液氮罐的閥門(mén)開(kāi)始模具降溫過(guò)程,約1 h 后整個(gè)模具溫度維持穩(wěn)定。將預(yù)時(shí)效處理后的板料在液氮中浸泡至少15 min,接著取出并快速轉(zhuǎn)運(yùn)至模具上,轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間不超過(guò)10 s。之后,通過(guò)液氮噴淋對(duì)模具上的板料局部降溫,該過(guò)程持續(xù)時(shí)間大約30～40 s。最后,啟動(dòng)伺服壓機(jī)進(jìn)行沖壓,短暫保壓后抬起壓機(jī),取出零件并進(jìn)行下一塊板料的沖壓,整個(gè)超低溫沖壓實(shí)驗(yàn)在2 min 內(nèi)完成。

 

4、 結(jié)果與討論

 

4.1 超低溫?zé)醾鲗?dǎo)系數(shù)

根據(jù)施加載荷和接觸面積的比值計(jì)算得到接觸壓力分別為0.13、1.3 和2.6 MPa,不同接觸壓力下板料和模具溫度變化歷史如圖9 所示,板料轉(zhuǎn)運(yùn)到模具后,模具溫度開(kāi)始下降,板料溫度從-196 ℃上升到約為-170 ℃。在圓臺(tái)模具對(duì)板料施加壓力后,板料的溫度呈快速上升趨勢(shì),表明存在接觸壓力時(shí)板料和模具以極快的速度進(jìn)行熱交換。當(dāng)板料溫度到接近0 ℃時(shí)上升速度明顯減緩,模具上最靠近表面的25 號(hào)測(cè)點(diǎn)從室溫降低到8 ℃,而距離表面更遠(yuǎn)的26、27 號(hào)測(cè)點(diǎn)的最低溫度分別為14 和17 ℃。在上模具壓住板料約20 s 后,所有測(cè)點(diǎn)的溫度都穩(wěn)定在20 ℃左右。對(duì)比不同載荷下的結(jié)果,各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度都具有相同的變化趨勢(shì)。

 

圖9 不同接觸壓力下板料與模具溫度變化歷史

(a) 0.13 MPa (b) 1.3 MPa (c) 2.6 MPa

Fig.9 Temperature change history of sheet metal and die with different contacting pressures

 

不同接觸壓力下超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)的識(shí)別結(jié)果如圖10 所示。隨著溫度降低,界面熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸增大,到-165 ℃時(shí)接近2 kW·m-2·℃-1。而隨著接觸壓力的增大,界面熱傳導(dǎo)系數(shù)增大趨勢(shì)不明顯,表明超低溫下接觸壓力對(duì)界面熱傳導(dǎo)系數(shù)影響較小。

 

圖10 不同接觸壓力下界面熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化

Fig.10 Change of interfacial heat transfer coefficient with temperature under different contacting pressures

 

4.2 模具與板料溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析

在進(jìn)行液氮制冷后模具的溫度場(chǎng)分布如圖11 所示。從圖中可知,下模具的表面溫度呈梯度分布,中部溫度低,兩邊溫度高,從液氮入口到出口的溫度逐漸升高,在靠近液氮入口處溫度最低,為-58.9 ℃ (箭頭所示),出口處溫度約為-30.4 ℃。自增壓液氮罐向模具輸送的實(shí)際是液氮和空氣的混合物質(zhì),由于液氮輸送管頭部插入模具流道入口,輸送的液氮與測(cè)點(diǎn)2 附近的流道最先接觸,使該位置附近溫度最低。隨后,液氮與模具之間的熱交換使冷卻介質(zhì)中液氮占比逐漸降低,因而靠近入口溫度低、出口溫度高。模具表面溫度的測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比如表2 所示,5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的仿真溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度都較為接近,最大誤差為5.2%,驗(yàn)證了模具溫度場(chǎng)仿真結(jié)果的可靠性。

 

表2 實(shí)驗(yàn)與仿真的模具溫度對(duì)比

Tab.2 Comparison of experimental and simulated temperatures of die

 

 

圖11 模具液氮制冷后的溫度場(chǎng)分布

Fig.11 Temperature field distribution after liquid nitrogen refrigeration of die

 

板料轉(zhuǎn)運(yùn)完成后經(jīng)過(guò)液氮噴淋仿真獲得的溫度場(chǎng)如圖12 所示。從圖中可知,溫度沿板料寬度方向呈現(xiàn)明顯的梯度分布,板料與模具接觸的區(qū)域溫度上升顯著,最終基本和模具溫度一致。實(shí)驗(yàn)記錄板料從液氮浸泡、液氮噴淋到?jīng)_壓成形的溫度變化如圖13 所示。在未與模具接觸的板料中部,經(jīng)過(guò)液氮噴淋后,仿真所獲得的最終溫度為-163.5 ℃,與實(shí)驗(yàn)獲得成形前的板料溫度-160 ℃十分接近。因此,前兩步仿真結(jié)果能夠很好地描述板料和模具在液氮預(yù)冷和噴淋后的溫度變化情況,為后續(xù)超低溫成形仿真提供準(zhǔn)確的初始熱邊界條件。

 

圖12 板料液氮噴淋后的溫度場(chǎng)分布

Fig.12 Temperature field distribution after liquid nitrogen spraying of sheet metal

 

 

圖13 超低溫沖壓全過(guò)程中板料溫度變化曲線(xiàn)

Fig.13 Temperature change curve of sheet metal during whole process of cryogenic stamping

 

4.3 W 型零件沖壓成形結(jié)果分析

超低溫成形得到的W 型防撞梁零件如圖14 所示,通過(guò)超低溫沖壓仿真得到的應(yīng)變場(chǎng)分布如圖15所示。從圖中可知,發(fā)生最大變形的區(qū)域是兩處通過(guò)內(nèi)側(cè)壁、過(guò)渡區(qū)和上頂面交界形成的小圓角特征區(qū)域,仿真得到的最大等效塑性應(yīng)變達(dá)到0.385,該區(qū)域容易發(fā)生應(yīng)變集中現(xiàn)象。分析可知,這兩個(gè)小圓角特征區(qū)位于板料的中心,受限于W 型防撞梁的內(nèi)外側(cè)壁結(jié)構(gòu),沖壓成形過(guò)程中兩側(cè)材料流入困難,只能依靠該處材料自身的塑性,若塑性變形能力不足,則易開(kāi)裂。根據(jù)沖壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)溫度為-160 ℃時(shí)能夠成形出無(wú)破裂的W 型防撞梁零件。

 

圖14 超低溫沖壓成形的W 型零件

Fig.14 W-shaped part of cryogenic stamping

 

 

圖15 超低溫沖壓仿真應(yīng)變場(chǎng)分布

Fig.15 Strain field distribution of cryogenic stamping simulation

 

為進(jìn)一步分析預(yù)時(shí)效態(tài)7075 鋁合金W 型防撞梁的成形溫度區(qū)間,分別對(duì)板料進(jìn)行室溫沖壓以及經(jīng)過(guò)液氮浸泡后的沖壓實(shí)驗(yàn),得到的零件如圖16 所示。由圖可知,室溫下成形的零件直接破裂,而液氮浸泡后板料在成形時(shí)依舊在小圓角特征區(qū)域出現(xiàn)短裂紋,從圖13 的溫度變化結(jié)果可知,如果沒(méi)有進(jìn)行液氮噴淋補(bǔ)溫,成形時(shí)的溫度接近-150 ℃,此時(shí)仍無(wú)法得到完整的零件。因此,在超低溫成形時(shí),W 型零件的小圓角關(guān)鍵過(guò)渡區(qū)域需要保證在足夠低的溫度下發(fā)生變形,即變形溫度低于-150 ℃,充分利用超低溫增塑效應(yīng)來(lái)避免缺陷產(chǎn)生。

 

圖16 沖壓成形后的W 型零件

(a) 室溫沖壓 (b) 液氮浸泡后沖壓

Fig.16 W-shaped parts after stamping

(a) Stamping at room temperature(b) Stamping after liquid nitrogen refrigeration

 

5、 結(jié)論

 

(1) 基于超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試裝置和反傳熱法獲得超低溫界面熱傳導(dǎo)系數(shù),在超低溫下鋁合金板料與模具鋼之間的界面熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度的降低而增大。

 

(2) 建立了包括模具液氮制冷、板料液氮噴淋、沖壓成形的超低溫沖壓仿真方法,得到的模具表面和板料中部的最低溫度分別為-58.5 和-163.5 ℃,最大誤差為5.2%。

 

(3) W 型防撞梁的小圓角特征區(qū)為關(guān)鍵變形區(qū),為充分利用超低溫增塑,該區(qū)域的成形溫度需控制在低于-150 ℃。

 

來(lái)源：期刊-《塑性工程學(xué)報(bào)車(chē)》 作者：戚宇彤1, 2 ,李淑慧1, 2 ,錢(qián)昌明1, 2 ,馮 彬1,2,顧 彬1,2

 

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)