压力对热冲压界面换热系数的影响范文

《上海交通大学学报》2015年第十期

随着汽车工业的发展，人们对汽车安全性和节能性的要求越来越高．因高强度钢板经过热冲压后具有较高的比强度而受到广泛关注．由于热冲压过程涉及热力相三场耦合，故比冷冲压成形复杂得多．在热冲压成形过程中，板料与模具的热交换过程对零件内部的温度场和应力－应变场以及相变都有很大的影响［1］，因此，获得准确的换热系数对于获得高质量的成形件和对其进行准确模拟至关重要．近年来，针对材料的热交换特性已进行了一些研究．例如：Tondini等［2］通过反分析模型并结合传热模拟研究了不同压力下材料的换热系数，得到了换热系数与压力的变化关系；Bai等［3］将板料与模具之间的传热简化为一维传热过程，并用一种封闭式算法分析换热系数，得出了不同压力和表面粗糙度下的换热系数；Merklein等［4］运用牛顿冷却定律研究了不同的温度和压力下的界面换热系数；Ding等［5］研究了真空和低温状态下不锈钢之间的热交换；朱智等［6］和邢磊等［7］运用自制实验装置研究了多种合金与模具的瞬态接触换热系数的变化情况．但是，这些研究大多是通过温度、压力和表面粗糙度等因素的影响来研究换热系数的变化，而很少考虑板料的氧化作用．在实际热冲压的生产过程中，钢板的氧化很难避免，即使表面涂覆防氧化涂层也无法完全避免氧化的产生［8］．Hua等［8］和常颖等［9］研究发现，22MnB5硼钢板的氧化作用可使其换热系数减小，但其中未分析压力增加时钢板氧化皮的破裂作用对其换热系数的影响．鉴于此，本文以常用热冲压材料BR1500HS高强度钢和5CrMnMo模具钢为研究对象，测定不同保温时间下的板料氧化皮厚度，建立保温时间与氧化皮厚度的关系，依据工业生产的条件，利用自制实验装置测定模具和板料的温度，运用DEFORM－3D软件模拟计算板料和模具的温度，并通过最小二乘法［10］求解不同压力及不同硼钢板的氧化作用下的换热系数，分析了其对换热系数的影响及其交互作用．同时，将换热系数与影响因素进行整体拟合，以期为热冲压温度场的建立及其参数设定提供依据．

1实验设计

1．1实验装置所用实验装置由加载机构和温度记录机构组成．加载机构利用旋压机的顶针提供压力，其压力为0～10MPa．采用8通道温度记录仪记录各测点的温度，其测量所用热电偶均为K型热电偶，温度测量区间为0～1200°C，其简化实验装置如图1所示。将BR1500HS高强度钢切割成直径80mm、厚度1．8mm的圆片状试样，如图2（a）所示；上、下模具加工成直径80mm、厚度分别为30和20mm的圆柱状，如图2（b）所示；将上、下模具在距离表面0．5mm处钻盲孔以安装热电偶，另外，将下模具钻通孔并安装热电偶以测量板料的温度．

1．2实验步骤根据压力装置的加载范围，本实验设计了10种不同的载荷（1～10MPa），以评价压力对换热系数的影响；另外，根据实际的工业生产条件，本实验通过控制板料的保温时间来评价板料的氧化作用，并以板料的氧化皮厚度的检测来确定保温时间与板料氧化作用的关系．每一次实验时，先将板料在加热炉中加热至950°C并分别保温0～12min，间隔时间为1min；然后，迅速转移至下模具表面，上、下模具迅速闭合并加载所需压力；同时，用温度记录仪记录板料和模具的温度直至温度基本稳定．

2换热系数求解方法

本文所用换热系数的测定方法是：通过软件模拟获取在某一换热系数下的瞬时温度；利用最小二乘法［10］来缩小软件模拟计算的温度与实际测定的瞬时温度的差异，直到两者的温度值基本吻合为止．

2．1实验模拟利用DEFORM－3D软件模拟上、下模具与板料之间的传热过程，其模拟简化过程如图3所示．模型的边界条件见表1～3．表中：ρ为材料密度；E为弹性模量；ν为泊松比；c为比热容；λ为材料的热导率．模拟过程的换热系数为0．5～4．0kW／（m2•°C），模具初始温度设为20°C，板料初始温度根据对应的实验测量温度设定．先将板料在炉中加热至950°C，再放入模具上面并基本稳定至860°C左右．在模拟过程中，选取与实际测量温度位置一致的测点来模拟计算温度，取距离上模具表面0．5mm位置的模拟计算温度，并与实际测量温度进行对比，通过最小二乘法求解最佳的换热系数，直至模拟计算温度与实际测量温度在允许误差范围以内。

2．2最小二乘法求解本文采用最小二乘法优化模拟计算温度与实际测量温度之间的差异以测定换热系数．在一定的压力下，热电偶所测温度与模拟所得温度的差异可用以下误差函数表示。

3结果与分析

3．1保温时间与板料氧化层厚度的关系在实际的工业生产中，可以宏观控制保温时间和压力等参数．为了表征保温时间与钢板氧化程度的关系，采用金相法测定加热后的板料的氧化皮厚度d．加热保温3min后的板料表面如图5所示．可以看出，板料的氧化较为严重，整个板料已被氧化皮所包裹．在加热温度为950°C时，各保温时间所对应的氧化皮厚度如图6所示．由图6可见：随着保温时间增加，板料的氧化皮厚度增大，但在保温时间达到6min左右时，氧化皮厚度的增长趋势有所减缓．另外，采用扫描电子显微镜（SEM）观察钢板氧化皮的表面形貌，其结果如图7所示．可以看出，氧化皮表面部分呈现出开裂和脱落状态，其组织结构较为疏松。

3．2板料的氧化作用对换热系数的影响为研究压力和板料的氧化作用对换热系数的影响，本文采用等效换热系数来表征换热系数的大小［11］，即每个压力和氧化皮厚度下对应于一个固定的换热系数。由图8可以看出，随着板料氧化皮厚度的增大，换热系数呈现出减小的变化趋势，这是由于板料表面氧化物的热导率比金属基体的热导率低得多，造成了氧化皮厚度越大，板料与模具之间的热交换越困难，表现为换热系数越小，且随着氧化皮厚度不断增加，换热系数的减小趋势越缓慢，即氧化物对换热系数的阻碍作用越不明显．根据这一特征。式中，A和n均为所求参数，n值取为0．04～0．18，其拟合结果如图9所示．其中，拟合优度为0．947～0．981，拟合结果良好．n值反映了氧化皮厚度对换热系数的阻碍作用，n值越小，其阻碍作用越弱，即压力越大，氧化作用对换热系数的阻碍作用越弱．由于高温下板料表面氧化的速度小于碳原子从内部向表面扩散的速度，氧化皮上表面出现了大面积脱碳行为，脱碳部分的组织由于碳原子缺失而使其含碳量小于金属基体的含碳量，造成了脱碳部分组织的硬度和强度比金属基体的小得多，氧化皮越厚，其强度和硬度较低的脱碳组织越厚［12］，同一压力下上层强度和硬度较低的氧化皮将发生变形甚至破裂，而且压力增大时也会导致氧化皮变形甚至破裂，造成板料与模具之间的接触作用增强，从而弱化了氧化皮的阻碍作用，氧化皮厚度和压力越大，其弱化作用越强，在图8和9中表现为同一压力下随着氧化皮厚度的增加而换热系数减小的趋势变缓，且压力越大，氧化作用对换热系数的阻碍作用越弱．

3．3压力对换热系数的影响通过最小二乘法获得不同板料氧化皮厚度下换热系数随着压力变化的关系曲线如图10所示。由图10可以看出，在一定的氧化皮厚度下，随着压力增大，换热系数呈现出增大的变化趋势．这是由于随着压力增大，板料和模具的实际接触面积增大，热量可以通过更多的接触点进行热量传递；另外，随着压力增大，换热系数的增幅减缓，即换热系数对压力的敏感性降低。由式（8）拟合的结果如图11所示．其中，各拟合优度为0．98～0．98，拟合结果较好．n值为0．41～0．59，且n值随着氧化皮厚度的增加而增大．压力越大，接触面的微凸体变形越大，变形越趋于完全，可变形的微凸体越来越少，造成进行热交换的接触面增加减缓，在图9和10中表现为换热系数随着压力的增大而对压力的敏感性降低．3．4整体拟合分析根据换热系数与氧化皮厚度和压力的关系，可将换热系数与氧化皮厚度以及压力进行整体的拟合，由式（7）、（8）可将换热系数与氧化皮厚度以及压力按照以下关系式进行拟合。其拟合优度为0．974，拟合结果较好．从指数的大小来看，板料氧化皮厚度对换热系数的阻碍作用低于压力对换热系数的促进作用，故实际生产中根据保温时间的大小来适当增加板料的界面压力，以减缓氧化皮厚度对热交换的阻碍作用，从而达到良好的热交换效果．量化后的表达式对于热冲压换热系数的确定具有十分重要的意义．

4结论

（1）在加热温度为950°C，保温时间0～12min条件下，随着保温时间增加，氧化皮厚度增加，但当保温时间超过6min后氧化皮厚度的增速趋缓．（2）在9～135μm的氧化皮厚度下，板料与模具之间的换热系数随着氧化皮厚度的增加而减小，且由于氧化皮组织结构导致的受压时氧化皮破裂，使得换热系数随着氧化皮厚度的增加而其降幅趋缓；另外，板料的氧化对换热系数的阻碍作用随着压力的增大而减弱．（3）在1～10MPa的压力下，换热系数随着压力的增加而增大，且其增幅随着压力的增加而降低，由于氧化皮的破裂作用，使得换热系数对压力的敏感性随着氧化皮厚度的增加而增强．（4）通过拟合分析可将换热系数与板料的氧化皮厚度和压力的关系进行整体拟合．

作者：夏玉峰 张严东 纪帅 单位：重庆大学 材料科学与工程学院