第42卷第12期Vol． 42 No． 12FORGING 冷却系统;正交试验;模具优化;流速标准差DOI: 10． 13330/ j． issn． 1000-3940． 2017． 12． 019中图分类号: TH16; TG76 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 12-0104-05Research on flow rate uniform optimization of hot stamping die cooling systemLiu Dihui, Wan Yuxian, Zhang Wenjia(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract: For the water pipes with large flow rate profile, it was proposed that biasing the connecting pipe of water pipe in two differentdirections to reduce the flow rate in order to optimize the cooling system of hot stamping die, deduce the difference of flow rate among va-rious profiles of water pipes and improue the forming quality of forming parts. Then, taking the standard deviation of flow rate of variousprofiles of water pipes as quality index, the orthogonal test was designed to get the best offset distance. After the optimization, the flowfield analysis and die surface temperature analysis of the cooling system were carried out, and under two kinds of bias, the velocityuniformity of each pipe increased by 86． 2% and 77． 6% respectively, the maximum temperature of die surface decreased by 18． 5 ℃ and11． 6 ℃ respectively, and the average temperature of die surface decreases by 13． 0 ℃ and 5． 3 ℃ respectively. Furthermore, correspond-ing experimental system was set up for flow rate test, and the experimental results were found to be in good agreement with the simulatedresults. The research results show that the method can effectively improve the uneven flow rate of the die cooling water pipe and the tem-perature uniformity of die surface.Key words: hot stamping; cooling system; orthogonal test; die optimization; standard deviation of flow rate收稿日期: 2017 -06 -26;修订日期: 2017 -09 -28基金项目:国家自然科学基金资助项目(51405149);湖南省自然科学基金资助项目(201631390158)作者简介:刘迪辉(1975 - ),男,博士,副教授E-mail: dihuiliu@163． com通讯作者:万雨娴(1993 - ),女,硕士研究生E-mail: 1404118250@ qq． com高强度钢板目前满足了汽车轻量化的需求,且提高了汽车的安全性能,热冲压成形可以利用高强度钢板制造复杂的车身零部件,在现代汽车领域应用广泛。在成形件的冷却过程中,不同部位的冷却速度不同,可能导致零件发生翘曲变形、开裂,从而影响成形零件的尺寸精度和质量。针对热冲压模具冷却系统优化,国内一些专家学者对此问题进行了研究。贺斌等[1]进行了随形水管的参数设计,改变传统直孔加工的方式,根据模具表面形状来设计冷却系统。祁涛等[2]通过分析传热过程进行冷却系统研究。陈俊等[3 -5]优化了冷却系统管道孔径、间距及水流速度。邓泽涵等[6]改变了水道换热系数并对模具进行耦合分析以优化冷却水道。国外学者Hoffmann H等[7]利用优化算法设计了冷却系统。 Geiger M等[8]研究了在给定压力下冷却系统流速对冷却效果的影响。 Lim M等[9]通过改变冷却系统管径和管道间距优化了冷却系统。 Liu H等[10]采用混排式冷却系统实现均匀冷却。由于成形件冷却速度与模具中冷却系统流速有万方数据关,上述研究直接通过改变型面水管各种设计参数来优化冷却系统,本文提出一种不同的方法,仅针对流速较大的型面水管,向两个方向偏置该型面水管的连接水管来改变流速,并设计正交试验得到最佳偏置距离。在加工方式、管道物理参数、进水流速等外界因素都不变的基础上,结合正交试验得到最佳优化方案,通过改变连接水管从而间接改变型面水管流速以保证冷却系统流速均匀。1 优化前的有限元仿真1． 1 模型的建立基于某工程项目中模具的结构特征,建立了模具的简化模型。主水道直径D为Φ16 mm,型面水管及连接水管直径d为Φ8 mm,各型面水管圆心相距30 mm,型面水管长度为300 mm,主水管长度为220 mm,提取出冷却系统,利用hypermesh进行cfd流体网格划分,网格尺寸设置为2 mm。为方便研究,对各型面水管进行编号1 ~ 6。模型如图1所示。图1 模具三维图Fig． 1 3D model of mold1． 2 流场分析在fluent中进行初步流场分析,采用k - e湍流模型,设进口压强为0． 6 MPa,出口压强为0 MPa。分析完毕后,在型面水管的150 mm处垂直截开,得到1 ~ 6号管的平均流速为11． 60, 11． 29,10． 99, 10． 85, 10． 86和10． 86 m· s -1。根据流速大小可发现, 1 ~3号管流速偏大,且偏大程度为1 >2 >3, 4 ~6号管流速基本一致,这表明了流速不均现象。2 优化方法通过对某工程项目中热成形模具冷却水道流场分析研究后发现:同一情况下,相对主水道倾斜的连接水管所连接的型面水管与垂直主水道的连接水管所连接的型面水管流速不一致,一般是倾斜角度越大,流速变化也越大。这是因为离入水口越远,水流冲击逐渐削弱,流速变低,且水流经过弯角可导致阻力变大[11]。因此,可偏置连接水管来控制型面水管的流速。为了使流速均匀,只针对流速较大的型面水管进行优化,即改变进水处流速较大的型面水管的连接水管的位置,以达到减小这些型面水管的流速的目的。仅偏置进水口侧的连接水管,共有两种偏置方式: (1)沿主水道轴线方向偏置,移动方式如图2a所示,设定1, 2, 3号管的连接水管的移动距离分别为A, B, C,由于水管流速偏大程度为1 >2 >3,因此设定A > B > C; (2)沿垂直主水道轴线方向偏置,如图2b所示,同理设定1, 2, 3号管的移动距离分别为D, E, F,且D > E > F。图2中,细管表示连接水管,粗管表示主水道,虚线为优化前水管位置,实线表示优化后的水管位置。图2 连接水管偏置方式(a)沿轴线方向 (b)沿垂直轴线方向Fig． 2 Offset modes of connecting pipes(a) Along axis direction (b) Along vertical axis direction3 正交试验正交试验适用于多因素影响目标产品生产的优化分析,它从大量的试验点中挑选出有代表性的点来安排多因素试验,试验次数少且能反映总体情况。通常把正交表记为Ln(qk),其中, L表示正交表, n表示安排的试验次数, k为变量的个数, q是各变量的水平数。3． 1 正交表因素的选取由于偏置量具有不确定性,根据不同的偏置方向,对3个水管的偏置距离设置两组正交试验。501第12期刘迪辉等:热冲压模具冷却系统流速均匀优化研究 万方数据选取图2a和图2b中的1 ~3号管偏移量A, B,C, D, E, F为正交因素,各因素单位为mm,根据模具的尺寸大小对每个因素设定3组水平,由于沿轴线方向可偏置的空间比垂直轴线方向偏置空间大,因此,设定的水平数较大,且因素水平大小遵循A > B > C, D > E > F。每种偏置方式的因素水平表如表1所示。表1 因素水平表(mm)Table 1 Factors and levels (mm)水平因素A B C D E F1 11 6 3 4 2． 5 12 13 8 4 4． 5 3 1． 53 15 10 5 5 3． 5 23． 2 正交试验的实施以6个型面水管的流速标准差σ为质量标准,标准差越小,流速越均匀。根据表1中的因素水平,分别为两种偏置方式设计正交试验,由于是三因素3水平,因此,每种偏置方式需进行9次试验,求得各因素水平下的1 ~ 6号管标准差。为方便观察,将两种偏置方向的试验数据均列在表2中。表2 沿轴线、垂直轴线方向的正交试验Table 2 Orthogonal tests along axis and vertical axis direction编号A/ D/ mm B/ E/ mm C/ F/ mm σ1 / σ21 11/4 6/2． 5 3/1 0． 67/0． 872 11/4 8/3 4/1． 5 0． 73/0． 823 11/4 10/3． 5 5/2 0． 61/0． 834 13/4． 5 6/2． 5 4/1． 5 0． 71/0． 825 13/4． 5 8/3 5/2 0． 73/1． 516 13/4． 5 10/3． 5 3/1 0． 62/0． 877 15/5 6/2． 5 5/2 0． 64/0． 868 15/5 8/3 3/1 0． 75/0． 899 15/5 10/3． 5 4/1． 5 0． 58/0． 79总和1 2． 01/2． 52 2． 02/2． 55 2． 04/2． 63总和2 2． 06/3． 20 2． 21/3． 22 2． 02/2． 43总和3 1． 97/2． 54 1． 81/2． 49 1． 98/3． 203． 3 结果分析表2中的总和值代表了各因素不同水平下的流速标准差σ的总和。由于流速标准差σ越小,流速越均匀,因此总和值越小越好。从表2中可知:沿轴线方向的最佳偏置组合为A3B3C3,即A =15 mm,B =10 mm, C =5 mm;沿垂直轴线方向的最佳偏置组合为D1E3F2,即D = 4 mm, E = 3． 5 mm, F =1． 5 mm。4 优化结果分析根据正交试验的数据分析结果,对两种情况下的最佳偏置组合及优化前的模型进行流固耦合传热分析。各情况下传热分析模型如图3所示。图3 传热分析模型Fig． 3 Analysis model of heat transfer假设模具上已经有成形后的板料,不考虑板料在冲压过程中的温度变化,设定板料的初始温度为850 ℃,模具及冷却水初始温度为20 ℃,冷却系统进口压强为0． 6 MPa,出口压强为0 MPa,冷却时间为10 s。分析完毕后截取同一截面,得到1 ~6号管的平均流速并求出流速标准差σ,同时也可计算出模具与板料接触面的平均温度。各情况下的流速标准差及模具温度如表3所示。各管流速云图及模具表面温度云图如图4所示。表3 流速标准差及模具温度Table 3 Standard deviation of flow rate and die temperatures优化变量沿轴线偏置沿垂直轴线偏置优化前(不偏置)σ/ mm 0． 08 0． 13 0． 58最大模温/ ℃ 193． 8 200． 7 212． 3平均模温/ ℃ 170． 6 178． 3 183． 6由表3可看出:正交试验得到的沿轴线偏置距离下,流速均匀性提高了86． 2%,最大模温下降了18． 5 ℃,平均模温下降了13． 0 ℃;沿垂直轴线偏置距离下,流速均匀性提高了77． 6%,最大模温下降了11． 6 ℃,平均模温下降了5． 3 ℃。其中,按照轴线偏置比沿垂直轴线方向偏置后流速更均匀,原因为轴线偏置空间较大,设计正交试验时因素水平具有更广泛的选择。在图4温度云图中,进水口为左侧上处,出水口601锻 压 技 术 第42卷万方数据图4 模温及流速云图对比(a)优化前 (b)优化后沿轴线方向(c)优化后沿垂直轴线方向Fig． 4 Comparison of die temperature and flow rate nephogram(a) Before opitimization (b) Along axis after opitimization(c) Along vertical axis after opitimization为左侧下处。结合流速云图可知,优化前由于1 ~ 3号管流速较大,带走的热量较多,因此,靠近进水口处的温度较远离进水口处的温度低,总体云图呈现温度两边高中间低的趋势。经过优化后的模具最大温度及平均温度均得到了下降,左右部分的温度差距有所减小,模具表面温度的均匀性得到了提高。5 试验验证5． 1 试验设备及原理图5a和图5b分别为试验系统简图和试验装置实物图。冷却系统用铜管搭建,由于型面水管内径为Φ8 mm,外径为Φ9． 5 mm,尺寸太小,技术条件有限,没有能直接测量其流速的传感器,因此,采用涡轮水流量传感器和脉冲计数器对各管道进行流速测试。在6根型面水管的中间处,连接涡轮水流量传感器,外面连上脉冲计数器,获得脉冲频率,流速越大,单位时间内,涡流水流量传感器里面的滚轮转的圈数越多,计数器接收的脉冲数越大。根据各水管的脉冲频率可进行流速对比。图5 实验装置图(a)实验装置简图 (b)实验装置实物图1．实验台 2．电源 3．霍尔脉冲计数器 4．水管模型5．压力表 6．箍头 7．胶管 8．水泵 9．水桶Fig． 5 Experimental installation diagram(a) Schematic diagram of experimental installation(b) Physical map of experimental installation5． 2 试验过程(1)根据上述正交试验得到的两种方向的最佳偏置距离和原始模型,搭建相应的3套冷却系统,按照图1中模型三维图对6根型面水管进行编号,从入水口最近处开始,依次是1 ~6号。(2)将要进行试验的水管模型进行固定,按照试验装置简图连接各设备,待到水流稳定时,分别记录每个水管的对应的脉冲频率。每个水管各记录3次,取平均值进行对比。(3)关闭电源,换上下一个需要测试的水管模型,按照之前的方法进行试验。5． 3 试验结果及分析图6为优化前、优化后沿轴线方向偏置和沿垂直轴线方向偏置时各水管3次测量脉冲频率均值折线图。由图6可知,优化前的1 ~3号管脉冲频率较701第12期刘迪辉等:热冲压模具冷却系统流速均匀优化研究 万方数据图6 实验1 ~6号管脉冲频率折线图Fig．6 Impulse frequency line chart of No．1 -No．6 pipes during experiment4 ~6号管要高,且偏大程度为1 > 2 > 3。优化后的6个水管脉冲频率曲线有一定的波动,但是基本一致。试验结果与仿真结果相符,进一步证明了正交试验获得的最佳偏置距离对流速均匀起到了一定的作用,且两种偏置方向都能达到影响流速的效果。6 结论(1)移动连接水管可以改变型面水管流速,且改变的程度与偏置距离有关。可以利用此方法结合正交试验来对冷却水管进行优化设计,得到最佳偏置距离以提高热冲压模具型面水管流速均匀性。为热冲压模具冷却系统的优化提供了一定的思路。(2)应用该方法对某简化模型的冷却系统进行优化。两种方案的流速均匀性分别提高了86． 2%和77． 6%;模面最高温度分别下降了18． 5和11． 6 ℃;模面平均温度分别下降了13． 0和5． 3 ℃。进一步证明了此方法对流速的均匀性有一定的效果。参考文献:[1] 贺斌,李显达,盈亮,等.热冲压模具随形冷却水道优化设计[J].吉林大学学报:工学版, 2016, 46 (6): 1974 -1980.He B, Li X D, Ying L, et al. 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