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热冲压工艺热方面的实验与理论研究
这是一篇客观的关于热传导研究的文章，以改善Usibor 1500P坯料在热冲压过程中的冷却性能。我们设计和开发了一种实验装置来估算零件与工具临界面处的热接触电阻。该装置的冲压工具由Z160CDV12钢制成的模具和冲头组成，像欧米茄形状。样品和工具使用带有丝状玻璃的K型热电偶作为热仪表，在工具中最显眼的位置形成热通量计。多次重复试验表明，记录和估算参数的平均色散小于5％，表明其稳定性良好;值得注意的是，由于其微观结构的变化，冷却部分的再加热会在400℃的情况下系统性的发生。在部件的表面边界处，使用两个阶段的对流/辐射模型计算热导率：接近以及成形。在接触界面处，通过基于Beck的顺序方法的非线性1D逆技术，通过实验估计热接触电阻RC。建立了类型的相关性：RC = f（P）用于数值模拟。
1.介绍
节能，全球变暖和减少气体排放已经成为一个重大的技术和经济问题。 这是在不同领域不可忽略的研究的对象。
在汽车工业中，减轻车辆的重量成为汽车制造商的主要目标，因为它可以节省成本并减少气体的排放（CO 2，CO，NO x，颗粒）。这减重必须伴随着新的车身白（白车身）部分的安全设计的改善。这意味着较薄的部件还必须具有满足碰撞试验Norma要求的高机械性能。 这一目标可以通过淬火的热冲压工艺钢构成的机械，冶金和热力方面之间的联系来实现。
热冲压是更薄的平坦部分的成形技术。 它是三个阶段的组合：接近阶段，部件形成和零件淬火。可淬火钢的热冲压成为一种有效的工艺，越来越多地被应用于自动化领域，并且进行了深入研究以满足这个不断增长的市场。它提供了在单个行程中制造复杂形状的机会，并且冲压部件表现出了高机械性能和弱回弹。
在该过程中，部件通常呈现非常复杂的形状，并且需要高机械质量以用作自动部件。为了达到这样的目的，冲压工具和技术必须快速发展。事实上，这个过程开始于热成型过程中数值模拟的出现。为了增加模拟专业知识并帮助热冲压客户在技术的快速发展（新概念，创新的生产力和质量改进），数值模拟已经成为新组件，新工具的开发不可或缺的一个可行的快速计算。然而，为了实现模拟，应该结合所有信息来解决整个过程中的热机械问题。在这种类型的问题中，热方面是最重要的，因为坯料及其最终冶金结构的流变性与在整个热成形技术中占优势的温度场完全相关。它是基于坯料和工具之间的高温差。然后，该高温度差由部分/模具 - 冲头接触界面处的热传递产生。所有热传递模式在热冲压过程的不同阶段期间发生。 最有影响的模式是传导热传递。它由热接触电阻（RC）控制，其作为时空定律出现。 因此，精确的热冲压模拟的实现需要良好的空间RC定律和控制在热冲压过程中发生的所有热传递模式的热传递系数。
在本文中，将与用作热冲压试验中的毛坯材料的Usibor 1500P一起描述热冲压工艺。 然后，将提出在热冲压阶段期间发生的所有热传递模式的热传递模拟。实验程序的简要描述，全由Abdulhay等人描述。将是第二部分的主题。 本文的最后一节专门讨论了与接触压力相关的RC的实验结果。
烫印
能源效率，高水平的乘客安全和重量减轻的车辆刺激了各种新的过程和材料的设计和生产的现代汽车车身结构[5]。 用于制造不仅具有高机械性能而且具有显着较薄板材的部件的现有技术概念是称为热冲压的热板材成形概念[6e8]。 它作为一个相当新颖的过程，它越来越多地用于汽车应用程序，并进行了积极的研究来支持这个不断增长的市场[9,10]。 热冲压是热成型和坯料同时淬火和硬化的组合。
2.1。 流程说明
重量减轻，车辆油耗的减少和安全性的改进需要制造更薄的汽车部件来实现，同时可以提升高机械性能。由具有高屈服应力（1000至1500MPa）的钢制成的部件被越来越多地用于制造新的白车身（BIW）部件的材料。然而，这些材料的高屈服应力会降低它们的可成形性，这可能妨碍复杂形状部件的制造。另一方面，在冷成型工艺（冲压）中使用的重钢具有低屈服应力，因此呈现不理想的机械性能。替代的解决方案是使用硬化钢，其可以形成为复杂形状; 在第二步骤中，对该部件进行热处理以优化其最终的机械性能。高昂的成本是该方法的缺点之一，这可能大大增加最终产品的售价。
热冲压是通过称为坯料的薄金属板的塑性变形的热成型的过程。该成形技术是在炉中将坯料加热至900℃至950℃，在5-10分钟期间完全奥氏体化。 然后，尽可能快地将热板从炉中转移到压机上并立即冲压，以便利用在高温（600℃至800℃）下的优异成形性。在最后阶段，将刀具关闭20秒，以使片材在马氏体完成温度Mf以下淬火。 冷却速度必须足够高（gt; 30℃/ s），以获得最终的马氏体结构，给予部件所需的机械性能。图1总结了热冲压工艺的不同阶段。
今天通过热冲压所涉及的汽车部件有许多：前保险杠梁或后保险杠梁，A柱，B柱，车顶栏杆，隧道，门梁等。在汽车部件的制造中采用的最简单的形状是Omega;形 如图1所示。
2.2。 Usibor 1500P
Usibor 1500P是由ArcelorMittal开发的一种专利的铝硅涂层硼钢，加入了生产更薄零件（降低燃料消耗）和高机械性能的需要，以确保乘客的安全。
Usibor 1500P是一种微合金碳锰钢，其中添加了各种元素，例如：Cr，Mo，Nb，Ti，V和B.每种元素组成和热机械处理变化的变化导致不同的Usibor 1500P 微观结构。
Usibor 1500P是一种预合金化的硼C-Mn钢，具有厚度为30mm的金属涂层Al-Si。 在奥氏体化炉中加热坯料导致保护涂层转变为合金层Al-Si，其增加涂层的总厚度（高达40mm）。该层蓝色或灰色涂层非常容易粘附到基底上并呈现高的防腐蚀性能。
Usibor 1500P的主要优点是非常好的淬火性，高温下的优异成型性，高冲击强度和非常高的拉伸强度以及较小的回弹。
Usibor 1500P的TTT图表明，在MS=400℃时发生奥氏体晶升变，并且获得最终马氏体微结构，所需的冷却速度必须大于或等于30K / S。 Usibor 1500P的所有热物理性质由TAC-SI 确定并用于本研究。这些性质表示为将热导率，密度和热容量与部件温度相关联的方程。由于微观结构转变而产生的附加热量可以通过额外的等效热容来表示。
- 热传递建模
所有的热传递模式发生在热冲压过程中存在的不同组分之间，特别是部件，模具和冲头。 该形成过程可以分为三个不同的步骤：接近，形成和淬火阶段。
本节的目的是提出简单的模型来估计每个阶段期间部件表面边界上的传热系数。 保留的表达式可以给出传热系数的值，其可以用作输入数据以模拟对数字代码的热冲压过程。
3.1.接近阶段
在炉中加热并进入到压机中，在该阶段期间通过对流和用环境空气辐射来冷却热部件。 一旦部件在模具上淹没，它在接近阶段期间被非均匀地冷却，估计为2s时间。同时，不仅通过与环境空气的对流而且通过用环境空气，冲头（上表面）和模具（下表面）的辐射来冷却该部件。
3.1.1. 对流传热建模
雷诺数即Re用于确定在强制对流传递的系统座中从层流到湍流的过渡：
其中delta;是特征长度; u是特征速度; nu;是运动粘度;
在自由对流中，Grashof数Gr与强制对流中雷诺数所起的作用相似。它可以被物理地解释为表示自由对流流动系统中的浮力与粘性力的比率的无量纲组：
其中g是重力加速度;beta;是热膨胀系数; DT = T1— T2是特征温度差; delta;是特征长度; nu;是运动粘度;
在热冲压系统中，部件和工具之间的空间可以模拟为由间隔距离delta;的两个水平板形成的封闭空间，其中空气包含在通过对流交换热量的两个表面之间。理查森数d表示势能与动能的比率：
相对于热冲压的数值应用给出了一些参数的大量顺序：beta; =（1 / T0）=（1/293）Delta;T = 880 K; delta;0 = 40mm; u = 40mm / s。 在这种典型情况下，计算的理查森数将近似等于：R i = 825。因此，认为对流是自然的：R 1gt; 10。
为了计算自由对流系统中的传热系数，作者使用基于Nusselt无量纲数的相关性：
虽然一些开放的问题仍然存在，但是实验可以用于预测在恒定热通量条件下对多种液体的热传递。经验相关性提出以下形式：
其中C和n是由实验给出的两个常数; 这两个常数的确定取决于固体的几何形状，流体类型和流动状态。
使用在热冲压情况下适用的一些量级阶数值的简单数值应用显示层流控制对流热传递：
对于这些值，无量纲数等于：
Ra = 47.104，Grd0 = 40.10sup3;*10。
传热系数使用方程（3）—（5），对流可以表示为：
其中参数delta;是特征长度。 在我们的应用中，它表示在接近阶段期间，分离冲头和零件的距离。 它在初始距离delta;0和临界距离delta;C之间变化，对应于低于约1.7times;10 sup3;的Grdelta;值，其中传导热传递变为预传导，观察到纯传导热传递; 它对应于Nudelta;=1。
对于Grdelta; = 1.7times;10sup3;，使用公式（3）计算delta;c，使用传导表达式计算传热系数：
基于在热冲压情况中应用的一些有用参数的数值应用可以用于确定delta;c。 对于距离delta;lt;5mm，传导热传递变得主要，并且使用等式（7）计算热传导。
3.1.2。 辐射传热建模
初始在室温下热流从热坯料传递到冷冲头; 它等于：
其中：delta;是Stefane-Boltzmann常数; F12是从表面1到表面2的辐射形状因子; S1是表面1的面积; T1，T2分别是表面1和表面2的温度。
因此，辐射传热系数可以写为：
与本节相关的假设如下：
通过坯料边缘的辐射热通量被认为是可忽略的，因为热坯料的厚度低。 外部环境被认为是温度等于300K的黑体。
从坯料的上表面到冲头和坯料保持器的底面的辐射形状因子可以使用参考文献中给出的图表计算。 对于两个平行平面，给出辐射形状因子的表达式，作为图1中所示的不同尺寸的函数.3：
其中X=a / delta;，a为表面交换热的长度; Y = b / delta;，其中b是同一表面的宽度。
辐射热传递系数在接近期间是一个变量，取决于delta;。
在接近阶段期间根据坯料的上表面的总体传热系数的表达式为：
在接近期间，坯料的下表面通过传导和辐射冷却。 关于图7所示的空白结构， 如图4所示，由于对流引起的冷却效果相对于其它传热模式是可忽略的。 实际上，热空白的位置限制了对流的效果。
冷却坯料的下表面可以分为三个区域。 两个区域通过传导冷却第三区域通过辐射冷却。 结果表明，坯料下侧的传热系数为：
两个垂直平面的形状因子的表达式几何结构如下：
其中F13是从坯料到模头的辐射形状因子;H = a / c，其中a是表面交换热的长度; c是部件与模具之间的距离; W = b / c，其中b是宽度的相同表面。
3.1.3。 传导热传递
进入模具的热通量由静态热接触电阻控制，静态热接触电阻应当呈现相对高的值由于自身的部件重量而具有弱的接触压力。然而，该热导率应该显示出大小可以与部件区域的其余部分所呈现的辐射热导相比。
3.2。 成形阶段
考虑到它们的热量低，工具仅经历弹性变形可以被认为是可忽略的。另一方面，热冲压的目的是给部件赋予形状而不显着损坏其厚度。因此，在该阶段期间，假定坯料保持其初始厚度。 考虑到部件的温度水平,在成形阶段期间的热传递主要是辐射的。
3.2.1空白的上侧：
关于冲头的尺寸，坯料中心和冲头下表面之间的距离不应超过2mm。该界面的特征在于在部件和冲头之间发生辐射和传导热传递。 根据成形过程，在成形结束时，传导越来越重要。
此外，应该强调的是，零件的上表面通过与坯料保持器的滑动接触而被冷却。 由毛坯保持器自重提供的接触压力相对较弱，因此滑动热接触电阻应该呈现相对高的值：Rsgt; 1/10sup3;msup2;K/M。
最后，在半径区域上的部分/管芯界面处发生动态接触。这是由于冲头施加的单调增加的接触压力使部分变形。这种增加的负载主要通过由于部分电阻的增加而实现，这是由于 由部分塑性变形引起的硬化现象。还通过施加的增加的负载提供以实现淬火阶段所需的最大接触压力。
3.2.2坯料的下侧
坯料的下侧通过辐射和传导来冷却在此阶段。
基于坯料之间的高温差并且在形成期间通过由辐射产生的热通量的模具可以分解如下：
在坯料的下侧和之间的辐射热通量辐射形状因子取决于零件底部的尺寸和瞬时
分离两个表面的距离delta;辐射形状因子取决于坯料变形区的尺寸和距离delta;：
对于这两种情况。 辐射形状因子从低表面的毛坯到模具在参考文献中提及。并给出：
第一个公式；
第二个公式；
其中H = a /delta;，其中a是表面交换热的长度; W = b /delta;，其中b是同一表面的宽度。
部件的下侧的其余部分通过与模具的滑动接触被冷却，特别是在上半径区域处，其中正常应力是模具反馈的最大结果。 热传递在部件的垂直区域可能是不同的，由于与增加的冲压力相反的部件反馈，其被拉紧。因此，拉伸应力倾向于通过弹性（并且可能是塑性）变形来减小部件厚度。 假设变形只是弹性的，平均应力由Hook定律给出：
delta;=F/S
其中F是记录的冲压力s是部分横截面。比较在Usibor
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