CN109047522B - 一种调节热成形模具型面流速均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模具技术领域，具体地说是一种热成形模具型面流速均匀性的计算方法。同现有技术相比，根据确定模具冷却系统进口的工作压力，建立在这条压力下，各条冷却水路上的流速、流量以及出口的流速和流量关系。按照一种热成形模具型面流速均匀性方法，建立各条冷却水道的流量比例关系。通过在模具出口增加节流阀，控制上下模流量，达成一定比例关系，实现模具型面上流速的均匀性。

Description

一种调节热成形模具型面流速均匀性的方法
技术领域
本发明涉及模具技术领域，具体地说是一种调节热成形模具型面流速均匀性的方法。
背景技术
汽车车身采用热冲压成形钢板，可提高零件强度提高，提升车身刚度，实现车身轻量化。热冲压成型工艺，是把特殊钢板，如硼钢，加热到950℃左右，这个温度下强度只有150MPa左右，在热成型模具中冲压成型，保压冷却，得到所需要的马氏体组织，成型零件抗拉强度可以达到1500MPa左右。在热成型过程中，保证冷却速度的均匀性是非常关键的。冷却均匀性影响到零件的性能，冷却不均会导致材料达不到需要的强度和延伸率等，导致零件局部开裂、回弹、翘曲等问题。而冷却速度的均匀性与流速的均匀性息息相关，流速均匀性不但包括各型面的流速均匀性，还应包括上下型面的流速一致性。
热成形工艺，需要热成形压机、热成形炉、冷却系统等。其中，包括冷却水泵、散热器、制冰机、热交换器等，冷却系统为模具提供一定压力的冷却水，一般水温只有8℃到10℃。这套冷却系统的进出口都安装在压机上，一般是压机上方四进四出，下方四进四出。热成形模具内有大量冷却水道，但一般只有1到2个总进口和出口，和压机匹配。为了提供效率，热成形上一般采用一模多腔，加工左右对称件，或者好几个零件一次冲压。但上、下模总共只有4个进水口和4个出水口。
现在热成形零件使用越来越广，但对于大多数热成型模具，一般只保证了各型面的流速均匀性，没有保证上下型面流速的一致性，这会导致板料在上下模面冷却速度不一致，在厚度方向材质不均匀。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，按照一种调节热成形模具型面流速均匀性方法，建立各条冷却水道的流量比例关系。通过在模具出口增加节流阀，控制上下模流量，达成一定比例关系，实现模具型面上流速的均匀性。
为实现上述目的，设计一种调节热成形模具型面流速均匀性的方法，模具包括上模、下模及压边模，上模、下模及压边模内设有若干冷却水道，并且上模、下模及压边模的冷却水道上分别设有流量表及阀门，其特征在于：具体方法如下：
（1） 确定模具入口的工作压力，计算出在该压力情况下，上模、下模及压边模的特征流速；
（2）特征流速为总单位时间的流量除以总型面水管的截面积，计算特征流速
Figure 809554DEST_PATH_IMAGE001
，r为冷却水道的半径，n为水管数量，Q为单位时间的出口流量，上模的特征流速
Figure 146119DEST_PATH_IMAGE002
，下模的特征流速
Figure 280297DEST_PATH_IMAGE003
，压边模的特征流速
Figure 720506DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）根据特征流速相等来处理阀门的开度，假设v1 > v2 > v3，为了让系统的流速接近均匀，即v1= v2= v3，这个时候，Q1，Q2都要有所减少，Q3不变，流量1：
Figure 350945DEST_PATH_IMAGE005
，流量2：
Figure 876604DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 752156DEST_PATH_IMAGE007
为流量1时阀门的开度，
Figure 781292DEST_PATH_IMAGE008
为流量2时阀门的开度；
（4）基于流量比例关系进行微调，得出调整数值，所述的比例为
Figure 818519DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 300315DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 448400DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 332042DEST_PATH_IMAGE012
分别为上模、下模及压边模实际流量表的显示数据；
（5）根据上述比例关系
Figure 41635DEST_PATH_IMAGE009
，调整上模、下模、冷却水道上流量表的数值。
本发明同现有技术相比，根据确定模具冷却系统进口的工作压力，建立在这条压力下，各条冷却水路上的流速、流量以及出口的流速和流量关系。按照一种热成形模具型面流速均匀性方法，建立各条冷却水道的流量比例关系。通过在模具出口增加节流阀，控制上下模流量，达成一定比例关系，实现模具型面上流速的均匀性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为实施例零件的水道设计图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明所要解决的技术问题在于调整上下模进出口流速或流量，让上下模型面水管的流速基本相等。如何确定每条冷却水道进出口流量应该满足的关系，是该发明的重点。为了清楚表述这个专利，这里上下模只考虑一条冷却水道，也就是只有一个进出口。
具体方案如下：
1、确定模具入口的工作压力，计算出在该压力下上下模进出口的流量、流速和压力，并计算出每条冷却水道上的流速。
一般在压机上可以设置模具入口的工作压力，首先得了解这个压力。这个压力，也可通过每条水道上压力流量曲线，以及泵提供的压力流量曲线，以及管路上其他装置的压力流量曲线，通过计算确定。掌握一定流体力学方面的知识，就可以计算。
模具上的冷却水道非常复杂，单条水道由一个进口分成多个型面水管，汇合成一个出口。在给定压力情况下，根据质量守恒和动能守恒原理，可计算出进出口流量、流速，每条型面水管的流量和流速。一般情况下，各条水管由于长度、角度等不相同，冷却水的流动阻力不一样，各条型面水管的流速有一定差异。但设计人员一般会保证各条型面水管的流速基本一致。
单个模具模块的流速可以均匀，但模具上下型面的流速应该保持一定的关系，如何实现上下模型面流速均匀，需要采用下面提出的方法。
2、上下模冷却水道流量应该满足的关系，具体计算方法如下：
（1）特征流速的计算：
由于模具上下模型面水管很多，且流速存在一定差别。这里提出一个特征流速的概念。这里定义特征流速是总单位时间的流量除以总型面水管的截面积。发明的关键是建立其各冷却单元出口流量和特征型面流速的关系，假设各型面冷却水道半径是r，一共有n条型面水管。 出口流量是单位时间的流量Q，计算特征流速
Figure 10728DEST_PATH_IMAGE001
，上模的特征流速
Figure 696924DEST_PATH_IMAGE002
，下模的特征流速
Figure 700652DEST_PATH_IMAGE003
，压边模的特征流速
Figure 345260DEST_PATH_IMAGE004
。
由于上下型面的冷却系统的流动阻力不一致，冷却水道数目、直径都有所区别，造成型面上冷却水道流速上存在比较大的差别，这可能导致材料在厚度方向组织不均匀，影响材料的力学性能。
建立起各冷却单元，特征流速和出口流量的关系，通过在出口部位，安装阀门和流量表，就可以控制个冷却单元的型面流速。
由于阀门只能减少流量，增加流道阻力，所有在流速高的部位，通过调整阀门的开度，减少流量和流速。
（2）特征流速相等处理与阀门的开度：
通过上面关系，求出各冷却水道的特征流速vi与出口流量Qi，假设v1 > v2 > v3，，为了让系统的流速接近均匀，让v1= v2= v3，这个时候，Q1，Q2都要有所减少，Q3不变。以流速最低为基准，流量1改变为
Figure 536070DEST_PATH_IMAGE013
，其中，阀门的开度为
Figure 291536DEST_PATH_IMAGE014
；流量2改变为
Figure 618612DEST_PATH_IMAGE015
，其中，阀门的开度为
Figure 434122DEST_PATH_IMAGE016
。
从上面公式中可看出，各条冷却水道的流量的比例关系，是以最小型面流速的水道流量保持不变，其他水道的流量乘以一个系数，这个系数是最小水道型面速度与某水道初次设计特征流速与的比值。
（3）基于流量比例关系微调：
由于改变阀门后，整个系统阻力发生一定改变，其它冷却水道的流量都会有一定的改变。这时根据冷却水道的流速比例关系来微调。保证各条水道的冷却流速存在一定的比例关系。这个比例关系为：
Figure 112228DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 193358DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 640520DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 361351DEST_PATH_IMAGE012
分别为上模、下模及压边模实际流量表的显示数据。
通过这套方法，可以使型面上的流速基本均匀。
（4） 进出口上的流量表和阀门：
本发明要应用必须在模具每个水道上安装流量表和阀门。要阀门和流量表可以安装在压机提供的模具冷却系统的进出口。通过连接管道，与实际模具的进出口连接。
实施例一
为说明这套方法在工程上的应用，采用仿真方法对某个零件的热成型模具进行分析，达到上下型面特征流速一致的目的。
某套模具的冷却水道图如图2所示。
这套模具由多个镶块构成，各个镶块之间的水道通过接头相互连接。上模型面水管30条，下模型面水管27条。
通过分析计算，上下模进口压力与流量、型面特征流速的关系如表1、表2所示，表1为上模不同压力下的入口流量和型面特征流速表；表2为下模不同压力下的入口流量和型面特征流速表。特征流速可按照前面公式计算。上模出口流量为22.78m3/h，型面水管数量为30，直径均为8mm。经过计算特征流速v=Q÷(n×π×r2)=4.2m/s。下模出口流量为40.74m3/h，型面水管数量为27，直径均为8mm。经过计算特征流速v=Q÷(n×π×r2)=8.34m/s。
表1
入口压力（MPa） 入口流量(m<sup>3</sup>/h) 型面特征流速(m/s)
0.1 9.71 1.79
0.2 14.63 2.69
0.3 18.80 3.46
0.4 22.78 4.20
表2
入口压力（MPa） 入口流量(m<sup>3</sup>/h) 型面特征流速(m/s)
0.1 19.07 3.90
0.2 27.23 5.57
0.3 34.07 6.97
0.4 40.74 8.34
一般情况下，压力选择0.3MPa，上下模出口流量分别为18.80 m3/h和34.07m3/h，型面流速分别为3.46m/s和6.97m/s，可见上下型面流速差异性很大，容易导致上下型面冷却不均。
按照本发明计算方法，为了保持型面流速基本均匀，上模上的流量不变，下模上的流量应该变化 34.07×3.46/6.97 = 16.91 m3/h。
调整下模出口的阀门，减少下模的流量，可使上下模的流速基本均匀。阀门出存在流动阻力，上下模的流量都会有少许改变。这是根据本发明公式，让上下模的流量还是保持18.80：16.91的比例关系。这样能保证上下模型面的流速基本一致，型面流速在3.4m/s左右。

Claims (1)

1.一种调节热成形模具型面流速均匀性的方法，模具包括上模、下模及压边模，上模、下模及压边模内设有若干冷却水道，并且上模、下模及压边模的冷却水道上分别设有流量表及阀门，其特征在于：具体方法如下：
（1） 确定模具入口的工作压力，计算出在该压力情况下，上模、下模及压边模的特征流速；
（2）特征流速为总单位时间的流量除以总型面水管的截面积，计算特征流速
Figure 201046DEST_PATH_IMAGE001
，r为冷却水道的半径，n为水管数量，Q为单位时间的出口流量，上模的特征流速
Figure 383766DEST_PATH_IMAGE002
，下模的特征流速
Figure 193197DEST_PATH_IMAGE003
，压边模的特征流速
Figure 385144DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）根据特征流速相等来处理阀门的开度，假设v1 > v2 > v3，为了让系统的流速接近均匀，即v1= v2= v3，这个时候，Q1，Q2都要有所减少，Q3不变，流量1：
Figure 465095DEST_PATH_IMAGE005
，流量2：
Figure 84295DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 882487DEST_PATH_IMAGE007
为流量1时阀门的开度，
Figure 346966DEST_PATH_IMAGE008
为流量2时阀门的开度；
（4）基于流量比例关系进行微调，得出调整数值，所述的比例为
Figure 547003DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 805946DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 825855DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 720124DEST_PATH_IMAGE012
分别为上模、下模及压边模实际流量表的显示数据；
（5）根据上述比例关系
Figure 509088DEST_PATH_IMAGE009
，调整上模、下模、冷却水道上流量表的数值。
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