（材料加工工程专业论文）h13钢分流模挤压受力分析及其疲劳失效研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合实际生产，以减小h 1 3 钢分流挤压模的疲劳失效率为 目的，采用有限元和实验相结合的办法，分析了h 1 3 钢分流挤压模 的疲劳失效形式；围绕分流焊合挤压过程中金属的流动及挤压力变化 规律、h 1 3 钢本构方程、热机械循环应力下的疲劳强度、挤压力计算 模型的修正、疲劳寿命预测等方面进行了系统的研究，获得如下主要 结论： 1 h 1 3 钢分流挤压模的疲劳失效 疲劳失效是h 1 3 钢分流挤压模最常见的早期失效形式，主要表 现为分流桥与模芯结合处的疲劳断裂。应力集中引起的局部拉应力水 平超出工作条件下h 1 3 钢的疲劳强度是分流模疲劳失效率的最主要 原因。 2 分流焊合挤压过程中金属的流动及挤压力变化规律 应用三维有限元法对一种6 0 6 3 铝合金方管的分流焊合挤压过程 进行了详细分析，获得了挤压过程中金属的流动和挤压力变化规律， 结果表明：在焊合高度方向上，固态焊合最先发生在两股金属中部， 上部金属最后焊合。对于分流焊合挤压，整个成形过程可分为镦粗、 分流、分流孔剩余间隙填充、固态焊合和稳态挤压五个阶段；挤压力 在分流阶段刚开始时增幅较大，然后趋于稳定；在坯料挤出分流孔又 尚未与焊合室接触时，挤压力因为摩擦面积的减小而降低；峰值挤压 力出现在金属挤出模孔的瞬时，随后进入稳态挤压阶段。 3 h 1 3 热作模具钢的本构方程 利用i n s 仃o n 8 0 3 2 对h 1 3 钢在2 0 。6 5 0 范围内的弹性模量进行 了测量，利用g l e e b l e l 5 0 0 对其在6 5 0 8 0 0 温度范围，0 1 2 0 s 。1 应变 速率下的热压缩变形行为进行了研究。结果表明：弹性模量随温度的 升高呈总体下降趋势，在1 5 0 3 5 0 c 有小幅波动；流变应力随变形 温度的升高而降低，随应变速率的提高而增大。结合广义h o o k e 定理 和利用z e n e r - h o l l o m o n 参数描述的双曲正弦函数，首次建立了h 1 3 钢的热变形行为的弹塑性本构方程。 4 热机械循环应力下的疲劳强度 利用i n s t r o n 8 0 3 2 电液伺服疲劳试验机，采用单点测试法，依次 选取o 7 、0 6 5 、o 6 、o 5 0 b 、0 4 5 五个应力加载水平，在加载 频率为2 0 h z 、应力比为0 0 0 1 的条件下，首次测得5 0 0 时h 1 3 钢的 中南大学硕士学位论文摘要 疲劳强度为5 0 8 m p a 。 5 挤压力计算模型的修正 将“二次挤压的概念具体化，即将一次完整的分流焊合挤压过程 分割成“第一次多孔平模棒材挤压 以及“第二次平模型材挤压 ；建 立了型材复杂程度表征的新方法一复杂因子 ；在以上新思路基础 上，结合经验系数公式，修正了挤压力计算模型。 ，6 高温低周疲劳寿命预测 应用m a n s o n 通用斜率公式，建立了h 1 3 钢的应变高温低周疲劳 寿命关系；在此基础上，结合有限元法提出了一种预测分流挤压模具 寿命的方法，并从挤压速度和模桥根部圆角半径两个方面分析了其对 模具低周疲劳寿命的影响规律，结果表明：疲劳寿命随着挤压速度的 增加而减小，随着模桥根部圆角半径的增大而增大。其中，圆角半径 因显著影响模桥根部的应力集中程度而成为决定模具疲劳寿命的关 键参数。 关键词：h 1 3 钢，分流挤压模，疲劳失效，应力集中，复杂因子，挤 压力，疲劳预测 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nm i sd i s s e r t a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n de x p e r i m e n t sw e r eu e s d w i t ht h ep u r p o s et or e d u c ef a t i g u ef a i l u r er a t eo fh13s t e e lp o r t h o l ed i e a n a l y s i so ft h ef a t i g u em o d e lw a sa c h i e v e d t h em a i nc o n t e n ta r o u n d s t h em e t a lf l o wr u l ea n de x t r u s i o n p r e s s u r ee v o l u t i o nl a wd u r i n gt h e e x t r u s i o np r o c e s s 、t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fh13s t e e l 、t h et h e r m a l m e c h a n i c a lf a t i g u ei n t e n s i t yu n d e rc y c l i cs t r e s s 、t h ec a l i b r a t i o no f e x t r u s i o nf o r c ec a l c u l a t i o nm o d e la n dt h ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nw e r e o r c h e s t r a t e ds u b s e q u e n t l y 1 1 1 em a jo rc o n c l u s i o n sa b o u tt h e s ea s p e c t s w e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 f a t i g u ef a i l u r ef o r m s o fh 1 3s t e e lp o r t h o l ed i e f a t i g u ef a i l u r ei st h em o s ti m p o r t a n te a r l yf a i l u r ef o r m ，w h i c h m a i n l yt a k e sp l a c ei nt h ep o s i t i o no ft h eb i n d i n gs i t eb e t w e e nt h eb r i d g e a n dm o d e lc o r ew i t ht h ef o r m a to ff a t i g u ec r a c k s t h eh i g l ls t r e s sl e v e l w h i c he x c e e d st h ef a t i g u ei n t e n s i t yo fh 13 s t e e lr e s u l t sf r o mt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o nm o s t l ya f f e c tt h ef a i l u r ep r o b a b i l i t y 2 m e t a lf l o wr u l ea n de x t r u s i o np r e s s u r ee v o l u t i o nl a w ad e t a i l e da n a l y s i so fm e t a lf l o wi n t oap o r t h o l ed i et op r o d u c ea s q u a r ea l u m i n u mt u b eb ym e a n s o ft h r e e d i m e n s i o n a lf es i m u l a t i o nw a s p e r f o r m e d a ni n s i g h ti n t ot h em e t a lf l o wr u l e sa n dt h ee x t r u s i o nf o r c e v a r i a t i o nw e r eo r c h e s t r a t e ds u b s e q u e n t l y t h er e s u l t ss h o w , t h a ts o l i d w e l d i n gf i r s ts t a r t sa tt h em i d h e i g h to fw e l d i n gr o o mw h i l et h eu p p e r p a r t i st h el a s ta sar e s u l to ft h ef r i c t i o n c o r r e s p o n d i n gt ot h e v a r i a b l e - s e c t i o n p o r t h o l ed i e ，t h ep r o c e s si n c l u d e sf i v ed i s t i n c t i v es t a g e s o f u p s e t t i n g ，d i v i d i n g ，f i l l i n gt h ec l e a r a n c eo fp o r t h o l e s ，s o l i dw e l d i n g a n ds t e a d y e x t r u d i n g h o m o l o g o u s l y ，t h ee x t r u s i o nf o r c e i n c r e a s e s l a r g e l ya tt h es t a r to f “d i v i d i n g ，a n dt h e ng o e si n t os t a b l i l i t y h o w e v e r , i t f a l l sd o w nb e c a u s eo ft h er e d u c t i o no ff r i c t i o nw h i c hd u et ot h e d e c r e a s i n go fc o n t a c t e da r e aa tt h ee n do f “d i v i d i n g t h em a x i m u m e x t r u s i o nf o r c ea p p e a r sa tt h em o m e n to ft h em e t a lb r e a k i n gt h r o u g ht h e d i eh o l e a f t e rt h a t ，t h ee x t r u s i o np r o c e s sg o e si n t os t a b l ee x t r u s i o ns t a g e 3 c o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fh 1 3s t e e l t h et e n s i l et e s t sw e r ei m p l e m e n t e do ni n s t r o n 8 0 3 2t og e tt h ee l a s t i c i i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d u l u sb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ef r o m2 0 t o6 5 0 a n dt h et h e r m a l c o m p r e s s i o nb e h a v i o r so fh 1 3s t e e lf r o m6 5 0 t o8 0 0 a n ds t r a i nr a t e s f r o m 0 i s 1t o2 0 s 1w e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g hg l e e b l e 1 5 0 0s i m u l a t o r r e s u l t ss h o wt h a tt h ee l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s i n gw h e nt h et e m p e r a t u r e r i s i n go nt h ew h o l ee x c e p tas l i g h tf l u c t u a t i o nb e t w e e nt h er a n g eo f 1 5 0 4 5 0 a n dt h ef l o ws t r e s sd e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e ，w h i l er i s e sw i t ht h es t r a i nr a t ei n c r e a s e s c o m b i n i n gt h e g e n e r a l i z e dh o o k e sl a wa n dt h eh y p e r b o l i cs i n ef u n c t i o nw h i c hi s d e s c r i b e db yz e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ，a ne l a s p l a s t i cm o d e ld e s c r i b i n g t h et h e r m a lb e h a v i o r so fh13s t e e lw a se s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e 4 t h e r m a lm e c h a n i c a lf a t i g u ei n t e n s i t yu n d e rc y c l i cs t r e s s b yt h e i n s t r o n 8 0 3 2s e r v of a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ，a tt h el o a d f r e q u e n c yo f2 0 h za n dt h es t r e s sr a t i oo fo 0 01 ，t h es i n g l ep o i n tt e s t m e t h o dw i t hf i v el e v e l so fs t r e s sl o a d i n go f0 7 9 ，0 6 5 ，0 6 0 b ，0 5 吼， 0 4 5 0 bw a su s e d ，a n dt h et h e r m a lm e c h a n i c a lf a t i g u ei n t e n s i t yo fs t e e l h 1 3w h i c hi s5 0 8 n 口au n d e rt h et e m p e r a t u r eo f5 0 0 w a so b t a i n e df o r t h ef i r s tt i m e 5 c a l i b r a t i o no fe x t r u s i o nf o r c ec a l c u l a t i o nm o d e l t h er e i f l c a t i o no nt h ec o n c e p t i o no ft w op r o c e s s e se x t r u s i o n ，v i z ， f i r s tp r o c e s so ft h ee x t r u s i o nf o rt h eb a rp r o d u c t i o nb ym u l t i l a t e r a l o r i f i c e sf l a td i ea n df e c o n dp r o c e s so f t h ee x t r u s i o nf o rt h ep r o f i l eb y f l a td i ew a sa r c h i v e d b e s i d e s ，t h ec o m p l e x i t yp r o f i l ec h a r a c t e r i z a t i o no f t h en e wm e t h o dn a m e dc o m p l e xf a c t o rw a se s t a b l i s h e dt o o b a s e do n b o t l lo ft h ed e f i n i t i o n sa b o v e ，c o m b i n i n gw i t ht h ee x p e r i e n c ef a c t o r f o r m a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o no fe x t r u s i o nf o r c ec a l c u l a t i o nm o d e l - p r o f i l e s c o m p l e xf a c t o rc o e 街c i e n tc o r r e c t i o nm e t h o dw a sc o n s t i t u d e d 6 f a t i g u el i f ep r e d i c t i o nu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r el o wc y c l e c o n d i t i o n s t h r o u g ht h eh i g h - t e m p e r a t u r et e n s i o nt e s ta n dm a n s o nu n i v e r s a l s l o p ee q u a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i na m p l i t u d ea n dl o wc y c l e f a t i g u e1 i f eo fh 1 3s t e e lw a sc o n s t i t u t e d an e wm e t h o df o rp r e d i c tt h ed i e l o wc y c l ef a t i g u el i f eb a s e do nf e mw a gd e v e l o p e d t h er u l e so ft h e i n f l u e n c eo fd e s i g na n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nf a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o r s w e r ea l s oe s t i m a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r a i nd a m a g ev a l u ew h i c h i v c l o s e l yr e l a t e d t ot h ea c c u r a c yo fd e s i g np a r a m e t e rr i s e sw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ee x t r u s i o ns p e e dw h i l ed e c r e a s e sw i t ht h ea u g m e n to ft h eb r i d g e r o o t ，sr a d i u s f o r t h e m o r e ，t h eb r i d g e r o o t sr a d i u si st h ec r i t i a c a l p a r a m e t e r b e c a u s ei tm o s t l ya f f e c t s t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nd e g r e e k e yw o r d s ：h13s t e e l ；p o r t h o l ed i e ；f a t i g u ef a i l u r e ；s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ， c o m p l e xf a c t o r ；e x t r u s i o nf o r c e ；f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n v 中南大学硕士学位论文第l 章文献综述 第l 章文献综述 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于江苏省江阴市江顺模具公司承担的国家科技支撑计划项目一 一“大断面复杂截面铝合金型材挤压用模具的设计制造技术研究的子课题，课 题编号为2 0 0 7 b a e 3 8 8 0 4 。本课题结合企业需求，围绕h 1 3 钢分流模模桥的疲 劳断裂现象，从材料本身的疲劳性能、分流焊合挤压力的计算、分流模的结构参 数以及挤压工艺参数等方面开展了系统的研究。 铝型材在建筑、交通、工业方面的需求量日渐增大，铝型材产品也向着多样 化和复杂化的方向发展，对产品加工精度的要求也越来越高。在铝型材挤压生产 过程中，分流模起着至关重要的作用，该型模具不但能生产平模难以生产的悬臂 很大的型材，而且还能生产空心、半空心型材，除此之外，使用分流模挤压的型 材因为变形量大，而具有更好的综合力学性能。目前国内分流模局普遍采用h 1 3 钢。该钢种在使用前经过适当的淬火+ 回火等热处理，可获得优良的综合性能， 如良好的热强性、红硬性、较高的韧性、抗疲劳性和抗热振性，工作温度可达6 0 0 。但是分流模工作时直接与高温铸锭接触，同时承受高温、高压剧烈摩擦等作 用，工作条件极其恶劣，使模具极易因磨损和疲劳而失效，这使得模具的使用寿 命下降。据国内外一些资料统计，当生产中等批量的挤压产品时，工模具的成本 往往占挤压总成本的3 5 - - - 5 0 。如在1 2 5 m n 挤压机上配备五种不同的挤压工 具，每套工具需消耗高级合金模具钢2 0 0 t 以上，制造周期一年以上，耗资超过1 0 0 0 万元。如果使用寿命提高一倍，则产品成本降低约2 0 左右。提高挤压模具的使 用寿命具有更大的经济效益。1 2 5 m n 挤压机上的大型模具每套达1 t 以上，模具目 前的使用寿命仍然非常低，如果将其寿命提高5 - - , 1 0 倍，则产_ 品的成本可大幅度 下降【l 】。模具寿命是评价某一个挤压方法经济可行性的决定因素，模具的设计与 制造质量是实现挤压生产高产、优质、低能耗的最重要的保证之一。因此分流模 的失效问题日益受到人们的关注。 研究和生产实践证明，疲劳破坏是分流挤压模具早期失效的最主要形式，因 此对分流模的疲劳失效问题进行追踪，开展疲劳研究有着重要意义。随着计算机 技术的快速发展，在有限元方法的基础上可对模具失效和寿命问题进行广泛而深 入的研究。相比于基于试验实验的传统方法，与有限元模拟计算相结合的疲劳分 析手段能够提供模具表面的应力应变、温度的分布，可以在设计阶段判断模具 疲劳寿命的薄弱位置，通过修改模具设计或者挤压工艺可以准确的预测模具疲劳 寿命，以及有效地降低模具的疲劳失效率，因而能缩短模具开发周期，降低开发 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 成本。 1 2 分流挤压模 分流挤压模是在桥式舌形模的基础上发展起来的，实质是桥式舌形模的一 种，即把模桥改称为平面桥，所以又叫平刀形舌形模。这种形式的模子在近年来 得到了迅速的发展，并广泛地用在不带独立穿孔针系统的挤压机上生产各种规格 和形状的管材和空心型材，特别是民用建筑型材【l 】。 1 2 1 分流焊合挤压的原理及其优缺点 平面分流组合模( 图1 1 ) 一般由上模、下模、定位销、联结螺钉四部分组成。 上模有分流孔、分流桥和模芯，分流孔是金属通往型孔的通道，分流桥是支承模 芯的支架，模芯用来形成型材内腔的形状和尺寸。下模有焊合室、模孔型腔、工 作带和空刀。焊合室把分流孔流出来的金属汇集在一起重新焊合形成以模芯为中 心的整体坯料，模孔型腔的工作带部分确定型材的外部尺寸和形状以及调节金属 流速，空刀部分是为了减少摩擦，使制品能顺利通过，避免划伤型材表面以保证 表面质量。 ( a ) 上模( b ) 下模 图1 1 分流模结构示意图 平面分流模的工作原理与桥式舌形模一样，是采用实心铸锭，在挤压机挤压 力的作用下，金属在经过分流孔时被劈成几股金属流，汇聚于焊合室，在高温、 高压、高真空的膜腔内又被重新焊合，然后通过模芯与模子所形成的间隙流出， 而形成符合一定尺寸要求的管材或者空心型材。其工作原理示意图见图1 2 。 中南大学硕士学位论文第l 章文献综述 1 挤压杆2 挤压垫3 挤压锭4 挤压筒5 上模6 分流孔7 下模8 模芯9 工作带 图1 - 2 平面分流组合模工作原理图 平面分流模的主要优点【】是： ( 1 ) 产品范围广。可以挤压双孔或者多孔的内腔十分复杂、断面形状非常 复杂的空心型材或者管材，也可以生产悬臂梁很大，用平面模很难生产的半空心 型材，还可以制品断面沿长度方向分阶段变化的和逐渐变化的变截面型材。 ( 2 ) 可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品。 ( 3 ) 可以改变分流孔的数目、大小和形状，使得截面形状比较复杂、壁厚 差较大难以用工作带、阻碍角和促流角等调节流速的空心型材很好的成形。 ( 4 ) 可以用带锥角的分流孔，实现在小挤压机上挤压外形较大的空心型材， 而且能够保证有足够的变形量。 ( 5 ) 易于分离残料，操作简单，辅助时间短，可在普通的型棒挤压机上用 普通的工具完成挤压周期，同时残料短，成品率高。 ( 6 ) 提高金属的变形能力。金属在挤压变形区中处于强烈的三向压应力状 态，可以充分的发挥其塑性，获得大变形量。例如，纯铝的挤压比可达5 0 0 。 ( 7 ) 制品的综合质量高。分流焊合挤压的变形量大，可以极大地改善金属 材料的组织，提高其力学性能，特别是对一些具有挤压效应的铝合金，其挤压制 品在淬火时效后，纵向( 挤压方向) 力学性能远高于用其他加工方法生产的同类 产品。 ( 8 ) 生产灵活性大，同般的挤压加工一样，模具可拆换，可以在同一台 挤压机上生产形状、尺寸规格和品种不同的产品，而且更换模具的操作同样简单 方便、费时小、效率高。 ( 9 ) 工艺流程简单。相对于相对于穿孔轧制、孔型轧制等型材生产工艺来 说，分流模生产具有工艺流程短、设备与投资少等优点。 当然，平面分流组合模也有自身的缺点： ( 1 ) 与平面模和舌形模相比，变形阻力大，所以挤压力一般比平模高 中南大学硕士学位论文 第l 章文献综述 3 0 - 4 0 ，比舌形模高1 5 2 0 。因此，目前只限于生产一些纯铝、铝镁硅系 等软合金 ( 2 ) 型材有焊缝，可能会影响制品的组织和力学性能。 ( 3 ) 要求模子的加工精度高，特别是对于多孔空心型材，上下模要求严格 对中。 ( 4 ) 残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。 总的来说，用分流挤压模进行生产，其生产过程既具备了一般挤压生产所具 有的特点，又具有自身特殊的优处，如可生产空心型材、极大地提高了金属的综 合性能等，所以分流模的使用也越来越广泛。 1 2 2 分流挤压模的工作条件 在挤压过程中，挤压模具的工作做条件是十分恶劣的。随著挤压产品品种的 增加和规格大型化、形状复杂化、尺寸精密化、材料高强化以及大型的高比压挤 压筒和新的挤压方案的不断出现，挤压模具的工作条件就变得更加恶劣了，对它 们的要求也越来越高。铝型材挤压模具的使用条件及其损坏原斟卜4 】概括分析如 下。 ( 1 ) 承受长时间的高温作用。金属的热挤压是在高温下进行的，挤压前的铸 锭加热温度一般为4 5 0 - 4 8 0 ，加上在挤压过程中由于摩擦生热与变形热导致 的温升，更加提高了模具的工作温度。直接与高温铸锭接触并参与变形的挤压模 具的表面温度有时可达5 5 0 以上。承受高温作用的时间一般为几分钟到几十分 钟，对于挤压速度慢的难变形铝合金来说，有时长达数小时以上。长时间的高温 作用，大大地恶化了金属与模具之间的摩擦条件，降低了模具材料的强度，以至 于产生塑性变形，加速其破坏。 ( 2 ) 承受长时间高压作用。为了实现挤压变形，金属和模具都要承受很高 的压力。生产实践表明，使金属产生塑性变形所需的单位挤压力与合金品种有很 大关系。一般来说，铝合金普通型材挤压所需的最小单位压力范围为 2 0 0 - 4 0 0 m p a 。而铝合金壁板和空心型材所需最小单位挤压力范围为4 5 0 1 0 0 0 m p a 。可见，模具在挤压时需要承受很高的单位压力，加上高温和长时间的作用， 有时甚至会超出模具材料的许用应力而损坏。 ( 3 ) 承受激冷激热作用。计算和生产实践表明，铝型材挤压模具在工作时 间和非工作时间的温差，可达2 0 0 3 0 0 ( 2 ，而且模具材料的传热能力较低，很可 能在模具中产生很大的热应力，使其工作条件更为恶化。在激冷激热作用下，模 具极易产生微裂纹或者热疲劳裂纹。 ( 4 ) 承受反复循环应力作用。挤压过程本身就是一个周期性的间歇式操作 4 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 过程。在工作时间，模具要承受很高的工作压力，而在非工作时间里则突然卸载， 应力下降到零，而且，有的模具或者模具的模具的某一部位，在挤压过程中有时 受压，有时受拉，因此模具中的应力状态是极其复杂和不稳定的。在这种反复循 环，拉压交变的应力作用下，模具极易产生疲劳破坏。 ( 5 ) 承受偏心载荷和冲击载荷作用。在挤压复杂断面型材、空心型材时， 模具内会产生很大的附加应力，或者引起很高的应力集中。在薄壁空心件中，还 会受到偏心载荷、冲击载荷、扭曲和横向弯曲应力的作用。主应力和这些附加应 力迭代，会形成很高的工作应力。在这种复合应力作用下，模具最易丧失其稳定 性，产生弯曲、扭断或者折断。 ( 6 ) 承受高温高压下的高摩擦作用。铝合金在挤压时的主要特点之一是极 易与模具表面产生“粘结作用，即在高温高压作用下，合金中的v 、f e 、s i 等溶质院子渗透到模具表面产生焊合作用，在于高温金属直接接触的模子表面附 着一层金属。这些金属随着挤压的进行，不断形成，又不断被破坏，经过多次反 复磨损，而引起模具失效。 ( 7 ) 承受局部应力集中的作用。由于产品形状比较复杂，相应的模具形状 和结构也比较复杂，因而在高温高压作用下容易产生局部的应力集中，从而引起 局部变形或者局部压塌。这种局部变形经局部修理后，削弱了模具的强度，使之 工作条件更为恶劣，因而更易损坏。 综上所述，在铝型材挤压时，尤其是复杂断面型材和空心型材的挤压时，模 具的工作条件十分恶劣，而引起其变形和损坏的因素也是错综复杂的。因此，在 设计时应该尽可能考虑各种不利因素的影响，选择合理的结构，进行可靠的强度 校核，规定合理的加工工艺和热处理工艺，选择合适的挤压设备等等。只有这样， 才能避免因为人为因素造成的模具早期失效而带来的生产成本提高与资源浪费。 1 2 3h 1 3 钢分流挤压模失效 h 1 3 钢是一种典型的热作模具钢，具有优良的热强性、塑韧性、抗氧化性及 热疲劳抗力，一般在4 0 0 - - - 6 0 0 热作场合下服役，适合制作各类热作模具，如压 铸模、热挤压模、高速锤锻模等。h 1 3 钢主要含c r ，m o ，v 等合金元素。与高 韧性热作模具钢5 c r n i m o 、5 c r m n m o 相比，h 1 3 钢具有更高的热强性、热稳定 性和淬透性，因而可用于取代热强性不足的5 c r n i m o 、5 c r m n m o 。与高热强性 热作模具钢3 c r 2 w 8 v 相比，h 1 3 钢具有高塑韧性和抗热冲击性，因此它成功地 取代了因韧性、热疲劳抗力不足而易引起失效的3 c r 2 w s v 来制造热作模具。由 于h 1 3 钢良好的性价比，同时又由于其良好的工艺性能，目前该钢种已经成为 国内外应用最广泛的热作模具用钢。 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 h 1 3 钢分流模因磨损或者其他失效形式、终致不可修复而报废之前所能承受 的挤压的总次数或者通过挤压铸锭的个数( 也可通过产品的总长度或者总重量表 示) ，称之为挤压模具的使用寿命。 h 1 3 钢分流模的失效可根据模具设计寿命与实际使用寿命长短的比较而分 为正常失效和早期失效。总的来说，正常失效和早期失效的比例大致分别为8 5 ： 1 5 。这是平面模具和分流组合模具平均使用寿命的统计比例，若详细统计，h 1 3 钢分流组合模的使用寿命达不到此数据【5 1 。 正常失效通常是指模具因为不可避免的磨损等原因造成的尺寸超差等形式 的报废，但是在模具报废前，其使用时间已经达到模具的设计寿命。早期失效是 指因为未知原因导致的模具使用寿命未达到设计寿命的意外报废，这往往是因为 不合理的模具设计、不正确的材料热处理方式、机加工工艺以及挤压工艺的制定 不完善等所造成。因为分流挤压模加工精度高，工艺复杂，所以由早期失效带来 的模具报废给企业带来了巨大的损失。具不完全统计，h 1 3 钢分流挤压模的早期 失效和使用寿命低的问题给全世界每年造成上百亿美元的损失。不光如此，有文 献1 5 j 指出，国外h 1 3 钢分流组合模具的平均使用寿命为2 0 2 5 t 模，而国内h 1 3 钢平面分流组合模具的平均使用寿命据只有5 1 5 t 模，换句话说，我国每年因为 早期失效和模具寿命低造成的损失可达到2 0 0 亿元人民币，远远高出世界平均水 平。 对于h 1 3 钢分流模早期失效带来的经济损失，世界各国十分重视和关注， 纷纷拨出专款，组织专家对挤压模具的失效问题进行跟踪观察、调查分析、统计 归类；研究各种失效形式产生的具体原因和理论机制；进而寻求防止出现早期失 效的技术措施和提高模具使用寿命的途径。这方面的工作，美国、日本等国均做 出了较多的研究。早在8 0 年代，日本的学者家田诏夫、安保满夫等人就对铝型 材挤压模具的失效、使用寿命、裂纹与磨损、破坏的热力学、失效机制、提高模 具的使用寿命等问题进行乐闻广泛的研究，并发表了不少很有价值的论文和专 著。从9 0 年代至今，各国科学家利用现代科学的巨大成就，如电子计算机技术、 有限元等数值模拟技术与物理实验、电子显微技术、断裂力学、热磨损热疲劳模 拟技术、现代表面技术等方面的研究成果与先进技术对铝型材挤压模具的失效和 寿命问题进行了更深入广泛的研究，并取得了长足的进步【l 5 】。 h 1 3 钢分流挤压模的主要失效与损坏形式有磨损、疲劳破坏、塑性变形。 ( 1 ) 磨损 首先必须指出，磨损是挤压模具最主要的正常失效形式，磨损往往会造成 产品尺寸超差、表面质量恶化。 模具与坯料之间存在直接接触，有接触必然有摩擦，与所有的摩擦副一样， 6 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 与高温、高粘结性、高流速的金属相接触的模具端面、工作带、焊合腔和分流孔 部分的磨损通常都要经过跑合、稳定磨损和急剧磨损三个阶段。 在挤压过程中经常出现的磨损方式为热疲劳磨损和机械磨损，此外，还伴 随着腐蚀磨损、磨料磨损等。根据受力状态和相对运动情况，挤压模具的磨损可 分为压应力磨损和切应力磨损。压应力磨损发生在模具与金属坯料相接触又基本 不出现滑动摩擦的情况下。切应力磨损属于滑动磨损，也称之为擦伤，是挤压模 中最常见的一种磨损形式。滑动磨损在不同压力作用下能将模具表面一定厚度的 材料抓伤、转移，磨损产物成为进一步磨损的磨料。滑动摩擦使模具不断出现新 的表面。促进了表面的腐蚀，加速模具的损耗。有时，滑动摩损还在模具表面的 不同部位利用模具材料和模具状态的不均匀性( 如表面缺陷、碳化物不均等) 有 选择地磨损。此外，挤压模具表面承受反复加热、冷却的温度变化，在表面产生 拉、压的交变热应力，同时显微组织也发生不同程度的转变，在这种联合作用下， 材料发生磨损和表面塑性变形，并进而产生热疲劳磨损。热疲劳磨损的破坏过程 包括摩擦表面的擦伤、粘着、塑性变形、扩散磨损和热疲劳裂纹。在分流模中， 最常见的磨损失效形式有压坑、麻面、粗糙、擦伤、划伤、粘着、尺寸超差等。 在对工模具磨损的分析方面【6 , 7 , 8 ，】，从1 9 5 3 年起就广泛使用a r c h a r d 9 】理论。 在此理论中，磨损量与磨损因子【l 们、模具表面法向压力和材料相对模具的滑移距 离1 1 1 , 1 2 】成正比，与模具的硬度成反比。此后，国内外许多学者在此磨损理论的修 正、磨损预测以及减小磨损量方面做了大量研究。r s l e d l 3 l 和j h k a n g 1 4 】对 a r c h a r d 理论做了修正，考虑温度以及时间对模具硬度和磨损因子的影响； m e r i k s e n t1 1 5 j 提出通过优化模具设计来减小磨损量；g e u n a nl e e 1 6 】等人在 a r c h a r d 理论的基础上研究了冷挤压中模具锥度以及压下量对磨损量的影响以及 模具磨损的分布情况；周杰【i 7 】等人利用a r c h a r d 理论分析了模具硬度、初始温 度、润滑条件在一次成型后对模具磨损的影响规律；王雷刚【煳、冯迪【1 9 】等人利 用修正的a r c h a r d 理论分析了挤压模具型腔的磨损。 ( 2 ) 疲劳断裂 由1 2 3 节的分析可知，分流模在工作状态下，要同时承受高温高水平循环 应力的双重作用，因此薄弱部位的疲劳失效几率就相应增大了。常见的疲劳断裂 有分流模上模模桥根部的裂纹、模芯横断、纵裂等。产生疲劳裂纹的原因很多， 般来说是因为模腔形状或者模具结构局部的应力集中，表面的微裂纹等。 对于疲劳裂纹的产生，学术界一直存在不同的解释。其中热疲劳理论认为： 表面金属的温升高于深层的金属温升，表面因膨胀而产生压应力。同时，模具表 面因温度升高而使屈服强度下降。当压应力的增高超过相应温度下的表面金属屈 服强度时，表面出现塑性的压缩变形。与之相反，当热金属离开模具表面使温度 7 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 下降，而内层仍保持较高的温度时，则形成拉应力。同样的原因，当拉应力的增 加超过材料表面的屈服强度时，则会出现塑性的拉伸应变。模具局部微小塑性变 形的积累可能形成疲劳裂纹。裂纹一旦形成，他们将在水平很高的机械应力下不 断增长，而且氧化过程以及热金属的楔入都会加速疲劳裂纹的扩展。 日本学者安保满夫、富田诏夫等人则提出了不同的看法 2 0 , 2 1 j 。他们对矩形型 材挤压过程中，模孔角部与长边中心部位的温度随挤压过程的变化情况的研究得 出：模具的温度变化在百度左右，且角部与长边中心的温差较小，而且温度变化 的总趋势几乎不受挤压速度的影响，即通常认为变形热的作用，在此体现的并不 明显，另外，由于挤压过程的进行是连续不间断的，且单次挤压的时间较短，因 此温度的变化在两次挤压间隔中下降的也不是很剧烈。据资料记载僻】，对h 1 3 钢与3 c r 2 w 8 v 钢进行热疲劳实验，实验循环温度范围为2 0 0 7 0 0 ，n = 1 0 0 0 次， h 1 3 钢试样截面上热应力裂纹很少，仅仅在在一个试样上找到尺寸细小的裂纹， 其长度约为0 0 1 - 0 0 2 m m 。此外，中南工业大学的老一辈学者们通过对平模温度 场的计算，也发现模具整个体积内温度的差异也只有百多度，在生产上无激冷激 热的情况发生，因此这种近似恒温的条件，似乎也很难出现热疲劳破损。 由以上分析我们可以做出这样的结论：热应力相对于机械应力的变化对疲劳 裂纹的产生和扩展来说，所作贡献极微，因而可以忽略。分流模挤压的峰值机械 应力往往可达几百兆帕，随着单次挤压的完成，挤压力在短时间内从峰值下降为 零，模具的局部应力集中处( 如模桥根部) 以及在热处理或者机加工留下微裂纹 的部位，在高温下承受着如此形式的循环应力，从而最终导致疲劳裂纹的产生和 扩展。通过以上分析可知，分流模的疲劳失效可看做是等高温状态下的机械应力 疲劳，这也为模具的疲劳失效分析提供了方便【2 3 。2 5 】。 ( 3 ) 塑性变形 首先由于热模具与高温、高静水压力、高摩擦的金属接触，表面温升很高 而产生软化现象，在相当载荷的作用下，有可能会发生大量的塑性变形；其次， 对于复杂截面型材的挤压来说，由于模腔和分流的复杂程度增加，不合理的分流 孔形状和分布也可能导致模芯和工作带在不同方向所受应力水平有差别。在上述 两种因素的综合作用下，模具在未出现磨损以及疲劳失效的情况时，由于不能保 证产品的尺寸精度而失效。常见塑性变形的失效形式有分流模压塌、模芯弯曲或 者拉断、工作带坍塌等 t , 2 5 j 。 随着h 1 3 钢在挤压模具上的大规模应用，有关h 1 3 钢制模具的失效问题也 越来越引起重视，以上三种失效形式在大规模的生产中都有较大的几率出现，国 外有学者对此做出了统计学方面的研究。日本学者还提出了如图1 3 所示的铝挤 压模具裂纹产生的原因分析图【l j 。 8 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 圈圈圈 图l 一3 铝挤压模具裂纹产生原因分析 文献【2 5 】对1 7 种总共6 1 6 套各种形状系数的实心、半空心、实心型材挤压 模具的失效形式做出了统计，它将挤压模具的失效形式分为疲劳断裂、磨损、塑 性变形、上述三种综合因素失效、模型失效以及其他失效形式，并指出疲劳失效 是挤压模具最主要的早期失效模式，其次是磨损失效，塑性变形失效的几率最小， 统计结果可用图1 4 【2 5 j 表示： 综上所述，磨损是h 1 3 钢分流模甚至是所有挤压模具最为主要的正常失效 形式，但是疲劳失效则是h 1 3 钢分流模最为主要的早期失效模式，而塑性变形 失效较为少见。因此，在早期失效的研究中，对h 1 3 钢分流模进行疲劳分析则 显得相当重要。 其他原因模芯失效 2 3 图1 - 4