（材料加工工程专业论文）不同材料热锻模温度场、应力场的模拟及分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 热锻模是锻造工业中重要的工艺装备，在其工作过程中要同时承受周期性 的热负荷和机械负荷。这两种负荷分别产生热应力和机械应力。前人研究发现， 由温度场的变化引起的热应力是造成热锻模损伤失效的主要原因。因此，要提 高热锻模的寿命，就必须解决热应力的问题。 本文首先从理论上分析了影响热锻模热应力大小的因素。发现热锻模温度 场的变化影响热应力的大小，主要的影响因素包括锻模工作过程中的工艺参数 以及锻模所选取材料的物性参数( 主要包括弹性模量，线膨胀系数，导热系数 以及比热容) 。其中锻模材料的物性参数对热应力场的影响前人有了一定总结。 但是具体结合不同物性参数的材料进行模拟比对，分析其对温度场，应力场的 实际差异还未曾受到人们的重视。 笔者以轿车前轮毂热锻模的终锻模为原型，d e f o i 泓2 d 有限元软件为工 具，对热锻模不同取材进行了仿真的模拟，得到了不同物性参数材料的热锻模 连续工作的应力场和温度场。文中定义热锻模连续工作到热平衡状态的温度场 为连续工作的温度场。热平衡状态下的应力场为连续工作的应力场。 分析对比不同物性参数的材料，轮毂热锻模连续工作的温度场以及应力场 的模拟结果验证了；弹性模量和线膨胀系数变化曲线的整体上移对锻模综合应 力的影响表现在使锻模的几何量( 如体积和尺寸) 发生变化，从而影响作用在锻 模上的综合应力。导热系数和比热容变化曲线的整体上移对锻模综合应力的影 响表现在模锻的热量交换过程中使锻模内部温度梯度发生变化，使得不同物性 材料表现出不同的温度场进而影响作用在锻模上的综合应力。 本文通过大量的模拟试验比对，将物性参数对热锻模性能的影响由理论转 换得更为直观，从而为后续热锻模功能梯度材料的研制提供了有效的模拟依据， 相信对提高热锻模的寿命有促进作用。 关键字：热锻模，不同材料，热应力，温度场，应力场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o t - f o r g i n gd i ei sa ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nf o r g i n gi n d u s t r y , i nt h ec o u r s eo f t 1 1 e i rw o r k , t h e ys h o u l db e a rt h ec y c l i c a lh e a tl o a da n dm e c h a n i c a ll o a da tt h es a m e t i m e t h e s et w ol o a d sw i l l p r o d u c et h e r m a l s t r e s sa n d m e c h a n i c a ls t r e s s p r e d e c e s s o r s r e s e a r c hf o u n dt h et h e r m a ls t r e s sw h i c hp r o d u c e db yt h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l dw a st h em a i nc a u s eo ft h ef a i l u r ea n dd a m a g eo f t h eh o tf o r g i n g d i e i no r d e rt oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo fh o tf o r g i n gd i e ，w eh a v et or e s o l v et h e p r o b l e mo ft h e r m a ls t r e s s i nt h i sp a p e r , ia n a l y z e dt h ee l e m e n t st h a ta f f e c to nt h es i z eo ft h et h e r m a ls t r e s s o ft h eh o tf o r g i n gd i e s ，f o u n dt h a tt h ec h a n g i n go ft h et h e r m a lf i e l da f f e c tt h e r m a l s t r e s s t h em a i ni m p a c ti n c l u d i n gc r a f tp a r a m e t e ra n dp h y s i c sp a r a m e t e ro fm a t e r i a l ( i n c l u d i n ge l a s t i cm o d u l u s ，l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n d h e a tc a p a c i t y ) a st h ei n f l u e n c eo ft h eh o tf o r g i n gd i e s p h y s i c sp a r a m e t e ro fa c e r t a i ns u mu pt h ep r e d e c e s s o r s h o w e v e ru s i n gd i f f e r e n tt y p eo fm a t e r i a l st od o s i m u l a t ea n dc o m p a r e ，a n a l y z i n gh o wt h ed i f f e r e n te l e m e n t sa f f e c to nt h et h e r m a l f i e l da n dt h es t r e s sf i e l dh a s n tc a u s et h ep e o p l e s a t t e n t i o ny e t t h ew r i t e rt o o kt h ev e h i c l e sf i ? o n tw h e e lh o tf o r # n gd i e sa st h ep r o t o t y p e ， u s i n gd e f o r m 一2 df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea st o o l s ，e m u l a t e dd i f f e r e n tm a t e r i a l s h o tf o r g i n gd i e s ，g o tt h ec o n t i n u o u sw o r kt h e r m a lf i e l d sa n ds t r e s sf i e l d so fd i f f e r e n t p h y s i c a lp a r a m e t e r s d e f i n e dt h eh o tf o r g i n gd i e sc o n t i n u o u sw o r kt ob a l a n c e a st h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h eb a l a n c ec o n d i t i o n b a l a n c e dc o n d i t i o n ss t r e s sf i e l d si st h e c o n t i n u c sw o r ks t r e s sf i e l d s c o n t r a s ts i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a lj m r a m e t e r so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew h e e l s h o tf o r g i n gd i e s t h e r m a lf i e l d st e s t i f i e dt h a t ： y o u n g sm o d u l u sa n dl i n e a re x p a n s i o nt o e 珩c i e n to ft h ec b l v eo i lt h ew h o l es h i f to n f o r g i n gd i ei n t e g r a t e ds t r e s st h ei m p a c to ft h ef o r g i n gd i ei nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e g e o m e t r y ( s u c ha sv o l u m ea n ds i z e ) c h a n g e s ，t h u sa f f e c t i n gt h ei n t e g r a t e ds t r e s so f t h eh o tf o 哂n gd i e s t h er i s i n go ft h ec u r v eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dh e a t 武汉理工大学硕士学位论文 c a p a c i t ya f f e c t e dt h ef o r g i n gd i e si n t e g r a t e ds t r e s sm a i n l yo nt h eh e a te x c h a n g i n g p r o c e s sa n dc a u s et h ef o r g i n gd i e s i n t e r n a lt h e r m a lg r a d i e n tc h a n g e s ，m a d et h e d i f f e r e n tm a t e r i a l ss h o w st h ed i f f e r e n tt h e r m a lf i e l d sa n df i n a l l ya f f e c tt h ei n t e g r a t e d s t r e s so nt h ef o r g i n gd i e s t h r o u g hal a r g en u m b e ro fs i m u l a t e dt e s t a n da n a l y z e ，t h i sp a p e rt u r n e dt h e p h y s i c a lp a r a m e t e r sa f f e c t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e h o tf o r g i n gd i e st h e o r ym o r e d i s t i n c t ，s oi tc o u l dp r o v i d ea ne f f e c t i v eb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gh o tf o r g i n gd i e s f u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l sr e s e a r c h w eb e l i e v ei tw i l lh e l pi m p r o v i n gs e r v i c el i f e o fh o tf o r g i n gd i eal o t k e y w o r d s ：h o tf o r g i n gd i e ，m a t e r i a l s ，t h e r m a ls t r e s s ，t e m p e r a t u r ef i e l d , s t r e s sf i e l d m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蜒 日期竺节! 兰堇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生挑球拉撕始雄魄塑 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 热锻模在金属塑性成形，特别是难变形金属的成形过程中起着十分重要的 作用。热锻模在服役过程中所面对的工况十分的恶劣，其寿命普遍很低，从而 直接影响了锻件的成本和生产单位的经济效益。在国外，模具费用约占锻件成 本的1 5 ，而在国内却高达3 0 以上。因此如何提高模具的使用寿命，降低锻 件成本是热加工行业中亟待解决的问题。 1 1 1 模具工业的重要地位 模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母 【l 】。世界模具市场 总体上供不应求，市场需求维持在每年6 0 0 亿到6 5 0 亿美元，所以，模具业有 “不衰亡工业刀之称。7 5 的粗加工工业产品零件、5 0 的精加工零件由模具成 型，绝大部分塑料零件也由模具成型。作为国民经济的基础工业，模具涉及机 械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业，应用范围十分广泛。 在不少行业中，模具费用已经在产品生产成本中占1 5 - 3 0 。模具水平的高低， 在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，因此模具工业的 发展水平标志着一个国家工业水平及产品开发能力。美国和日本是世界上的超 级经济大国，也是世界模具工业的领先国家。据统计，美国模具行业有1 2 5 5 4 个企业，从业人员1 7 2 8 万人，模具总产值达6 4 4 7 亿美元。日本模具工业是从 1 9 5 7 年开始发展起来的，当初模具总产值仅有1 0 6 亿日元，到1 9 9 1 年总产值超 过1 7 9 0 0 亿日元，在3 4 年中增长了1 6 9 倍，这也是日本经济能飞速发展，并在 国际市场上占有一定优势的重要原因之一。现在，日本的模具工业已实现了高 度的专业化、标准化和商品化。据1 9 9 1 年统计，日本全国就已有1 3 1 1 5 家模具 企业，其中生产冲模的占4 0 ，生产塑料模的占4 0 ，生产压铸模的占5 ， 生产锻模的占3 。在日本，模具被誉为“进入富裕社会的原动力 ；在德国， 模具则被冠之以“金属加工业中的帝王一；在罗马尼亚，模具更被视为“黄 武汉理工大学硕士学位论文 金刀【2 1 。 这些年来，我国模具工业一直以1 5 左右的增长速度快速发展，年模具生 产总量仅次于日、美之后位居世界第三位，到2 0 0 5 年，全国模具生产厂点已达 3 万多家，从业人员5 0 多万人模具行业的生产企业和职工人数在世界上的排名 已跃居第一【l 】；2 0 0 5 年模具销售总额高达6 1 0 亿元，比上年增长2 5 ；模具生 产企业总体上任务饱满、。订单充足。2 0 0 6 年，业界预测中国汽车的年度销售数 量将会比前一年增长1 5 ，年度销售数量将会达到6 4 0 万台。而汽车零部件市 场比汽车整车的市场更大，可以预测汽车相关模具产业将会有高速发展。目前， 国内模具行业正随着我国制造业特别是汽车和电子产业的持续高速发展而逐渐 步入”黄金期”。 在我国模具行业飞速发展的同时，也存在着模具产品水平和生产工艺水平 总体上要比欧美发达国家落后的问题，主要表现在模具精度、寿命、复杂程度、 设计、加工、工艺装备等方面。国内模具的使用寿命只有国外发达国家的1 2 至 1 1 0 ，甚至更短，模具生产周期却比国际先进水平长许多。此外，模具的标准化、 专业化、商品化程度较低，模具材料及模具相关技术比较落后，也是造成与国 外先进水平差距较大的重要原因。 随着高新技术在模具企业得到广泛应用，欧美许多模具企业的生产技术水 平，在国际上是一流的。模具行业的发展态势主要体现在以下三个方面【3 】： 1 、c a d c a e c j m 的广泛应用，显示了用信息技术带动和提升模具工业的 优越性； 2 、为了缩短制模周期、提高市场竞争力，普遍采用高速切削加工技术； 3 、快速成型技术与快速制模获得普遍应用。 1 1 2 热锻模的现状 尽管铸造或金属薄板焊接使零件制造的竞争加剧了，但是对于制造大量机 械性能良好的不规则形状的金属零件来说，锻造仍然是最可行的方法。热锻模 在机器制造业中仍然占有重要地位。锻造工业的发展具有下述特征：锤上模锻 向压力机模锻发展；锻件公差精度提高；生产周期缩短。 目前，模锻的主要方法是锤上模锻和压力机上模锻。现行的热模锻工艺是 将金属毛胚加热至锻造温度，在模锻锤或热模锻压力机上进行锻造，然后再切 2 武汉理工大学硕士学位论文 除飞边得到锻件。这种模锻工艺的加热是在未加控制的气氛中进行的，方法简 单，加热温度较高而且金属被加热后塑性好，变形抗力小，成形性能好。同时 锻造温度范围广，对毛坯限制小，因此得到广泛应用。模锻过程中，锻模承受 热负荷和机械载荷，而且在两者的共同作用下，锻模容易形成各种损伤，其中 包括：磨损、机械裂纹、热裂纹和塑性变形等，这些损伤严重影响锻模的寿命。 因此，热负荷和机械载荷被视为影响锻模寿命的最根本原因。 1 2 热锻模寿命研究中的问题 热锻模的寿命和性能取决于模具材料对使用条件的不利影响如何做出反应 以及如何承受这些不利影响，如高温、冲击载荷、磨损和热裂纹【4 , 5 】。人们往往 不得不在互相矛盾的性能要求( 例如获得耐磨性所需的高硬度和提高耐断裂性所 需的韧性) 之间寻求平衡。要提高锻模寿命，就要了解作用在热锻模上的各种负 荷及其影响锻模寿命的各种机理，这样才能在工作中防止不合理的负荷对锻模 造成的不良影响。国内外很多学者针对上述问题进行了大量实验研究，并取得 了很多研究结果。 西北工业大学李付国在其【博士学位论文中】分析总结了锻模的失效形式，主 要有以下几种【6 7 】： 1 、锻模型腔的磨损 在模锻过程中，锻模型腔表面和金属坯料在机械负荷作用下相互接触并发 生相对移动，型腔表面上部分材料因摩擦而脱落，产生机械磨损。机械磨损时 产生很高的摩擦热效应，它同金属坯料热传导共同作用就会在型腔表面产生很 高的瞬态温升，在模具型腔就会产生强烈的氧化，氧化层脱落造成氧化磨损。 机械磨损和氧化磨损使型腔几何尺寸和形状发生变化，表面质量产生恶化。 2 、锻模型腔的热塑性变形 模锻过程中，型腔表面经常在高温、高压负荷作用下工作，当某些部位受 到热软化或强度不足时，就会产生局部区域性的塑性变形。锻模一旦发生塑性 变形就会使型腔部位的尺寸和形状发生严重的破坏，有时这种区域性的塑性变 形会危及到整个模具，使其报废。 3 、锻模型腔的热疲劳 锻模型腔在周期性热冲击载荷作用下，会在模具型腔表面层产生很大的拉、 3 武汉理工大学硕士学位论文 压交变热应力。当某瞬间因急冷而产生的拉应力峰值大于模具材料的疲劳极限 时或因型腔表面受热而发生相变时，就会在模具工作表面层内产生热疲劳裂纹， 裂纹进一步扩展就会导致锻模的热疲劳破坏。网状的热疲劳裂纹是型腔表面产 生褶皱的前奏，而大多数锻模以这种形式损坏，褶皱是锻模损坏失效的最危险 因素之一。 4 、锻模型腔的机械疲劳 锻模型腔在周期性机械冲击载荷作用下，有时瞬态冲击载荷会发生过载， 在模具上引起脆性裂纹。但大多数裂纹是由于动态交变应力作用下在模具型腔 部位所产生的机械疲劳裂纹，当裂纹长大并扩展到一定程度后，就会引起模具 的机械疲劳破坏。 由上述分析可知，锻模型腔表面的热负荷状态和锻模损坏失效有密切关系。 因此，对锻模型腔表面的温度场进行研究是有必要的。 龙满林在其硕士论文中分析了锻模在工作过程中承受的两种负荷【8 】：热负荷 和机械负荷。当锻模的温度有所改变时，它的每一单元都将由于温度的升高或 降低而趋于膨胀或收缩。由于外在的约束，以及各个单元之间的相互约束，这 种膨胀或者收缩并不能自由地产生，就产生温度应力( 热应力) ，即温度场的变 化产生了温度应力。机械负荷作为施加在锻模上的外力，由于模座的约束，使 锻模内部产生机械应力。通过对热锻模工作过程的机械应力场和温度应力场的 有限元模拟分析发现，与温度应力相比，机械应力的幅值是很小的，故锻模的 失效主要是温度应力引起的。由于温度应力幅值很大，可能大大超过模具材料 的屈服应力，产生疲劳破坏，导致锻模塑变失效。实践证明，锻模大多以疲劳 裂纹的形式损坏，对压力机失效模具观察统计，热裂和磨损约占8 0 ，而断裂 和压塌各占1 0 。由此看来，提高锻模寿命的主要途径，除了优化工艺与模具 设计外，将模具承受的机械应力降至最小外，更重要的是将热应力降至最小。 对热锻模连续工作时温度场、应力场的模拟发现，连续工作时，常规热锻 模在整体上可分为三个区域：紧邻模膛表面的温度波动区，远离模膛的散热区， 介于两者之间的温度平衡区。在具体分析条件下，温度波动区的体积占锻模体 积的十分之一左右，其余部分的体积占锻模体积的9 0 ，而且热锻模体积越大， 其温度波动区所占的体积分量越小。温度平衡区和散热区的温度和应力处于较 低的水平状态，普通均质模具钢完全可以满足这两个区域的使用性能要求，锻 模的损伤主要发生在温度波动区。 4 武汉理工大学硕士学位论文 通过有限元软件模拟发现，温度波动区最大热应力的幅值是最大机械应力 幅值的1 0 倍左右。可以断定，温度波动区的热应力是造成该去损伤的主要原因。 又因为锻模的损伤主要发生在温度波动区，所以温度波动区的热应力是造成热 锻模损伤的最主要原因。要想提高锻模的使用寿命，研制长寿命的热锻模，问 题就集中到缓解锻模温度波动区的热应力这个问题上来了。 研究发现【9 】，影响热应力幅值的主要因素有温度波动幅值t 、材料的弹性 模量e 、材料的热膨胀系数q 、材料热传导系数入、和材料比热容q 。缓解热应 力的方法就可以有以下几个方面：降低温度波动区的温度波动幅值t ；合 理选择适合实际工作情况的物性参数的材料作为模具材料根据锻模的热平衡 确定锻模的工作节奏和平衡温度。 对热锻模材料物理性能参数及变化的研究发现锻模材料的选择原则为【1 0 l ： 选用弹性模量e 较小的热锻模材料，且e 随温度升高呈较大幅度地减小；选用 线膨胀系数较小的锻模材料，且随温度升高呈较小幅度地增大；选用热导系数k 较大的热锻模材料，且k 随温度升高呈较小幅度的减小；选用比热容c 较大的 热锻模材料，且c 随温度升高呈较大幅度的增加。根据以上热锻模材料的选用 原则，可以有效的降低锻模波动区的热应力，从材料选用方面达到缓解热应力 的目的。 要达到缓解波动区热应力的目的，可以从几个方面入手，可以选择有利于 减小热应力的材料之外，还有其它的方法。比如降低波动区的温度波动幅值、 选用合理的工艺参数等。前人通过a n s y s 软件模拟得出了温度对同种材料物性 参数的影响规律以及综合应力对物性参数随温度变化的敏感性的大小，取得了 初步成果【l 。而针对不同材料在相同工况下的温度场，应力场变化这方面的研 究并不是很多。 1 3 本文研究的内容及意义 本文针对缓解锻模热应力研究的最新前沿，依托国家自然基金资助项目( 长 寿命热锻模热应力缓解机理及设计方法的研究) ，以d e f o r m 2 d 软件为工具， 轿车前轮毂终锻模为原型，模拟对比了不同模具材料在相同条件下锻模的连续 工作的温度场，应力场的实际情况。通过对不同材料轮毂热锻模热平衡状态下 温度场、应力场的分析，得出不同材料的物性参数不同对实际温度场以及应力 5 武汉理工大学硕士学位论文 场的实际影响大小，为此后采用功能梯度材料设计、制造长寿命热锻模提供了 依据。 1 4 本章小结 本章介绍了模具行业的现状，分析了热锻模寿命研究的发展过程和最新的 研究成果，即多金属热锻模的思想，并提出了热锻模寿命研究的最新问题，主 要对热锻模的失效形式进行了总结和分析，包括热负荷对热锻模的影响和机械 负荷对热锻模的影响。 通过对这些问题的研究，明确了论文的研究目的和研究内容，即模拟不同 材料的热锻模的连续工作，直至其达到热平衡状态，对比分析不同材料平衡时 的温度场以及应力场，结合物性参数对热锻模综合应力的影响规律对比实际模 拟结果进行研究，为以后功能梯度材料的设计提供依据。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章热锻模d e f o r m 模拟的建立 锻模的损坏是各种影响因素综合作用的结果。不管是直接影响因素( 锻件的 质量) ，还是间接影响因素( 锻压设备类型和生产纲领等) ，都是通过锻模所受的负 荷来影响锻模寿命的。锻模所受的负荷分为热负荷和机械负荷。其中，热负荷 所产生的热应力又是影响锻模寿命最明显的因素。因此，为了提高锻模寿命，我们 考虑引入d e f o r m 模拟来进行了解作用在锻模上的各种负荷及其影响锻模寿命 的机理。 2 2 热锻模工作过程中所受的负荷及其产生的影响 热锻模在其工作过程中主要承受两种不同类型的动态负荷：热负荷和机械 负荷，二者虽然性质不同，但由于它们同时作用在模具型腔表面上，故对锻模的损 坏起到相互促进作用。锻模的损坏是其型腔表面承受多次热冲击和机械冲击共 同作用的结果。 2 2 1 热负荷及其产生的影响 热负荷来源于型腔表面与热锻件接触时的热传导和锻件沿型腔表面滑移时 产生的摩擦热效应。其大小除与锻件的温度、变形强度、润滑等因素有关外，主 要取决于型腔表面与锻件在高压下接触的持续时间。在锤或压力机上模锻时，锻 模所受的热负荷按如下规律进行变化【1 l 】： 1 、加载时，型腔表面的温度迅速上升到峰值。峰值的高低主要取决于型腔的 工况条件。 2 、卸载后，型腔表面的温度迅速下降，峰值温度呈现的时间极短，具有脉冲的 特征。 3 、型腔表面的瞬时高温只影响到厚度很薄的表面层。 因此，在连续生产的条件下，热负荷以脉冲的方式周期性的施加在型腔表面 7 武汉理工大学硕士学位论文 上。型腔表面在热负荷的反复作用下可能会发生四种不同形式的反应：热疲劳、 相变、回火和塑性变形。它们都会在不同程度上加速锻模的损坏，使其使用寿 命降低。 ( 一) 热疲劳 在受高温影响的型腔表面层中，由于各点温度不同，形成了三维方向的温度 梯度。随着型腔表面的骤热和骤冷，受其影响的各质点也将发生相应的膨胀和收 缩，并承受因邻近各点约束而产生的应力。这里的应力分为拉应力和压应力。以 型腔表面上某点为例：骤热时，承受由邻近各点阻碍其膨胀而产生的压应力； 骤冷时，承受由邻近各点阻碍其收缩而产生的拉应力。这说明在一次热脉冲作 用的过程中，型腔表面各点要承受一次方向相反的交变应力的作用。这个作用 称为热冲击，相应的应力称为温度应力( 热应力) ，因热冲击作用而引起的疲劳 称为热疲劳。当某瞬间因温度变化产生的应力大于模具材料的热疲劳极限时， 就会形成热疲劳裂纹。热疲劳裂纹首先出现在承受热冲击最激烈的型腔表面上。 热冲击的激烈程度与热脉冲循环的上、下限温度有关，即与型腔表面的峰 值温度和模体温度有关。上、下限温度之差形成温度应力，它影响锻模的热疲 劳寿命。由于下限温度基本等于模体预热温度，所以，降低锻模在工作过程中 的峰值温度是提高其热疲劳寿命的最有效措施。其它诸如为了减少模具截面上 的温度梯度而增大模具钢的热传导系数等方法，均因锻模的热脉冲过程极为短 暂而难以受到明显的效果。 ( 二) 相变 锻造时，型腔表面的峰值温度很高，但时间却很短，这意味着，峰值温度 一经呈现，就立即被激冷。在这种情况下，如果型腔表面的峰值温度超过模体 材料的奥氏体化温度，而模体温度有低于模具材料的马氏体相变温度( m s ) 时， 就会在型腔的高温表面层中发生相变，形成马氏体组织。 马氏体组织的出现不但同时伴随着体积的增大，使型腔表面层中的应力状 态更加复杂，还会使型腔表面脆化，冲击韧性降低。此外，当硬而脆的马氏体 层被击碎时，除有可能形成裂纹外，破碎的硬粒子还会作为研磨剂使型腔表面 的磨损加剧。马氏体相变是导致锻模损坏的最大危险，如果不发生马氏体相变， 锻模寿命至少可提高7 倍。 ( 三) 回火反应 型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发生相变，都会产生回火反应。 8 武汉理工大学硕士学位论文 型腔表面发生回火反应后，其机械性能大大下降。回火反应的速度取决于型腔 表面的峰值温度。峰值温度越高，回火速度越快，型腔表面层的机械性能恶化 也越迅速。 ( 四) 塑性变形 锻模在工作时，承受很大的应力，而且应力分布不均匀。当其某个部位所 受的应力超过了当时温度下锻模材料的屈服极限时，就会以滑移、孪晶、晶界 滑移等方式产生塑性变形，造成锻模失效【l5 1 。 在多轴应力状态下，判断锻模是否发生塑性变形可以使用v o nm i s e s 判据： 仃2 西1 ( q q ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( 吒一q ) 2 + 6 毫+ + t ) 2q ( 2 1 ) 二 f ，一1 1 式中仃等效应力； 0s - 锻模材料在工作状态下的屈服强度： 0 x 、0y ，0z 、 ty z 、 i r 珏、【x 厂应力分量； 如果2 1 式成立，则锻模会发生塑性变形。 综上所述，热负荷不仅是影响锻模寿命的主要负荷，而且在不同的温度下 会以不同的机理去影响锻模的寿命。 2 2 2 机械负荷及其产生的影响 设备施加在锻模上的负荷成为机械负荷。它是锻模在工作过程中所承受的 各种机械应力( 如压应力、拉应力、剪应力等) 的根源。 锻模在机械负荷的作用下，可能会以脆性破裂、机械裂纹、机械磨损和塑 性变形四种形式而损坏【9 1 。 ( 一) 脆性破裂 锻造过程中，设备故障( 如锤杆与锤头紧固不良) 、锻模安装不当( 锤头燕 尾与锻模燕尾紧贴不良、楔块松动) 、无锻件空击、锻造温度过低、锻模预热不 良、模块存在内部缺陷等原因，都会导致锻模产生脆性破裂。脆性破裂属于非 正常损坏，在锻模使用中应该慎重对待，尽量避免。 ( 二) 机械裂纹 机械负荷与热负荷一样，也以脉冲的方式周期性地作用在锻模上。锻模在 这种脉冲式机械负荷作用下，可能产生机械疲劳破损。其过程为：加载时，型 9 武汉理工大学硕士学位论文 腔中的某( 些) 点特别是承受着较大弯曲力矩作用的点要承受很高的 脉冲机械应力的作用，并且逐渐疲劳。在此情况下，如果某瞬时的机械应力大 于模具材料的疲劳极限时，就会产生裂纹胚，并随着机械负荷的反复进行而不 断长大，形成机械疲劳裂纹。当该裂纹长大到某一极限尺寸时，某瞬间的峰值 机械应力就会使锻模破裂。 ( 三) 机械磨损 在二- 般情况下，机械磨损是锻模最普遍的损坏形式。对锻模而言，型腔表 面上的摩擦和磨损状态主要取决于型腔各部位的受力状态。根据各部位所承受 的负荷特征，可将型腔表面大致划分为三个区域：压力区、剪力区和过渡区。 在压力区域中，锻件沿型腔表面基本不滑移，型腔表面主要承受压应力的作用。 该压力的特点是在整个区域内分布不均匀，在压力区的中心部位可能产生很高 的压应力；此外，由于锻件和型腔表面接触不均匀，在局部接触区( 或点) ，因 为应力集中也可能产生很高的压应力。在这两种因素的共同影响下，局部地区 会出现高压触点，它可能将型腔表面压凹，也可能发生粘结。结果，型腔表面 不断糙化，逐渐变成点状的坑穴，最后扩展成网状的压痕。 在剪切区域中锻件沿型腔表面滑移，由于摩擦的结果，型腔表面要承受剪 切应力的作用。在这种情况下，由于锻件和型腔表面接触不均匀( 特别是型腔 表面已因回火而软化时) ，该剪切应力就会将型腔表面拉伤，形成与锻件滑移方 向一致的沟槽。 过渡区域一般位于压力区和剪切区之间。在这个区域中，型腔表面要同时 承受压应力和剪切应力的双重作用。因此，该区域就兼有上述两个区域的磨损 特征，即沿锻件的滑移方向形成具有椭圆形凹口的间断沟、槽。 ， 锻模结构形状不同，上述三个区域的分布情况及其磨损的程度均不相同。 一般来讲，剪切区的磨损量最大，过渡区最小，压力区居中。 ( 四) 塑性变形 锻模在负荷的作用下会发生塑性变形。其机理与2 2 1 节中的塑性变形原理 是一样的，都是在不破坏整体性条件下的不可回复的形状改变，是锻模中个别 晶粒的原子群被迫产生的不可逆位移的结果。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 多金属材料热锻模理论1 2 3 1 热锻模连续工作时，模膛表面温度一般均超过模具材料的回火温度，造成 高温软化。由于使用冷却和润滑，又使模膛近表面层产生极大的拉应力，造成 裂纹的扩展。现有的各类热锻模具钢均不能完全满足模膛近表面所需要的同时 具备高温强硬性和高温韧性的要求。对于任何一种均质热锻模而言，其高温强 硬性和高温韧性是相互矛盾的。虽然可用不同的热处理工艺老来调节两者之间 的矛盾，但结果并不能明显改变这种状况。功能梯度材料( f u n c t i o n a lg r a d i e n t m a t e r i a l s ，f g m ) 1 2 , 1 3 】的出现，为热锻模的设计制造提供了一个新的思路，即： 多金属材料热锻模。多金属材料是指用三种以上的均质模具钢按需要逐层叠加 为一有机整体( 即每两层之间的连接是金属键连接，不存在明显的分界面) 的 金属材料。 对均质模具钢制造的圆饼类锻件镦粗热锻模的有限元模拟发现【1 4 】：连续工 作时热锻模的温度场可以分为三个区域：紧邻模膛的温度波动区、远离模膛的 散热区和介于两者之间的温度平衡区。相比其它两个区域而言，温度波动区的 体积仅占锻模总体积的1 0 左右，而且锻模体积越大，其波动区所占的体积就 会越小。在实际工作过程中，常规热锻模的损伤主要恰恰就是发生在温度波动 区。温度平衡区和温度波动区的温度和应力均处于较低水平，均质模具钢完全 可以满足这两个区的使用性能要求。多金属热锻模的设计制造就集中到温度波 动区材料的设计与选择。 多金属热锻模的材料结构应该是：温度平衡区和散热区的材料仍选用现有 均质热锻模具钢且用传统方法制造，这部分做为热锻模的基体；温度波动区用 多金属材料制造，做为热锻模的耐热区。耐热区的材料组成是按阶梯形变化的， 耐热区可分为多个层区，每一层区的材料是均匀一致的。 ， 耐热区的分层数目是由连续工作时模膛表面温度峰值与锻模的平衡温度之 间的差值确定，差值越大，分层数目越大。各层区间的边界就是模具连续工作 时的温度场的等温线，每一层区之间担任( 5 0 1 0 0 ) 的温度差值，锻模使用寿 命要求高的可取小值，使用寿命要求不高的可取较大值。 从上述内容可以看出，模拟不同材料热锻模连续工作时的温度场、应力场 是有必要的，是设计制造多金属热锻模的基础和前期工作。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4d e f o r m 软件介绍 d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o r f o r m i n g ) 1 5 1 是由美国s f t c 公司商品化 推广应用的软件，是一套给予有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其 相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。它不同于一般的有限元程序，是专门 为金属成形而设计的。它具有友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行 准备数据和成形分析。这样，工程师便可以把精力主要集中在工艺分析上，而 不是去学习繁琐的计算机系统。d e f o r m 还专为大变形问题设计了一个全自动 的优化的网络再划分系统。 d e f r o 蹦是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前 处理、模拟器、后处理三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何 信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成 器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚( 粘) 塑性、热传导于一体的有限元求解器； 后处理器是将模拟结果可视化，支持o p e n g l 图形模式，并输出用户所需的模 拟数据。 d e f o r m 的功能主要有： ( 1 ) 成形分析：冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析，提供材料流动、 模具填充、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息； 丰富的材料库，包括各种钢、铝合金、钛合金等，用户还可以自行输入材料数 据；刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性 材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶 金成形：完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形 和机械压力成形；温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后 处理简单明了。 ( 2 ) 热处理：模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程；预测 硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量：可以输入顶端淬火数据来预测最终产 品的硬度分布；可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、 热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。 d e f o r m 还可以用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作 用，各种现象之间相互耦合。这些耦合可包括：由于塑性变形引起的升温、加 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 热软化、相变控制温度相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以 及含碳量对各种材料属性产生的影响等。 d e f o r m 的特点： ( 1 ) d e f o r m 为塑性成形数值模拟设计，操作方便，专用性强，计算效率高； ( 2 ) d e f o r m 的模拟精度较高，可用于实际生产的工艺分析及模具设计，能 提高生产效率，降低成本。 2 5 算例 本文采用轿车前轮毂热锻模的终锻模为应力场温度场模拟研究对象。如图 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 所示分别为轮毂的预锻件图、热锻件图和终锻模图。由于预 锻后的工件和终锻模是轴对称图形，所以在建立模型时只取轴截面的一半进行 计算。模拟时为了方便，将上下顶杆简化，简化后输入d e f o r m 2 d 的图形如 图( 2 4 ) 所示。 图2 - 1 预锻件图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2前轮毂热锻件图 图2 - 3轮毂终锻模图 武汉理工大学硕j 二学 芷论文 上模 图2 - 4 简化后的图形 取轴对称件截面的右半部分进行模拟分析，工件材料为3 5 。钢，模拟试验用 模具材料分别为h 1 3 ( 4 c r m 。s v 1 ) ，l 6 ( 5 c r n i m o ) ，d 3 ( c r l 2 ) ，模具和工件材料 的物性参数均来自软件自带材料库中的数据。毛坯始锻温度为1 2 2 0 。c ，毛坯经 预锻后进入终锻的温度为1 1 0 0 ，终锻时的环境温度为2 0 ，终锻设备为2 0 m n 模锻压力机。变形流动时，工件和模具间的摩擦系数取0 3 ，接触热传导系数为 1 1 w ( m ) ，无变形流动时工件和模具间的接触热传导系数为1 w ( m ) 。 终锻模的预热温度为3 0 0 。锻件和模具除中心轴线的边界为热量交换的边 1 6 。- 2 “。在d e f o r m 2 d 中建立的有限元模型如图( 2 5 ) 所示。 图2 - 5 工件与模具的模型图 武汉理工大学硕士学位论文 我们把每一次模锻工作循环过程分为四个阶段：工件放置、锻靠、留模、 工件取出，不同的阶段有不同的时长。从工件和下模接触到上模下行与工件接 触之前的阶段称为工件放置阶段，在这个阶段工件只和下模部分点接触，所以 在这个阶段仅有下模和工件以及上模、下模、工件和空气之间的热量交换。模 拟时，此阶段时长设为4 s 。锻靠阶段是从上模和工件接触到锻件变形过程结束， 这个过程是变形和热传导的耦合分析。这个阶段的持续时间是由压力机的参数 所决定的。留模阶段为工件成形结束到其被顶料杆顶出，这个阶段工件和下模 紧密接触，所以这个阶段存在工件和下模以及上模、下模、工件和空气之间的 热量交换。在模拟过程中，此阶段的时长设为2 s 。第四个阶段为工件顶出阶段， 由于工件已被顶出。所以此阶段仅存在上、下模和空气的热量交换。把此阶段 的时长设为2 s 2 1 2 2 - 2 3 1 。 通过以上设置，我们建立起此次模拟的模型，随后的不同材料热锻模的一 系列工作过程中的温度场应力场我们通过引入这个模型来模拟运算得出。 2 6 本章小结 本章首先分析了热锻模工作过程中所受的负荷，认为锻模的损坏是其型腔 表面承受多次热冲击和机械冲击共同作用的结果。本章也介绍了多金属材料热 锻模的理论。最后，本章还介绍了本文所要用到的d e f o r m 模拟分析软件并根 据我们实验的实际情况引入算例建立起合适的模型。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章不同材料热锻模温度场的模拟 3 1 热锻模的温度场 3 1 1 锻模的温度场 锻模的温度场是指锻模所有各点温度瞬时值的总体【2 4 1 ，其特征是在空间上各 点温度是不均匀的，在时间上温度是变化的。这种变化不仅仅表现在每一个工 作循环中，而且表现在从第一次工作循环到热锻模处于热平衡时的若干个工作 循环所组成的过程中。温度场是预先决定模具破坏过程的极其重要的因素。 3 1 1 1 锻模热传导微分方程 根据傅立叶定律和热传导能量守恒定律，锻模非稳态温度场的描述方程为 a 2 t a 2 t a 2 t1a t 萨+ 矿+ 萨2 石百 ( 3 - 1 ) 式中：q 锻模材料的导温系数( m s 2 ) ； x ，x z 一锻模内任意点的坐标( 衄) ； 卜锻模内任意点的温度( ) ，它是坐标( x ，y ，z ) 和时间t 的函数； 卜- 时间( s ) 。 3 1 1 2 初始条件和边界条件 锻模使用前要预热到一定温度t o ( ) ，所以微分方程2 2 求解的初始条件 为： t(x，y，z，o)=io(3-2) 模锻过程中，锻模的各类边界均以不同的方式和周围