（材料加工工程专业论文）基于磨损的热锻模具优化设计和寿命预测(1).pdf

中文摘要 摘要 热锻模具是工业生产的一种基础装备，随着工艺技术的不断发展而得到了 越来越广泛地使用。热锻模具工作环境恶劣，在锻造循环过程中不断地承受着 机械载荷和热载荷作用。在国内热锻模具所能达到的寿命较低，仅为3 0 0 0 5 0 0 0 件，还远远落后于国外水平，因而如何增加热锻模具使用寿命是一个迫切需要 得到解决的问题。模具磨损是造成模具报废的主要原因，经研究表明因磨损造 成的热锻模具失效占总的模具失效的7 0 左右。所以，减少热锻模具的磨损是 提高模具寿命的关键所在。 首先，本文考虑到热锻模具工作环境的特殊性对a r c h 硼模型进行了修正， 采用d e f o m - 2 d 有限元软件模拟轮毂成形过程，计算磨损深度，模拟结果表明 锻件成形效果良好，同时表明轮毂热锻模的最大磨损部位为成形上模芯的圆角 区域。然后就成形上模芯做了两方面的优化，第一方面是上模芯轮廓形状的优 化，包括圆角半径和线形的优化。圆角半径优化中，选择了一组圆角半径，结 果表明i 毪r 3 时磨损值较小；在圆角半径优化的基础上，结合有限元模拟、b p 神经网络和序列二次规划算法的各自优势进行上模芯的轮廓线形优化，以三次 样条插值曲线描述上模芯成形部位轮廓形状，三次样条曲线的1 9 个控制点横向 坐标作为设计变量，等磨损为目标函数，随机生成数个轮廓形状并进行模拟计 算，得到的有限元数据作为b p 神经网络的训练样本，构建三层b p 神经网络模 型，从而实现了设计变量和目标函数的映射关系，再利用b p 神经网络预测和推 广特性可对给定设计变量预测出对应的目标函数值，最后采用序列二次规划算 法对所选设计变量寻优。第二方面是在第一方面的基础上，基于磨损对工艺参 数进行了寻优。研究了模具初始温度、成形速度和摩擦因子对磨损量的影响， 研究获得一组磨损量最小的上述工艺参数组合。 通过优化设计后结果显示：成形上模芯磨损量减小且更加均匀，最大磨损 值下降了2 6 8 ，通过前几次锻造循环的累积磨损值预测模具寿命，得到模具 寿命为3 8 8 7 件，与原始模具设计相比提高了2 5 2 。但由于受到相关项目时间 的制约，本文研究内容主要集中在前期的理论研究部分。 关键词：热锻模具，有限元模拟，神经网络，优化设计，模具磨损 重庆大学硕士学位论文 l i 英文摘要 a b s t r a c t h 0 tf o r g i n gd i ei sap r o c e s s i n ge q u i p m e n tmi n d l 船i a l lp r o d l l c t i o n i tl m sb e e n m o r e 锄dm o r ew i d e l yu s e da l o n g 诚也n l ec o n t 证u o u sd e v e l o p m e n to ft e c l l l l o l o g y r n l e w o r ke n v i r o n m e n to fh o tf - o r g j n gd i ei sp 0 0 r 锄di t 丽uc o 璐t 锄t l yb e 缸m e c h a i l i c a l1 0 a d a n d 恤m a ll o a d 妇i i l gm eh o tf 0 r 咖gp r o c e s s t h el i f eo f h o tf 0 啦gd i e 让l a tc 纽b e a c l l i e v e di sl o w e ri n 恤d o m e s t i c ni so i l l yj l l s t3 0 0 0 5 0 0 0p a n sa n ds t i l l 陆b e l l i i l d 廿l e i 1 1 c e l 似i o n 2 l ll e v e l s oh o wt oi n c 陀略et 1 1 es e r v i c el i f e0 fh o tf b 玛i i l gd i ei s 强u 玛e m n e e dt ob es o l v e dp r o b l c m 。d i ew e a ri st h em 血r e 嬲o nf o rm ed i es c r a 【p t h es t u d y s h o 、v sm a th o tf 0 略i i l gd i ef ；缸l u r ei sc a u s e db yw e a ra c c o u n t e df o ra b o u t7 0 o ft l l ed i e 筋l u r e s o ，r e ( 1 u 嘶o no fh o tf 0 玛i l 唱d i ew e a ri sn l ek e yt 0i i l l p r o v ed i e1 i f e f i r s to fa l l ，i i lt l l i sp 印e r ，c o n s i d 耐n g 也es p e c i a lw o r ke n v 拍n m e n to fh o tf o 啦g d i e ，t l ：屺a r c h a r dm o d e li sm o d i 丘e d 1 1 1 ep a p e ru s e sd e f b m - 2 df i i l i t ee l e m e n ts o r 眦e t os i i i l u l a t et i l ef o n | 血gp r o c e s sa n dc a l c m a t e 、e a rd 印也t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s m ef o m l i l l ge l j f i e c to f f 0 玛洫gi sg o o da n d l em a ) 【i i i m mw e a rp a r to ft 1 1 ew h e e lh l l bh o t f b 玛i i l gd i ei st h ef i l l e tr e g i o no ft 1 1 ef 0 衄i n gu p p e rd i em 锄d r e l t h e nt l l ep a p e rd o e st w o a s p e c t so fo p t i m i z a t i o na b o u tt l l eu p p e rd i em 锄d r e l t h ef i r s ta s p e c ti so p t i m i z a ：t i o no f o u t l i i l e s h a p ef o r 1 eu p p e rd i em a i l d r e l ，i n c l u d i i l g 也ef i l l e tr a d i l l sa i l dt l l el i n e a r o p t i m i z a t i o n h l 吐：屺f i l l e tr a d i u so p t i m i z a t i o n ，ag r o u po f6 1 l e tr a d i u si ss e l e e da n d 也e r e s l l l ts h o w s 也a tt i l ew e a rv a l u ei ss m a l l e rw h e nt l l er a d i u si sr 2 】r 3 0 n l eb a s i so f 也eo p t i i l l i 劢i o no ff i l l e tr a d i u s ，c o m b 妣d 谢mt h er e s p e c t i v ea d v 趾t a g e so f 恤觚t e e l e m e n ts i i i l u l a t i o n ，b pn e u r a ln e 似，o r ka 1 1 ds e q u e n t i a lq 啪d r a t i cp r o 孕a i r u n i n ga j g o r i m m ， 也eo u t l i n el i l l e a ro fn l eu p p e rd i em a n d r e li so p 在m i z e d i i lt 1 1 el i l l e a ro p t i m i z a t i o n ，u s i i l g 3 一s p l i n ei n t e 叩o l a t i o n 如n c t i o nc u l et 0d e s c r i b et l l eo u t l i n es h a p eo ff o n n i i l gp a r to ft h e u p p e rd i em 锄d r e l 1 9c o n 舡d 1p o 硫s h o r i z o n _ t a lc o o r d i n a t e so f3 一s p l i n ei n t e 印o l a t i o n f u n c t i o nc u l et 0b ea sd e s i g nv a r i a b l e s o 场e c t i v e 向n c t i o ni s 也ee q u 越w e a rv a l u e m d o m l yg e n c r a t e ss e v e r a lo u t l i n es h a p e sa 1 1 dt h e ya r cs i 砌菌舢e db yd e f o 衄一2 d t h e p 印e rb u i l d s3l a y e r sb pn e u r 2 l 1n 舐o r k 柱c hi s 仃a i n e d 晰t l l l ed a t eo ff e m s i m u l a t i o nr e s u l t sa sl e a n l i n g s a l l 】【p l e s s ot l l a t m a p p i n gr e l a t i o nb e t v 旧e nd e s i g n v 撕a b l e s 锄do b j e c t i v e 劬c t i o ni se 鼬l i s h e d 1 1 1 e nm ec o r r e s p o n d i n go b j e c t i v e 矗m c t i o nv a l u e 丽l lb ep r e d i c t e db yg i v e nd e s i 弘v 撕a b l e st l l i d u 曲l l s i n gt h ep r e d i c t i v e a i l dp o p l l l 耐z e dc l l a r a c t 矗s t i co fb pn e u r a ln 舐0 r k f i 谳l y ，t l l es e q u e n t i a lq 1 场d r a t i c p r o 蹦眦血ga l g o r i m mi sa d o p t e dt oo p t i i i l i z e l es e l e c t e dd e s i 伊v 撕a b l e s o nu 1 e i i i 重庆大学硕士学位论文 b 硒i so ft h cf i r s t 舔p c c t ，t h es e c o n d 嬲p e c to p t i m i z e st l l ep f o c e s sp a r a m e t e rb 舔e do nt 1 1 e w e 跹1 kd i ei 尚a lt e n 叩e r 狐玳，f o r n l i n gs p e e d 觚d 衔“o nf a c t o ro nt l l ei n n u e n c eo f w e a rh 硒b e e n 锄越y z e d ，锄dag r o u po fp r o c e s sp a r a m e t e ri so b t a i l l e do n 也eb a s i so f m i i l i n n l i i l w e a r b y 1 e 趾a l y s i s n 聃u g h 雠o p t i i i l i z a t i o nd e s i 班t 1 1 er e s l l l ts h o w s 慨w e 盯o f t 1 1 e u p p e rd i e m a i l d r e lh a sr e d u c e da i l di ti sm o r eu n i f o n n ，t h em a ) 【i m u m 、e a rd e c r e 觞e sb y2 6 8 t h el i f eo fd i ei s3 8 8 7p a r t sw 1 1 i c hi sp r e d i c t e db yc u n m l a t i v ew e a ro fm ep r e v i o u s f o 玛i n gc y c l e s ，c o m p a r e d 谢n l 也eo r i g i l l a ld i ed e s i 弘，妣r e a s e sb y2 5 2 h o 、e v e r b e c a l l s eo ft 1 1 er e s t r i c t i o no fr e l a t i o n a lp r o j e c tt i m e ，t h ec o n t e n t so f 衄sp a p e ra r em a i l l l y f o c u s e do n l ep a r to fm e o r yr e s e a r c h k e y w o r d s ：h o tf o r g i n gd i e ，f i n “ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，n e u r 试n e t w o r k ，o p t i m u m d e s i 弘，d i ew r e a r i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 模具是工业生产中的基础装备，遍及电子、机械、汽车、航空航天、轻工、日 用品、化工、国防等各个部门【l 】o 近些年来，产品生产日益大批量化、专业化，这 使得在生产中模具所扮演的角色越来越重要，而且对模具也提出了越来越高的要 求。据资料表明，从上世纪9 0 年代到现在，我国模具工业产值实现了平均增幅1 8 ， 同时，在很大程度上提高了模具的设计制造水平，但这样的发展仍不能满足市场 的需求，因此，模具的发展的前途仍将光辉灿烂。 锻模作为模具的一大方面，在国民经济中，锻造占有十分重要的地位，特别是 在装备制造业中，如汽车工业、船舶、机械、军工以及航天航空等，锻造工艺是 不可或缺的加工工艺。热锻锻造过程是将金属加热超过再结晶温度，然后进行成 形加工，温度的提高改善了金属的塑性，减小金属的变形抗力，有利于改善工件 的内部质量，降低对设备吨位的要求。当前，热锻模寿命倍受锻压领域关注，是 研究的一个重点方面。在我国，热锻模的平均寿命大约为3 0 0 0 5 0 0 0 件，与国外相 比差距还比较大，特别是和国外发达国家相比还相差甚远，大约只有国外的1 ，3 1 ，5 川。制造热锻模成本高、原材料耗费大、技术落后、服役时间少。由此可见， 热锻模的寿命过低已经严重制约了我国热锻模行业的发展，此外，热锻模过早报 废也严重影响了企业的经济效益。所以，应该首先提高热锻模的服役寿命是发展 我国热锻工业的迫切要求【2 】。 模具的寿命问题相当复杂。热锻模模具失效，大多是由于塑性变形、磨损、断 裂等因素造成【3 】。在热锻成形过程中，模具的磨损是模具寿命的主要影响因素。根 据资料显示，热锻模因磨损而失效的情况在总的模具失效中大约占了7 0 【4 。5 】。因 此，在热锻生产过程中，如何减少模具的磨损量，如何使模具局部磨损不至于过 大，是提高模具寿命的关键所在。本文重点对轮毂热锻模的上模芯棒的磨损进行 了计算分析，意在通过总结国内外热锻技术的发展，了解热锻工艺特点和对热锻 模具磨损影响的各个因素，以至于掌握计算热锻模具磨损及寿命预测的方法，通 过有限元方法对热锻模具磨损做了计算，利用b p 神经网络建立热锻模具磨损预测 模型，预测模具寿命，通过序列二次规划算法对热锻模型腔轮廓进行优化设计， 以期找到最优的设计，提高热锻模具寿命。 重庆大学硕士学位论文 1 2 研究的目的及意义 1 2 1 研究的目的 热锻模具是机械制造业的基础设备，在制造领域也得到越来越广泛的应用， 而我国热锻模具使用寿命普遍过低已经成为制约热锻技术发展的瓶颈【6 】。模具造价 昂贵，其制造成本占了总成本的很大一部分，因而增加模具的服役期限，提高模 具生产零件件数，从而使模具分摊到单件的成本下降。通过本文的研究，其目的 在于： 深化对热锻模具磨损及其模具寿命的认识。 通过对热锻加工过程的仿真模拟分析，可以大大减少产品的研发周期，预 测模具磨损及寿命。 分析轮毂热锻成形过程，研究初始温度、速度、摩擦条件等有关工艺参数 对模具磨损及寿命的影响。 了解热锻模具失效机理，通过相关计算工具，寻找和建立有效的分析方法 和分析模型，对模具磨损进行有效的分析计算，结合有限元分析、b p 神经网络和 序列二次规划算法，对热锻模具进行优化设计，以期降低模具磨损量，提高模具 寿命。 系统地检查自己在学习有关专业方面的知识后有关的收获，特别是在模具 磨损和寿命分析上面的收获，为以后参加实际生产打下坚实的基础。 1 2 1 研究的意义 本文将数值有限元分析技术应用于热锻工艺生产中，可以在一定程度上避免 实际生产中由于突发因素引起的不利影响。数值模拟的应用还可以指导物理实验 和实际生产，减少物理实验次数，在一定程度上可以提前知道设计和工艺上等存 在的一些问题，避免在投入生产后造成损失。热锻模具失效形式中磨损失效是主 要因素，同时热锻模具工作在高温高压的环境中更加剧了模具的磨损，因此降低 模具磨损量是关键所在。本文结合数值模拟、神经网络和序列二次规划算法对热 锻模具进行基于磨损的优化，而且对主要工艺参数也进行了寻优。研究成果有利 于对轮毂热锻件的实际生产起到指导作用，可以推广到其他同类相似的热锻件的 生产上，有利于提高模具的服役期限，降低成本，增加经济效益及社会效益。 1 3 热锻模具磨损及寿命国内外研究现状 热锻模具工作环境较恶劣复杂，在连续不断的工作状态下不断承受着热载荷 及机械载荷的作用，在生产操作过程中不断发生着热交换、摩擦、塑形变形、磨 损等，因此其生产机制非常复杂【6 】。在失效形式中最为常见的为磨损失效和塑形变 形失效7 1 。当坯料的变形抗力大于模具材料的强度时，模具就会产生塑性变形而使 2 l 绪论 得模具失效，而模具的磨损失效是最为普遍的失效形式。在磨损分析方面，国内 外学者做了大量的研究工作，对于模具磨损的研究开始于上世纪5 0 年代初期的一 些工业发展国家。国外一些学者做的研究包括磨损的模型、预测和磨损量的降低 等方面。英国的j f 觚l 掰d 于1 9 5 3 年提出了磨损的简单计算公式，即粘着磨损理论 瞒j ，其磨损深度表达式为w = 托阮日。式中k 、p 、三、日分别为磨损系数、相 对滑移长度、表面压力、硬度。p a i l l t e r 等【9 】人将有限元软件运用到热挤压工艺中， 模拟了模具的磨损过程，通过模拟和实验的对比，对挤压模具型腔进行了优化；h n 和l e e 【1 0 】以有限单元法对模具的弹性变形和磨损进行了研究，l e e 和j o u 【l l 】对h 1 3 钢 模具的磨损运用了数值模拟技术，利用磨损试验测定磨损系数后发现，磨损系数 是受温度影响的，其会随着温度的升高而加大。a b a c h is i 锄a k 【1 2 1 考虑到影响热 锻模的机械应力与温度因素，研究了热锻模的磨损，以此提出热锻模具材料高温 高载荷工况时的性能要求。另外的，针对磨损理论修正以及预测和降低磨损量方 面，许多国内外学者也投入了大量精力【1 3 之们。国外，l c e 等【1 1 ，1 3 1 做了a r c l 删理论模 型的修正，将温度和时间对于磨损的影响和对磨损系数的影响考虑其中，同时在 这个基础上，对影响磨损量的压下量和冷挤压模具锥度以及模具磨损的分布做了 研究，e r i l 【s e n 【2 1 】提出以模具优化设计来到达降低磨损量的目的，b a b e h r e l ：1 s 等【2 2 2 3 】 人利用修正后心c h 砌理论模型，分析计算了数次锻造过程，并进行了实验数据的 分析。在国内，周杰等【2 4 j 人运用舡c h 甜d 模型研究了单次锻造后初始温度、模具硬 度及润滑条件对锻模磨损的影响；孙宪萍、王雷刚等【2 5 】对模具型腔轮廓用通过控 制点的样条曲线表示，以有限元模拟结果作为样本数据，通过神经网络建立型腔 曲线控制点和模具磨损深度的关系，利用遗传算法对模具型腔轮廓做了优化，提 高了模具服役期限。 在分析模具寿命方面，由于模具的失效主要由于磨损失效造成的，因此国内 外大多以通过分析磨损来预测模具寿命。但国内外学者大多采用简单的线性关系， 即以首次的磨损值为标准计算模具寿命，这样显然造成了与实际的误差。在实际 生产中，模具往往工作于高的温度、高的载荷下，这使得模具温度升高，从而引 起模具硬度降低；其次，在长时间处于高温高压作用下，模具的很多性能多发生 了变化，因此在计算模具各次磨损大小或累积磨损大小时，应该考虑到前后各次 成形之间的影响。国内外学者还有采用其他准则来计算模具寿命，唐六丁和张学 宾【2 6 j 以模具应力集中处最大局部应力和应变为依据，采用c o 伍n m a l l s i o n 公式预测 了连杆热锻模寿命；汤浅娜二和安藤弘行【2 7 】以模具硬度为标准，预测了温、热锻 造模具的寿命。 重庆大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本课题是在阅读了有关模具磨损、模具寿命和模具优化方面的大量国内外资 料和文献后，了解热锻工艺及分析对热锻模具磨损有着影响的各种因素，寻找到 一种计算热锻模具磨损的方法，利用b p 神经网络的非线性映射功能，建立设计变 量和热锻模具磨损量之间的映射关系，再通过序列二次算法以等磨损为目标进行 了热锻模具型腔轮廓的优化，同时进行热锻模具的寿命预测分析。具体研究内容 如下： 在心c h a r d 原始理论模型的基础上，结合热锻生产工艺特点，对原始加c h a r d 理论模型进行了修正，建立起以修正的怠c h a r d 理论模型为基础的热锻模具磨损计 算模型。 利用有限元数值模拟软件( d e f o n l l 2 d ) 对热锻过程进行仿真模拟分析， 实现对热锻模具磨损的计算。 一般情况下，模具形状参数的确定主要靠设计人员的经验，这就使得设计 出来的模具形状可能不是最优或者较优，因此需要一种数学的方法对模具形状进 行描述，而这种数学的方法又是易于用数学式子表达的。本文在对轮毂热锻模具 型腔轮廓的优化设计中，采用三次样条曲线插值来进行轮毂热锻模具成形上模芯 外形轮廓的曲线表达。 在实际情况下，模具的设计参量与模具所要达到的设计目标之间往往不能 以显性的或直接的数学关系来表达，本文借以b p 神经网络所具有的非线性映射功 能，结合有限元数值模拟技术，用有限元软件( d e f o m 2 d ) 进行有限个热锻模具 型腔轮廓下的锻造模拟，采集到的数据作为b p 神经网络的训练样本，建立设计变 量与磨损量之间的映射关系，并应用m a t l a b 序列二次规划算法，以热锻模具等磨 损为目标，进行设计变量的优化设计。 在得出轮廓优化设计的基础上，对相关工艺参数对模具磨损的影响做了分 析，得出一组较优的工艺参数，并以此工艺参数条件，通过前面数次的成形循环 预测模具寿命。 总结本文研究工作，指出今后开展工作的展望。 4 2 模具磨损理论及磨损模型 2 模具磨损理论及磨损模型 2 1 热锻模具失效形式 热锻工艺作为材料塑性加工的重要手段，热锻模具是热锻工艺的基础装备， 其使用寿命是热锻模的一个重要指标，它影响着生产成本、生产效率、产品质量 等方面。其失效形式的种类很多，主要可分为：热磨损、热疲劳、塑性变形和断 裂四类。 2 1 1 热磨损失效 模具磨损失效是指模具和被加工工件接触表面发生相对运动，在摩擦、振动、 高温热冲击等的作用下导致的表面损伤和尺寸的变化。热磨损程度与模具的材料 的化学成分、表面硬度、表面粗糙程度、润滑条件以及所处工作温度等有着密切 关系，一般温度越高、表面凸起部位较多、润滑条件差、硬度低，模具的磨损就 越厉害。 2 1 2 变形失效 模具的变形失效主要是指模具无论在制造、工作亦或是存放时，都会由于存 在交变温度、各种成形载荷、模具内应力等的变化而引起模具形状的改变和性能 的改变。它的失效机制主要有塑性变形、高温蠕变、超量的弹性变形等。 在热锻生产过程中，坯料被加热到很高的温度，与模具不断的直接接触，使 模具温度升高，发生高温软化，在一次或几次锻造后，模具又需要冷却，这又使 得模具不断经受交变温度的作用。热锻模具承受工作载荷大，且承受的载荷不均 匀，这样会引起模具局部应力增大，当材料屈服强度低于所受的局部应力以下时， 塑性变形就会发生而造成锻模失效。镦粗、塌陷以及弯曲等是常见的热锻模变形 失效形式。 2 1 3 断裂失效 模具失效最严重的形式为断裂失效。热锻过程中，载荷大、工作温度高，这 往往会引起模具非常大的内应力，而在模具内萌生微裂纹，随着锻造过程的进行， 微裂纹萌生且不断扩展，到达一定程度后就发生模具的断裂。模具的断裂失效往 往发生在模具的细小结构处，如尖角、转角以及模腔深处。因此，在模具的设计 上要避免尖角、深沟等易引起应力集中的结构。另外断裂对冲击载荷也很敏感， 大的冲击载荷更容易引起模具的断裂。 对于断裂失效机制的不同可将断裂分为疲劳断裂和过载断裂。热锻生产过程， 热锻模要经历上千次上万次的锻造循环，因此热锻模具不断承受着循环载荷的作 用，期间，模具内部会有疲劳裂纹产生并不断扩展，最后造成模具断裂。过载断 重庆大学硕士学位论文 裂是由于所加载荷超出了模具受力的承载极限而发生的断裂。 2 1 4 热疲劳 模具热疲劳主要是由于模具工作于冷热不断变化的环境中而引起的。热锻模具 在生产中，模具与高温工件直接接触使模具表面温度迅速升高导致模具表面有膨 胀的趋势，但模具内部温度来不及增大，束缚了表面的膨胀趋势，使模具表面有 压缩应力的产生。同时温度的升高使表面材料发生高温软化，屈服强度降低，一 旦热应力超出了表面材料屈服强度，那么表面材料就会发生塑性变形。当一次锻 造完成，模具需要进行冷却，使模具表面温度快速降低，表层所受的应力逐渐由 压应力变为拉应力。工作温差越大，温度改变越快速的热锻模具热疲劳裂纹产生 和扩展也越严重，容易出现热疲劳裂纹。对热锻模具来说，热疲劳是模具损坏的 普遍形式。 2 2 模具磨损的机理 模具失效是指模具由于某种原因受到损坏，已经不能修复使其继续使用的一 种现象。热锻成形需要把坯料加热到其材料的再结晶温度以上，在很大的压力和 一定速度下，迫使坯料发生塑性变形，充填模具型腔，以得到要求形状的工件。 因此，在热锻成形过程中，模具不断受到热载荷和机械载荷的反复作用，其工作 环境比较恶劣。根据模具失效机理分析，将热锻成形中的模具失效形式分为断裂、 塑性变形和磨损等。根据相关资料表明，模具的失效形式中，在总的报废数量里 由于磨损导致模具报废约占7 0 ，塑性变形和断裂分别约为2 0 和1 0 幽j 。 在生产过程中，模具与坯料直接接触，同时不断发生着相对运动，这就造成 模具尺寸和模具表面形貌的改变，即造成磨损，过度的磨损最终导致模具的报废。 引起的模具磨损失效是由于多种因素相互作用的结果，一般可将磨损分为：磨粒 磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等四大类，其中，在热锻模具磨损中，以 前三种为主要的模具磨损失效形式【2 9 j 。 2 2 1 磨粒磨损 是指由于模具和工件之间存在外来的软质、硬质颗粒或工件表面的本身硬质 凸起物、硬质颗粒，造成模具表面刮伤，有犁沟或划痕出现，导致模具材料脱落 的一种现象。根据磨粒磨损形态、应力和施加冲击载荷的方式又可进一步将磨粒 磨损分为研磨式、凿削式以及划伤式三种类型。在应力很大但冲击载荷不大的情 况下，一般发生研磨式磨粒磨损，比如抛光和研磨等。在应力很大，冲击载荷也 很大的情况下，发生凿削式磨粒磨损，比如采用冷挤压成形凸挤阳模、挖掘机的 斗齿等。冲裁凸模表面、凹模刃口由于没有进行良好的清洗废屑以及模具的导向 和滑动装置没有进行良好的润滑，在这些情况下多出现划伤式磨粒磨损。影响磨 6 2 模具磨损理论及磨损模型 粒磨损的原因很多，主要包括工件和模具的表面正压力、工件和模具的硬度、工 件厚度和润滑条件等。 2 2 2 疲劳磨损 当两个物体接触，接触表面发生相对运动( 滚动、滑动) 时，由于接触区域 在交变接触载荷的作用下，使得接触应力超出了材料的疲劳强度，导致接触体表 层发生塑性变形，在表层脆弱的地方引起裂纹，裂纹不断扩展最后导致断裂剥落 的现象。其发生的特点表现为物体表面有裂纹、贝壳状或不规则的坑点等。影响 疲劳磨损的因素比较多，比如材料的硬度、材料的冶金质量、材料的表面形貌等。 在热锻生产中，由于不断的热载荷和机械载荷的反复作用同样会引起热锻模具的 疲劳磨损。 疲劳磨损有微观和宏观疲劳磨损两种基本形式。微观疲劳磨损发生在模具和 工件相对滑动接触时的磨损；而在接触形式为滚动或者滚滑的情况下，发生宏观 疲劳磨损，比如齿轮、凸轮等。 2 2 3 粘着磨损 也叫做摩擦磨损或胶合( 咬合) 磨损，模具表面与工件是凹凸不平的，当发生 相对运动时，其中一些接触点所受到的应力将超出材料的屈服点而发生塑性变形 继而产生粘着，由于剪切断裂易发生在这种粘着效应所形成的结点上，从而导致 模具接触表面的材料产生转移或者发生脱落，这种现象即叫作粘着磨损。 在有润滑的环境下的磨损中，粘着磨损是最常见的一种形式。普遍认为，磨损 是在模具表面凹凸不平的峰值接触点产生的。图2 1 中显示了粘着磨损的发生过程。 图2 1 粘着磨损过程示意图 f i g 2 1s k e t c hf o ra d l l e s i v ew e a rp r o c e s s 粘着磨损中粘着结合点由于强度和位置的区别，可以分为以下4 种类型： 轻微粘着磨损 粘着结合点强度比模具和工件所用金属的强度低时，剪切力还不至于使模具 或者工件的金属发生较大的转移，剪切只发生于粘着接合面上，且只有表面材料 发生很轻微的转移。虽然此时的摩擦系数有所变大，但所引起的磨损却很小。 一般粘着磨损 重庆大学硕士学位论文 一般粘着磨损又称作涂抹。当粘着结合点的粘着结合强度超出模具和工件当 中较软一方材料的剪切强度时，但粘着强度仍然小于较硬金属的强度。此时模具 和工件的相对运动将破坏粘着结合点附近区域的较软金属，会使较硬金属表面涂 抹上较软金属，这种情况下的摩擦系数没有发生很大的改变，可是磨损程度却明 显加剧。 擦伤磨损 模具和工件的金属强度多低于粘着结合点粘着强度时，在软金属材料较深表 层内将发生剪切破坏，有时在硬金属材料表层内也发生一定的破坏，粘着在硬金 属表面上的软金属在相对运动中又不断对软金属进行破坏，导致软金属表面有划 痕出现，有时划痕也发生在硬金属表面，但软金属表面还是擦伤的主要发生点。 胶合磨损 粘着结合点的粘着强度远远大于模具和工件金属的材料强度，并且具有较大 的粘着面积时，在一个或者两个材料表层较深的区域将发生剪切破坏。此种情况 下，表层会沿着相对滑动方向出现严重磨损。如果相对滑动持续进行下去，粘着 面积会不断增加，摩擦不断加剧而产生大量的摩擦热使表面温度升高，极易导致 摩擦副基体材料的局部熔焊，甚至相互咬死使相对滑动受阻。这种磨损形式破坏 性极强，应该尽量避免发生。 2 2 4 腐蚀磨损 在化学环境下，模具和工件接触表面发生摩擦时，由于机械作用以及充斥在 模具和工件之间的气体或者液体( 特别是润滑剂) 的作用下，金属表面将发生化 学或者电化学反应，使模具或工件表面产生腐蚀物而引起表面损伤，另外，这些 腐蚀物容易在相对运动中剥落，进一步造成新的表面的损失。虽然在模具工作过 程中加入的润滑剂等化学制剂加剧了模具的腐蚀磨损，但是，在加入有润滑剂的 模具工作过程中一定程度的腐蚀磨损是被允许的，因为如果润滑剂没有加入，那 么会使粘着磨损发生，这样模具的磨损将会更严重。一般可将腐蚀磨损分成化学 腐蚀和电化学腐蚀两大类，同时根据介质的性质、摩擦材料的性能以及摩擦面上 的作用状态可将腐蚀磨损分为：特殊介质的腐蚀磨损、氧化磨损、微动和气蚀磨 损。发生腐蚀磨损的特征表现为磨损表面出现光滑的小麻点或化学反应膜。 2 3 模具磨损的过程 模具磨损是受到多方面的因素影响的，其发生、发展过程也相当的复杂，根 据实践表明，磨损过程可分成三个阶段【3 0 1 ：初期磨损阶段、正常磨损阶段以及剧 烈磨损阶段。 8 2 模具磨损理论及磨损模型 2 3 1 初期磨损阶段 两接触物体的表面粗糙不平，本身就具有一定的粗糙度，两个表面接触后开 始相对运动，那些凸起的部分由于承受较大的单位压力，而将首先发生塑性变形 被迅速地磨去，表面粗糙度减小。该阶段只对接触表面的微凸点进行磨损，所以 磨损速度较迅速、时间短。见图2 2 中o a 段。 2 3 2 正常磨损 正常磨损阶段为图中2 2 a b 段。经过一定程度的初期磨损后，接触面的微凸部 位已经被磨去，表面变的较为平整，摩擦副进入正常工作阶段，磨损缓慢且单次 磨损量较小，此阶段模具和工件磨损主要为摩擦磨损形式，另外，磨损量基本上 和磨损时间成正比关系，模具处于比较良好的技术状态。 2 3 3 剧烈磨损阶段 模具长期服役后，承受了不断的机械和热载荷作用，特别是经历了长期的正 常磨损阶段后，磨损量不断增大，已经不存在磨损量和磨损时间的正比关系，当 达到一定的磨损程度时，摩擦环境发生很大的改变：模具尺寸变化、表面粗糙度 增加、模具表面软化、温度升高、润滑性能下降等，这些都使得模具磨损急剧加 大，最终导致摩擦副的破坏引起模具的完全报废。图2 2 b c 段所示。 图2 2 磨损的三个阶段 f i g 2 2t h r e es t a g eo fw e a r 2 4 磨损基本模型 长期以来，国内外的许多学者都对磨损机理做了大量的研究和实验，最为著名 的有h o l i l l 粘着磨损模型【3 1 】和a r c h a r d 理论模型【3 2 1 。 2 4 1h o l m 粘着磨损模型 h o l m 对粘着磨损理论进行了研究，并于1 9 4 6 年得出了最初的粘着磨损模型。 他认为，接触面为平面的情况下，相对运动中由于存在摩擦，一方的原子捕获另 9 重庆大学硕士学位论文 一方的原子，导致在粘着磨损过程中发生材料的转移和磨损。h o l m 粘着磨损模型 的数学表达式子如下： 2 = 么，三口3 ( 2 1 ) l = y 口3( 2 2 ) y = l 口3 = k 2 口3 ( 2 3 ) 式中：彳，为真实的接触面积； 三为滑动距离； 口为原子间的距离； 为相互接触的面上的原子数目； 矿为磨损过程中的磨损体积； l 为对应磨损过程中磨损体积y 中所包含的原子数目； k 为原子接触后产生转移的几率。 2 4 2 心c h a r d 理论模型 a r c l 戚理论磨损模型是由5 0 年代英国l e i c e s t e r 大学教授j f a r c h a r d 提出的， a r c h a r d 理论模型认为：两个名义平滑表面形成摩擦副时，首先接触的是几个高的 微凸体，在一定的载荷作用下导致微凸体区域局部应力集中，而当超出材料的屈 服强度时，便会引起接触处微凸体塑性变形。 煞终赢形痰 钻结赢麓坏 图2 3 a r c h a r d 磨损模型 f i g 2 3a r c h a r dw e a rm o d e l 图2 3 为a r c h 砌磨损模型示意图，假设摩擦副一方材料较硬，另一方的材料较 软；较软材料中半径多为a 的相同微凸体承载由较硬材料一方施加的法向载荷w 。 当微凸体发生塑性变形时，较软材料的屈服极限和所承受的法向载荷存下如下的 关系： 矿= 仃s 嬲2 刀 ( 2 4 ) 摩擦副开始发生相对滑动，假定滑动时由于每个微凸体发生塑性变形而产生 的磨损细屑为半径口的半球体，则磨屑的体积为2 3 翮3 ，将经过单位距离的相对滑 l o 2 模具磨损理论及磨损模型 动后的总磨损量定义为磨损率，即材料磨损的快慢程度， 每个微凸体都产生一个磨屑，则磨损率数学表达式如下： ，、 2 3 翮翮2 2 百肛了玎 根据( 2 4 ) 式可将( 2 5 ) 式化简为 再一次假定相对滑动时 ( 2 5 ) q o ：墨 ( 2 6 ) j o j 在实际摩擦副中，不可能每个微凸体多会产生磨屑，因此引入磨损系数k 其 表示为微凸体产生磨屑的概率，再考虑到摩擦副相对滑动距离上，那么材料的磨损 量又可表示为： q ：k 罢( 2 7 ) j o s 弹性材料的屈服应力与其布氏硬度有关系式：os 朋，因此( 2 7 ) 可写成： q = k 等 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 即为觚i 砌基本理论模型，显然，磨损量与相对滑动距离、表面正压 力成正比，硬度劈是材料的表面性能参数，但磨损系数腚一个比较复杂的函数值， 有很多影响因素，如润滑条件、温度条件、摩擦副表面形貌、摩擦类型等，起一 般要通过磨损实验获得。础磨损系数。这是一个非常简单的模型，只用肌三、足、 删个就可以表示材料磨损量的大小。然而，心c i 砌理论模型也存在不够充分之 处，对该模型的数学推导过程中做了一些过于理想化的假设；同时，它也没有将 金属变形过程中的物理特性考虑其中，也没有考虑不同环境条件对摩擦副磨损的 影响。 2 5 磨损的影响因素 模具的磨损是一个十分复杂的问题，它受到众多因素的影响，总的来说可以 概况为两个方面：一个方面是模具所处的工件环境；另一方面是模具本身的材料 特性。一个外因一个内因共同影响着模具的磨损情况。 2 5 1 硬度的影响 硬度作为材料的性能参量，对材料磨损的影响也相当的复杂，虽然有些模型 中将硬度对于材料磨损的影响也考虑其中，但一般多是简单的反映磨损与硬度的 关系。然而，磨损机制一旦改变，硬度的影响也会有所改变。比如在a r c b a r d 理论 模型中，磨损量随着硬度的提高而不断较小，但在h a u i n g 提出的模型中却不一定 成立。在一定范围内，材料表面的硬度越高，其抵抗磨损的能力也越强，并成一 定的正比关系，但超出一定范围后，这个正比关系将被打破。由h a l l i n g 提出的磨 重庆大学硕士学位论文 损模型中就可以看出这个关系。 矿1 s2 日( 2 9 ) 式中：形为磨损体积；为单次载荷循环后所导致磨损失效的应变大小；日硬 度。此式中硬度日增大，磨损体积不一定增大，因为s 和日之间也存在一定的函 数关系。所以，在一定的材料硬度区间内，提高基体硬度可以减少磨损量提高寿 命，超出一定范围后，材料硬度的提高不一定能降低磨损量。 2 5 2 载荷的影晌 施加在材料上的载荷所引起的不同分布和变化的接触应力是影响磨损的一个 很重要因素，不同分布和不同变化的接触应力改变摩擦副接触面积的实际接触情 况，从而影响到模具的磨损情况。摩擦副发生相对滑动时，首先接触的是个别微 凸体，它们承受加载在接触面上的载荷，实际接触面积即为这些微凸体的接触面 积的总和。所以，保持其他条件一定，微凸体的接触面积越大，则摩擦力越大， 同时也使得接触面积表层下受到载荷的体积增大。 在热锻成形中，成形温度较高，因此模具的形貌会受高温热冲击而有所改变， 进而影响到模具受到的载荷的变化引起模具磨损的改变，一般对于热锻成形高温 高成形载荷会导致模具磨损更加剧烈。 2 5 3 润滑条件的影响 在摩擦副相对运动中加入润滑剂，润滑剂吸附在接触表面，形成一层薄膜， 对表面起到保护作用，使两接触表面不能直接接触，从而大大地降低材料的摩擦 和磨损。润滑剂的所处的工作环境对其作用也有很大的影响，在热锻成形过程中， 高的温度使得润滑剂容易和接触表面、空气等发生化学反应，影响润滑剂的使用 效果。润滑剂成分也对磨损有着影响，比如为了提高润滑剂吸附能力以及生成油 膜的强度可以加入极压或者油性添加剂，从而对粘着磨损的发生起到很大的阻滞 作用。 2 5 4 温度的影响 温度对磨损的影响是多方面的，一方面，温度的改变引起材料本身性质的改 变：温度的变化使得材料发生热胀冷缩，导致接触表面的形貌的变化；材料的表 面硬度由于温度的变化发生改变，一般情况下，温度升高使得材料发生软化，表 面硬度下降，磨损加剧，但当温度达到材料的再结晶温度以上时，材料表面晶粒 发生再结晶细化使组织更致密反而降低了磨损；另一方面，温度改变了外来物质 的特性，如表面温度的升高可使润滑剂薄膜失效，另外高温的工作条件，材料承 受很大的热载荷，加剧了材料的报废。因此，在热锻成形过程中，对模具必须进 行必要的冷却处理，以减小模具磨损，提高模具寿命。 1 2 2 模具磨损理论及磨损模型 2 6 本章小结 本章介绍了热锻模具的常见四种失效形式，分别为热磨损失效、变形失效、 断裂失效以及热疲劳失效。经资料表明，热磨损失效是导致热锻模失效的关键因 素，因此重点探讨了模具磨损。模具磨损失效形式有磨粒磨损、疲劳磨损、粘着 磨损和腐蚀磨损，分析了这四种磨损失效的机理，给出模具磨损需要经历的三个 阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段、剧烈磨损阶段；对h o h n 和a r c l 】a r d 理论模 型做了描述；模具磨损是一个受多因素影响的复杂问题，本章重点讨论了模具硬 度、成形载荷、润滑条件以及温度对模具磨损的影响。 重庆大学硕士学位论文 1 4 3 模具优化方法 3 模具优化方法 3 1 有限元方法 3 1 1 有限元基本理论 有限元分析( f i i l i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，简称f e a ) 的基本思想是将一个