（材料加工工程专业论文）模热锻模缓解热应力的机理与方法.pdf

武汉理工大学硕七学位论文 摘要 热锻模在服役过程中工况恶劣，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。热模锻在模锻行业占有主导地位，我国热锻模平 均寿命与国际先进水平有较大差距。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。 热锻模同时承受周期性的热负荷与机械载荷，分别产生相应的热应力与机 械应力。热应力是造成热锻模损伤失效的主要原因。因此，研究热锻模缓解热 应力的机理和方法，为长寿命热锻模的材料设计及制备工艺提供热力学依据具 有重要社会经济意义。 本文理论研究了热锻模的温度分布与热传递特性；热锻模型腔表面的峰值 温度；模具表面层与近表面层间的温度差峰值；推导出了热锻模峰值热应力的 理论表达及参数表达；根据公式中的影响参数，分析了缓解热应力的机理，提 出了缓解热锻模热应力的方法并应用有限元分析软件d e f o r m 2 d 进行了验证； 为制造长寿命热锻模初步提出了理论指导与制造方法。 本文提出的缓解热锻模的热应力四个方法如下：减小模具型腔危险点表面 层与近表面层间的温度差值；选用更好的热锻模具材料；开发使用功能性新材 料；改善工艺参数。 在介绍了目前双金属热锻模的研究基础上，提出了梯度功能热锻模与多金 属热锻模的概念，介绍了在生产实践中更容易实现的多会属热锻模及其结构与 制造方法。并在热锻模选材、材料( 组份) 设计、热锻模结构设计、制造方法 上提出了新的思路。 关键词：热负荷：型腔表面层；缓解热应力；有限元模拟：多会属热锻模 i l l 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fh o tf o r g i n gd i ei sv e r yb a d ，i t ss e r v i c el i f ei sv e r yl o w g e n e r a l l y t h ec o s to f t h ep i e c e sa n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo ft h em a n u f a c t o r yw e r e a f f e c t e dd i r e c t l y t h ei m p a c tf o 晒n gh o l d st h ed o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ef o r g i n g p r o f e s s i o n t h e r ei sab i g g e rd i s p a r i t yb e t w e e na v e r a g es e r v i c el i f eo fh o tf o 哂n gd i e o fo u rc o u n t r ya n dt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l t h e r e f o r e ，h o wt oe n h a n c et h e s e r v i c el i f eo fh o tf o r g i n gd i ea n dh o wt or e d u c ec o s to ft h ep i e c e sa r et h eq u e s t i o n s o fh o tf o r g i n gp r o f e s s i o na w a i t i n gt ob es o l v e du r g e n t l y t h eh o tf o r g i n gd i es i m u l t a n e o u s l yw i t h s t a n d st h ep e r i o d i ct h e r m a ll o a da n dt h e m e c h a n i c a ll o a d ，w h i c hc a u s e st h e r m a ls t r e s sa n dm e c h a n i c a ls u e s ss e p a r a t e l y t h e t h e r m a ll o a di st h em a i nr e a s o nw h i c hc a u s e sd a m a g eo fh o tf o r g i n gd i e t h e r e f o r e ， t h i sm e a n st h ei m p o r t a n ts o c i a le c o n o m i cs i g n i f i c a n c et os t u d yt h em e c h a n i s ma n d t h em e t h o d st oa l l e v i a t et h e r m a ls t r e s so fh o t f o r g i n g d i ea n dp r o v i d e s t h e r m o d y n a m i c sb a s i st h e r o yo nm a t e r i a ld e s i g na n d t h em a n u f a c t u r ec r a f tf o rt h e h o t f b r g j n gd i ew h i c hh a sl o n gs e r v i c el i f e t h ef o l l o w i n gt o p i c sw e r es t u d i e d e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h e s et o p i c si n c l u d e ： t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fh o tf o r g i n gd i e ；t h e p e a kt e m p e r a t u r eo fm o l dc a v i t ys u r f a c el a y e r ；t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ep e a kb e t w e e n c a v i t ys u r f a c el a y e ra n dn e a rs u r f a c el a y e r ；t h e o r ye x p r e s s i o no np e a kt h e r m a ls t r e s s o fh o tf o r g i n gd i e t h em e t h o d st oa l l e v i a t et h e r m a ls t r e s so fh o tf o r g i n gd i e a c c o r d i n gt oi n f l u e n t i a lp a r a m e t e r so ft h ef o r m u l aa b o u tt h e r m a ls t r e s s ，a n dt h e s i m u l a t i o nu s i n gt h ed e f o r m - 2 dp r o g r a mw e r ea n a l y s e d t h ep r e l i m i n a r yt h e o r y i n s t r u c t i o na n dt h em a n u f a c t u r em e t h o d sf o rm a k i n gt h eh o tf o r g i n gd i ew h i c hh a s l o n gs e r v i c el i f ew e r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o d st oa l l e v i a t et h et h e r m a ls t r e s so fh o tf o r g i n gd i ep r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g s ：r e d u e c i n gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ev a l u eb e t w e e nt h e m o l dc a v i t ys u r f a c el a y e ra n dt h en e a rs u r f a c el a y e r ；s e l e c t i n gt h eb e t t e rh o tf o r g i n g d i em a t e r i a l ；d e v e l o p i n gn e wf u n c t i o nm a t e r i a l ；i m p r o v i n gc r a f tp a r a m e t e r s t h ec o n c e p t so ft h eg r a d i e n tf u n c t i o nh o tf o r g i n gd i ea n dt h ep o l y m e t a l l i eh o t f b 晒n gd i ew a sp r o p o s e do nt h ef o u n d a t i o no fb i m e t a l l i ch o tf o r g i n gd i e t h e l v 武汉理丁= 大学硕士学位论文 p o l y m e t a l l i ch o tf o r g i n gd i ew h i c hc o u l db er e a l i z e de a s i e ri np r o d u c t i o np r a c t i c ea n d i i ss t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r em e t h o dw e r ci n t r o d u c e d n e wi d e aa b o u ts e l e c t i o n m a t r e i a l s ，t h em a t e r i a lc o m p o n e n td e s i g n n i n g 口t h es t r u c t u r a ld e s i g n n i n ga n dt h e m a n u f a c t u r em e t h o do fh o tf o r g i n gd i ew a si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：t h e r m a ll o a d ，c a v i t ys u r f a c el a y e r , a l l e v i a t i n gt h e r m a ls t r e s s ，f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ，p o l y m e t a l l i ch o tf o r g j n gd i e v 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 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它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做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垒塑之日期丝翌： 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应遵守此规定) 研究生始垃新豁型牡日期婴：l 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理下大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 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工况恶劣，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 模具工业在国民经济中的重要地位 随着社会经济的发展，人们对工业产品的品种、数量、质量及款式都有着 越来越高的要求。为了满足人们的需要，世界上各工业发达国家都十分重视模 具技术的开发，大力发展模具工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造 水平，并取得了显著的经济效益。美国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1 9 8 9 年统计，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 亿同元，到1 9 9 1 年总产值超过1 7 9 0 0 亿，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 1 1 , 2 1 。 模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。模具工业能 促进工业产品生产的发展和质量提高，并能获得极大的经济效益，因此引起了 各个国家的高度重视。在只本，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”；在罗马尼亚，模具被视为“黄 金”【1 】，可以断言，随着工业生产的迅速发展，模具工业在国民经济中的地位将 日益提高，模具技术也会不断发展，并在国民经济发展过程中发挥越来越重要 的作用。 武汉理t 大学硕十学位论文 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【3 1 。 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 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 目前热锻模的研究现状及存在的问题 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。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1 之间寻求平衡【4 捌。 要提高锻模寿命，必须了解作用在锻模上的各种负荷以及影响锻模寿命的 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不良影响。针对上 述问题不少国内外学者针对锻模进行实验研究，并取得了很多科研成果。 1 2 1 热锻模缓解热应力提出的背景 热锻模工作条件十分恶劣，连续使用时模膛表面一般均超过模具的回火温 度，造成高温软化塑变失效；连续使用时的冷却润滑又使模膛近表层产生极大 的拉应力，造成裂纹的扩展。 作用于热锻模上的负荷仅有机械负荷与热负荷，前者在热锻模内产生机械 武汉理f 大学硕十学位论文 应力，后者使热锻模产生温升和热应力。降低机械负荷对提高锻模寿命有一定 作用，有时作用显著，有时作用不大，而且机械负荷的降低幅度与锻模寿命的 提高幅度之间并不能建立稳定的相关性，即使采用十分完备的措施来降低机械 负荷，其提高锻模寿命的效果也是很有限的。 有限元法的出现，不仅促进了力学领域工程技术的飞快发展，还解决了其 它许多领域的重大技术问题。特别是有限元法与计算机技术的结合构成现代数 字制造的基础。这也使利用有限元软件模拟分析热锻模的损伤失效原因成为可 能。 有限元软件模拟分析发现，模具型腔表层的最大热应力的幅值是最大机械 应力幅值的1 0 倍左右，损伤失效主要由热应力造成1 4 】。因此，如何缓解热应力 是研制长寿命热锻模的关键。 1 2 2 现阶段缓解热应力热锻模的研究现状及存在的问题 国内外对热锻模温度场、热应力解析法分析理论的研究持续了很久，但不 能解决庞大的工程实际计算问题，有限元法及其应用软件的出现使得研究有了 较大的突破。 李付国【6 l 成功地解决了薄膜热电偶动态时间常数的测定和校准技术难题，首 次使用薄膜热电偶测定了几种典型锻模型腔表面瞬态温度的峰值和时域波形。 首次从频域角度出发，分析研究了温度波在模具中的分布与传递规律，结果表 明：锻模热裂纹的形成和扩展与锻模工作表面温度波的各次谐波性质密切相关， 其中对模具使用寿命构成较大威胁的温度信号是热负荷中频率较低的各次谐 波。采用瞬态传热理论，针对锻模热负荷来源，分析研究了模具工作表面温度 信号的时变特性和热传递规律，并首次给出了锻模工作表面层温度信号的分布 梯度与拉压热应力的计算公式。指出锻模热软化程度与模具工作表面的温度峰 值及等效作用时问有关，锻模热疲劳程度与其工作表面层热应力变化幅值及其 等效作用次数有关。对锻模型腔表面施加温度波函数模拟实际热模锻的热传递， 应用有限元程序对锻模进行了间接的热机械耦合分析，机械应力是用行程方向 的均匀2 0 0 m p a 来代替实际复杂的机械负荷的。虽然模拟结果与实际情况大致相 符，但对复杂的压力机热锻模不能更精确的研究。 龙满林等1 4 】用有限元软件a n s y s 以螺旋压力机上的模锻为分析模型，对热 锻模在连续周期性的热负荷时的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，机械 应力单独采用理论计算的结果矢霞叠加给锻模，模拟发现在连续工作时热锻馍 武汉理一r 大学硕十学位论文 在整体上按温度变化可分为三个区域：紧邻模膛的温度波动区、远离模膛散热 下降区、介于两者间的温度平衡区，温度波动区的体积仅占锻模体积的1 0 左 右，其余二区的体积占9 0 左右【引。温度平衡区与散热下降区的温度与应力均 处于较低的水平，普通热锻模具钢完全可满足这两个区的使用性能要求，热锻 模的损伤主要发生在温度波动区。热锻模体积越大，其温度波动区所占的体积 分量越小。 对温度波动区的温度场和应力场进一步分析发现，该区的损伤主要由热应 力造成。为了清晰概念，由温度场的变化产生的应力叫做热应力，由机械负荷 产生的应力叫做机械应力，二者的合成叫做综合应力。在温度波动区，最大热 应力的幅值是最大机械应力幅值的1 0 倍左右。因此断定，温度波动区的热应力 是造成热锻模损伤失效的主要原因。因此，设计制造长寿命热锻模问题的焦点 就集中到温度波动区的热应力上，即能否有效降低温度波动区的温度波动幅值 和热应力，是研制长寿命热锻模的关键。 胡金焕等1 7 利用有限元软件m a r c a u t o f o r g e 对热模锻过程的温度场、热应变 场、等效应力进行了直接耦合分析，研究发现：温度上升的区域主要集中在模 具型腔表面很浅的范围内，实例中温度上升到再结晶温度以上的区域厚度小于 3 m m ，最大热应变位于模具型腔底部的中心位置，而最大等效应变位于型腔角 部，随着模锻次数的增加，等效应变越来越大，应变越来越集中在型腔角部， 这与生产实践中角部失效比例大相吻合。 杨慧【8 i 继续对材料物性参数对热锻模综合应力的影响规律进行了研究，发现 理论上影响热应力幅值的主要因素是温度波动幅值r 、材料的弹性模量e 、热 胀系数口、导热系数a 、比热容c 。要缓解热应力就要人为调节这五个主要参数 ( 下面称后四个参数为变物性参数) 。通过a n s y s 软件模拟得出了温度对物性 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。 从模具表面处理技术的发展束看，在许多方面与梯度功能材料( f u n c t i o n a l l y g r a d e dm a t e r i a l s ，f g m ) 1 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 l 的发展有着相似之处。从国内外对缓解热应力 的f g m 的热应力有限元分析的研究来看，f g m 的分层数n 、梯度指数p 、弹性 模量e 、热胀系数a 、导热系数a 、比热容c 等也是影响梯度功能材料的动态温 度响应及热应力响应的主要因素1 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 l 。这也为缓解热应力的热锻模的优化设 计和制造提供了有益的借鉴。 前苏联对热锻模的损伤失效及使用寿命问题进行了比较深入的研究，锻模 工作温度和热应力在锻模损伤失效中的作用受到了重视，基于其对热学、力学 4 武汉理工大学硕士学位论文 和热力学因素对热锻模的强化和破坏过程的影响的研究成果，成功开发了双金 属热锻模1 1 3 1 。 国内外对热锻模使用寿命及材料问题的研究持续了半个多世纪，但研究内 容及成果基本上局限于用均质模具钢制造热锻模的范畴，均质模具钢使用性能 的局限性严重制约了热锻模使用寿命的提高。 1 。3 本文的主要内容及意义 本文理论研究了热锻模的温度分布与热传递特性；热锻模型腔表面的峰值 温度；模具表面层与近表面层问的温度差峰值；热锻模峰值热应力的理论表达； 根据公式中的影响参数，提出了缓解热锻模热应力的方法与措施；为制造长寿 命热锻模初步提出了理论指导与制造方法。 本文在双金属热锻模的基础上，提出了梯度功能热锻模与多金属热锻模的 概念，介绍了在生产实践中更容易实现的多金属热锻模。并在热锻模选材、材 料( 组份) 设计、热锻模结构设计、制造方法上提出了新的思路。此工艺成熟 后还可以扩展应用于其它的热作模具。 我国热锻模平均寿命与国际先进水平有较大差距，而热应力是造成热锻模 损伤失效的主要原因。因此，研究热锻模缓解热应力的机理和方法，为长寿命 热锻模的材料设计及制备工艺提供热力学依据具有重要社会经济意义。相信随 着理论与实验研究的进步，长寿命多金属热锻模一定会显示出优越的性能及良 好的应用前景。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章热锻模缓解热应力的理论基础 2 1 热锻模的寿命与应力 热锻模的寿命直接与其负荷、应力状态相关。要提高热锻模的寿命，就必须 先清楚热锻模的几种主要失效形式与失效机理，热锻模的寿命与其温度分布、 热应力状态的具体联系。 2 1 1 热锻模的几种主要失效形式圆 1 机械磨损 在热模锻生产中，高温坯料塑性变形相对于模具表面有剧烈的金属流动， 由于摩擦，可以把模具表面研磨，导致模具上凸缘磨钝和凹模膛扩展。另外， 金属流动的剪切应力和压缩应力的合成应力可把模具表面剪切成小沟槽，产生 机械磨损。 当存在氧化皮或模具表面被氧化时，加快对模具的机械磨损，特别是当模 膛某一部位温度过高时，会因回火等原因而使表面软化。在这种情况下，除磨 损加剧外，软化部位还会被高速流动的会属“冲刷”出较大沟槽。 磨损不但会恶化模膛表面质量，还会改变模膛各部位的尺寸，这是锻模损 坏的主要形式，根据国内、外资料统计，机械磨损在所有报废的锤锻模和压力 机模具中，其量约占7 0 ，其中以磨钝的比例最高。 2 疲劳裂纹 由于锻模的结构不同，各点的应力状态也不同，在周期负载的作用下，当 锻模中某些点所承受的应力超过其疲劳极限时，在该处就会产生疲劳裂纹，长 大到一定程度的疲劳裂纹会在峰值应力作用下，使锻模呈疲劳破坏，疲劳裂纹 是锻模损坏的另一主要形式，其量约占报废模具的2 5 。 疲劳裂纹易发生在模膛部承受较大弯曲力矩的拐角部位( 其伸展方向与冲 击方向呈4 5 。) 和圆截面模膛侧壁上及模膛底部局部碎裂等。 3 热龟裂 模具表面随着锻造生产过程的进行而被反复加热和冷却，在材料内部受到 拉伸和压缩的热交变应力，从而会属组织罩的结晶产生问隙( 晶问裂纹) 和局部 变形，结果产生微小的网状裂纹，即热龟裂，这种裂纹大多数出现在模膛中变 武汉理t 大学硕十学位论文 形金属流动缓慢的部位。 4 塑性变形 模膛中变形金属高速流动的部位，会因剧烈的摩擦热效应而软化或模膛某 部( 如凸台) 在炽热金属包围中而软化。使其在高温高压的作用下产生塑性变形， 此外，在模锻过程中，如模具钢的强度不足，也会使模壁产生塑性变形。 5 脆性破坏 当锻模过载、设备和锻模产生故障、违反工艺规程和模具材料内部存在缺 陷时，都会造成脆性破坏，脆性破坏属“事故”，应尽量避免。 研究表n t 2 , 1 4 , 1 5 , 1 姐7 1 ，机械磨损和疲劳裂纹占热锻模失效的绝大部分。 2 1 2 热锻模的寿命与应力的关系 在热锻过程中模具除受到机械载荷外还受到交变的热冲击负荷作用，加载 时型腔表面温度急剧上升，卸载后又急剧下降，瞬态温度峰值持续时间很短。 剧烈的热负荷只影响到厚度极薄的模具型腔表面层。随着型腔表面温度的急剧 变化，受其影响的各点就会产生相应的变形，相应点就会因l 临近点的约束而产 生拉压应力，当应力值超过模具材料的容许疲劳极限时，就会萌生热疲劳裂纹， 热疲劳裂纹的进一步扩展就会引起模具的失效。当模具的瞬态温度超过模具材 料的相变温度后，表层金属会发生相变，这样不仅会降低模具材料的机械性能， 而且还会加速模具材料的磨损。可见，周期性的热冲击负荷与应力对模具的寿 命有直接的影响。 用来预测模具寿命的局部应力应变分析法【1 8 1 的出发点是：零件的疲劳破坏 都是从最大局部应变处首先起始，并且在小裂纹萌生以前，都要产生一定的塑 性变形，局部塑性变形是疲劳小裂纹萌生和扩展的先决条件。因此，决定构件 疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。只要最大局部应力和 应变相同，疲劳寿命就相同。热锻模的疲劳损伤属于低周热疲劳，局部应力应 变分析法的基础是低周疲劳。低周疲劳中的疲劳寿命是指裂纹形成寿命。在局 部应力应变分析法中所用的应变一寿命曲线表达式为曼森科芬方程【1 9 】。c o f f i n 和 m a n s o n 在实验基础上独立提出的低周疲劳寿命预测方法经检验能与试验结果较 好的吻合j 。 热锻模的热负荷与机械负荷都是非对称循环的，根据疲劳强度理论，非对 称循环下构件的工作安全因素以。为弘l j ： 7 武汉理丁大学硕十学位论文 ( 2 1 ) 式中t 。，口0 分别为构件材料的疲劳极限，构件非对称循环的平均应力， 应力幅；巧，f 。，卢分别为构件的有效应力集中因素，尺寸因素，表向质量凶 素；妒。为构件材料的敏感因素。 由上式可以看出，要提高模具的寿命，理论上可以采取： ( 1 ) 选用疲劳极限较高热锻模材料； ( 2 ) 减小热模锻时模具的应力幅值； ( 3 ) 减小热模锻时模具的平均应力。 当热锻模的使用温度在2 0 0 - 7 0 0 。c 之间变化时，热锻模材料的敏感因素1 ；c ，a 一 生 般在o 2 5 加之间相应变化，而8 一声的值一般在2 - 3 之间【2 1 】。因此锻模的平均 应力o - 一，相对于锻模的应力幅值。一对锻模工作安全因素的影响很小，尤其在模锻 结束时型腔表面温度最高时，锻模的平均应力可以忽略，只考虑锻模的应力幅 值对安全因素的影响。 可见要提高模具的寿命，必须要减小热模锻时模具的应力幅值。 热锻模在工作时的应力是热应力与机械应力的合成。通过开式模锻工艺和 模具飞边尺寸的整体优化设计来降低机械负荷和机械应力，对提高锻模寿命可 以起到一定的作用1 2 2 2 3 1 ，但即使采用十分完备的措施来降低机械负荷，其提高锻 模寿命的效果也是很有限的。这是因为机械应力只占模具综合应力的小部分， 热应力才是模具综合应力的主体【“。 因此，要提高模具寿命，最重要的是如何缓解热锻模热应力幅值。 2 2 热锻模热应力的理论 2 2 1 热锻模的温度分布与热传递特性 锻模的热负荷来源于型腔表面与坯料接触时的热传导和坯料沿型腔表面滑 蒜 互咿 一 武汉理工大学硕十学位论文 移时产生的摩擦热效应。其大小除与坯料的加热温度、模具的预热温度、冷却 和润滑条件有关外，还与型腔部位的接触应力、接触时间和坯料变形速度有关。 单次锻造时热负荷以脉冲方式作用在型腔表面，而连续锻造时则以脉冲方式周 期性地作用在型腔表面上。 依据测试结果，锻模所受热负荷主要影响模具表面和近表面层的受载状态 和使用寿命，所以本文特别关注模具表面和近表面层的温度分布与热传递特性。 由于近表面层的厚度与模具整体尺寸相比近似无限小，因而可将上述问题近似 看成为半无限大物体的一维传热问题，模具的热传导相当于半无限大物体的表 面接触传热，摩擦生热相当于半无限大物体表面有恒定热源的热传导问题。 2 2 1 1 锻件对模具的热传递 1 锻件传热产生的锻模温度分布 ( 1 ) 传热微分方程 根据传热学理论，一维非稳态导热问题的微分方程为： o t ( x , t ) 。4 a 2 t ( x ：, 一t ) ma 矿 式中：f o ，f ) 温度函数( ) ； a 导温系数阳2 i s ) ； f 时间o ) ： 石位置坐标沏) 。 如图2 - 1 所示，以下角标1 代表金属坯料的有关参数， 模具的有关参数，并以模具与锻件的接触面为坐标零点，则： 戮懋一 缓缪阏2 一 9测 勿秽 图2 - 1 会属坯料和模具接触示意图 9 ( 2 2 ) 下角标“2 ”代表 武汉理t 大学硕士学位论文 型。a 掣l o t o x 掣吨了0 2 r 2 ( x , t ) t ，t ，咖。)a f 缸) u ，石w ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 ) 初始条件和边界条件 正0 ，0 ) 一r , o 疋0 ，0 ) 一 九旦互盟。一2 ho t 2 ( o , t ) ， ! 互! 二竺：! ! 。! 圣! 竺：生： 五( q f ) = e ( o f ) ( f ，o ) 0 式中：瓦金属坯料模锻开始温度( ) ： 模具预热温度( x 2 ) ； ，疋金属坯料与模具的导热系数( w m ) 。 ( 3 ) 锻模型腔表面层的温度分布 利用初始条件和边界条件求解微分方程( 2 3 ) 和方程( 2 4 ) ，获得模具型 腔表面层的温度分布函数为： 驰f ) l j 患叫z ( 牺) 】 ( 2 - s ) 1 + 生阻 。一u 1 a 2 式中：啦( x ) 自变量x 的余误差函数，啦( x ) 2 了2 一p ，”e _ t 2 出，它和误差 函数e 彳( x ) 的关系为咖( x ) = 1 一e r f ( x ) 。 令乃 ，f ) 为金属坯料热传导所引起的锻模型腔表面层的温度分布函数， ( 1 噜痧并输椰) = l 刮郴： 瓦= 七( 一毛) + ( 一耻r r 工( 2 再) 】 ( 2 6 ) 2 锻件传热产生的锻模的热传递 ( 1 ) 型腔表面温度 1 0 武汉理：i 二大学硕十学位论文 乃( 0 f ) 一k ( 写。一) ( 2 - 7 ) 当锻件材料和模具材料确定后，型腔表面的温度只与坯料始锻温度和模具 温度的差成正比。 ( 2 ) 型腔表面层瞬态温度的时域特性 根据式( 2 6 ) 绘制的模具型腔表面层的温度时变曲线，如图2 2 所示。由 图可见，随这x 的增大，即沿着模具厚度方向，温升幅度逐渐降低，温升开始 和峰值温度出现时间相应延迟，这与实验测试结果相吻合。 图2 2 模具表层温度时变曲线 由式( 2 - 6 ) 可知，任意时刻t ，模具内温升开始的位黄x 。，可由下式求得： 酊( 赤) j 1 o 则 x 一4 x a z t 一般模锻生产中，金属配料和模具型腔的接触时间约在几十毫秒到几秒间， 在这么短的时间内模具型腔表层的热影响区只有几个毫米厚。 2 2 1 2 摩擦生热产生的热传导 1 摩擦生热产生的锻模温度分布 ( 1 ) 传热微分方程 由式( 2 - 4 ) ， 武汉理工大学硕十学位论文 得 o t e ( x , t ) - - a 2 c 3 2 t 2 ( x ：, t 一) o t a t o q ( x , t ) 一口：了0 2 q ( x , t ) a f 缸 ( f o , x ，0 ) 即 昙【掣卜：菩【掣】 由 口o ，f ) 。一飞_ o t 2 ( - x , 一t ) ( 2 8 ) 得o q ( x , t ) m a 2 o z _ q ( x , t ) ( 2 9 ) ( 2 ) 初始条件和边界条件 q ( x ，o ) - 0 q ( o , t ) 一q c 。窜( ，t ) - 0 式中：吼由金属坯料和模具型腔摩擦而引起的恒定热流密度缈m 2 ) ，由 于热源向坯料和模具同时传热，根据热流分配系数计算公式： 4 v 一删( 而+ j i ：j i ) 则吼一j 1 ； 金属坯料和模具型腔接触处的摩擦系数； p 金属坯料和模具型腔接触处的法向应力( n m 2 ) ； c 1 ，：金属坯料和锻模的比热( j 喀) ； n ，见金属坯料和锻模的密度豫m 3 ) ； 口金属坯料沿模具型腔表面的滑移速度( m s ) 。 ( 3 ) 锻模型腔表面层的温度分布 利用初始条件和边界条件求解微分方程( 2 9 ) ，获得模具型腔表面层的热流 密度分布函数为： 小卜吼叫赤) q - 1 将其代入( 2 - 8 ) 式，并从x 到0 0 积分得： 删= 私e 咖( 击卜i 2 q c 蜊r - - - 嘶( 击) 武汉理工大学硕十学位论文 式中：f e ，归( x ) 自变量x 的余误差函数1 2 4 1 。令l g ，f ) 为金属坯料和模 具型腔表面相互摩擦生热而引起的锻模表面层温度分布函数，则： 驰力4 等历哪【击j 弦1 1 ) nia ，1 - 2 摩擦生热产生的锻模的热传递 ( 1 ) 型腔表面温度 l ( 0 ，f ) ；半厄 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 型腔表面层瞬态温度的时域特性 根据式( 2 1 1 ) 绘制的模具型腔表面层的温度时变曲线，如图2 3 所示。由 图可见，随这金属坯料变形时间的延长，模具型腔表面温度迅速升高，但远离 模具型腔表面层处的温度变化幅度并不大，这和实验测试结果相吻合。，温升幅 度逐渐降低，温升开始和峰值温度出现时间相应延迟，这与实验测试结果相吻 合。 图2 3 模具表层温度分布曲线 由式( 2 6 ) 可知，任意时刻t ，模具内温升丌始的位置x 。，可由下式求得： 叫击卜 武汉理t 大学硕十学位论文 查表【2 4 】则 所以 三。1 6 2 扣 x ，。1 3 2 万 一般模锻生产中，由摩擦因素引起的瞬态温升只影响区到模具型腔表层厚 度为几个毫米厚的范围。 2 2 2 热锻模表面层与近表面层间的温度差峰值 2 2 2 1 型腔表面的最高温度 锻模在工作过程中，热负荷主要来源于型腔表面与金属坯料接触时的热传 导和坯料沿型腔表面滑移时产生的摩擦热，所以锻模型腔表面最高温度为： 瓦。= r a o , o + 乙( o ，f ) + 7 即： 七五。+ ( 1 一七) + 学厍 ( 2 1 3 ) 式中：f 金属坯料变形过程中和模具型腔表面的接触持续时间( s ) 。 七。1 ( 1 + 等压) ，对常用模具锻打钢件时，七的取值范围为o 5 - 0 5 5 ，一 般分析时取k = o 5 4 。 p 金属坯料和模具型腔接触处的法向应力，由于金属坯料和模具型腔 接触面| 日j 并非理想光滑接触，模具型腔表面上的所承受锻压力的部分也只是表 面凸起的一些点或小面积。可以记p ；h a , ，在锻件成型过程的不同阶段，n 取 相应的值。 p 金属坯料和模具型腔表面间的摩擦系数，按库仑摩擦定理，在摩 擦面上应为常数，但实际热变形时并不存在这样的摩擦系数。考虑实际锻造过 程中锻件材料种类和润滑剂使用情况，常取= 0 1 8 加5 。 2 2 2 2 接触持续时间 锻模热循环可以分为三个阶段，即第一阶段从金属坯料放入到打击瞬| b j ， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二阶段从打击开始到从模具中取出锻件，第三阶段为模具冷却阶段。在第一 阶段，由于金属坯料氧化皮和模具型腔表面润滑剂的影响，坯料和模具的热接 触条件不良，模具工作表面温升幅度很小，因而对模具材料热作用有决定意义 的过程是第二阶段。在第二阶段加载与卸载的时间和即锻件与锻模型腔部位热 接触持续时间，模具表面的温度脉冲主要发生在这段时间内【2 5 a 2 7 ，2 8 】，据文献i 矧 介绍在模锻压力机上锻齿轮件，润滑剂为水加石墨油时，这三个阶段锻件与模 具表面间的热传导系数比为：0 0 4 ：1 ：0 2 3 。锻件与锻模型腔部位热接触持续时间 f 可按如下公式计算【2 5 1 ： ( 1 ) 单模膛有砧座模锻锤 加载阶段： q 一2 ( 卢y ，o ) ( 2 1 4 ) 卸载阶段： 屯一1 1 0 5 w 5 ( 圪蹬) ( 2 1 5 ) ( 2 ) 多模膛有砧座模锻锤 加载阶段： t t 万2 毫n 而w 瓦a ( z 砑) ( 2 - 1 6 ) 卸载阶段： 叫施耋潞 协 ( 3 ) 单模膛无砧座模锻锤 加载阶段： t 一呢( v p r & 。) ( 2 1 8 卸载阶段： l 一1 1 0 5 w 5 ( 2 v , r 2 5 ) ( 2 一1 9 ) ( 4 ) 多模膛无砧座模锻锤 加载阶段： t ；古薹翥 沼z 卸载阶段： 武汉理：f = 大学硕士学位论文 t 一1 1 2 0 5 毫, 挚器 ( 5 ) 模锻压力机( 螺旋压力机除外) 加载阶段： 卸载阶段： ( 2 2 1 ) t = 碱3 0a r c , c o s 【，一掣】 2 2 ， 1 石0 i h i t 。最一s ( 卜吾) 式中：开始变形时设备能量( w m ) ； ( 2 2 3 ) 匕开始变形时速度( 所s ) ； 卢系数，加载时卢= 1 3 3 ；卸载时= 1 2 7 ； y 系数，加载时y = 0 3 1 2 ；卸载时y - - 0 5 ； 。最大模锻力( m n ) ； 总锤击次数： z 锤击的顺序号； 第一锤； o 滑快的行程次数( 1 m i n ) a l l 滑快的工作行程( m m ) 日滑快的总行程f m m ) e 1 0 ( 晖5 ) ； k 系数，曲柄压力机k = 2 0 ： f 压力机额定压力( m n ) 。 2 2 2 3 模具型腔部僚的峰值温度 由式( 2 1 2 ) 可知模具型腔表面的峰值温度t 。为： ：l + 七( 乙一i ) + 学瓜( 2 - 2 4 ) 7 k 式中：瓦，乃为模具的预热温度和锻件的始锻温度( ) ； 1 6 武汉理t 大学硕+ 学位论文 “似鲁为系数，k = 0 5 0 5 5 ； a 。、a r 分别为模具材料和锻件材料的导热系数( w m ) ； 4 。、分别为模具材料和锻件材料的导温系数( m 2 s ) ： 坯料变形时沿模具型腔表面的平均滑动速度； | i 坯料和型腔接触处的摩擦因数，t t = 0 1 8 o 1 5 ； 以坯料的高温屈服强度( 圮) ； t 坯料的变形时间( s ) 。 材料的导温系数a 的定义式为a x p c ，其中c 为比热容，p 为密度。因此， 可将( 2 - 2 3 ) 式改写为： k 2 弓“( 乃哪+ 0 5 6 4 2 肛去 ( 2 - 2 5 ) k 亦可改写为 叫o + 藤， ( 2 - 2 6 ) 2 2 2 4 模具表面层与近表面层问的温度差峰值 模具表面层拉、压应力产生的根本原因是模具表面层与近表面层间存在着 温度梯度，其中压应力峰值和模具表面层的峰值温度以及近表面层的平均温度 有关，拉应力峰值则和温度信号各次谐波在模具中的传播特性有关，其值取决 于表面层温度的平均值和近表面层温度的峰值。采用各类温度脉冲信号对应的 模锻设备时模具表面层与近表面层问的温度差峰值如下i 矧： ( 1 ) 连续打击时的类锯齿波信号如高速锤等 ( 丁) 。一一警k ，出现在x = ox = 导厄之间，此时t = 吾。( 2 - 2 7 ) ( r ) 。；寺正。，出现在模具表面和内层金属间，此时t - - ，0 。 ( 2 - 2 8 ) ( 2 ) 连续打击时的类三角形波信号如模锻锤等 ( 丁) 。一一0 。8t 。(2-29) ( 7 ) 。= 寺乙。 ( 2 3 0 ) ( 3 ) 连续打击时的类正弦波信号如模锻压力机等 武汉理：r 大学硕十学位论文 ( r ) 。一- o 拓a r 一 ( 丁) 一= 半 ( 4 ) 单次打击时的类锯齿波信号如高速锤等 ( 峨。叫- 2 石9 4 t ，+ 詈) ( 丁) 一= 圭q + k ) ( 5 ) 单次打击时的类三角形波信号如模锻锤等 ( 7 ) m i dii 9 石0 6 t 笋k ) ( 丁) 一= 三q + k )