（材料加工工程专业论文）热锻模温度场、应力场模拟及优化.pdf

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工艺参数和锻模材料的物性 参数。其中锻模材料的物性参数对热应力场的影响前人已经做了总结。模锻工 艺参数( 包括预热温度、工作节拍、留模时间等) 对热锻模温度场、应力场的 影响则没有引起人们足够的重视。 作者以轿车前轮毂热锻模的终锻模为原型，d e f o r m 一2 d 有限元软件为工 具，对热锻模不同工艺参数下的温度场、应力场进行仿真模拟，得到了热锻模 连续工作的应力场和在不同工艺参数下的温度场。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。在此热平衡状态下，热锻模每一次 工作循环吸收的热量等于其向外界散发的热量。通过分析连续工作的温度场， 把热锻模连续工作的温度场分为温度波动区和温度梯度区。实际的工作过程证 明，占锻模体积很小一部分的温度波动区是热锻模发生损伤失效的主要区域。 对不同工艺参数下，轮毂热锻模连续工作的温度场的模拟结果分析发现： 预热温度越高，热锻模越容易达到平衡状态，连续工作温度场的温度越高， 但是相比预热温度的差值，不同预热温度时温度场的差别较小。通过比例改 变不同模锻阶段的时长而改变工作节拍时，工作节拍越慢，模具吸热和散热的 时i 日j 同时增加，热锻模达到平衡状态所需要的工作循环次数越少，但模膛表面 的温度波动幅值越大，锻模连续工作的温度场变化不规律：留模时间越长， 模体温度上升越快，热锻模达到平衡状态所需要的工作循环次数越少，连续工 作时温度场的温度越高。 对连续工作时的应力场模拟分析发现，下模等效综合应力较大的部分为靠 近对称轴的部位，危险点的应力达到2 0 0 0 m p a ：当上模下行约l l m m 时，危险 点的应力发生急剧的上升，直至达到最后的极值。 本文还针对此前轮毂终锻模的桥部宽度进行了尺寸优化。通过模拟发现， 当桥部宽度由l o m m 减小到7 m m 时，不仅可以锻造出合格的锻件，而且所需要 的锻造力也有减小，并且热锻模所受的综合应力也随桥部宽度的减小而减小。 所以，可以将此终锻模的桥部宽度由l o m m 减小到7 r a m 。 本文不仅找到了有利于缓解热应力的工艺参数，而且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，热应力，温度场，应力场，优化 a b s t r a c t h o tf o r g i n gd i ei sa ni m p o r t a n tp r o c e s s i n ge q u i p m e n ti nf o r g i n gi n d u s t r y i tw i l l b e a rc y c f i c a lt h e r m a ll o a da n dm e c h a n i c a ll o a di ni t sw o r k i n g p r o c e s s i n ga n dt h e s et w o l o a d sw i l lp r o d u c et h e r m a ls t r e s sa n dm 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 d t h et h e r m a ls t r e s sw h i c hw a sp r o d u c e db yt h ev a h a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dw a st h e m a i nc a u s eo ft h ef a i l u r ea n dd a m a g eo ft h eh o tf o r g i n gd i e i no r d e rt oi n c r e a s e s 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 ep r o b l e mo ft h e r m a ls t r e s s i n t h i sp a p e r , 1a n a l y z et h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h et h e r m a ls t r e s so nh o t f o r g i n gd i ei nt h e o r yf i r s t in o t i c et h a tt h e s ef a c t o r si n c l u d ec r a f tp a r a m e t e ra n d p h y s i e sp a r a m e t e ro fm a t e r i a l f o r m e r sh a dm a d es u m m a r y t ot h ei m p a c to fp h y s i c s p a r a m e t e ro ff o r g i n gd i em a t e r i a l st ot h e r m a ls t r e s s h o w e v e r ，t h ei n f l u e n c eo fc r a f t p a r a m e t e r ( i n c l u d ep r e h e a tt e m p e r a t u r e ，w o r k i n gh e a t , s t a y e dt i m eo ff o r g i n ga n ds oo n ) t ot h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l dd i dn o tw i ne n o u 【g ha t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , w er e g a r dt h eh u bh o tf o r g i n gd i eo fc 缸a sp r o t o t y p e r e g a r d d e f o r m 2 dp r o g r a ma st o o l ，a n ds i m u l a t et h ew o r kc o u r s eo fh o tf o r g i n gd i ei n d i f f e r e n tc r a f tp a r a m e t e r f i n a l l y , w cg e tt h es t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw h e n f b r g j n gd i ew o r ki ns u c c e s s i o nu n d e r d i f f e r e n tc r a f tp a r a m e t e r w ed e f i n et e m p e r a t u r e f i e l dw h e nd i ew o r k si nt h e r m a lb a l a n c ea st e m p e r a t u r ef i e l do fw o r k i n gi ns u c c e s s i o n t h eh e a ta b s o r b e di no u ew o r k i n gc y c l ee q u a l st oh e a tt h a td i ed i s t r i b u t et ot h e e n v i r o n m e n ti nt h es a m ec y c l ew h e nf o r g i n gd i ew o r k su n d e rt h e r m a lb a l a n c e a f t e r a n a l y z i n g t h et e m p e r a t u r ef i e l do f w o r k i n gi ns u c c e s s i o n , w ed i v i d et h ef o r g i n gd i ei n t o f l u c t u a t i n ga n dg r a d i e n ta r e ao ft e m p e r a t u r e t h er e a lw o r k i n gc o u r s ep r o v e st h a tt h e f l u c t u a t i n ga r e aw h i c ht a k e so n l yal i t t l ep a r to fd i ei st h em a i nd i s t r i c to fd a m a g eo f h o tf o r g i n gd i e w e a n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l du n d e r d i f f e r e n tc r a f tp a r a m e t e ra n df i n dt h a t ： t h eh i g h e rp r e h e a tt e m p e r a t u r ei s ，t h ee a s i e rt or e a c ht h eb a l a n c es t a t e t h eh i g h e r p r e h e a tt e m p e r a t u r ei s ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r ef i e l do fw o r k i n gi n s u c c e s s i o ni s h o w e v e r ，t h et e m p e r a t u r eo fw o r k i n gi ns u c c e s s i o ni ss m a l l e rt h a nt h a to fp r e h e a t t e m p e r a t u r e ( 室) w o r k i n gb e a ti sc h a n g e db yc h a n g i n gt h et i m eo fd i f f e r e n tf o r g i n g s t a g e a n dw ef i n dt h a ti tn e e dl e s st i m e s o fw o r k i n gc i r c l et or e a c ht h e r m a lb a l a n c ei f t h ew o r k i n gb e a ti ss l o w t h er a n g eo ft e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni ss h a r pw i t hs l o w w o r k i n g b e a t t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ef i e l do fw o r k i n gi ns u c c e s s i o ni si r r e g u l a r t h el o n g e rt h es t a y e dt i m ei s ，t h ef a s t e rt h er i s i n go ft e m p e r a t u r ei s i tw i l ln e e dl e s s w o r k i n gc i r c l e st or e a c ht h e r m a lb a l a n c ew i t hl o n g e rs t a y e dt i m e a l s o ，i ft h es t a y e d t i m ei sl o n g , t h et e m p e r a t u r ef i e l di nw o r k i n gs u c c e s s i o ni sh i g h a f t e rw es i m u l a t ea n da n a l y z et h es t r e s sf i e l d ，w ef i n dt h a ti n t e g r a t e de q u i v a l e n t s t r e s si sh i g ha tt h es h o u l d e ro fb o t t o md i ea n dt h es t r e s sv a l u eo fd a n g e rp o i n tr e a c h e s 2 0 0 0m p a w h e nt h es t r o k eo ft o pd i ei s1 1 m m ，t h es t r e s so fd a n g e rp o i n tw i l lr i s e r a p i d l ya n dr e a c h e s i t se x t r e m ev a l u ef i n a l l y a t t h e l a s t o f t h i s p a p e r , w e o p t i m i z e t h e b r i d g es i z e o f l a s hs l o t o f t h i s h u b f o r g j n g d i e w ef i n dt h a tw ec o u l dg e tq u a l i f i e dp r o d u c ti fw ed e c r e a s et h ew i d t ho fb r i d g es i z e o fl a s hs l o tf r o ml o m mt o7 r a m i ft h i ss i z ei ss m a l l ，i n t e g r a t e de q u i v a l e n ts t r e s so ft h i s f o r g i n gd i ea n df o r g i n gf o r c ew i l ld i m i n i s ht o o s ow ec o u l dd e c r e a s et h ew i d t ho f b r i d g es i z eo ff a s hs l o tt o7 n u n w en o to n l yf i n do u tc r a f tp a r a m e t e r sw h i c hc a l lh e l pa l l e v i a t i n gt h e r m a ls t r e s s ， b u ta l s op r o v i d eab a s i st od e s i g nt h ef u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s ( f g m ) w eb e l i e v e i tw i l lh e l pi m p r o v i n g 辩r v i c el i f eo fh o tf o r # n gd i eal o t k e yw o r d s ：h o tf o r g i n gd i e ，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 o p t i m i z a t i o n i v 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。 研究蜷名：邋日期圃也： 关才论文使用投权的说明 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、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：粗导师签名：牡日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”1 1 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”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 j d ，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“金属加工业中的帝乇”；在罗马尼亚，模具更被视为“黄 金”1 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，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”。但在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，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 武汉理工大学硕士学位论文 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 l ： 1 、c a d c a e c a 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 2 热锻模的研究现状及存在的问题 锻造作为金属加工的主要方法和手段之一，根据使用工具和生产工艺的不 同而分为自由锻、模锻和特种锻造。在国民经济中，锻造占有举足轻重的地位， 是装备制造业，特别是机械、汽车行业，以及军工、航空航天工业中不可或缺 的主要加工工艺。随着经济结构的调整，特别是汽车制造业的大发展，为我国 的锻造业营造了非常好的机会 1 2 1 锻模发展的现状 模锻工艺发展到今天，已经具有相当长的历史。选定符合生产条件，操作 简单，能保证锻件质量，提高生产效率的锻造方法，一直是研究人员的共同课 题。 目前，主要的模锻方法是锤上模锻和压力机上模锻。在模锻锤上进行的模 锻叫锤上模锻。它是将上、下模块分别固紧在锤头与砧座上，将加热透的金属 坯料放入下模型腔中，借助于上模向下的冲击作用，迫使金属在锻模型槽中塑 性流动和充填，从而获得与型腔形状一致的锻件。压力机上模锻是指在压力机 上进行的模锻，主要包括曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模 锻等。 过去的1 0 年中，模锻工业的发展有以下特征1 4 j , 6 1 ：锤上模锻向压力机上模 锻发展；锻件公差精度等级高；生产周期缩短。现行的热模锻工艺是将会属毛 坯加热到锻造温度，取出后用模锻设备进行锻造，然后切除飞边得到锻件。这 武汉理工大学硕士学位论文 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， 在两者的共同作用下，锻模容易形成各种损伤，例如：磨损、机械裂纹、热裂 纹、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 2 热锻模寿命研究的过程和问题 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【7 , e l 。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。 李付国分析总结了锻模的失效形式，主要有以下几种f 9 1 0 l ： 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 高的瞬念温升，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、 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 武汉理工大学硕士学位论文 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1 1 1 j ：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，以及个单元之白j 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。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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【”j ，影响热应力幅值的主要因素有温度波动幅值a t 、材料的弹性 模量e 、材料的热膨胀系数a 、材料热传导系数九、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a t ：人 为确定材料的热应力参数的合理分布；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： 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，除了从材料选择方面入手，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。查阅相关资料发现，根据锻模的热平衡确定其合理的 工作节奏和平衡温度以及有效降低温度波动幅值的缓解热应力的方法并没有受 到足够的重视，国内外对此方面的研究并不多。 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， 轿车前轮毅终锻模为原型，模拟了不同条件下锻模的连续工作。最终得到了锻 模热平衡状态时的应力场和不同工艺参数下平衡状态的温度场。通过对轮毂热 锻模热平衡状态下温度场、应力场的分析，找到了有利于缓解热锻模温度波动 区热应力的工作节拍、预热温度、留模时问及锻模结构。对热锻模温度平衡状 武汉理工大学硕士学位论文 态温度场的研究，并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。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，即模拟热锻模的连 续工作，直至其达到热平衡状态，得到其连续工作时的应力场和不同工艺条件 下的温度场。通过对温度场、应力场的分析，得到有利于提高热锻模寿命的工 艺参数，为以后功能梯度材料的设计提供依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章热锻模温度场、应力场的基本理论 2 1 引言 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，要想提高锻模寿命，就必 须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 4 】： 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。 武汉理工大学硕士学位论文 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 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。这罩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，如果本! 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交，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 武汉理工大学硕士学位论文 型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发生相交，都会产生回火反应。 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1 1 s l 。 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： 1 r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 盯一去( 吒- a d 2 + ( q - a a 2 + ( 吼一吒) 2 + 6 瞩+ + t ) = q v ( 2 1 ) 式中盯等效应力； os _ 锻模材料在工作状态下的屈服强度； o i 、oy o ：、t 社、t a 、t 矿一应力分量： 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1 9 】o ( 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 武汉理工大学硕士学位论文 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 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 。 在一般情况下，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 热锻模的温度场 2 3 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1 1 6 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。 2 3 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 嘲： 軎+ 害+ 罟一言詈 c z 刁 缸2却娩口甜 。 式中：a 锻模材料的导温系数( m s 2 ) ； x ，y r 锻模内任意点的坐标( r a m ) ： t _ 锻模内任意点的温度( ) ，它是坐标( x ，y ，z ) 和时间t 的函数； 卜一时间( s ) 。 2 3 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 ) = t o ( 2 3 ) 模锻过程中，锻模的各类边界均以不同的方式和周围介质产生热交换。模 具型腔表面主要通过金属坯料的热传导和坯料与型面间的摩擦热效应进行热交 换。模具周围壁面和冷空气接触，主要通过对流方式换热。模具与砧座或模座 接触处，距型腔表面较远，温度变化相对型腔表面非常慢，因此可认为是绝热 边界，此处温度保持恒定并等于预热温度。 依据传热学理论，锻模边界条件可分为三类： 第一类边界条件直接给定模具表面温度的分布及其随时间的变化规 武汉理工大学硕士学位论文 律； t ( x ，y ，z ，t ) ：f ( x ，y ，z ，t ) ( 2 4 ) 式中：f ( x ，y ，z ，t ) 给定的模具表面温度随时间而变化的分布函数。 第二类边界条件 舍定模具表面上的热流密度随时间的变化规律： 一a 娑，日( f ) ( 2 5 ) 式中： 模具材料导热系数( w m ) ： q ( t ) 模具表面的热流密度( w ，m 2 ) ； o t i o n 沿模具表面法向方向的温度梯度( m ) 。 第三类边界条件一给定周围介质的温度t s 以及介质和模具表面问的换热 规律，如对流换热，则： 一a 婴。a ，亿一r ) ( 2 - 6 ) 式中：t s _ 幞具周围介质温度( ) ： o 广模具表面与周围介质的对流换热系数( w m 2 ) 。 2 3 2 锻模温度分布与传递特性 由于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，所以特别关注模具表面和近表面层的温度分布与传递特性。因为近表层的 厚度与模具整体尺寸相比近似于无限小，故可将上述问题近似地看成为半无限 大物体的一维传热问题，金属坯料的热传导相当于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 3 2 1 金属坯料的热传导f 9 , 1 7 1 1 、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： 旦三业。a a 2 t ( x , t )( 2 7 ) 珊 缸 式中：t ( x ，t ) 韫度函数( ) ； 1 2 - 武汉理工大学硕士学位论文 a 导温系数，定义为q = 九pc ( m 2 s ) ； t 时间( s ) ； x 位置坐标( 1 1 1 1 1 1 ) 。 如图2 - 1 所示，以下角标“1 ”代表金属坯料的有关热传导参数，下角标 “2 ”代表模具的有关热传导参数，并以模具与金属坯科的接触面为坐标零点， 则： 戮懋一 微沁心沁沁x 一 坯料勿心模具 ：互o ，f ) 心地r ) 黝心沁沁心 图2 1 金属坯料和模具接触示意图 了a t l ( x , t ) q 学 a f 缸 型a t 鸭学 缸 ( t ) o x o ) 式中：t 1 0 金属坯料模锻开始温度( 1 2 ) ； t 2 0 - 摸具预热温度( ) ； h ， 2 _ - 金属坯料和锻模的导热系数( 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 8 和2 - 9 ，获得模具型腔表面层的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 温度分布函数为： l o ，f ) -咖b “2 石) 1 ( 2 1 0 ) 式中：c r f c a 广自变量x 的余误差函数， 啪( x ) 一j ：。g 。d t v 石 它和误差函数c d ( x ) 的关系为e 似均= 1 一e 呱玛。 令t d ( x ，t ) 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，令 胛+ 等协 并结合式e a c ( x ) = 1 一盯邢( ) 得： l o ，f ) = 七( 五。一) + 七c k 一五。弘矿k 2 口】 ( 2 1 1 ) 2 锻模的热传递特性 ( 1 ) 型腔表面温度( ) t d ( o ，t ) = k 仃l o - t 2 0 )( 2 - 1 2 ) 当锻件材料和模具材料确定后，型腔表面的温升值与坯料始锻温度和模具 预热温度的差成j 下比。 ( 2 ) 型腔表面的温度分布梯度( m ) 温度分布梯度的峰值为： 掣小摆, l g 等型武y 工 出现时间： 工2 t 一 2 a ， ( 3 ) 型腔表面层的温度变化速率( 1 2 s ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 出现部位：