（材料加工工程专业论文）热锻成形若干关键技术及多层金属模具.pdf

摘要 热锻模是锻造工业中重要的工艺装备，在工作过程中要承受周期性的热负 荷和机械负荷。在我国热锻模的寿命一般为3 0 0 0 - 5 0 0 0 件，是国外的1 3 左右， 因而提高热锻模的寿命显得尤为重要。本文以轿车前轮毂终锻模为模型，以 d e f o r m 2 d 为工具，对影响热锻模使用寿命的几个关键问题进行了研究，目的 是找到提高热锻模寿命的途径。本文主要在以下凡方面进萼亍展开： l 、热锻模温度场的分析及回火效应的研究。高温使得模具出现软化现象， 引起模具的硬度下降。通过分析型腔表层的温度分布，得到了工作状态下热锻 模型腔表层的温度变化趋势。模具温度的井高及回火系数的增大，弓i 超模具的 硬度下降，磨损情况严重。降低温度幅值和瀑度谐波的作用时闻即降低了回火 系数。减小模具的回火效应，在实际生产中就是减少留模时间。这样既可以降 低型腔表面的温度幅值，又可以缩短回火时间，还可以提高生产效率，延长模具的 使用寿命。 2 、模具的磨损分析。通过分析热锻模的磨损情况褥知，模具型腔拐角的位 置、曲率大的位置磨损严重。分析了模具的磨损情况与模具所受的载荷、模具 的初始硬度、模具的界面压力、材料的相对流动速度的关系。在同等加工状态 下，提高模具材料的硬度是提高模具寿命的有效的方法。建立了热锻模磨损的 模型，并预测了热锻模的磨损寿命，模具磨损寿命的预测值和实际值相差不大。 在实际生产中，工件每次取出后，对模具进行充分的冷却，以保证模具出现软 化现象不严重。 3 、预锻件优化。预锻件形状直接限制金属的流动情况，控制着最终的变形， 直接影响最终锻件的微观组织和成形件的最终形状和微观组织性能。以整个工 件变形尽可能均匀为目标，进行逆向运算来优化预断件形状。通过对优化结果 进行检验，可以看趱优化后的模型变形更加均匀，使得终锻模的等效应力和成 形所需的动力均有所减小。 4 、多层金属热锻模的研究。基于多层金属热锻模的设计思路，试制了等离 子熔覆层的试样，并对熔覆层的成分进行x r d 射线衍射分析和显微硬度检测。 试验结果表明涂层可以提高硬度、强度和耐蘑性。建立了多层金属热锻模的模 型，并进行有限元分析。分析结果表明，多金属热锻模与均质热锻模相比能降 低模具表面的温度峰值、减小模具的等效应力，对于延长模具的寿命有很积极 的效果。但由于多层金属热锻模层与层材料的物性参数变化较大，出现了模具 应力集中的现象。在以后的研究中可以寻找层与层之间材料合适的物性参数过 渡，来减小应力集中的现象。 关键字：热锻模，回火效应，磨损，预锻优化，多层金属模具 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 l 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 dd u r i n gt h eh o tf o r g i n gp r o c e s s t h e s e r v i c el i f eo fh o tf o r g i n gd i ei ss h o r tb e c a u s eo fi t sa d v e r s ew o r k i n g e n v i r o n m e n t s o ， i ti si m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ed i es e r v i c el i f e i nt h i sp a p e r , t h ef i n a lf o r g i n gp r o c e s s o fw h e e li s s i m u l a t e d ，u s i n gt h es o r w a r ed e f o r m 一2 d i no r d e rt or e v e a lt h e w o r k i n gs t a t eo fh o tf o r g i n gd i ea n df i n da ne f f e c t i v em e t h o dt op r o l o n gt h ed i e s e r v i c el i f e ，s o m ek e yp r o b l e ma f f e c t i n gt h ed i es e r v i c el i f ew e r es t u d i e d t h e c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、t h es t u d yo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt e m p e r i n gb e h a v i o ro fh o tf o r g i n g d i e t e m p e r a t u r e i st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ed i e s t e m p e r i n gb e h a v i o r t h e p h e n o m e n o no ft h e r m a ls o f t e nw i l la p p e a rw h e nt h et e m p e r a t u r eo fd i ei n c r e a s e d ，a n d i tw i l lc a u s et h eh a r d n e s sd e c r e a s e t h et e m p e r i n gc o e f f i c i e n tpd e t e r m i n et h e h a r d n e s s t h ev i o l e n tw e a rl e a dt od i es c r a pi ft h et e m p e r i n gc o e f f i c i e n tpd e c r e a s et o s o m ev a l u e t h ei n f l u e n c eo ft h ee f f e c t i v et e m p e r i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ee f f e c t i v e t e m p e r i n gt i m eo nd i es e r v i c el i f ew a so b t a i n e d r e d u c i n gt h ec o n t a c tt i m eb e t w e e n w o r k p i e c ea n dd i e si sa ne f f i c i e n ta p p r o a c ht oi m p r o v e m e n to fh o tf o r g i n gd i es e r v i c e l i f e 2 、t h ea n a l y s i so fh o tf o r g i n gd i ew e a r t h ew e a r o fh o tf o r g i n gd i ew a so b t a i n e d ， a n dt h ev i o l e n tw e a ra p p e a ra tt h em o u l d c a v i t yc o m e r t h ew e a rw a sd e t e r m i n e db y i n t e r f a c ep r e s s u r e ，s l i d i n gv e l o c i t y ，h a r d n e s se t c t h ee f f e c t i v em e t h o da b o u t i m p r o v i n gs e r v i c el i f ei se n h a n c i n gt h eh a r d n e s so fd i e t h es e r v i c el i f ec a nb e p r e d i c t e db yt h ew e a rd e p t h t h ea d e q u a t ec o o l i n go fh o tf o r g i n gd i ea f t e re a c h p r o c e s sc a ni m p r o v et h es e r v i c el i f e 3 、t h ep r e f o r mo p t i m i z a t i o n t h ep r e f o r ms h a p eo f w o r k p i e c ec o n f i n et h em e t a l f l o wa n dc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o na n da f f e c tt h em i c r o s t r u c t u r ep e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r ，t h ep r e f o r mo p t i m i z a t i o ni ss i m u l a t e d ，u s i n gt h es o f t w a r ed e f o r m 2 d t h e o p t i m i z a t i o no fp r e f o r ms h a p ec a ng e tt h r o u g hr e v e r s eo p e r a t i o nb a s e do nf e m t h e o p t i m i z a t i o np r e f o r ms h a p ec h e c k e db yf o r w a r do p e r a t i o na n d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ev a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r a i nt r e n dt ou n i f o r m ，t h ef o r m i n gf o r c ea n dt h ee f f e c t i v e s t r e s sa r ed e c r e a s e d 4 、t h es t u d yo fm u l t i l a y e rm e t a ld i e i nt h i sp a p e rm u l t i l a y e rm e t a lc o a t i n gw a s m a d eb a s e do nt h et h o u g h to fm u l t i l a y e rm e t a ld i ed e s i g n t h ex r da n a l y s i sa b o u t c l a d d i n gw a sd e t e c t e d t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ec l a d d i n gc a ni m p r o v et h eh a r d n e s s o fd i e t h em o d e lo fm u l t i l a y e rm e t a ld i ew a s b u i l ts u c c e s s f u l l ya n dt h ea n a l y s i sw a s o b t a i n e d t h ec o m p a r i s o no fp h y s i c a lf i e l db e t w e e nh o m o g e n e o u sh o tf o r g i n gd i ea n d m u l t i l a y e rm e t a lh o tf o r g i n gd i ew a so b t a i n e d t h et e m p e r a t u r ep e a k a n dt h ee f f e c t i v e s t r e s sw a sd e c r e a s e d m u l t i l a y e rm e t a lh o tf o r g i n gd i ew a sp r o v e df e a s i b l et h r o u g h t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y a l lr e s e a r c hp r o v i d ea r e f e r e n c et ot h em u l t i l a y e rm e t a l a n dab a s i sf o r t h ea p p l i c a t i o n so ff g m k e yw o r d s ：h o tf o r g i n gd i e ，t e m p e r i n gb e h a v i o r ，w e a r ，p r e f o r mo p t i m i z a t i o n ， m u l t i l a y e rm e t a ld i e 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。 日期型垒! 兰翌 关才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：逛型卫鱼 导师签名： 武汉理工大学硕十学位论文 | 。1 引言 第1 章绪论 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 l 】。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。 目前，主要的模锻方法是锤上模锻和压力机上模锻【2 1 。在模锻锤上进行的模 锻瑟瑶锤上模锻。它是将上、下模块分别霾紧在锤头与砧座上，将加热意的金属 坯料放入下模型腔中，借助于上模的冲击作用，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视上进 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。 热锻是在金属再结晶温度以上进行的锻压。提高坯料的温度能改善金属的 塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。高温下还能减小金属的变 形抗力，降低所需锻压机的吨位。热锻模在金属塑性成形过程中起着十分重要 豁作雳。 1 2 热锻模的研究现状及存在的问题 模具的失效可分为：j 芷常失效( 旱裳失效) 和垂常失效p 剜。在一定工业技 术水平下，模具未达到公认的使用寿命就不能服役时，称模具的早期失效：模 具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损丽不能工作的称正常失 效。研究模具的失效规律及机理，其目的是防止和避免模具的早期失效，延长 模具使用寿命，降低成本，提高经济效益。模具的失效形式主要有以下几种1 5 】： l 、塑性交形：模腔工作表面在高温、高压下与坯料产生高摩擦，表面温度 升高而产生软化，当模具承受的负荷超过自身钢材的屈服点，在交变载荷作用 下，以滑移、孪磊、晶赛滑移等方式发生塑性变形，从而失去尺寸的准确性导 武汉理工大学硕士学位论文 致失效。 2 、疲劳：尽管模具受到的载荷有时低于屈服强度，但是模腔工作表面在交 变应力作用下，受到反复温度升降，使其工作表面产生拉、压交替变化。当加 工一定数量工件后，模具局部应力超过模具钢的弹性极限并进入塑性应变区域 时，将产生疲劳裂纹( 微裂纹) ，表现为工作表面的龟裂。而模具通常都在高强度 和低塑性状态下工作，微裂纹会在循环载荷作用下扩展并最终导致疲劳断裂。 3 、断裂：由于模具形状复杂，在型腔的角薄边处、悬梁根部、模桥的底部 等位置会造成应力集中，产生断裂。断裂失效是危害最大的一种失效形式，主 要原因是材料本身较脆，内部组织有缺陷，热处理硬度过高，回火不足，承受 负荷过大，易产生应力集中区。其特点是产生在受力最大的工作部位在截面应 力集中急剧变化处。 4 、磨损：在高温、高压下模具工作部分与坯料间产生激烈的摩擦而引起物 质损耗，使刃口变钝，棱角变圆，平面变凹或变凸，使模具的形状、尺寸发生 变化，表现为压坑、麻面、粗糙、擦伤和尺寸超差等。 以上模具失效形式中，磨损是影响模具寿命的决定性因素，尤其在高温成 形过程中模具寿命因磨损而失效的情况超过7 0 ，裂纹约占2 0 ，塑性变形约 占1 0 。 在锻造过程中，因模具失效产生的损失占总生产成本的比例很大。修复或 更换模具的费用包括模具所需的材料、机加工、涂敷、表面处理，以及劳动力 等主要成本。在任何情况下，模具失效造成的成本与生产系统发生故障的次数 都密切相关，从而降低总利润。所以要降低锻件成本中的模具费用，有两条途 径，一是提高模具寿命，二是降低模具制造费用。 另外，生产中由于模具磨损和发生故障而进行模具修理，模具更换等损失 时间约占实际生产时间的1 0 1 5 ，模具寿命又影响劳动生产率，因此，锻模 的寿命直接关系到锻件的生产量、质量和成本，如何提高热模锻生产中的模具 使用寿命，各个国家和各个企业均相当重视，开展研究，且已取得较好的技术 经济效果。 1 2 1 热锻模发展的现状 现行的热模锻工艺是将金属毛坯加热到锻造温度，取出后用模锻设备进行 武汉理t 大学硕士学位论文 锻造，然后切除飞边得到锻件【6 l 。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。同时由于锻造温度范围广，对毛坯限n d , ，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 热锻模寿命研究的情况 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) 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。 热锻模的寿命问题一直在锻压界得到高度重视。在我国，模具的平均使用 寿命大概在3 0 0 0 5 0 0 0 件，和国外先进水平还有较大的差距。存在的主要问题包 括：热锻模制造成本高、使用寿命低、模具钢消耗量大、设计制造技术落后等。 基本状况是：热锻模不能进行专业化设计与制造，企业不论大小，均设有模具 车间，有各类设备，这就导致投资大，模具成本高；技术力量分散，先进的技 术推广困难，部分企业对先进技术保密，导致行业水平参差不齐，大部分企业 设计制造技术严重落后；模具材料性能不高，尤其使用均质材料，严重制约模 具的使用寿命提高，在一定程度上，存在浪费材料的问题。 2 0 世纪8 0 年代以来产生了许多专业模拟分析软件，如m s c m a r e 、d e f o r m 、 m s c s u p e rf o r m 、q f o r m 等。这些软件的主要功能是在于模拟锻件的成形过程， 预测成形缺陷，对成形工艺及模具设计方案进行分析与评估。 国内外专家、学者对热锻成形方面进行了大量的研究。在对热锻模的物理 场分析上，龙满林、杨慧在研究过程中曾用a n s y s 软件模拟了普通圆饼类锻件 热锻模连续工作的温度场及应力场【7 8 l 。将模型简化为吸热、放热、加载、卸载 等几个过程，模拟出了变形过程结束时的温度场、热应力场、机械应力场和综 合应力场。研究发现，与温度应力相比，机械应力的幅值是很小的，故锻模失 武汉理工大学硕士学位论文 效主要是温度应力引起的。但是在研究过程中没有考虑到工件的变形过程对温 度场、应力场的影响。胡金焕用m a r ca u t o f o r g e ( m s c s u p e rf o r m ) 模拟了普 通圆柱体的开式热模锻，在模拟过程中考虑了工件在锻压过程中形状的变化， 并求解出2 0 次模锻行程中模具温度场、等效总应变场、热应变场，并提出理想 热锻模具的结构应该分为工作区、基体区、过渡区，各个区域各司其职，能大 大提高模具的寿命。汤育玺对轿车前轮毂的热锻成形进行了分析，模拟1 0 0 次 热锻过程，模具的温度场、应力场等变化。对热锻模具连续工作的温度场和应 力场的变化进行了探讨，并且对终锻模具的结构进行优化f 9 】。 关于模具的磨损，孙宪萍、王雷刚等将有限元分析、神经网络和遗传算法 结合起来，建立模具型腔控制点与磨损深度之间的映射关系，优化模具型腔轮 廓形状，提高了模具寿命【1 0 , 1 1 l 。p a i n t e r 等人用有限元软件模拟热挤压模具的磨 损过程，通过实验和模拟的对比，最终完成了挤压模具的型腔优化【l2 1 。l e e 和 j o u 利用数值模拟分析了模具的磨损，通过磨损试验对磨损系数进行测定后发 现，磨损系数是与温度相关的函数，温度越高，磨损系数越大【l3 1 。e s u m m e r v i l l e 和k v e n k a t e s a n 等人，对报废的热锻模具进行组织分析，找到模具失效的主要 原因为磨损和疲劳【14 1 。t a t s u r o1 w a m a 和y a s u h i r om o r i m o t o 对影响反挤压模具的 寿命的几个因素分别进行了分析，如：润滑条件，模具温度，对于模具寿命的 延长提出了在模具型腔表面涂敷一层耐磨材料【l5 1 。c a l o s k a 等对挤压成形进行分 析，指出不合理的挤出速度不但会影响挤出制品的质量，而且还会导致模具工 作带的过早失效，如局部塌陷、裂纹、磨损和变形等【l6 1 。济木弘行对于变形中 高温工件与环境及工具之间的热交换问题，作了许多有意义的研究【l n 。v o l k e r s z e n t m i h a i l 对斜齿轮冷锻过程进行了有限元分析，也对温度场边界条件做了一 定的探讨【l 副。a b a c h is i a m a k 考虑了温度和机械应力对热锻模具的影响，对热 锻模具的磨损进行研究，并提出了在高温高载荷的情况下热锻模具模具材料的 性能要求【l9 1 。陈国学等研究了复杂锻件净成形过程热力学因素对工件和模具的 影响，重点讨论了工件与模具的接触传热问题及使用有限元程序分析计算的现 实方法，还提出根据实际制造过程，在分析模型中要考虑完整的工艺流程【2 0 1 。 李付国运用薄膜热电偶对锻模表面瞬态温度场进行测试，分析了锻模瞬态温度 信号的时域特性和频域特性，并且得出了锻模的温度应力场分布规律，即锻模 拉，压应力峰值均出现在模具的表面层【2 1 1 。 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 武汉理工大学硕士学位论文 腔表层的温度场进行研究是有必要的。 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【2 2 1 。 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l o 倍左右【8 l 。可以断定，温度波动区的热应力是造成该处损伤的主要原 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 l ，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 、材料的热膨胀系数仅、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【2 2 】： 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。 1 2 3 热锻模寿命研究存在的问题 所有对热锻成形进行的研究，主要集中在热锻工艺的制定，即围绕着提 高模具寿命、提高锻件质量这两个中心点来展开，研究对象都为常规均质热 锻模具。根据以前的研究，本课题组提出：在保证锻件质量的前提下，采用多 武汉理工大学硕士学位论文 层金属模具来延长模具的使用寿命【2 3 , 2 4 】。热锻模具在整体上分成三个区域：紧邻 模膛的温度波动区，远离模膛的散热区，及介于两者之间的温度平衡区。多层 金属模具就是在对热锻模具进行分区的基础上提出来的。所谓多层金属模具就 是采用功能梯度材料来制备的：即由三种以上的金属材料按需要逐层叠加为一 有机整体，达到缓解热锻模具热应力，提高热锻模具的使用寿命的目的。 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 软件为工具，轿车前轮毂终锻模为原型，对热锻成形 中的几个关键问题进行研究，目的是找到提高热锻模寿命的途径。 本文内容主要在以下几方面进行展开： 1 、热锻模温度场的分析及回火效应的研究。通过分析型腔表层的温度分布， 明确热锻模在工作状态下，热锻模型腔表层的温度变化规律。 2 、热锻模的磨损情况分析。通过分析热锻模的磨损情况，得知模具磨损严 重的位置，预测模具的磨损寿命。 3 、预锻件的优化。以整个工件变形尽可能均匀为目标，进行逆向运算来优 化预断件形状。 4 、多层金属热锻模的研究。基于多层金属热锻模的设计思路，试制等离子 熔覆层的试样，并对熔覆层的成分进行x r d 射线衍射分析和显微硬度检测。建 立了多层金属热锻模的模型，并进行有限元分析。 本文研究的意义： 通过对热锻成形中的几个关键问题，锻模型腔表层的温度分布、锻模的使 用寿命进行分析，可以掌握锻模工作状态下型腔表层的温度分布、预测模具的 寿命；预锻件形状优化研究不同的预锻件形状对终锻模具的应力分布影响及锻 武汉理l ：大学硕+ 学位论文 件的应变状态的影响，为模具设计提供参考；对多层金属模具热锻成形过程中 的物理场进行模拟分析，可以为多层金属( 功能梯度材料) 材料的选择、模具 的制备提供依据，也可以对试验结果进行判断。通过以上的研究能为使用功能 梯度材料( f g m ) 制造热锻模提供参考，最终提高热锻模的寿命。 课题来源：国家自然基金资助项目( 5 0 6 7 5 1 6 5 ) 长寿命热锻模热应力缓解 机理及设计方法的研究 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，即多层金属热锻模的思想。通过对热锻成形几个关键问题的研究， 明确了论文的研究目的和研究内容。论文是围绕热锻模使用寿命的研究而展开， 内容包括热锻模回火效应、热锻模磨损、预锻件形状的优化及多层金属热锻模 的研究。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章热锻模温度场与应力场的基本理论 2 1 引言 热锻模的损坏失效与其所受负荷密切相关。热负荷不断恶化锻模材料的工 作性能，破坏型腔表面的承载能力，机械负荷使业已恶化的型腔表面加速破坏， 二者虽然性质不同，但由于同时作用在模具的工作表层上，故对锻模的损伤起 到了相互促进的作用。其中热负荷不仅严重地影响到模具型腔部位的工作条件， 而且还直接影响到模具的使用寿命。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 热锻模所受的热机械负荷 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【2 5 l ： 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。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。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 8 武汉理t 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。 ( 1 ) 、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。 ( 2 ) 、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。 ( 3 ) 、回火反应 武汉理工人学硕十学位论文 型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发生相变，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。 ( 4 ) 、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 5 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： 仃2 老( 吒一q ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( 吒一吒) 2 + 6 ( f 刍+ f 刍+ 彳三) 2 吼 ( 2 1 ) 式中：盯一等效应力； o s _ 锻模材料在工作状态下的屈服强度； o x 、o y 、晚、 i r z x 、 r 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【2 。 ( 1 ) 、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。 ( 2 ) 、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 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 1 0 武汉理1 二大学硕士学位论文 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。 ( 3 ) 、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。 ( 4 ) 、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。 武汉理工人学硕十学位论文 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【2 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方程为【2 7 】： 窑+ 窑+ 窑：! 塑( 2 - 2 ) 一卜一卜一= 一一 苏2 加2 0 2 2口0 t 式中：卜锻模材料的导温系数( m s 2 ) ； x ，y z _ 锻模内任意点的坐标( m m ) ： t - 一锻模内任意点的温度( ) ，是坐标( x ，y ，z ) 和时间t 的函数； t _ 时间( s ) 。 2 3 1 2 初始条件和边界条件 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 ，0 ) = 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。 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 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 1 、锻模温度分布【2 8 】 ( 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 ) ：口一0 2 t ( x , t ) ( 2 4 ) 西苏 式中：t ( x ，t ) - 温度函数( ) ； a 一导温系数，定义为a = z p c ( m 2 s ) ； t _ 时间( s ) ； m 置坐标( n h n ) 。 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，并以模具与金属坯料的接触面为坐标零点，则： 戮懋一 缓 ， 太互( 刈) 沁 义心心 图2 1金属坯料和模具接触不恿图 堕盟：口，掣( 洮x o ，研 叙2v w ( 2 ) 初始条件和边界条件 t 1 ( x ，o ) = t 1 0 ，t 2 ( x ，0 ) = t 2 0 1 3 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 武汉理j 二人学硕七学位论文 允o t l ( o , t ) ：一2 ：2 a t 2 ( x t ) c a t l ( - o o , t ) a t 2 ( - i - o o , t ) 0 研出 出改 t l ( 0 ，t ) = t 2 ( 0 , t )( t 0 ) ( 2 7 ) 式中：t l r 金属坯料模锻开始温度( ) ； t 2 r 模具预热温度( ) ； 九l ，b 一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 5 和2 - 6 ，获得模具型腔表面层的 温度分布函数为： 互( 刈) = 字等p r f 4 工( 2 4 夏7 , ) 1 1 + 砉偿 8 ， 式中：e r f c ( x 卜自变量x 的余误差函数， e r f c ( x ) = 车+ 。e - t 2 d t 万 ， 它和误差函数e f t ( x ) 的关系为e r f c ( x ) - - - l - e f t ( x ) 。 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 椰噜挣。 并结合式e f t e ( x ) = 1 一e 坦x ) 得： 乃( z ，f ) = k ( t , o 一互o ) + 尼( 互。一t l o ) e r f x 2 、a 2 t ( 2 9 2 、锻模的热传递特性 ( 1 ) 型腔表面温度( ) t d ( 0 ，t ) = k ( t lo - t 2 0 ) ( 2 10 ) 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 预热温度的差成正比。 ( 2 ) 型腔表面的温度分布梯度( m ) 掣2 鬻唧卜毒 温度分布梯度的峰值为： 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 c 掣小居等掣 亿 出v 肥ji 7 1 ，、 x 2 出现时间： m ： ( 3 ) 型腔表面层的温度变化速率( s ) o r a x , t ) ：地掣挲e x p ( - 善) o t 2 觋f 3 4 。 ( 2 1 3 ) 出现部位：x - 2 口2 (