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大模块淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究 摘要 对于大型预硬化塑料模具钢，由于水的冷却能力强，淬后截面硬度差大、棱角和表面易出现 裂纹；而油的冷却能力相对较弱，预硬化厚度较浅且存在油烟和火灾隐患；水淬+ 油冷可在一定 程度上克服两者的不足，但是工艺控制难度大，限制了预硬化深度；聚合物类水溶性介质淬火冷 却能力介于水与油之间，但其低温段的冷却能力很高仍有开裂危险，且介质成本高，自然降解缓 慢，对环境有不利影响。显然，理想的工艺应当是仅仅用水和空气，通过严格控制水和空气交替 作用在工件上的时间，来实现大模块的控制冷却获得尽可能均匀的组织和性能。但要在大规模 工业生产中实现，仍然面临很多问题，其中工艺装备将在很大程度上决定此理想方案的实现与否。 为此，本文针对工业化生产条件下，仅用水和空气为介质淬火冷却塑料模具钢大模块的特点， 讨论了淬火冷却技术及其计算机模拟技术发展现状，及存在的问题。指出目前的热处理数值模拟 研究与应用还处在初级阶段，对热处理数值模拟精度有重要影响的一些参数，尚缺乏可靠的数据 来源，使得数值模拟的运算结果对实际生产还只能起到辅助的参考作用。但是，本文认为热处理 过程的数值模拟提供了一个强大的虚拟生产试验的工具，使人们得以在虚拟环境中演绎整个工艺 过程，发现其中的规律，优化热处理工艺和开发热处理新技术。与传统的试验相比，虚拟生产试 验更加灵活、快速，且经济。同时，应当正视其存在的问题，在深刻理解计算机模拟的局限性的 前提下合理地充分发挥其积极作用，完全可以在实际工业生产中起到良好的甚至是巨大的作用。 本文对大型塑料模具钢采用水和空气作为淬火介质的喷液、浸液、风冷和空冷的组合淬火， 测量和计算了各种情况下的换热系数。对换热系数的计算方法( 如反传热法、集中热容法和大电 流法等) 进行了讨论。本文提出了反迸膨集乒辫雾练克服了原有的集中热容法的缺点，使其适 用范围大为扩展，从实际应用效果看，对喷雾情况下仍能获得相当合理的结果，与反传热法的结 果非常接近。在原理上，改进的集中热容法误差要比集中热容法小，并且受温度采样误差的影响 比反传热法小得多，计算稳定性较好。从风冷和喷雾冷的结果看，温度采样波动对改进的集中热 容法计算结果的影响比其它两种方法小得多；但仍不适用于冷速很快时如水冷和喷水冷却的情 况。 本文设计了一套可以测量不同冷却方式下试样换热系数的实验装置，测得了方板探头在空 冷、以及各种不同压力下喷气、喷雾和喷水的冷却曲线；用反传热法、集中热容法和改进的集中 热容法计算得到了这些冷却方式下的换热系数。还设计了大电流方法测量装置，测量了不同探 头形状和不同探头材料在不同风速下的换热系数。 本文在有限元法求解温度场和组织转变量等的基础上，根据工业上对大型p 2 0 和7 1 8 塑料模具 钢使用要求，考虑到它们的相变特性，制定了复合冷却条件下虚拟淬火的研究方案。对这两种钢 不同尺寸的工件采用有限元法模拟了以水和空气为介质的复合冷却条件下的温度场和组织场，寻 找满足工业要求的工艺参数，结合物理模拟方法，制定了这两种钢不同尺寸工件的优化淬火工艺。 研究表明对 6 0 0 m m 以上的7 1 8 钢件，由于经过数小时的冷却，近表面相当厚的材料已经完成 了组织转变，然后可以通过后期强冷加快心部冷却，达到增加硬化层深度和缩短工艺时间的双重 效果。 本文针对高淬透性钢，设计制作了一套端淬实验装置，使端淬试样在淬火过程中近似符合一 维传热。可以用端淬试样的回火试验确定淬火态硬度、回火温度、回火时间对回火后硬度的影响 规律，可作为制定大模块热处理回火工艺的依据。端淬试样的回火试验结果表明，为使p 2 0 钢和 7 1 8 钢同火后硬度保持在3 3 h r c 左右，应选抒6 0 0 。c 左右的同火温度为宜。 本文根据抚顺特殊钢有限公司生产的p 2 0 、7 1 8 钢大件调质生产的需要，在虚拟生产的研究结 果提示的工艺可行性基础上，着重分析讨论了传统工艺与装备的缺陷，提出了开发智能化大型复 合冷却工艺装备的设计要求，思路与实施方案。实现了在单台设备上组合浸液水淬、喷水、喷 雾、风冷和空冷等多项功能，装备结构设计采用了独特的通过介质快速注入与排放方法，实现 了在不设置升降台条件下的组合式淬火。p l c 控制采用了模块化p c 控制模式的控制流程，以一 种循环结构米代替传统的顺序结构，只需要很少的数据存储空间就可以实现大量加工内容的表 示，提升了控制模式的灵活性和通用性，满足了复杂工艺的需要，实现了计算机控制下的组合淬 火( 浸液水淬+ 喷水+ 喷雾+ 风冷+ 空冷) 。采用淬火冷却虚拟生产与物理模拟相结合方法获得 的冷却工艺与研制的工艺软件，实现了工艺自动调用。 本论文研究成果已在抚顺特殊钢有限公司生产现场实现工业应用，二年多来生产实践表明系 统设备设计合理、可靠性高，连续使用二年多来无故障，完全满足了生产的要求，处理质量稳定 可靠，产品质量指标完全达到设计指标。具有明显的环保与安全效益，无油烟排放，无有机物排 放，解决了环保和安全的问题，并达到了低成本生产的目标。 关键词：塑料模具钢，预硬化，淬火，数值模拟，物理模拟，虚拟生产，换热系数，工艺装备。 r e s e a r c ho nv i r t u a lp r o d u c t i o na n dt h ei n t e l l i g e n te q u i p m e n t o fq u e n c h i n gf o rl a r g e s i z ep i e c e so fp l a s t i cm o u l ds t e e l a b s t r a c t c r a c k sa r eg e n e r a t e de a s i l yo nt h ec o i t l e r s ，e d g e sa n ds u r f a c ed u r i n gp r e - h a r d e n i n gt r e a t m e n to f l a r g e - s i z ep i e c e so fp l a s t i cm o u l ds t e e li nt h ec a s eo fw a t e rq u e n c h i n g ，d u et oas i g n i f i c a n tt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei n s i d e o i l ，a sa i la l t e r n a t i v em e d i u mw i t hr e l a t i v e l yw e a kc o o l i n gc a p a b i l i t y , l e a d st ot h i n n e r h a r d e n e dl a y e ra n d p o s s i b l y , f i r ea c c i d e n t s “w a t e rq u e n c h i n g + o i lc o o l i n g m a ys o l v et h ep r o b l e mt o s o m ee x t e n t i t , h o w e v e r s e e m sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h es w i t c ht i m ep r o p e r l ya n dr e s u l t si nt h eh a r d e n e d t h i c k n e s sl i m i t e d w a t e r - s o l u b l ep o l y m e r i cm e d i u m ，w i t ham o d e r a t ec o o l i n gc a p a b i l i t yb e t w e e n , i ss t i l l d a n g e r o u si nc r a c k - m a k i n gb e c a u s eo fi t ss t r o n g e rc o o l i n gc a p a b i l i t yi nt h el o w e rt e m p e r a t u r er a n g e f u r t h e r m o r e ，i ti sr e l a t i v e l ye x p e n s i v ea n de n v i r o n m e n t a l l yp o l l u t i v et o o t h ed e s i r a b l es o l u t i o nw o u l d b ea p r e c i s e l yc o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s ，u s i n gb o t hb u to n l yw a t e ra n da i r , t oo b t a i nt h em i c r o s t r u c t u r e a n dp r o p e r t ya sh o m o g e n e o u sa sp o s s i b l ew i t h i nt h el a r g es t e e lp i e c e s i no r d e rt or e a l i z es u c ha l li d e a i nm a s sp r o d u c t i o ni ni n d u s t r y , al o to fp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e da n dt h a to ft h ep r o p e re q u i p m e n t w o u l db ed e c i s i v e t h ed e v e l o p m e n t , u p d a t e ds t a t u sa n dt r e n do fq u e n c h i n gt e c h n o l o g ya n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r ep r e s e n t e df i r s ti nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sp o i n t e do u tt h a tn o w a d a y st h es i m u l a t i o no fh e a tt r e a t m e n t p r o c e s sc a no n l yp l a yas u p p l e m e n t a r y r o l ei np r a c t i c a lp r o d u c t i o ns i n c ei ti ss t i l la ti t si n i t i a ls t a g ea n d t h ea c c u r a c yd e r i v e di sf a rf r o mt h a td e s i r a b l ed u et ol a c ko fc o r r e c tm o d e l sa n dk e yd a t a a sa p o w e r f u lv i r t u a lt o o l ，h o w e v e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sv e r yh e l p f u lt oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r s a n dd e v e l o pn e wt e c h n o l o g i e s ，r e s u l t i n gf r o mi t sf l e x i b i l i t y , s p e e da n dl o w - c o s tw i t hr e s p e c tt o t r a d i t i o n a lm a n n e rt h r o u g he x p e r i m e n t s e v e nt h o u g h ，b yt a k i n gs e r i o u su n d e r s t a n d i n go fi t ss h o r t a g e a n dl i m i t a t i o n ，t h eg r e a tp r o s p e c tt ou s ei ti ni n d u s t r yi sr e a s o n a b l ye x p e c t a b l e t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s ( h t c s ) f o rw a t e rs p r a y , m o i s t u r es p r a y , w a t e ri m m e r s i o n , w i n da n d a i rc o o l i n gc o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l yu s e da st h ec o o l i n gm a n n e r si nt h ep r o p o s e dc o m p l e xq u e n c h i n g p r o c e s s w e r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u tt h r o u g hi n v e r s eh e a t c o n d u c t i o n ( i h c ) ，l u m p e dh e a tc a p a c i t y ( l h c ) a n dl a r g ee l e c t r i cc u r r e n t ( l e e ) m e t h o d sw h i c h a r ed i s c u s s e df r o mt h ev i e w p o i n to fm e a s u r i n gr a n g ea n de r r o r si np r i n c i p l e t h ec o n v e n t i o n a ll h c m e t h o dh a sb e e nm o d i f i e dt om a k et h em e a s u r i n gr a n g ew i d e ra n dt h er e s u l t sm o r er e a s o n a b l e ，i n p a r t i c u l a r , c l o s et ot h a to fi h ci nt h ec a s eo ff o gq u e n c h i n g b e s i d e s ，t h em o d i f i e dl h cg i v e sr i s et o r e d u c e de r r o r sc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a l i tw a sa l s of o u n dt h a ti ts u f f e r sl e s si n f l u e n c ef r o mt h v i n c o r r e c t n e s si nt e m p e r a t u r ed a t aa c q u i r i n ga n dt h ec a l c u l a t i o nr u n sm o r es t a b l y h o w e v e r , t h en e w m e t h o dl o o k sn o ts u i t a b l ef o rr a p i dc o o l i n gc o n d i t i o n ss u c ha sw a t e rs p r a ya n dw a t e rq u e n c h i n g am e a s u r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e da n ds e tu pt oo b t a i nt h ec o o l i n gc u r v e sd u r i n gq u e n c h i n gw i t h v a r i o u sm e d i a ( a i r , w i n d ，f o ga n dw m e oa td i f f e r e n tp r e s s u r e so rs p e e d sb yu s i n gt h ef l a tp r o b e s t h e n ， t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sw e r ec a l c u l a t e db yt h ea b o v e - m e n t i o n e dm e t h o d sr e s p e c t i v e l y al e c m e a s u r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e da n ds e tu pa l s oa n du s e dt ot e s tt h eh t c s i nw i n dc o o l i n ga td i f f e r e n t f l o ws p e e d sw e r em e a s u r e df o rt h ep r o b e sm a d eo fv a r i o u sm a t e r i a l sa n di nd i f f e r e n ts h a p e s b a s e do nt h ep r e d i c t i o nb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，ar & dp r o j e c to ft h ec o m p l e x q u e n c h i n g s o l u t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fl a r g ep 2 0a n d718s t e e lp i e c 莺 w a sf o r m u l a t e d ，t a k i n ga c c o u n to ft h e i rp h a s et r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ee v o l u t i o no f t e m p e r a t u r ea n ds t r u c t u r a lf i e l d si nt h ec o m p l e xq u e n c h i n gp r o c e s s ，a l t e m a t i v e l yu s i n gw a t e ra n da i r c o o l i n g ，w a sv i r t u a l l ys i m u l a t e di no r d e rt oe x p l o r et h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s f u r t h e r m o r e ，t o g e t h e r w i t ht h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n ，t h eo p t i m i z e dq u e n c h i n gp r o c e s s e sw e r es u g g e s t e df o rb o t hs t e e l s f o rt h e 718s t e e lt h i c k e rt h a n6 0 0m m ，p h a s et r a n s f o r m a t i o nc o m p l e t e dw i t h i naq u i t ed e e pl a y e ro nt h es u r f a c e a f t e rs e v e r a lh o u r s a l t e r n a t i v ec o o l i n g s u b s e q u e n t l y , a ni n t e n s i v eq u e n c h i n gm a d et h ec o r ep a r t q u i c k l yc o o l e dt oi n c r e a s et h eh a r d e n e d t h i c k n e s sa n ds h o r t e nt h et r e a t i n gt i m e aj o m i n ye n d q u e n c hd e v i c e ，i nw h i c ht h eh e a tc o n d u c t i o no fs a m p l e si s r e g a r d e da s o n e d i m e n s i o n a l ，w a sd e s i g n e dt op r o o ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r sf o rh i i g hh a r d e n a b l es t e e l s ，s u c ha sp 2 0 a n d718 ，o b t a i n e df r o mv i r t u a lp r o d u c t i o n t h er e s u l t sc a nd e t e r m i n et h ed e p e n d e n c eo ft e m p e r i n g t e m p e r a t u r ea n d t i m eo nt h eh a r d n e s si nq u e n c h e ds t a t ea n dc a nb eu s e da st h er e f e r e n c ef o rd r a w i n gu p t h et r e a t i n gp r o c e s s i ta l s od e m o n s t r a t e dt h a ti no r d e rt om a i n t a i nt e m p e r e dh a r d n e s sa r o u n d3 3h r c ， t h ep r o p e rt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei s6 0 0o cf o rb o t hs t e e l s a ni n t e l l i g e n tq u e n c h i n ge q u i p m e n tf o r1 2 0a n d718l a r g em o u l ds t e e l sw a sd e s i g n e da n db u i l ta t t h ef u s h u ns p e c i a ls t e e lc o ，l t d ，p e r f o r m i n gt h ep r o p o s e dc o m p l e xq u e n c h i n gi nas i n g l ef a c i l i t yw i t h a l lu n i q u ed e s i g no fi n j e c t i n ga n dd r a i n i n gi n s t e a do fu s i n gah u g ee l e v a t o r t h ep l cc o n t r o lw i t ha l o o pm o d e l ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls u b s e q u e n ts t r u c t u r e ，r e d u c e st h es i z eo fm e m o 口s t o r a g e s i g n i f i c a n t l yb u te n h a n c e si t sf l e x i b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms a t i s f i e sw i t ht h e r e q u i r e m e n t so fa l t e r n a t i v eq u e n c h i n gp r o c e s si n c l u d i n g “w a t e ri m m e r s i o n + w a t e rs p r a y + f o g + w i n d + a i rc o o l i n g t h es o f t w a r eg e t h e r i n gt h er e s u l tf r o mv i r t u a lp r o d u c t i o nw i t hp h y s i c a ls i m u l a t i o nw a s a l s od e v e l o p e dt or e a l i z et h ea u t o m a t i o no fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s t h ep r e s e n tr e s u l th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya n ds a f e l yu t i l i z e da tt h ef u s h u ns p e c i a ls t e e lc o ，l t d f o rt w oy e a r s i th a sb e e np r o v e nt h a tt h e lp r o p o s e d c o m p l e xq u e n c h i n gp r o c e s sa n dt h er e l a t e df a c i l i t i e s w e r er e a s o n a b l ya n dr e l i a b l yd e s i g n e d ，h a v i n go f f e r e das t a b l ec o n t r o la n dh i g hq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s i th a sa l s of u l f i l l e dt h ei n i t i a lt a r g e to ns a f e ，l o w c o s ta n dp o l l u t i o n f r e ep r o d u c t i o n ，w i t h o u ta n yr e l e a s e o ft h eu s e do i lo ro r g a n i cw a s t e k e y w o r d s ：p l a s t i cm o u l ds t e e l ，p r e - h a r d e n i n g ，q u e n c h i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p h y s i c a ls i m u l a t i o n , v i r t u a lp r o d u c t i o n , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t , t e c h n o l o g i c a l f a c i l i t y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年【棚可日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作 日 指导教师签名： 日期：2 o 7 年z 月罗汐日 第一章绪论 “装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业。大力振兴装备制 造业。是党的十六大提出的一项重要任务，是树立和落实科学发展观，走新型工业化道路，实现 国民经济可持续发展的战略举措。”而现状是“我国装备制造业还存在自主创新能力弱、对外依 存度高、产业结构不合理、国际竞争力不强等问题。”【。我国热处理行业的装备制造经过十多 年的大发展，和其它行业一样走到了必须选择方向的十字路口，是继续走“落后一引进一再落后 一再引进”的老路，还是花大力气努力走自主创新的新型发展道路，成为我国热处理行业必须面 对的课题。 1 1 本文研究的目的与意义 近年来，我国的模具工业发展迅猛，模具产量已跃居世界前列，其中应用最广泛的塑料成型 模具产值在模具工业总产值中占居首位，塑料模具钢用量也占全部模具用钢的5 0 以上f 2 】。我国 目前大量应用的塑料模具钢主要是3 c r 2 m o ( 美国a s t m p 2 0 ，以下简称p 2 0 钢) 和3 c r 2 n i m o ( 瑞典a s s a b 7 1 8 ，简称7 1 8 钢) 等预硬化钢，它们适宜用于制作大中型、精密、复杂及镜面 抛光的塑料模具。坯料一般会先预硬化至h r c 2 8 3 6 ，由用户直接加工成型后使用【3 l 。预硬化型 塑料模具钢制造模具的优点在于可以有效地避免模具加工成型后淬火变形开裂，保证尺寸精度， 缩短制模工作周期，降低生产成本。对于钢厂来说，预硬化处理本身也可以增加钢材的附加值约 2 0 0 0 元，吨( 抚顺特殊钢有限公司提供的数据) 。 目前，塑料制品正向大型化、复杂化、精密化方向发展，如洗农机、电冰箱、大尺寸电视机、 甚至于全塑料汽车覆盖件等，尺寸均在6 0 0 1 0 0 0m m 甚至更大 4 1 。同时，为了提高生产效率， 一模多腔塑料模具的使用比例也越来越大。这就导致了对高质量、大型塑料模具钢坯的需求日益 增加；然而，我国目前此类模具钢材主要还依赖进1 3 。据统计，仅珠江三角洲地区每年的进口量 高达3 0 0 0 5 0 0 0 吨，价格为5 8 - - 6 万元，吨【5 】o 鉴于这样的需求，国内许多单位都在致力于新型塑 料模具钢生产研究，并已取得的一定的成果。 第一章绪论 且，对于不同尺寸的工件，水一油转换的工艺操作复杂，很难把握和控制，水槽和油槽设备维护 不便，处理效率低下，且油槽产生的大量有害气体对环境污染严重。近年来，国内外有些企业如 宝钢特殊钢有限公司等，采用水溶性淬火介质( 如p a g 等) 来整体处理这类大模块，虽然有效 降低了工艺操作的复杂性，但p a g 在低温阶段的冷却能力很高，还是存在开裂风险，而且设备 维护( p ：a g 使用时有异味) 和环境污染( p a g 是自然降解很缓慢的化工产品，老化后的水处理 令人头疼) 等问题依然存在。同时，为规避开裂风险不宜让大模块在介质中冷透，出液温度一般 会接近或超过p a g 的逆溶点，因而不能最大限度提高心部的冷却速度，还造成介质的快速损耗， 这将提高运行成本并加重环境污染。总的说来，对于塑料模具钢预硬化处理，水的冷却能力强， 淬后截面硬度差大、菱角和表面易出现裂纹；而油的冷却能力弱，预硬化层厚度较浅且存在油烟 和火灾隐患；“水淬+ 油冷”在一般程度上克服了两者的不足，但是工艺控制难度大，也限制了 预硬化厚度；聚合物类水溶性介质淬火冷却能力介于水与油之间，但其低温段的冷却能力很高仍 有开裂危险，且介质成本高，污染环境。 显然，理想的处理方式最好是既不用油也不用p a g 之类的化工产品，而仅仅使用水和空气， 通过严格控制两者交替作用在工件上的时间，来实现大模块的控制冷却获得均匀的组织和性能。 那么，这样的理想方案能否实现? 上海交通火学博士生姚新【7 1 和宋东利【8 1 等人对相关工艺开展了 前期研究。论证了它的可行性。然而，想要在大规模工业生产中实现，仍然面临很多问题，其中 工艺控制和装备设计制造将在很大程度上制约此理想的实施可能性。 本文拟针对塑料模具钢大模块的特点通过数值模拟为手段的虚拟生产方式结合物理模拟试 验，研究开发能满足大规模i 业生产需要仅甬水和空气为介质实现大模块控翻冷却的i 艺翮装 备。此项i 作的锄新意义理论价值以及在模具钢大模块i 业生产上的经济、环保和社会效益将 是显而易她的， 1 2 创新研发路线与存在的困难 热处理工艺是决定预硬化效果的核心技术，属企业机密。国外模具钢生产企业仅在网站上标 明其热处理工艺是采用油淬或水淬，文献检索也未查到有价值的工艺信息。众所周知，一项优秀 而实用的工艺装备的开发必须建立在对工艺的正确理解和把握之上。为此，对仅用水和空气实现 大模块控制冷却的具体工艺和研发路线进行充分的研究是必要的。 此前，姚新和宋冬利等人1 7 引，通过试验和计算机模拟对大中型p 2 0 和7 1 8 预硬化钢钢坯“浸 水+ 空冷”的工艺作了探索，表明通过此类复合冷却方式来处理大模块塑料模具钢工件是可行的。 3 上海交通大学工学博士学位论文 p 2 0 钢工件在水淬时表层最先得到马氏体，继续快冷将易导致开裂：如在存在开裂风险前降 低冷速，依靠心部传递的热量使表层马氏体得到同火，随后再次快冷就可在避免开裂的前提下获 得较深的淬硬层深度。7 1 8 钢淬透性较好，如控制工件表面温度在m s 点之上小幅度波动，就能 最大限度提高心部冷速而获得最大预硬化深度并规避开裂风险。然而，面对不同尺寸的实际零件 和工况，其工艺过程势必非常复杂，而实物工艺试验又极为困难且代价高昂。同时，特别是对于 大型模块，用传统的水槽、吊装设备和控制方式，不可能实现快速、频繁的入水和出水操作，无 法适应这种新型工艺，也难以精确控制。所以，有必要研究开发能满足大规模工业生产需要，仅 用水和空气为冷却介质的智能化工艺装备。 当前，快速发展的计算机模拟与控制技术为解决这类大模块的生产处理提供了新的机遇。如 能利用计算机模拟的方法，并结合物理模拟，探索并优化仅以水和空气为介质的大型塑料模具钢 大模块淬火冷却工艺，并在此基础上进一步开发能满足大型塑料模具钢生产需要的生产工艺过程 控制的装备系统，就有可能排除人为因素，实现各种规格产品的生产工艺过程的精确控制，实现 清洁生产。 计算机模拟方法 虚拟淬火过程 虚拟淬火平台 关键参数测定 建立 优化工艺数据库 工艺装备 设计与制造 控制软件自动选择工 艺与自动控制 智能化淬火冷却 工艺装备 图l - 2 智能化淬火冷却工艺和装备的研发路线 f i g 1 - 2r & do u t l i n eo f i n t e l l i g e n tq u e n c h - c o o l i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n t 本文拟定的不同于传统的研发路线如图l 一2 所示，其基本思路为： ( 1 ) 采用计算机离线虚拟生产的方法，研究工件的实际淬火冷却过程。这不需要进行大量 的实际生产性实验，就可以摸索新工艺，将极人的提高工艺开发速度和效率、改变传统的工艺研 究模式并加速知识创新的步伐。尤其是对一些试验成本高昂的大件和精密件产品，其经济效益是 明显的。由于淬火冷却工艺的特殊性和复杂性，对不同材料有不同性能要求，或即使材料和性能 要求相同但尺寸不同，淬火冷却工艺都不同，更突显出其意义。 ( 2 ) 在虚拟生产的基础上，寻找合理的最佳生产方式，优化工艺，建立优化工艺数据库。 4 第一章绪论 ( 3 ) 在上述工作的基础上，有针对性的开发工艺装备，适应工艺需要。 ( 4 ) 开发控制软件，实现工艺自动调用与生产过程的自动控制。 ( 5 ) 设计制造可处理符合产品质量要求的淬火复合冷却工艺与装备。 这样的研发路线，将可显著提高创新性开发的速度和成功的几率，并且能大大提升集成创新 的能力。可是，面临的困难也是明显的，主要有： ( 1 )淬火过程，特别是复杂淬火过程，理论问题没有完全解决，计算机模拟技术仍不成 熟，基础数据缺乏，可靠性低，计算精度不足。 ( 2 )对设备的灵活性和可靠性要求高，无先例。 ( 3 ) 工艺过程复杂，对控制方法的可靠性和适应性要求高。 ( 4 ) 控制软件须具有自动生成工艺与自动控制设备的功能，而对淬火过程此类工作也是没 有先例的。 1 3 本文的主要研究内容 根据前述研发思路，针对存在的问题，本文主要的研究内容如下： ( 1 ) 在已有工作的基础上，采用不同方法进一步研究不同因素对风冷、喷水、喷雾的换热 系数的影响。 ( 2 ) 针对大尺寸塑料模具钢对最终截面硬度分布均匀性要求高的特点，综合考虑环保、安 全和成本及工艺对介质的冷却能力范围要求很宽等因素，选择。水+ 空气”为冷却介质，对不同 材料( p 2 0 ，7 1 8 ) 和不同尺寸的工件，利用计算机模拟技术根据材料和产品使用情况的特点，制 定合理的方案进行虚拟生产，寻找不同条件下的优化工艺，建立适应不同材料和不同尺寸工件的 优化工艺数据库。 ( 3 ) 针对工艺要求介质的冷却能力范围宽的特点，与课题组同事合作设计并制造可满足大 尺寸钢块在浸液、喷液、喷雾、风冷和空冷及其组合条件下实现控制淬火冷却要求的自动淬火冷 却装备。 ( 4 ) 开发控制软件，以实现自动选择工艺与自动控制设备的功能，满足不同材料和不同规 格工件的要求，做到在工艺过程中无需人工干预即自动完成工艺过程，使整套系统成为高自动化 的淬火冷却复合工艺装备。 5 上海交通大学工学博十学位论文 参考文献 1 】国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见，新华社北京6 月2 8 日电新华社2 8 日受权 发布 2 】2 赵昌盛，我国模具材料的应用及模具的表面强化技术，机械工人，表面工程与热处理专辑， 2 0 0 5v 0 1 6 ：2 4 2 6 3 】冯颖璋，潘振鹏，大型塑料模具钢材的热处理，大型铸锻件，2 0 0 0v 0 1 4 1 ( 1 ) ：3 4 3 7 ， 4 】赵建生。乔学亮，孙培祯等，p 2 0 b s n a 大截面塑料模具钢淬透性研究，金属热处理。1 9 9 4 ， ( 7 ) ，3 - 7 5 】潘振鹏，冯颍璋，我国塑料模具钢的新进展，特殊钢，1 9 9 8 ，v 0 1 1 9 ( 5 ) ：5 9 6 】赵建生，乔学亮，孙培祯等，p 2 0 b s n a 大截面塑料模具钢淬透性研究，金属热处理，1 9 9 4 ， ( 7 ) ，3 7 【7 】姚新，顾剑锋，胡明娟，p 2 0 钢大型塑料模具几种淬火工艺的三维温度与组织模拟，金属热处理， 2 0 0 3 ( 0 7 ) ：3 3 - 3 7 【8 】宋冬利，塑料模具钢大模块淬火工艺的研究与应用 学位论文】上海交通大学，2 0 0 5 9 第6 章 - 6 - 第二章淬火冷却技术及其计算机模拟 2 1 热处理模拟研究的发展概况 热处理过程的计算机模拟技术始于7 0 年代。1 9 8 4 年5 月在瑞典举行的第一届金属材料热处 理内应力计算会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc a l c u l a t i o no fi n t e r n a ls t r e s si nh e a t t r e a t m e n to fm e t a l l i cm a t e r i a l s ) 上发表了大量的有价值的论文，将此项研究推向了高潮。 近2 0 年来，随着偏微分方程数值解法nj 副、计算传热学1 、相变动力学定量计算h 1 、弹塑性应力 计算曲、淬火过程温度、组织、应力三者之间的耦合计算、流场动力学计算捌等一系列基础研 究工作的深入开展，大大促进了热处理计算机模拟技术的发展。其中，具有代表性的研究有： d e n i s n 8 3 建立的淬火过程温度、相变及应力应变相互耦合的数学模型。该模型把 相变塑性作为附加塑性，并考虑了相变塑性和内应力对相变动力学的影响。采用 该模型编制的有限元程序计算6 0 n c d l l 钢淬冷内应力，计算结果和实测值吻合的 较好引。 i n o u e 等人n 1 1 基于冶金学一传热学一力学开发的热处理数值模拟的软件h e a r t s 不 仅考虑了温度、相变及应力的耦合关系，也考虑碳扩散对温度、相变及应力的影 响。h e a r t s 己被成功地应用到淬火、渗碳淬火、感应加热过程的数值模拟。 b u c h m a y r 和k i r k a l d y u 副基于热力学、相变动力学及热弹塑性力学开发的预测轴对 称低合金钢零件在冷却过程中温度场、相变、硬度和机械性能的有限元程序，其 主要特点是温度场计算和微观组织分布的计算之间实现了循环耦合，保证计算结 果的精度和稳定。 我国热处理计算模拟的工作开展的较晚，8 0 年代后期才陆续开展。从事这一领域研究的有 上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、上海工程技术大学、中国科