（材料加工工程专业论文）不同锤头和进给量对径向锻造高速钢m2碳化物的影响.pdf

摘要 摘要 高速钢是机器制造业的一种关键性、基础性的消耗材料，也是制造各种机床切 削工具、高载荷模具、航空高温轴承及特殊耐热耐磨零部件的重要材料。高速钢制 成的各种工具、基础材料需要具有较高的强度、硬度和韧性，从而对高速钢的性能 提出了较高的要求，影响高速钢性能的因素与碳化物的颗粒度和均匀性有着直接的 关系，高速钢中的碳化物大小和分布形态对高速钢的性能和质量起着至关重要的作 用。 m 2 高速钢属于钨钼系常用的高速工具钢，是机床刀具的主要原材料，广泛应用 于机械制造业。其铸态碳化物组织存在粗大、不均匀莱氏体，从而强度、硬度、韧 性不高。本文针对m 2 高速钢，研究m 2 高速钢径向锻造开坯时，不同形式的锤头 及工艺参数对碳化物的影响，理论分析了采用不同锤头对径向锻造m 2 高速钢开坯 工艺的利弊，讨论了影响径向锻造m 2 高速钢时缺陷产生的机理，阐释了g f m 精锻 机不同锤头结构形式、不同进给量对高速钢的锻透性及碳化物颗粒度和不均度的影 响。 利用d e f o m 3 d 数值模拟软件，针对不同锤头、不同进给量条件，模拟了径向 锻造m 2 高速钢的变形过程，获取了变形应变场的相关图谱信息，直观的揭示了不 同的锤头结构型式( 万能锤头和平锤头) 、不同进给量( 根据设备限定进给量 1 5 m m j n 3 o m ，m i l l ) ，对径向锻造高速钢m 2 碳化物颗粒度和不均度的影响，研究表 明采用万能锤头，在2 5 i m i n 进给量径向锻造m 2 高速钢时，碳化物分布均匀弥散。 在m 2 高速钢径向锻造的实验工作中，分别选取万能锤头和平锤头，在进给量 分别为2 0 删，m i l l 和2 5 m m i n 时进行径向锻造m 2 高速钢，实验后进行碳化物检测发 现，使用万能锤头在2 5 i m i i l 进给量径向锻造m 2 高速钢时，碳化物分布均匀弥散， 锻透性较好。万能锤头在2 0 舢m i i l 进给量及平锤头在2 0 删，m i n 、2 5 删，m i n 进给量径 向锻造m 2 高速钢时，锻件金相组织存在网状碳化物、角状的大颗粒碳化物、碳化 物不完全破碎的情况，锻透性不理想。实验和模拟结果基本吻合。 综合研究分析表明，m 2 高速钢较为合理径向锻造的工艺为：锤头形式选用万能 锤头，进给量选定在2 5 m m i n 。采用该工艺径向锻造m 2 高速钢，可以产生弥散均 匀的碳化物组织，提高高速钢性能。 关键词m 2 高速钢；径向锻造；锤头；进给量；数值模拟；碳化物 河北科技大学工学硕士论文 a b s t r a c t h i 啦一s p e e ds t e e li sak i n do fc r i t i c a la n db a s i cc o n s u m p t i v em a t e r i a li i lm a c h i n e m a i l u f k t u r i n g ，a n di ti sa l s 0a ni m p o r t a mm a t e r i a lt ob eu s e dt op r o d u c eav a r i e t yo f m a c h i n ec u t t i n gt o o l s ，h i 曲l o a dm o l d ，a e r o s p a c e ，h i g ht e m p e r a n 鹏b e 2 u r i n g sa n ds p e c i a l h e a t r e s i s 切n ta 1 1 dw e 扑r e s i s t a n tp a n s t h et o o l sa n db a s i cm a t e r i a l sm a d eb yh i g h - s p e e d s t e e ls h o u l dh a v eah i g h e rs t r e n 豇h ，h a r d n e s sa j l dt o u g l l l l e s s ，a n do nt h ep e r f o r i l l a n c eo ft l l e h i g hs p e e ds t e e lp a p e rp u tf o n a u r d1 1 i 曲e rr e q u e s t ，a i l dm ef - a c t o r st l l a t i n f l u e n c et h e s e p e r f o 眦a n c eh a v e d i r e c tr e l a t i o n s h i p sw i mt 1 1 e p a i r t i c l es i z ea n du n i f o m i t yo ft 1 1 e l l i 曲- s p e e ds t e e lc a r b i d e t h ep a n i c l es i z ea n du n i f o r n l 时o fm eh i 曲- s p e e ds t e e lp l a ya c m c i a lr o l ei nf o n n i n gt h eq u a l i t ) ，a n dp e r f o 瑚a j l c eo fm eh i 曲一s p e e ds t e e l m 2l l i 曲s p e e ds t e e li sac o m m o n l yu s e dh i 曲s p e e ds t e e lt h a tb e l o n g st o1 、l n g s t e n a 1 1 dm o l y b d e n u ms y s t e mh i 曲s p e e ds t e e l m 2h i 曲s p e e ds t e e l i st h es o u r c em a t e r i a lo f m 血lm a c h i l l ec u t t i n gt o o l sa 1 1 dw i d e l yu s e di nm a c h i n e r ym a j l u f a c t i m n g t h e “c ka i l d u n e v e nl e d e b u r i t ee x i ti i lt h ec a l s tc a r b i d es t n j c t u 茁es ot l l a tt 1 1 ets t r e n 垂h 、h 锄d n e s sa i l d t o u g h n e s si sn o t1 1 i 曲t h ea n i c l et 出e sm em 2h i g hs p e e ds t e e la sa i le x 锄p l e ，a i l dm a i l l l y r e s e a l r c h e st 1 1 ee 能c to fd i 艉r e n tf o m so ft h eh 锄m e r h e a da 1 1 dp r o c e s sp a r 锄e t e r so n c a r b i d e 、h e nt 1 1 er a d i a jf o r g i n go fm 2h i g hs p e e ds t e e li sc o g g i n g ，a n da n a l y s e st h ep r o s a n dc o n so fd i 虢r e mh a m m e ro nc o g g i n gp r o c e s so fr a d i a lf 0 唱i n gm 2h i g hs p e e ds t e e l i n t h e o r y ，a n dd i s c u s s e st h em e c h a m s mo fm ed e f e c t sg e n e r a t i 甜b yt h er a d i a lf o r g i n gm 2 h i 卧s p e e ds t e e l ，a n di l l u s t r a t e st l l ee f f e c to fd i 腩r e n th a i r 吼e r h e a dt y p e s a 1 1 dd i 脏r e n tf e e d o fg f mf o r g i n gm a c m n et of o r g i n gp e 衄e a b i l i 够o fh i g h s p e e ds t e e la n dt h ep a n i c l es i z e a 1 1 du n e v e no fc a r b i d e u s m gt h ed e f o n n - 3 df i n i 【ee l e m e ms i m u l a t i o ns o f t 、a r et os i i n u l a t e 也ed e f o n n a t i o n p r o c e s so fr a d i a lf o 玛i n go fm 2h i 曲s p e e ds t e e lw i t hd i 鼠r e mh a u n e r s ，d i 髓r e n tf e e d r a t sa n do m e rc o n d i t i o n s ，a i l dg e tt h ec l o u dm a ps t a t eo fd e f 0 肌a t i o ns t r a i l lf i e l d 龇l dt h e r e la t i 耐m a pi n f b h n a t i o n ，a i l dr e v e a l i n t u i t i v e l ym ei i n p a c to fd i 丘e r e n th a j i u i l e rs t r u c t u r e t y p e s ( u 1 1 i v e r s a lk i i m i l e ra i l df l a th a m m e r ) ，d i f f e r e n tf e e dr a t e s ( a c c o r d i n gt 0e q u i p m e n t 1 i m i t e df e e d i n g1 5 州m i n 3 0l l l m i n ) t 0m ep a n i c l es i z ea 1 1 dt l l eu 1 1 e v e no fr a d i a j f o r g i n go fm 2h i 曲s p e e ds t e e lc a r b i d e t h es t u d yf o u i l d t i l a tc a r b i d ed i s t r i b u t e d h o m o g e n e o u s l yw i 也t h eu n i v e r s a lh a m m e ri 1 1m e 锄o u n to f2 5 m m i ni n t 0r a d i a lf o r g i n g o f m 2m 曲s p e e ds t e e l t h ee x p e 血n e n to nr a d i a lf o r g i n gm 21 1 i 曲s p e e ds t e e ls h o w sm a tw i t ht h e 吼i v e r s a l i i 摘要 h 蝴e ri nt h es p e e do f2 0 m m i na i l dt 1 1 en a th a l i i 】m e ri ns p e e do f2 0 1 1 1 m i nr a d i a lf o 唱i n g m 2h i 曲s p e e ds t e e lr e s p e c t i v e l y ，c 曲i d ed e t e c t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t em a tw i mt h e u n i v e r s a lh a m m e ri nt l l ef e e dr a t eo f2 5 州m i ni nr a d i a lf o 蟛n go fm 21 1 i 曲s p e e ds t e e l ， t h ed i s t r i b u t i o no fc a r b i d e sa r eh o m o g e n e o u sa i l dt h ef o 唱i n gp e 彻e a b i l i t yi sg o o d w i t h t h e 砌v e r s a lh a m m e ri i lt 量l ef e e dr a t eo f2 0 n 1 m ma l l df l a th a m m e ri nt 1 1 ef e e dr a t eo f 2 0 删m i na 1 1 d2 5 m m i ni nr a d i a lf o 略i n go fm 2m 曲s p e e ds t e e l ，f o r g i n gm i c r o s t m c t u r e h a v et h ec a r b i d en e t w o r k ，a i l g u l a r 伊a i l lc a r b i d e ，a 1 1 d l ec a r b i d ei sn o tc o m p l e t e l yb r o k e n ， a i l d f o 唱i n gp e m e a b i l i t ) r i gn o ti d e a l t h ee ) 【p e r i m e m a la n ds i m u l a t i v er e s u l t sa r e c o n s i s t e n t c o m p r e h e n s i v ea l l a l y s i ss h o w st h a tt 1 1 em o r er e a s o n a b l er a d i a lf o 唱i n gp r o c e s so fm 2 h i g hs p e e ds t e e l i su s i n gu n i v e r s a lh a m m e rm 2 5i n m i nw h e nf e e d i i l gt h er a m a lf o r g i n g m 21 1 i g hs p e e ds t e e lw i l lg e n e r a l c eau n i f o n nd i s p e r s i o no fc a r b o nd i o x i ( 1 eo r g a n i z a t i o n ， a n di m p r o v et h ep e r f o n n a n c eo fh i g hs p e e ds t e e lp a p e r k e yw o r d s m 2 h i g hs p e e ds t e e l ；r a d i a lf o r g i n g ；h a 瑚m e r ；f e e dr a t e s ；n u m e r i c a l s m l u l a t i o n ：c a r b i d e i j i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高速钢概述 十九世纪末，泰勒发现在近于熔化的高温下，高碳高钨工具钢经过淬火可获 得良好的红硬性，并于1 9 0 1 年提出了现代高速钢的原型：c 1 8 5 ，c r 3 0 8 ， w 8 ；从而在1 9 0 3 年又在此基础上调整碳和钨的含量，形成了著名的1 8 4 1 高 速钢的初型：c 0 6 8 ，c r 5 7 0 ，w 1 8 ，v o 3 1 。高速钢的出现，使机床刀具 的切削速度有了大幅提升，由1 9 0 3 年前的8 m m i n 水平提高到2 0 3 0 删协i n l lj 。之 后刀具材料不断地更新，相继出现了烧结碳化物( 即硬质合金) 、氧化硅一氧化铝、 氧化铝陶瓷、立方碳化硼、聚晶金刚石等一系列刀具材料。从高速钢诞生之日起 它的用量一直随着机械工业规模的扩大及技术的进步而不断地增长，它与另一种 工具材料硬质合金基本上保持着同步增长的势头。高速钢得到广泛应用的状况源 于以下两个方面：其一，高速钢自身的强韧性远高于超硬工具材料，并且其具有 很好的可加工性，例如：硬质合金等；其二，不断地改进自身的过程冶金和物理 冶金技术，在钢材品种、钢种系列、冶金质量等方面不断提高、完善，尤其是7 0 年代以来粉末高速钢在技术上的工业化应用，使得高速钢在性能、质量方面出现 了一个飞跃【2 】。 高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，是一种成分复杂的钢种，其成分中碳的含量 一般在0 7 0 1 6 6 之间。含有合金元素量较多，其总量可达1 0 2 5 。高速钢 按其所含合金元素的不同可分为：1 ) 钨系高速钢( 含钨9 1 8 ) ；2 ) 钨钼系高速 钢( 含钨5 1 2 ，含钼2 6 ) ；3 ) 高钼系高速钢( 含钨0 一2 ，含钼5 1 0 ) ； 4 ) 钒高速钢；5 ) 钴高速钢( 含钴5 1 0 ) 。高速钢按其含钒量的不同又分一般 含钒量( 含钒1 2 ) 和高含钒量( 含钒2 5 5 ) 的高速钢；高速钢按其用途不同 又可分为通用型高速钢和特殊用途高速钢两种。1 ) 通用型高速钢：主要适用于制 造各种切削刀具，例如：钻头、丝锥、锯条和精密刀具，常用的钢号有w 1 8 c r 4 v 、 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 等。2 ) 特殊用途高速钢：包括钻高速钢和超硬型高速钢( 硬度 h r c 6 8 7 0 ) ，主要用于制造切削难加工金属( 如高温合金、钛合金和高强钢等) 的刀 具，常用的钢号有w 1 2 c r 4 v 5 c 0 5 、w 2 m 0 9 c r 4 v c 0 8 等【3 1 ，由于加工制造业的进 步，现代材料性能发生了很大的变化，强度、硬度变高是现代化材料的主要特点， 这导致了用高速钢制成的切削工具使用寿命的下降。现如今在高速钢生产厂家提 供的高速钢已经不能够满足许多机械制造厂家的要求，这就要求高速钢具有更高 的强度、硬度、韧性与耐磨性来满足切削工具的要求，而影响这些性能的因素与 河北科技大学t 学硕十论文 高速钢碳化物是否均匀弥散的分布有着直接的关系，碳化物形态和分布对高速钢 的质量和性能都起着关键性的作用。其中径向锻造对高速钢碳化物均匀性、颗粒 度的影响比较大，因此，通过探索径向锻造高速钢对高速钢碳化物的形状、类型、 颗粒的大小、分布的均匀性的分析，进而找到变化的规律，确定合理的生产工艺， 以达到提高高速钢的质量和性能的目的，对高速钢的生产有着重要的应用价值【4 】。 1 2 径向锻造高速钢的加工工艺 1 2 1 高速钢的开坯方式 锻造是在特定的设备( 锻压设备) 和特殊的工具的作用下，使待加工坯料或铸 锭产生反复的塑性变形，以获得具有一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。 金属经过锻造加工后能改善其内部组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法变 形后，由于热加工金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较 细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实 和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能【5 】。 热塑变形的开始是钢锭开坯，其目的是改善坯料内部铸态组织，分解、破碎其 内部共晶碳化物网络，消除其内部树枝状结晶结构，锻合钢锭中的疏松及孔穴缺陷， 改善塑性，为成材加工提供组织、尺寸及表面合格的坯料。与成材加工相比较而言， 开坯的难度更大，对成材质量和后续加工的影响也更多。 常用开坯方式有锤锻开坯、液压机开坯、小型初轧机开坯以及精锻机开坯等， 其生产工艺有相同之处，也有不同之处，以下分别作详细介绍【6 j 。 ( 1 ) 锤锻开坯锤锻是最廉价的热加工设备，属于能量限定机器，靠消耗锤头 的动能使坯料变形。用锤锻开坯是古老的传统工艺，因操作条件差、生产效率低、 噪声污染严重，国外现己很少使用。 自由锤锻在工具制造部门可用于多种变形工艺，但在冶金工厂用于钢锭开坯的 则是拔长工艺，而且主要是普通的平砧拔长。这种工艺除了形变速率、载荷冲击较 快之外，其变形特性基本与快锻机、液压机相似。 用锤锻开坯高速钢钢锭的过程中，由于不均匀变形的影响，如果工艺操作不当， 则可能产生表面纵裂、横裂、脚裂及内裂等缺陷。而钢锭头、尾部由于铸态组织本 来缺陷较多，开坯时更容易出现开裂或劈裂的情况，造成的损失更大。所以在实际 开坯生产的过程中，减少上述废品，提高成坯率倍受关注。 ( 2 ) 液压机开坯液压机的局限性在于其主要锻造变形的能力受到最大载荷 的限制。现代锻造压力机由于结构上的进步，工作时间特性的改善已适用于快速锻 造，故称快锻机。因具有生产效率高、锻压能力大、控制灵活，操作条件改善及噪 声污染降低等优点，使它代替与淘汰锻锤的趋势十分明显。国内外主要的高速钢生 2 第l 章绪论 产厂都拥有这种大型的热加工设备。 ( 3 )小型初轧机初轧机常用于普通型的高速钢( 热塑性相对较好) 开坯，在国 外应用较多，尤其是以中小型材为主( 相对批量较大) 的生产厂【7 】。 ( 4 ) 精锻机开坯作为近代最先进的热加工设备精锻机，是1 9 4 5 年成立的 奥地利g f m 机器制造有限公司发明的，在1 9 4 8 年生产出首台，压力为3 0 0 4 1 0 k n ， 之后逐渐增大至18 0 0 3 0 0 0 斟。 精锻机的加工方式与锻锤及液压机的加工方式不同。它的主要设备是分布在坯 料四周对称分布的锤头和夹持器，当坯料夹持器夹住坯料边旋转边送进时，坯料四 周的锤头沿径向对坯料进行同步且高频率、小下压量的锻打，成材后通常坯料断面 减少、轴向延伸。 图l 一1径向锻造高速钢图片 1 2 2 径向锻造成形理论 径向锻造适用于加工长轴类零件( 实轴或空心) ，其主要的锻造特点是可以自 能化的使待加工工件边旋转边送进的锻打【8 】。径向锻造时，在坯料四周分布着的 若干锤头( 2 8 个) 对待加工的工件进行快速同步锻打。径向锻造所用设备分精锻机 和轮转锻机两类。如待加工的工件为圆截面坯料，则夹持器夹住待加工工件边低速 旋转边轴向进给移动锻打；如待加工的工件为非圆截面，则夹持器夹住待加工工件 只作轴向进给运动而不作旋转运动，径向锻造成形的特点是不需要专用的模具就 能按事先设定的程序( 用程序控制、数字控制或微处理控制系统自动操作) 锻出质 量高、尺寸精密的各种轴类零件。除此之外径向锻造的优点是每次锻打时压缩量 小，且每分钟锻打的次数高，一般为2 4 0 1 8 0 0 次m i n ，这样的锻造能有效的提高金 属的塑性，这种方法可用于热锻或冷锻。锻件的精度：热锻时坯料的外径精度可达 到士0 。5 姗，内径精度可达到士o 1 m m ；冷锻时的坯料外径精度可达到士o 1 m m ，内 径精度可达到士o 0 1 m m p j 。 3 河北科技大学- t 学硕十论文 1 2 3 精锻机特点 精锻机也称径向锻造机，其最早是由奥地利人在二十世纪四十年代初期发明设 计，精锻机的主要变形特点是：1 ) 分布在坯料四周的若干锤头锻打频率高，使坯料 每次锻打产生细小的变形且速度较快，锤头产生的热塑变形功转化为了热能，从而 抵偿了坯料在热加工过程中的散热损失，这对于生产中在控制热变形温度范围时比 较容易，甚至可以做到至始至终接近恒温变形，正是由于热塑变形功转化为了热能 的优点，在径向锻造时的始锻温度可以适当的降低一些，从而节约了加热期间的能 源【lo 】；2 ) 在选择合适的变形温度范围内，坯料四周对称的锤头对坯料进行同步高 频相对的锻打( 在进给速度合适的情况下) 可以产生三向压应力状态，这使加工后 的坯料表面产生裂纹的几率很小，从而在锻材成坯率方面会有大幅度的提高。尤其 是对于m 2 高速钢等，使用精锻机开坯的成坯率比使用锻锤开坯的成坯率提高1 0 以 上【l l 】；3 ) 使用精锻机对待加工工件进行开坯的生产效率很高，在精锻机两个对角 线相对锤头最大径向闭合尺寸允许的范围内，可以达到一次性锻打成材l l 引。4 ) 精 锻机开坯高速钢时坯料的锻透性比自由锻稍微差些，其所产生的变形主要在坯料表 层，对坯料心部碳化物的打击破碎力远不如锻锤【1 3 ，1 4 j ；5 ) 使用精锻机径向锻造时， 如锻造工艺控制不当，使锻件局部温度上升，则坯料表面容易产生折皱、坯料端部 容易产生凹陷，在锻后的坯料内部容易产生类似于铸态组织中的空洞等缺陷l l 引。 表1 1精锻机主要技术性能数据 4 第1 章绪论 1 3 本文主要研究内容及意义 1 3 1 课题背景 m 2 高速钢属于钨钼系常用的高速工具钢，开坯前碳化物粗大不均匀、韧性 高、热塑性好。该钢由于热塑性好，所以可热塑成形，但由于容易氧化脱碳，加 热时必须注意保护。m 2 高速钢除用于制造各种类型的一般工具外，还可用于制 造大型刀具。 目前，国内外学者对m 2 高速钢开坯工艺的技术、设备等有较深入的研究， 但对采用g f m 精锻机( 四锤头) 径向锻造m 2 高速钢的工艺研究尚不完善，其主 要问题表现在：g f m 精锻机径向锻造m 2 高速钢时，锤头的结构形式和进给量对 m 2 高速钢碳化物不均度和颗粒度影响的研究尚不充分，因此提出本课题的研究 内容。 1 3 2 课题主要研究内容 本文的主要研究内容： ( 1 ) m 2 高速钢径向锻造的理论分析1 ) 采用不同的锤头对径向锻造m 2 高 速钢开坯工艺的利弊进行分析，分析影响径向锻造m 2 高速钢时缺陷产生的机理。 2 ) 讨论g f m 精锻机不同锤头结构型式、不同进给量对m 2 高速钢碳化物颗粒度、 不均度和锻透性的影响。 ( 2 ) m 2 高速钢径向锻造开坯过程的数值模拟利用d e f o 舳3 d 有限元模拟 软件对m 2 高速钢径向锻造开坯过程进行数值模拟，研究变形场的相关图谱，分 析工艺参数对变形的影响。具体内容如下：g f m 精锻机径向锻造m 2 高速钢的数 值建模；选择并设定数值模拟边界条件( 工艺参数设置如：温度、锻打频率、锤头 下压量、坯料进给量、摩擦系数等) ；通过模拟不同的锤头结构型式、不同进给量 所获得的不同金属流动速率、应力应变场、温度场等图谱信息，分析不同的锤头 结构型式、进给量对径向锻造m 2 高速钢碳化物颗粒度、不均度和锻透性的影响。 ( 3 ) m 2 高速钢径向锻造开坯的实验研究对m 2 高速钢采用g f m 精锻机进 行径向锻造，换用不同锤头结构型式，采用不同进给量进行实验，对实验后的材料 进行宏观观察，之后切取试样进行中心、 织进行观察；分析不同的锤头结构形式、 将实验与数值模拟的结果进行对比验证， 1 3 3课题研究方法 二分之一半径、四分之一半径的金相组 不同进给量对组织结构和性能的影响， 确定影响该工艺的主要工艺参数。 课题采用理论与实验相结合的方法；在理论上详细的对该工艺进行分析，采 用d e f o m 3 d 有限元分析软件对该工艺过程进行数值模拟，结合生产实验，采用 5 河北科技大学工学硕士论文 相关分析测试手段对该工艺进行研究探讨，最终确定影响该工艺的主要工艺参 数。 1 ) 建立g f m 精锻机径向锻造m 2 高速钢工艺理论的分析( 工艺对比、锤头结 构型式分析、力学模型的建立、关键工艺参数的判定等) 。 2 ) 建立有限元分析模型( 采用三维造型软件p r o e 对锤头结构进行造型、运 用d e f 0 咖- 3 d 进行重要动作参数的设定、边界条件的设定、单元网格的划分、图 谱信息的处理等) 。 3 ) 实验材料的准备、工艺参数的设定、金相组织观察及分析、材料性能的判 定。 4 ) 工艺参数方案的调整及确定。 1 4 本章小结 本章概述了高速钢的发展历史、分类及性能特点，介绍了改善高速钢碳化物 的加工方法，并着重论述了径向锻造高速钢的工艺及优点。说明了本文的研究意 义、内容、方法和目标。 6 第2 章径向锻造m 2 高速钢的理论分析 第2 章径向锻造m 2 高速钢的理论分析 2 1 引言 本章介绍了高速钢碳化物均匀性对其性能的影响，主要从塑性力学角度研究 了径向锻造高速钢的工艺过程。讨论了影响径向锻造m 2 高速钢时缺陷产生的机 理。探讨了在不同锤头结构型式、不同进给量径向锻造m 2 高速钢开坯工艺的利 弊，分析了径向锻造过程中变形区的受力情况及应力应变状态。利用对比方法选 出能产生弥散碳化物情况的锤头型式及进给量大小的关键工艺参数。 2 2 高速钢碳化物的类型 高速钢属于莱氏体钢，其成份中含有许多合金碳化物，高速钢中碳化物类型 分为一次碳化物和二次碳化物，其中主要成分类型有m 6 c 、m 2 c 、m c 等【1 6 】，铸 态m 2 高速钢中碳化物多为典型的扇形或羽毛状m 2 c 共晶碳化物，另外还有少量 的m c 和微量的鱼骨状m 6 c 碳化物。m 6 c 在高温加热时不易分解。而m 2 c 是一 种亚稳态碳化物；高温加热时分解转变成m 6 c 和m c 。 2 3 径向锻造机的工作原理和特点 2 3 1 径向锻造机的工作原理 径向锻造是专门加工实心长轴类零件或空心长轴类零件的边旋转边送迸的锻 、造方法。在径向锻造时，夹持器夹住待加工工件边做低速旋转运动边做轴向进给 运动，动力通过传动装置传递给锤头，对待加工的工件进行快速同步锻打【l ”，如 图2 1 所示。 图2 1 径向锻造工作原理 7 方向 河北科技大学： 学硕+ 论文 在选择合适的变形温度范围内，坯料四周对称锤头进行同步相对锻打( 在进给 量合适的情况下) 可以产生三向压应力状态，坯料表面不会产生裂纹，可使成坯率 大幅度提高。尤其对于m 2 高速钢等，其使用精锻开坯的成坯率比使用锻锤开坯 的成坯率提高1 0 以上。 2 3 2 径向锻造的特点 ( 1 )多向锻打多向锻打使金属变形受到三向压应力，有利于高合金钢和难 熔金属的锻造i l 引。 ( 2 ) 脉冲锻打脉冲锻打使金属变形摩擦力减少、容易变形，可提高锻件的 精度和光洁度，最适宜于高合金及超高合金的锻造【1 9 】。 ( 3 ) 节能径向锻造属于多锤头、高频率的锻造工艺，使一个工件在作螺旋 运动中得到径向延伸的工艺过程。锤头每次锻打工件时变形量较小，即多个锤头 单次锻打作用下金属变形抗力降低，就相同的工艺而言，在精锻机上完成径向锻 造时，所需设备的力要小【2 0 1 。 ( 4 ) 锻打振动小由于四锤头是两两作相对运动，因此g f m 精锻机在锻打时 振动较小，不需要建立庞大的基础【2 1 1 。 ( 5 ) 易于实现自动化现代化结构的径向锻造机配有机械化、自动化的装 置，用以控制工艺过程，可以实现多台设备一人操控，提高企业经济效益【2 2 】。 2 4 径向锻造机的分类 径向锻造机可以按适用范围和坯料送进方向的不同进行分类【2 3 1 。 ( 1 ) 按适用范围分类1 ) 圆形坯料四周的锤头在设定不同下压量和进给量 时进行径向锻造，使各类实心轴产生出所需要的台阶或锥度轴。此类径向锻造机 其结构特点是在径向锻造空心类零件时，坯料只能产生自由缩颈，没有芯棒机构 【2 4 1 。2 ) 可利用径向锻造机锻造出圆孔和具有一定内孔形状的零件，这种径向锻造 机的结构特点是芯棒机构。 ( 2 ) 按工件送进方向的不同分类1 ) 卧式径向锻造机：在利用卧式径向锻 造机加工时，将坯料沿机身水平方向送进，坯料四周的锤头在垂直于水平方向上 对坯料进行两两相对的同步高频锻打，这类径向锻造机的整体高度尺寸小，在生 产作业时不需要较高的厂房，容易于实现自动上、下料。由于卧式径向锻造机在 地面以上安装，且高度较低，所以对设备进行安装、维修等方面比较方便。但这 种设备的占地面积较大，在对长轴类坯料进行径向锻造时需要增设托料机构进行 配合作业。卧式径向锻造机的最大优点是可以加工出其他径向锻造机所加工不出 来的长轴类坯料，最长可以锻造出长度为1 0 m 的工件，最大可以锻造直径为8 6 0 n u n 的工件【2 5 】。2 ) 立式径向锻造机：将待加工坯料沿垂直于地面的方向送进，而四周 8 第2 章径向锻造m 2 高速钢的理论分析 的锤头沿水平方向对待加工坯料进行高频锻打，以这种形式进行生产加工的径向 锻造机叫做立式径向锻造机。立式径向锻造机高度尺寸偏大，适用于锻打较短的 轴类零件，一般可锻造加工的工件长度在l m ，坯料直径约为9 0 m m 。立式径向锻 造机的特点是厂房占地面积小，有利于待加工工件的送进，坯料加工后不易产生 弯曲变形1 2 6 j 。 2 5 径向锻造m 2 高速钢的应力应变分析 利用精锻机锤头径向锻造时锻件心部的应力为压应力，当相对压下量和进给 速度都小于一定值时，锻打时的锻件心部受两向压应力，一向拉应力( 如图2 2 ) 【2 7 】；而当径向锻造时锻件相对压下率量和进给量大于一定的条件时，锻件心部再 受轴向压应力，这时三个方向上的力都为压应力，即锻件的心部受三向压应力， 这也是金属塑性变形最理想的条件( 如图2 3 ) 。这种方式锻造开坯后的锻件内部 碳化物细小且均匀弥散，具有良好的力学性能，这对于制定合理的锻造工艺制度 具有重要的参考价值i 蹦j 。 图2 2 两向压应力状态2 图2 3 三向压应力状态 利用精锻机径向锻造时，m 2 高速钢坯料进入圆锥进给区时，在锤头与毛坯接 触面上将会产生压力孵口摩擦力毋，如图2 4 所示： 9 河北科技大学工学硕十论文 _ 日目_ = = = = = = = = = = 口e i = = = = = = = = = = = = = = = ；= 自= l = t = = = = = 自= = = = = = 一= 殇兹互幺么 叠一黾r f 1厂q。0 )杉乡么杉乡z 耕 7 、h 图2 4 锻造变形区受力情况 由图2 4 可知： e = ，c o s 矽2 ，互= f s i n 2 ， l = c o s 2 ，乃2 = ts i n 矽2 ， 尼和勖也使金属受压，当砌 局时，毛坯向前延伸的力比向后挤出的力比要 小一些，因此夹持器必须用更大的力才能将m 2 高速钢坯料向前推进；当月矿局时， m 2 高速钢坯料进入了变形区就不会受阻。此外，由摩擦原理可知： 蚀币f2 = f f | f = 协lj b 同时，切n 2 = ( d d ，) 2 三， 式中卜摩擦系数； 摩擦角； 当= 2 时，要求增加夹持器向前的进给力才能使m 2 高速钢坯料送进，所以 圆锥进给区的圆锥角一般不会超过摩擦角的两倍。径向锻造圆型棒材时圆锥进给 区的圆锥角多为5 。8 。【2 9 1 。圆锥角的大小不仅对夹持器的进给力有影响，对m 2 高 速钢坯料的延伸率和锻透效果都有明显的影响，可以看出随着圆锥角的增大，m 2 高速钢的锻透效果会显著增加，由于万能锤头的锥角比平锤头大，所以万能锤头 破碎高速钢心部碳化物的程度会更好些，锻透性也就越好。如图2 5 所示。 图2 - 5圆锥角对毛坯变形区的影响 1 0 第2 章径向锻造m 2 高速钢的理论分析 2 5 1万能锤头和平锤头径向锻造m 2 高速钢对锻透性影响的比较 锻透性是指在坯料的整个半径上锻造时所能达到的塑性变形深度，定义如下： 当心部的等效应变值大于0 2 时，认为坯料被锻透，即此时锻透性( f p e ) 为1 0 0 【j 。 在等效应变场中，根据其值为o 2 的等值线距锻件表面的深度与坯料原始半径的比 值来判断塑性变形深度，进而定量确定锻透性的大小。 ( 1 ) 万能锤头当使用万能锤头( 如图2 6 ) 径向锻造m 2 高速钢时，因为锤 头与坯料接触面积大，外部摩擦阻力也相对较大，并且万能锤头可以使坯料进行 圆方扁方圆变形，使坯料内部变形量大，因而打击力更易深入内部，使坯料更 容易锻透。这对于提高坯料内部碳化物破碎的质量和减少表面凹坑有利，但由于 没有预成形，外部摩擦阻力也相对较大，锻后坯料容易出现褶皱，而且在端部凹 档时也不容易成形p 1 | 。 图2 - 6 刀能锤头 ( 2 ) 平锤头，当使用平锤头( 如图2 7 ) 径向锻造m 2 高速钢时，由于平锤 头是有预成形面的锤头，坯料可以在一个较长的圆锥面上逐渐均匀而且平稳的成 形，有利于提高坯料表面质量，较易成形，表面应变也比较均匀，凹坑也较小。 但由于平锤头只能使坯料进行圆圆变形，坯料内部变形量较小，打击力不易深入 内部，不能有效的破坏坯料内部的碳化物组织，对提高坯料的锻透性不利【3 2 。 图2 7 平锤头 河北科技大学t 学硕士论文 综合以上两种不同结构形式锤头的利弊分析，对于径向锻造m 2 高速钢时，万 能锤头可以有效的使坯料进行圆方扁方圆变形，使坯料内部变形量大，打击力 更易深入内部，所以采用万能锤头进行径向锻造时，其锻后坯料的内部碳化物破 碎情况和锻透性会更好些。 2 5 2不同进给量径向锻造m 2 高速钢对锻透性影响的比较 在不同进给量的情况下径向锻造m 2 高速钢时，进给量的大小对开坯后m 2 高 速钢的锻透性和碳化物的破碎情况起着至关重要的作用。由于精锻机锤头运动的 速度快，打击频率高，进给量小的情况下会产生“细颈 ，进给量大的情况下会 产生段状锻不透现象。根据经验得知，坯料进给量在1 5 州m i n 的情况下会产生 “细颈 ，在3 o m m i n 的情况下会产生段状锻不透现象【33 1 。因此在实际生产中大 多采用进给量2 5 州m i n 进行径向锻造。 2 6 卧式径向锻造机 图2 8 卧式径向锻造机 径向锻造机的种类很多，在径向锻造长轴类坯料时，主要采用卧式径向锻造 机，以下重点介绍一下卧式径向锻造机。如图2 8 所示。 在卧式径向锻造机中主电动机的动力带动传动箱，经十字联轴节将动力传给 径向锻造箱，使精锻机四周的锤头瞬时产生打击坯料的能量，进行径向锻造。精 锻机的传动箱和锻造箱的前后各配一个或两个夹头，与这一个或两个夹头对称的 位置，配备相应的一个或两个定心装置和托料支架装置。卧式径向锻造机工作时， 待加工工件一边做旋转运动，一边做横向运动，坯料四周的锤头做相对的径向高 频打击。在四周锤头打击工件的瞬间，坯料四周的锤头将待加工的坯料抱住，此 时，卧式径向锻造机上的“弹簧缓冲器 起调节作用，夹持器旋转压缩弹簧瞬间 制动而使工件停止转动。坯料四周的锤头松开后，夹持器使夹住待加工工件再加 速旋转【3 州。 卧式径向锻造机的最大特点是：卧式径向锻造机采用双滑块机构，从而加强 了整个精锻机机构的强度，降低了事故的发生率，扩大了锻造空间，降低了在径 1 2 第2 章径向锻造m 2 高速钢的理论分析 向锻造时氧化皮的产生，易于实现生产线的机械化、自动化【3 7 1 。卧式径向锻造机 在工艺上的最明显优点是：可以加工工件的锻打长度明显增加，可锻出1 0 m 以上 的待加工工件，生产制造出规格相对较大的机器和设备p 引。 2 7 本章小结 1 ) m 2 高速钢中碳化物可分为一次碳化物和二次碳化物，成分类型有m 6 c 、 m 2 c 、m c 等，作为高速钢中的强化相，碳化物的分布和稳定性至关重要，对高 速钢的各项性能起着关键的作用。 2 1 在径向锻造m 2 高速钢过程中，坯料心部为压应力状态，并且在特定的锻 打参数下，应力状态可以为三向压应力状态，从而提高了锻件的质量。所以不同 锤头的结构形式及相关的工艺参数对于径向锻造m 2 高速钢工艺的制定具有重要 的参考价值。 3 ) 分析了万能锤头和平锤头径向锻造m 2 高速钢时，对锻透性和碳化物的影 响，得出了使用万能锤头时，径向锻造m 2 高速钢所产生的碳化物破碎情况、锻 透性较好的结论。 1 3 河北科技大学：1 j 学硕十论文 第3 章径向锻造m 2 高速钢的数值模拟 3 1引言 在高速钢开坯方面，计算机模拟与优化在高速钢锻造生产中起着越来越 重要的作用，由于影响高速钢中碳化物的大小和分布的因素多而且复杂，所以实 际生产中基本是依靠生产者的设计经验和反复实验来进行的。而将解决工程技术 问题的有限元法这种工具引入径向锻造高速钢的研究中，可以高效准确地分析坯 料变形过程，一方面可以在高速钢生产之前模拟锻造过程的变形和力能参数， 从而优化工艺参数，以代替物理模拟实验和现场锻造，减小物理模拟实验的 经费投入和现场锻造的损失【3 9 ，4 0 】；另一方面可以模拟高速钢在锻造过程中的 显微组织变化，并预报锻后高速钢的性能，从而优化工艺参数，代替大量金 相实验和工艺参数研究，保证钢材所要求的组织和性能。因此各种有限元计 算方法在径向锻造高速钢对碳化物的影响研究中得到了越来越多的应用m h 3 1 。 本章将在径向锻造m 2 高速钢的力学模型基础上，应用d e f o 肌3 d 有限元数 值模拟软件，根据不同的工艺及几何参数，模拟分析在不同锤头和不同进给量的 情况下，径向锻造m 2 高速钢对碳化物影响的工艺过程。获取径向锻造m 2 高速 钢过程中的应力应变场量信息，以期揭示该工艺的变形特征，着重讨论不同锤头 和不同进给量径向锻造m 2 高速钢时，对其锻透性及碳化物分布和大小的影响。 3 2 有限元法及发展趋势 随着计算技术的不断发展和计算机应用的日益普及，尤其是有限元数值模拟 技术的不断完善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了迅速发展，使塑性成 形理论向实际应用方向迈进了一大步。针对具体的产品和对应的材料，采用有限 元模拟技术可对产品的变形过程进行详尽的分析，使我们在物理模拟前可获得各 成形工序的应力、应变、材料流动规律和成形力等重要参数及其影响作用，为优 化工艺参数、模具设计及设备选择提供了理论指导和技术支持。正是由于有限元 分析方法具有广泛的适应性，使其成为塑性成形理论研究中不可缺少的一个组成 部分删。 3 3d e f o m 3 d 有限元模拟软件 d e f o m 3