铝合金模锻件的水冷工艺研究

铝合金模锻件的水冷工艺研究

一般来说，铝模件都应进行燃烧和按时处理，以提高其使用性。热处理会使锻件产生变形和残余应力。在后续机械加工中,由于残余应力的释放会使加工后的零件再次发生变形,从而影响零件的精度。研究锻件在热处理过程中发生的变形和残余应力及其控制方法,对于提高零件的精度和使用性能,具有重要的意义。热处理过程是一个传热与变形耦合的问题,尤其是其中涉及材料组织性能的变化,其规律十分复杂。目前对于钢铁热处理的数值模拟较为成熟,但是由于缺乏详尽的研究资料和数据,有色金属热处理的数值模拟还有待于深入探索。本文针对铝合金模锻件的热处理过程建立了有限元分析模型,采用通用有限元分析软件ANSYS进行了热力耦合模拟计算,在建立材料模型、确定参数和结果检测方面进行了有关的实验。研究表明,热处理过程研究中采取数值模拟与实验相结合的方法是十分有效的。1轴承热测试的方程和参数1.1热传导与变形耦合分析锻件热处理过程是一个传热与变形耦合的问题,其中传热问题的控制方程是瞬态热传导方程ρcəTət=kə2Təxiəxi+ρh(1)ρcəΤət=kə2Τəxiəxi+ρh(1)其中:ρ为密度;c为比热;k为热传导系数;h为单位质量的物体在单位时间内放出的热量;T为温度;t为时间。这里假设材料的热传导性能是各向同性的。需要注意的是,在热处理过程中T是随t而变化的,而c、k、h往往都是T的函数。当然热处理过程中发生相变时,结晶潜热由h表示。铝合金的热处理不发生相变,可令h=0。锻件热处理传热问题的边界条件主要是锻件与淬火介质之间的对流换热,由于对于对流换热问题采用固体与流体之间的热力耦合分析过于复杂,因此简化为锻件与环境之间的换热边界条件q=hf(Td−T0)(2)q=hf(Τd-Τ0)(2)其中:q为通过边界的热流密度:hf为锻件与水之间的换热系数;Td为随时间变化的锻件温度,T0为水温(假定为常数)。热处理变形问题的基本方程即为平衡方程,锻件不受外力,位移边界条件主要用来约束工件的刚体运动。热传导与变形的耦合分析可采用间接耦合和直接耦合这两种不同的处理方法。其中间接耦合要求在每个增量步中依次求解热传导问题与变形问题。这是因为材料性能是温度的函数,因此变形分析中要利用热传导分析求得的温度场确定材料性能参数。直接耦合分析中,有限单元的节点变量中同时包含了位移和温度。在热处理问题的多物理场耦合分析中,仅变形分析受热传导分析的影响,而热传导分析则基本上不受变形分析的影响,且温度变化十分剧烈,因此宜采用直接耦合方法。1.2拉伸试验及高温动态特性分析模锻件所用材料为LD7-1,CS状态。其化学成分为:Al-2.2Cu-1.6Mn-1.3Fe-1.3Ni-0.06Ti。锻件热处理制度为:1)淬火:(530±5)℃,保温20h,沸水淬火;2)时效:(200±5)℃,保温20h,空冷。铝合金的大部分物理性能参数对合金成分及供货状态不敏感。在数值模拟中用到的这些参数由文献、查得。利用Gleeble-2000热模拟试验机对LD7-1试件在30、130、230、330、430及530℃温度下进行单向拉伸试验。对试验结果进行整理后,得出屈服应力及塑性模量随温度的变化关系,如表1所示。用铝合金试样加工出探头,利用专用的淬火试验装置测定了试件中心的温度与淬火冷却时间的关系曲线。试验中采用ue001φ0.5K型热电偶作为测温元件,热电偶一端用储能焊接方法焊于试件中心,另一端引出至测量仪器。试验中试件加热温度及淬火水温见表2。冷却曲线有二种典型的形式。水温低于100℃时,冷却速度由快到慢,呈指数曲线。当水温为100℃时,冷却曲线明显分为两个阶段,其中第一阶段因为在探头表面形成蒸汽膜,发生膜沸腾,冷却速度小;进入泡沸腾期后,冷却速度增大,呈现前述指数曲线的形式。利用有限元法进行淬火过程的热传导分析,假设不同的表面换热系数hf,选取使模拟所得冷却曲线与实验曲线吻合时对应的hf值,从而反推出试件的表面换热系数为:(1)一般淬火水温下,hf=3000(W·m-2·K-1):(2)沸水淬火时,hf与试件表面及水温的平均温度之间的关系按膜沸腾与泡沸腾期分别取值,如表3示。对LD7-1铝合金的高温蠕变特性进行了测试。在180和300℃温度下改变应力值共进行了8组试验。根据文献,在时效热处理中采用ANAND模型描述材料的高温蠕变行为,利用试验结果,建立了如下高温蠕变模型ε˙c=A(shBσ)nexpΩT+273(3)ε˙c=A(shBσ)nexpΩΤ+273(3)其中:ε˙ε˙c为蠕变速率(h-1);σ为等效应力(Pa);T为温度(℃)。将蠕变试验结果代入式(3),可确定式中的各参数,见表4。2单因素选取的选取采用ANSYS软件对模锻件淬火过程进行了热力耦合分析。模拟计算中淬火水温分别取为40、60、80、90和100℃。模拟中采用前述的材料参数和热处理工艺参数。模拟表明,一般水温下淬火约经15～19s、沸水淬火约经60s,锻件温度基本上冷却到水温。在微机工作站上整个淬火过程模拟约需17～70h。2.1solid5耦合单元该模锻件近似由两端的半个圆柱面和中间的半个圆锥面组成,两侧有凸缘。由于对称性,仅取锻件的1/2采用SOLID5耦合单元进行模拟。在厚度方向分别取1及2层单元。图1所示为厚度方向取2层单元的有限元模型。2.2表面系数对规范创建的影响图2为用有限元法模拟沸水淬火过程所得的锻件内表面径向位移分布。锻件大端和小端的半径分别为0.18m和0.159m,由图可见其半径平均收缩量大约分别为1.9×10-3m和1.7×10-3m。锻件法兰处的收缩量小于对称面处的收缩量,即法兰处略向外扩张,法兰处与对称面处径向位移之差约为1×10-4m。没有产生明显的尺寸变化。淬火变形的上述特点不因淬火水温和有限元网格划分的变化而发生显著的变化。锻件淬火时内外表面的换热系数会有差别,我们采用数值模拟方法考察了淬火水温为40℃、外表面换热系数保持为3000的条件下,内表面换热系数的变化对锻件淬火变形的影响。模拟结果表明,内外表面换热系数的差别对锻件的径向收缩有明显的影响。随着内表面换热系数的增大,锻件法兰处开口减小,由略向外扩张变为略向内收缩。当内表面换热系数为4500时,锻件基本上保持为理想的圆柱面和截锥面,这是一组使淬火变形最小的工艺条件。2.3残余应力的分布图3为锻件对称面上小端附近厚度中心处和中部薄壁厚度中心处的温度-时间曲线。可见,当锻件中心温度在350～150℃之间时,发生由膜沸腾到泡沸腾的转变,温度变化十分剧烈。这也是锻件中内应力最大的时期,其中主应力σ1的最大值可达到34.4MPa,主应力σ3的最小值可达到-42.8MPa。由于铝合金在淬火过程中不发生相变,因此冷却达到温度均匀后,残余应力不大。模拟计算所得沸水淬火结束时锻件中的残余应力示于图4～图5。其中图4为锻件内表面最大残余主应力σ1的分布,图5为锻件外表面最小残余应力σ3的分布。残余应力的最大绝对值仅为2.85MPa,与材料在100℃时的屈服应力(约205MPa)相比是很小的。残余应力在对称面附近基本上是均匀分布的:在锻件的大部分区域,残余应力沿圆周方向变化也不大;而在法兰附近,残余应力的变化很剧烈,残余应力的最大值和最小值主要发生在外凸和内凹的拐角处。模拟计算表明,随着淬火水温的下降,残余应力值将增大,这是因为残余应力是由于锻件内外冷却不均匀引起的。在水温40℃条件下,残余应力的最大绝对值可达8.09MPa,但与材料的屈服应力相比仍然很小。残余应力的分布特点随着淬火水温的变化不大。几何模型和有限元网格划分的改变对残余应力的分布有一定的影响,但对残余应力计算值的影响不大。2.4残余应力及松弛量的计算由蠕变模型的表达式(3)可看出,蠕变速率是所受应力的增函数。对于残余应力的松弛过程来说,蠕变速率将随着应力松弛而逐渐减小。将时效温度(200℃)、时间(20h)以及一系列初始残余应力值分别代入式(3),并假设蠕变速率保持不变,可以近似估算残余应力和松弛量。计算表明,由于有限元模拟所得的残余应力数值太小,在时效热处理过程中,将不会发生明显的应力松弛。3残余应力的测量与分析由于该模锻件形状较复杂,残余应力分布不均匀,不能采用一般的剥层法检测,故采用钻盲孔法对经沸水淬火和时效热处理后的锻件进行了残余应力测试。共测量了6个位置,其中在锻件内、外表面中心、对称面小端附近和锥面中部邻近法兰处各布置1个测点。测量采用残余应力测试钻孔装置和YJ28R10静态电阻应变仪(K=2.00)。测量所用应变花型号为BX120-1CG。测量时,首先在预定位置粘贴应变花,然后在应变花中心处钻孔,使残余应力松弛,测量并记录应变花发生的应变。最后由以下公式计算表面残余应力的主值及方向,其中φ表示主应力σ1与x轴正方向(沿环向)的夹角。σ1,2=ε0+ε904A±2√4B(ε0−ε45)2+(ε45−ε90)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(4)φ=12tan−12ε45−ε0−ε90ε0−ε90(5)σ1,2=ε0+ε904A±24B(ε0-ε45)2+(ε45-ε90)2(4)φ=12tan-12ε45-ε0-ε90ε0-ε90(5)其中A、B为残余应变释放系数A=−1+μ2E(r0r)2B=−1+μ2E[41+μ(r0r)2−3(r0r)4]A=-1+μ2E(r0r)2B=-1+μ2E[41+μ(r0r)2-3(r0r)4]上式中,弹性模量E和泊松比μ分别取为71GPa和0.33。测量所得工件表面残余应力为1.5～39.3MPa。与材料的屈服应力相比,测量所得的残余应力值不大,但残余应力的测量值大于计算值。测量值与计算值之间误差的原因可能是:(1)模锻件锻造和冷却过程中已产生了残余应力,在淬火加热过程中并没有完全消除,而模拟计算中假设淬火前无残余应力;(2)由于淬火过程是一个复杂的热力耦合过程,材料参数有一定波动,工件表面几何形状的变化会导致表面换热系数变化,这些因素会影响模拟计算的精度。由数值模拟和实际测量结果可以得出如下结论:(1)由于铝合金锻件淬火过程中不发生相变,因此淬火变形量和残余应力不大。时效处理对应力松弛的作用也不大。(2)数值模拟结果表明:淬火水温对淬火变形的影响不大;锻件内、外表面换热系数的差别对淬火变形有影响,