热锻模具

2024-08-04

热锻模具（精选3篇）

热锻模具篇1

引言

锻造产品已广泛应用于国民经济发展的各个领域,与铸造产品相比具有显著的优越性,它不但能获得金属零件的形状,而且具有良好的内部组织、力学性能和物理性能。但是,在实际锻造生产中由于锻模选材与设计不合理、使用不当、维护保养不到位等造成锻模变形、损坏,严重制约着生产效率、产品质量的提高。为此,本文就锻模的设计、处理、使用等方面存在的问题进行了分析研究,并提出了具体的解决方案,对提高锻模寿命、产品质量以及降低生产成本具有指导意义。

1 热锻模具失效的主要形式

热锻模具的主要失效形式有:变形、裂纹、开裂、热磨损四种。

(1)变形。指在高温下毛坯与模具长期接触使用后模具发生塑性变形。主要表现形式为模具的局部塌陷。一般出现在工作载荷大、工作温度高的挤压模具和锻造模具凸起部分等。

(2)裂纹。模具表面出现网状裂纹。工作时温差大和遭受急冷急热温度变化的热锻模具容易出现热疲劳裂纹。

(3)开裂。指模具本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现的材料断裂,包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂等多种形式。热锻模具的开裂(尤其是早期开裂),与工作载荷过大、材料处理不当以及应力集中等相关。

(4)热磨损。模具工作部分与被加工材料之间剧烈的相对运动产生引起的模具尺寸超差和表面损伤。相对运动剧烈和模具的凸起部位容易产生磨损失效。

2 提高热锻模具寿命的有效途径

2.1 正确选用锻模材料

选择锻模材料应满足以下基本要求:(1)有良好的综合力学性能,即较高的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、冲击韧性以及硬度。(2)具有良好的组织稳定性。有的锻件材料采用的是高合金钢,变形抗力比普通碳钢高的多,若组织发生变化,性能下降,将大大降低模具寿命。(3)要有良好的抗冷、热疲劳性能,以减缓因冷热交变而引起的疲劳裂纹。(4)应具有良好的冶金质量,不允许有金属或非金属夹杂物、缩孔残余、白点、裂纹、严重的疏松或偏析等低倍缺陷,以及过热、过烧、严重脱碳、渗碳、晶粒不均匀等高低倍组织缺陷。

目前常用的锻模材料有:(1)高韧性半耐热模具钢。在250～425℃工作时具有较高的强度和冲击韧性。如:5CrNiMo、5CrMnMo等。(2)中等韧性耐热模具钢。这类钢具有较高的冲击韧性,在600℃工作时,有较高的强度。如:3Cr2W8V、4Cr5MoVSi等。(3)耐高温抗磨损钢。虽然它的冲击韧性较差,但是在600℃工作时,具有更高的硬度和抗磨损的性能。如:4Cr3Mo3W4VTiNb、6Cr4Mo3Ni2WV等。

2.2 合理设计锻模

(1)锻模上的圆角半径不能太小:锻模上的圆角,特别是型腔深处的凹圆角半径不能过小,金属充填小圆角需要很大的压力,这是由于被流动金属推挤到凹圆角处的润滑剂燃烧产生的气体需要很大的压力来克服,并且该部位有应力集中,容易产生裂纹。

(2)型腔壁厚和模块厚度要足够大:锻模,特别是大吨位锻锤使用的锻模,型腔壁厚应大于其型腔深度的1.5倍,以防变形金属在锤击下向水平方向冲击,从而使锻模承受过大的应力。模块厚度也不能过小,因为锻模厚度过小时,应力分布很不均匀,随着锻模厚度的增加,差别减少,一般建议模块厚度应为型腔深度的2.5～7倍较为合适。

(3)毛边槽、桥部尺寸应合理:在保证造成足够阻力的前提下,高度尺寸不宜过小,否则,多余的金属向毛边槽流动的阻力过大,容易胀裂桥部。

(4)在模块上分布型腔时,应注意纤维方向不能与打击方向平行,否则,在打击力作用下容易使模块沿纤维方向裂开。

2.3 模具热处理要规范

(1)细化碳化物、清除链状碳化物的组织预处理

有的锻模钢采用预先正火,高温淬火、回火处理,可降低模具的断裂脆性,不仅增强抗热疲劳和热磨损能力,还能改善锻模大面积的尺寸敏感性。

(2)利用高温淬火、高温回火工艺,可提高某些模具钢材料的热硬性和热稳定性。

(3)利用低温回火工艺(温度低于450℃),可提高用作轧辊的热模具材料的硬度、强度、韧性和抗疲劳能力。

2.4 锻模的操作使用要得当

正确使用锻模,包括锻模的预热、终锻温度的控制、及时进行润滑冷却和清除氧化皮、随时修磨出现的缺陷等,可以有效提高锻模使用寿命。

(1)锻模的预热

热锻模的导热性较差,为避免锻模横截面上出现大的温差,以及由温差引起的温度应力,改善锻模室温冲击性差的状况,锻模在锻前必须预热(一般预热温度在200～300℃),以减少锻模表层与心部的温差,降低温度应力,提高冲击韧性。锻模预热还有利于减少坯料降温,使其保持塑性,降低变形抗力,减少锤击次数,从而达到减轻锻模负荷,延长锻模使用寿命的目的。

(2)锻模的润滑

润滑有两个作用,一是减少坯料与锻模型腔间的摩擦,有利于金属流动。因为润滑剂在高温下处于熔化状态,能润滑锻模,使坯料与锻模型面间的干摩擦变为湿摩擦。有些润滑剂燃烧后成为气体,压入细小的凹坑内,从而改善坯料与型腔表面的接触状态。二是冷却锻模,保持锻模表面的硬度,减少磨损,因为润滑剂的作用使得原来的坯料与锻模型腔表面的直接接触变为间接接触。

(3)锻模的冷却

在锻造生产过程中,由于锻模型腔与高温坯料直接接触,使锻模温度不断升高,局部地方甚至超过了锻模材料的回火温度,导致锻模抗摩擦能力和强度降低,产生塑性变形,使锻模失效,因此需要冷却锻模,保证锻模具有一定的强度和硬度。

(4)锻模的清理

氧化皮对锻件产品质量有较大的影响,如不及时清理氧化皮可能会导致锻件高度尺寸不足,以及锻件表面有凹坑和麻点。

在金属流动过程中,氧化皮的存在会加剧锻模磨损,因此,要尽量减少坯料加热时间,采用少无氧化加热。终锻前采用制坯方式或机械方法清除坯料上的氧化皮,以减少锻模的磨损。

2.5 锻模的维护与保养

锻模在使用完之后,要认真检查锻模的使用状况,型腔有无塑性变形、压塌、划痕和裂纹,一经发现应及时修理。当型腔磨损严重而使尺寸超出公差范围,或局部出现较大的疲劳裂纹,继续使用会影响锻件质量时,锻模必须翻新。翻新修复时应考虑到锻模的厚度和闭合高度。翻新次数过多导致锻模厚度太薄,容易被击碎。

锻模如局部产生变形或裂纹,也可用堆焊工艺修复。堆焊前应清理氧化皮和油污并预热到200～300℃,以防堆焊温度过高产生裂纹。堆焊完成后,应放在沙堆或石棉粉中冷却,然后再进行机加工。

如锻模需放置一段时间,应清理掉锻模上的残渣和尘污,然后用黄油喷涂在整个模面和型腔,封存在模具库中。

3 结束语

由于热锻过程的复杂性,造成锻模损坏的因素众多,锻模在使用中难以控制,不但要求模具选材、模具设计、热处理等、使用与维护要合理,而且与设备状态、工人操作等密切相关。因此在实际生产中,针对不同的锻模材料、设备特点等,要进行合理的热处理工艺和模具优化设计,并组织员工进行专业性培训,以最大限度地提高锻模寿命。

参考文献

[1]吕炎.锻模设计手册.北京:机械工业出版社(第2版),2006.1.

[2]马森林.热锻模具选材与制造工艺探讨.汽车工艺与材料,2005,(1):26-30.

[3]蔡建民.提高锻模寿命的途径.航空制造技术,2000,(5):48-49.

热锻模具篇2

模具是成形加工的重要工艺装备,特别是锻造模具,其工作环境十分恶劣,寿命很短,仅为数百次到数千次。锻模钢一般是高合金钢,不仅价格昂贵,而且合金元素含量高,容易形成成分偏析和粗大的网状碳化物组织,传统的制模方法难以消除。精密喷射成形工艺可以有效地解决高合金钢的偏析问题,它提供了一种新的快速制模技术,为缩短锻模制造周期,降低模具成本,提高锻模性能提供了一种有效的新途径[1,2,3]。

喷射成形技术是由英国Singer教授于1968年首先提出的,并迅速得到了发展[4]。经过几十年的发展,喷射成形技术在材料制备领域已日趋成熟并已实现产业化,目前已成功用于铝合金、镁合金、高合金钢、复合材料等锭坯、板坯、管坯的制备中。它具有传统粉末冶金工艺的所有优点,且同时克服了粉末冶金工艺界面易氧化、工艺链长的缺陷。在其基础上所开发的精密喷射成形工艺,是喷射成形技术的最新发展,它与快速制模技术结合,在轧辊制备、冲模和锻模制造等方面得到了初步应用[5,6,7,8]。同时,在喷射成形制造的模具中[9],使用双雾化器可以制造出直径达到400mm的产品,也可喷射出ϕ200mm的小镶嵌件及复杂的镶嵌件,表明精密喷射成形工艺综合利用喷射成形技术在材料制备方面的优势,并且使用双雾化器系统比使用单个雾化器系统得到的嵌入件或模具的质量更稳定、可靠。目前,国外已有芬兰国家研究中心、美国爱达荷国家工程和环境实验室采用精密喷射成形工艺,对热锻模具、挤压模具、压铸模具快速制造进行了初步研究,表明高合金钢热作模具可以通过喷射成形实现模具的近净成形,且喷射成形技术与常规制模技术相比,使模具寿命提高了50%～180%[10,11]。福特公司使用喷射成形快速制模工艺进行了车身冷冲模实验[12],生产了75万件车身冷冲模,所用的生产准备时间从4～18周降低到了1～2周,模具几何形状公差控制在0～0.076mm范围内,并且生产成本也降低了25%～30%。这一结果显示出了精密喷射成形在快速制模方面巨大的技术优势和潜力,但国内尚未见相关研究和应用报道。笔者根据喷射成形的原理,自行开发研制了20kg级热锻模具精密喷射成形装置,并进行了发动机气门锻模成形的初步研究。初步试验证明,本装置具有结构简单、造价低廉、加热快、通用性强等一系列优点,适于小型热作模具精密喷射成形的试验研究。

1 精密喷射成形快速制模装置

根据精密喷射成形快速制模的特点和要求,为满足试验研究的需要,自行设计了20kg级热锻模具精密喷射成形装置,如图1所示。为简化结构,减少耗电,该装置无喷射中间包,金属在气体保护下,熔融后经过导液管直接雾化,沉积在采用陶瓷母模作为沉积基底的接收器上冷却凝固,获得成形模具,在充分利用喷射成形快速凝固制备新材料、新技术优势的同时,实现了模具的快速凝固与(近)净成形的结合。在沉积过程中,为了保证沉积体质量,满足大尺寸模具制备的需要并提供金属收得率,沉积基底由数控系统控制旋转运动和升降运动,同时雾化部分也可进行水平运动。

与传统喷射成形工艺相比,该装置及其工艺更加注重金属液的雾化过程、沉积过程、沉积坯冷却及凝固过程。在精密喷射成形工艺中,模具成形面的粗糙度、致密度及热硬度是研究的重要内容。惰性气体或氮气保护在熔炼模具钢中是至关重要的,它可以有效防止钢液氧化,提高钢液纯净度,进而提高了沉积模具的致密度。熔融金属液的过热度、雾化压力的大小、沉积高度、沉积盘的冷却效果等都影响模具成形面的洁净度。

1.1传动系统

为满足各种成形工件的需要,笔者设计了具有3个自由度的工作台和沉积装置的运动系统,主要参数如表1所示。

根据试验要求设计了传动装置,因为蜗轮蜗杆传动啮合的齿数多,传动平稳,噪声低,所以选用了蜗轮蜗杆传动,其传动原理如图2所示。本传动系统由步进电机1、螺杆13、蜗轮蜗杆14,步进电机3、螺杆11、蜗轮蜗杆12和小齿轮4,步进电机5、螺母6、螺杆9三个传动环节组成。螺杆13通过步进电机1提供动力驱动蜗轮蜗杆14做上下运动,与蜗轮蜗杆14连接的沉积盘可上下运动;步进电机3通过联轴器与蜗轮蜗杆12相连,蜗轮内孔配有螺纹使螺杆11做旋转运动,同时带动沉积盘做旋转运动;小齿轮4由步进电机5提供动力并与螺母6相啮合,固定螺母6带动与工作台相连的螺杆9在X方向上移动。

1.步进电机 2.固定板 3.步进电机 4.小齿轮 5.步进电机 6.螺母 7.坩埚 8.工作台 9.螺杆 10.沉积盘 11.螺杆 12.蜗轮蜗杆 13.螺杆 14.蜗轮蜗杆

根据所设计的工作台及沉积装置,可以在本喷射成形装置上完成回转体小型模具的喷射成形。在精密喷射成形过程中,利用喷嘴垂直偏置一定角度、X方向移动及沉积盘Z方向运动、旋转运动,亦可实现模具的矩形型腔的成形,如图3所示。

1.2熔炼系统

根据小型热锻模具精密喷射成形的特点,虽然高频电源的频率高,集肤效应严重,温度不易均匀,但考虑到熔炼炉子小,电磁搅拌作用下温差会很快均匀化,为降低成本,采用高频炉进行熔炼。炉料在感应加热时会产生由表面向中心依次减弱的感应电流的集肤效应,其分布规律如下[13]:

式中,Ix为距离导体表面x处的电流强度;IA为导体表面的电流强度;x为表面到测量处的距离;Δ为电流透入深度。

当x=Δ时,由式(1)可得Ix=0.3681A,从电流强度降低到表面电流强度的36.8%的那一点到导体表面的距离就是电流透入深度,可用它来表示金属炉料的热量吸收率。

电流透入深度Δ可由下式计算:

式中,ρ为导体的电阻率;μ为导体的磁导率;f为电流的频率。

圆柱形炉料直径的最佳尺寸范围可由下式计算:

式中,n为实验常数,取3～6;Δt为炉料温度在居里点以上时的透入深度。

由式(1)～式(3)可以计算出高频感应炉的电源频率、电流强度、圆柱形炉料尺寸之间的最佳关系,控制熔炼过程中不同坯料直径对应的熔炼电流大小,可最终得到高质量的钢液。

本高频感应电源的振荡频率f=30～80kHz,计算时取μ=1H/m,ρ=10-10Ω·m,n=3～6,计算得出Δt=1.78～2.91mm,d=5.34～17.46mm,所以,试验中为了尽快熔化坯料,坯料直径应选在5.34～17.46mm之间。

1.3雾化系统

在精密喷射成形制模过程中,雾化喷嘴是喷射成形设备中最重要的部件之一。喷嘴设计一般要满足以下几个要求:①雾化介质应获得尽可能大的出口速度和能量;②保证雾化介质和金属液流之间有尽可能合理的喷射角度;③使喷射出的金属固液相产生最大紊流;④喷嘴不易堵塞。

在本装置的雾化系统中,高压气体是雾化能量的来源,氮气纯度大于99.6%。气体通过控制阀,精确控制雾化金属液流的压力和流量。

在参考现有喷嘴的基础上,结合流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特点,设计出了限制式、单环缝、垂直式喷嘴(图4)。本喷嘴一个重要特征就是增加了辅助气环和辅助气孔,它可以有效地防止液流反喷而堵塞导液管。它由进气孔、辅助风孔、气室、环缝四部分组成,高压气体通过进气孔进入气室,气体通过环缝喷出并与液流相遇,起到雾化金属液的效果。进气孔由两个主进气孔和两个辅助进气孔组成,主进气孔与气室垂直,气体垂直进入;辅助进气孔与气室相切,气体侧向进入,使气室中的气压均匀稳定。

1.4沉积接收系统

热锻模精密喷射成形工艺的重要特点是:可以直接制得模具,并保证了喷射模具成形面的粗糙度、模具外形尺寸及热硬度。接收器采用循环水冷结构,通过接收器的适当运动,可以获得均匀的沉积坯组织和精确的模具外形。

接收器采用了陶瓷母模作为雾化液滴的沉积接收盘(图5)。为了获得表面质量高、外形精确的热锻模具,接收器通过升降控制机构控制陶瓷母模的升降方向和升降速率,步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构控制沉积基底的旋转速率。本装置采用中心循环水冷结构,可以迅速、有效地降低模具热量,满足精密喷射成形技术快速凝固的特点。

2 初步试验及效果

气门是燃油发动机的关键部件之一,通常采用高温强度较高的合金作为气门材料。在气门模锻成形过程中,先采用电镦制坯,获得蒜头形状的坯料,再在精密热锻模具上镦成气门形状的锻件(图6)。模具由上模和下模组成,下模由下模芯、下模套和下模座组成。气门精密热锻模具的工艺路线为:下料→锻造→退火→机械加工→淬火→两次回火→磨孔→型腔抛光→氮化。气门热锻模具制造工艺非常复杂,使用过程中易出现以下三种失效形式:①锻模圆弧R部位和分模面上模腔边缘易塌陷变形;②锻模圆弧R部位和R下颈部台阶部分易出现磨损或擦伤沟槽;③锻模型腔所受应力较复杂,一般都同时受到压应力、拉应力和弯曲应力的作用,且工作频率高,模腔易出现热疲劳或模体断裂。这些失效形式大大缩短了模具的使用寿命。根据部分气门制造厂家统计,其使用寿命通常在数百件到数千件之间[14,15,16,17]。

为开展喷射成形制作气门锻模的研究,制作了气门喷射成形快速制模装置,图7为所研制的精密喷射成形装置外观图。图8a所示为制作陶瓷母模(气门)的一个开模过程,陶瓷母模(气门)由陶瓷气门和一个模具组成,经过灌浆、凝固、烘干后得到了陶瓷母模实物(图8b)。陶瓷母模(气门)要求直径D=80mm,凸台直径d1=35mm,中心圆柱直径d2=9mm,凸台和中心圆柱采用圆弧过渡。

对发动机气门热锻模具精密喷射成形快速制模技术进行了初步的试验,图9是喷射沉积模具过程示意图,制得的陶瓷母模固定在沉积盘上,锻模外形圈限制模具外形,喷嘴雾化的金属沉积在锻模外形圈和陶瓷模具之间。最后喷射出图10所示的气门热锻模具,且热锻模的型腔表面粗糙度较低,尺寸精度较高。

3 结论

(1)所研制的通用、小型精密喷射成形装置具有结构简单,造价低、通用性强的特点,适合小型热作模具喷射成形的研究工作。

(2)本装置采用高频加热,并取消了中间包,加热速度快,热量损失少,能量消耗低。

(3)喷嘴采用了辅助气孔,强化了雾化效果。冷却水强制冷却,保证了快速凝固条件,以获得良好的组织。

(4)喷射成形装置具有沉积盘Z方向运动、旋转运动及喷嘴X方向移动3个自由度,且通过喷嘴偏置和3个自由度耦合,能够喷射成形各种小型矩形型腔模具及回转体型腔模具。

热锻模具篇3

综上所述,爪极热锻成形过程,模具受高温、高应力、热摩擦作用引起失效[8],寿命低,模具消耗大是爪极热锻成形的关键瓶颈。本文针对这一问题,展开对模具失效机理的数值模拟和实验研究,旨在为开发高寿命模具提供方向性的指导。

1 数值模拟和实验方法

1.1 有限元模拟方法

本文利用UG进行建模,导出STL格式文件再导入Deform-3D,为提高计算效率,取对称几何模型的1/2进行计算。忽略坯料从加热炉中取出到镦粗之间的热传递。模具材料采用ASI-H13钢,汽车发电机爪极材料为08钢,有限元模拟时爪极材料在Deform-3D的材料库中调用。热锻工件温度为1200℃,模具温度为200℃,模具和锻件的摩擦因子设为0.3。

模具磨损的计算用Archard磨损模型,公式如下:

式中:p———模具型腔接触面所受的正压力;

v———模具与坯料之间接触面所受的正压力;

H———模具材料的硬度;

K、a、b、c———分别为模具材料的常数,根据经验选取K=2×106,a=1,b=1,c=2。

1.2 实验方法

为验证有限元模拟结果,对实际热锻失效的模具进行微观组织和力学性能的表征分析。实验样品的制备方法:利用线切割从失效下模上取样,在金相试样机上制备金相试样,用8%的硝酸腐蚀金相试样,再用纯酒精冲洗去硝酸,烘干后进行显微组织观测和显微硬度测试。

2 结果分析与讨论

2.1 金属流动分析

有限元模拟的金属流动如图1所示,金属由上而下沿着上模运动的方向流动向爪尖充填,随着上模向下运动达到预锻尺寸要求,由于凸台模膛、爪部模膛都已经充满,阻碍金属的流动,但是载荷却不断加大,多余的金属变形急剧变形,流向飞边部位,飞边前端速度急剧增加。金属从爪尖和根部的位置发生流动的转弯,且流动速度很大,所有往爪尖的金属都要流过转弯A处,因而该处模具受到的摩擦作用最为显著,也容易磨损。

图1 热锻过程金属流动分布

2.2 温度场分析

有限元模拟预测的模具和工件温度场如图2所示。工件在爪尖和根部的转角A处由于发生剧烈的塑性变形和金属与模具的摩擦作用导致剧烈的温升,温度为1260℃。对应的,模具在凸台模膛入口圆角处始终与坯料相接于A处,受到工件温升和摩擦的作用,也出现了显著温升,最高温度达544℃。在转角A处,模具和工件都出现了显著的温度升高,容易导致在该处模具发生材料的软化,而降低本身的屈服强度,导致模具变形失效。坯料中心部位变形产生的热量与凸台模膛底部的热交换损失的能量相当,凸台模膛入口处产生摩擦热效应,因此坯料中心部位温度在1200℃左右,凸台模膛入口处温度约为1250℃,凸台模膛底部温度稍低,约为1180℃。

图2 有限元预测的工件和模具温度分布

图3 模拟预测的模具开裂与实物对比

2.3 模具应力分析

锻造模具常因过载而承受过大应力导致开裂。利用Deform-3D软件,将模具设置为弹性体,进行模具等效应力计算,为模具应力分析提供依据。如图3所示为上模等效应力分布,应力集中出现在过渡圆角部位,最大应力约1580MPa。爪极充型过程飞边形成过程中载荷变化急剧,产生巨大冲击,在应力集中部位导致模具产生微裂纹,随着锻造次数的增加、冷热循环、载荷交替,使微裂纹扩展,最终发展成宏观裂纹从而导致模具开裂。图3所示为某企业预锻上模开裂失效模具,与模拟分析对预锻模具开裂预测结果一致。

2.4 模具磨损分析

影响模具磨损的主要因素有温度、变形速度、压力和模具材料硬度等。模具温度升高主要由于坯料与模具摩擦产生的热效应以及坯料与模具之间的热交换。模具温度越高,一方面使模具表面的氧化层被破坏,使模具产生新生面而与坯料直接接触,另一方面当模具温度在超过500℃时模具材料处于回火软化状态,降低了表面硬度,因此导致模具磨损加剧;锻造过程中,坯料温度越高则塑性越好,越有利于金属流动成形,磨具磨损越少。

Deform-3D根据Archard磨损模型对锻造过程中的磨损进行计算,该模型忽略了温度对模具的影响,模拟预测结果和实际模具的磨损对比如图4所示。从图中可以看出,磨损最严重的是两个爪部模膛制件凸起部位的外侧C处,其次是爪部模膛过渡圆角部位B处,而且C处磨损量大于B处。这主要是因为凸起部位在整个过程中都与坯料相接触,不断产生摩擦,产生热效应以及坯料温度高,与模具之间的热交换剧烈,从而导致模具表层温度随之升高,引起模具抗变形和抗磨损能力降低。凸起部位只有内侧面参与成形及起到分流作用,有利于金属流向爪部模膛及凸台模膛的作用,因此上表面磨损对预锻件质量影响较小,而爪部模膛圆角部位是爪极成形的一个重要部位,B处的磨损是主要导致模具报废的原因。由图2可见,模拟结果与实际模具磨损的位置和磨损严重程度对应很好,同时揭示了B处和C处出现的严重磨损现象,有限元模拟具有较高的预测精度,为以后进行模具和锻造方案改进提供了一种有效的分析方法。

图4 下模磨损模拟预测和实验对比

2.5 微观组织和力学性能分析

对实际磨损模具进行切片,并进行微观组织和显微硬度实验分析。微观组织分析结果如图5所示,其中D处为飞边槽外侧壁,其微观组织保留了调质热处理状态的回火马氏体加碳化物增强相、表面渗氮层和白亮层也仍然可见,磨损量小。E处为爪部模膛圆角处其微观组织显示出很多表面深入基体的裂纹,且渗氮的白亮层和调质组织已经消失,磨损非常严重。F处是靠近内壁的圆角处,该部位显微组织出现了锯齿形的裂纹、已经没有渗氮白亮层和调质热处理组织,而体现为退火态组织,该处塑性变形严重,材料沿圆角方向向外侧流动的趋势,并出现大量微裂纹。

在爪部模膛填充过程中,由于金属材料与模具摩擦热效应,坯料与模具进行热交换使该部位温度急剧升高。对比图5的E、F处可知,爪部模膛圆角材料组织发生转变。图6为爪部模膛圆角磨损部位的显微硬度图,表面硬度降为150HV左右。而H13钢的退火态硬度为145HV左右,调质处理后显微硬度可达到500HV,如表面渗氮后硬度可达1000HV以上。因此推测在磨损部位可能发生了回火/退火现象,出现回火/退火软化。同时抗变形能力也随着温度的升高而下降,再加上材料在此处变形剧烈,流动速度大,因此磨损十分严重。结合前面的温度场分析,E处、F处都是温度最高的位置,也是最容易出现回火/退火软化的位置,进一步论证了模拟结果的准确性。

图5 实际失效下模微观组织图

图6 爪部模膛圆角磨损处硬度

3 结论

通过对锻造过程的金属变形、温度和磨损的有限元分析,以及对失效模具的表面状态、微观组织和显微硬度的分析,得到以下结论:

(1)模具在爪部模膛过渡圆角和凸台模膛过渡圆角部位温度最高达到544℃,材料发生高温软化,组织变为退火态组织,表面渗氮白亮层已经剥落,显微硬度降为150HV,出现大量微裂纹,因而该处磨损最为严重,提高模具材料的耐高温性和适当降低锻造温度是提升下模寿命的有效方法。

(2)对上模的应力分析表明在圆角处最大应力1580MPa,出现了明显的应力集中,实际模具在该圆角处出现了大裂纹,进而导致失效,但磨损并不严重。提高上模寿命的主要途径是提高材料断裂韧性和增大圆角半径。

参考文献

[1]肖红生,汪晨,张质良,等.极爪零件的温锻成形及其三维有限元模拟[J].锻压装备与制造技术,2000,35(2):41-43.

[2]洪慎章,曾振鹏.磁极高速温挤压工艺及模具设计[J].热加工工艺,2000,(4):32-33.

[3]滕来,王飞,郭成,等.汽车发电机爪极温冷精密成形工艺研究[J].锻压技术,2012,(5):166-171.

[4]张韶华,张猛.交流发电机转子磁极锻造工艺研究[J].农业机械学报,2003,34(3):122-123+134.

[5]周滨,辛选荣,刘汀.汽车电机爪极热锻正挤压工艺及模具设计[J].热加工工艺,2004,(12):38-40.