热锻模中温度产生的回火效应及磨损分析

摘要：热模锻是在高温下进行的金属爪力加工，而温度对会属材料的性能影响较人，高温条件造成模具软化，连续工作后模具温度的外高易发生相变。研究发现，热应力足造成锻模损伤失效的主要原因，而锻模型腔表面的温度又是影响热应力大小的主要凶素；热锻模的磨损是造成热锻模失效的主要原因。通过模拟可以得到热锻模的热载荷和机械载荷分靠。因而对热锻模的工作情况进行有限元模拟分析，是很有必要的。

关键词：热锻模；回火效应；磨损；温度

一、研究前模型的建立

本文采用轿车时轮教热锻模的终锻模为研究对像。由于预锻后的工件和终锻模是轴对称图形，所以在建立模型时只取轴截面的一半进行计算。

取轴对称件截面的右半部分进行模拟分析，工件材料为35#钢，模具材料为H13(4Cr5MoSiVl)，模具和工件材料的物性参数均来自软件自带材料库中的数据。毛坯、经预锻后进入终锻的温度为1100，终锻模为300，终锻时的环境温度为20，终锻设备为2000吨机械压力机。变形流动时，工件和模具间的摩擦系数取0.3。

H13(4cr5Moslvll钢罡含Cr5％l拘巾合余热作模具钢，它是在4Cr5MoSiV的基础上稍增加Mo和v含量而成．其化学成分如表3．1所示。与4Cr5MoSiV相比性能基本相同，某些性能有所改善，尤其足抗热疲劳和耐磨性。

二、下模的温度场分析

在实际加工过程中，每锻一个锻件，工件与模具都要要经历个热力循环。每一次模锻工作循环过程分为四个阶段，叫待锻，锻造，留模、顶出。从工件和下模接触到下模下行和工件接触之前的阶段称为待锻，这个阶段只有下模部分位置和工件以及上模下模工件和空气之间的热交换。锻造阶段足从上模和工件接触到成形结束，这个过程是变形和热传导的热力耦台分析。留模阶段为工件成形结束到其被料杆顶出，这个阶段工件和下模紧密接触。顶出阶段是工件被顶出，上下模进行降温，该过程上模和下模被冷却，模具温度降低。研究表明，工件在加压成形阶段的传热系数可比仅靠重力与模具接触(如待锻和锻后留模阶段)时大出几倍到几十倍。根据实际加工生产条件，在模拟中设置的各阶段占用的时间和参数见表3.2。

2、1模具近表层温度分析

根据以上模拟条件，对轮毂的热锻成形进行分析，得到锻模在工作状态下的各种物理状态。由于锻件的热量传给上模很少，它损失的热量大部分传给了下模，下模的工况恶劣程度远远超过上模，而且下模的寿命远低于上模，故只需将下模做为分析研究对象

在热锻成形阶段，型腔表面Pl、P2点的温度急剧的上升，pl点上升的幅度大于P2点的上升幅度。由于成形所需的时间非常的短，模具深度方向的点P3一-PIO温度没有什么变化。这说明在热锻成形阶段，由于摩擦和热传递而引起的模膛表面温度上升，所作用的深度菲常浅，只是在模膛的近表层。成形后进入留模阶段，这个阶段为2S的时间，坯料和模具完全接触。最终在留模结束后，各点的温度变化趋向缓和。这十个点的温度范围为350℃-450℃。

通过上面对轮毂热锻成形第一次工作循环的分析，可以很清晰的得到下模的湿度场分布，并且能很直观的观察下模近表层的温度变化特点：

1、由于成形所需时间较短，在成形阶段只能引起热锻模表层的温度变化，幽予热传递和摩擦生热弓|起温度上升，该温度变化是剧烈的，但所影响的区域较浅，约为lmm；

2、留模是引起模具整体温度升高的主要原因，留模阶段模具近表层的温度急剧上舞，最高幅值达到约为650℃。随着时间的推移，热量的传递，模具整体温度开始上升，温度变化趋于平稳，影响的深度约为lOmm。

2、2回火效应分析

热锻模具在正常的工作条件下，对模具要加热到一定温度，如本文轮毂热锻终锻模具初始温度为300℃。加载时模具型腔表面的温度急剧上升，卸载后温度又急剧下降，瞬态温度峰值持续的时间很短，在型腔表面沿着模具深度方向产生了温度梯度，模拟的结果也说明了这个问题。

无论是否发生相变，型腔表面及表层部位在热负荷和机械负荷的反复作用下，瞬态的温度峰值超过模具的回火温度，会发生回火反应。

热锻成形中，温度的升高使得模具材料发生高温软化现象，这种现象就是模具回火效应所产生的。通过对热锻模的温度场分布得知，引起模具温度急剧升高的阶段主要有锻造、留模阶段。锻造阶段是保证坯料成形必需的过程，而留模阶段时间过长，使得热量有时间向模具深度方向传递，引起模具整体温度升高。

本章小结

本章分析了轮毂终锻模温度场分布，研究了热锻模模膛近表层的温度分布及变化规律；对模具的回火效应进行研究，得出了降低热锻模的温度幅值和温度谐波的作用时间对降低模具的回火效应的影响。基于Archard磨损模型对模具的磨损进行了仿真。得到了热锻模的磨损规律，分析了机械载荷、磨损速率、滑移速度、界面压力等影响模具寿命的参数，同时对模具的磨损寿命进行了估算。

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