溫?cái)D壓模具冷熱疲勞早期失效模擬分析與探討*

栗育琴

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川瀘州 646005)

從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，擠壓某殼體零件的凸模經(jīng)常因在急冷急熱的惡劣工況下工作而造成冷熱疲勞失效，圖1是實(shí)際拍到的冷熱疲勞造成模具開裂失效的模具圖片。本文借助有限元模擬軟件DEFORM結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)溫?cái)D壓過程進(jìn)行模擬，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了此類模具冷熱疲勞失效的成因，并且通過對(duì)比試驗(yàn)分析

表1 凸模在工作中不同時(shí)刻的溫度值

得出最佳的模具預(yù)熱溫度和坯料加熱溫度范圍［1］。

1 零件結(jié)構(gòu)及模擬條件

1.1 零件結(jié)構(gòu)

殼體零件如圖2所示，內(nèi)徑為φ65 mm，外徑為φ100.3 mm，孔深 185 mm，總高 363 mm，材料為30CrMnSiNi2A鋼。

1.2 建模及模擬條件設(shè)定

考慮到模型的對(duì)稱性，為節(jié)省模擬計(jì)算的時(shí)間，取1/4模型進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，有限元模型如圖3所示。模擬初始條件為:①定義模具為剛性體，材料為3Cr2W8V鋼，工件為塑性體，材料為30CrMnSiNi2A鋼。②傳熱系數(shù)選擇11，摩擦系數(shù)選擇0.25。③工件網(wǎng)格單元數(shù)為18 149，凸模網(wǎng)格單元數(shù)為5 147，凹模網(wǎng)格單元數(shù)為11 806。④模具預(yù)熱溫度取150℃、200℃、250℃、300℃，擠壓速度為10 mm/s。

2 模具冷熱疲勞失效機(jī)理分析

利用DEFORM－3D里面點(diǎn)的追蹤功能可捕捉到凸模最前端在不同時(shí)刻時(shí)的溫度值，如表1所示。由這些數(shù)據(jù)得到溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

擠壓的整個(gè)過程是:坯料加熱后先與環(huán)境進(jìn)行熱交換10 s，然后與凹模進(jìn)行熱交換2 s，再在第12 s開始擠壓，擠壓結(jié)束后凸模在外加冷卻水快速冷卻5 s。由表1及圖4可知，模具從第12 s擠壓剛剛開始到第13 s，一秒鐘的時(shí)間內(nèi)溫度由198℃急劇升高到610℃，隨后直到第31 s擠壓結(jié)束前溫度還在逐漸上升，但上升幅度比較小。這是因?yàn)閺?2 s擠壓剛剛開始時(shí)，200℃的模具和800℃的坯料溫度相差較大，在接觸的瞬間凸模的最前端就被急劇加熱而溫度升高，隨后隨著模具溫度的升高坯料溫度的降低，模具與坯料的溫差逐漸減小，模具溫度的增加就趨于緩慢。從第31 s開始模具溫度開始下降，這是因?yàn)榈?1 s擠壓結(jié)束后，模具被冷卻水冷卻而溫度得到了下降。在冷卻水的冷卻過程中，溫度的下降幅度很大，在5 s的時(shí)間內(nèi)從802℃下降到335℃。這是擠壓一個(gè)工件的一個(gè)循環(huán)過程。

冷熱疲勞就是模具表面經(jīng)受反復(fù)加熱和冷卻所產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力的作用下所產(chǎn)生的疲勞裂紋或破壞的現(xiàn)象。

當(dāng)?shù)蜏啬＞吲c高溫坯料接觸時(shí)，坯料的一部分熱量會(huì)傳遞給模具，同時(shí)坯料變形過程以及與模具表面摩擦所產(chǎn)生的一部分熱量也會(huì)被模具吸收，這樣模具表層溫度急劇上升，表層金屬膨脹。而膨脹的模具表層金屬又會(huì)受到表層下面溫度較低的內(nèi)層金屬的約束，因而在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。如果從表面到內(nèi)部的溫度梯度大，那么在給定的熱膨脹系數(shù)下壓應(yīng)力可達(dá)到實(shí)際的屈服極限值，這在表層中產(chǎn)生塑性變形(壓縮)［1－2］。

當(dāng)模具在外加冷卻水的快速冷卻過程中，模具內(nèi)層金屬溫度高于表層(見圖5)。此時(shí)模具表層金屬急劇收縮，但由于先前加熱時(shí)的塑性變形和此刻較高溫度內(nèi)層的抗力，使表層的收縮過程困難，甚至完全不可能進(jìn)行，從而表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖6所示。

模具表層中的循環(huán)熱應(yīng)力，是引起冷熱疲勞的根本原因。循環(huán)熱應(yīng)力引起反復(fù)的塑性變形，如同在交變機(jī)械載荷作用下，使材料的塑性降低，形成了一些裂紋源，反復(fù)擠壓使裂紋不斷加深和擴(kuò)展，最后在模具表面形成網(wǎng)狀裂紋。尤其當(dāng)模具表層溫度超過材料A1溫度，在隨后冷卻中，模具還會(huì)產(chǎn)生由于相變而引起的體積變化，從而加速了模具的冷熱疲勞過程［1－2］。

圖7為溫?cái)D壓凸模頭部的斷面上所顯示出的冷熱疲勞裂紋。

此外，模具不預(yù)熱或模具預(yù)熱溫度與壓入的高溫坯料間的溫差愈大，模具表層的膨脹和收縮量也愈大，冷熱疲勞裂紋的產(chǎn)生也就愈快［3］。冷熱疲勞裂紋的形態(tài)與模具工作條件有關(guān)，在一定的模具預(yù)熱溫度下，急熱的嚴(yán)重程度主要取決于模具在擠壓結(jié)束后達(dá)到的最高溫度，所以有必要研究影響模具最高溫度的因素。

3 對(duì)比模擬分析

選擇坯料溫度500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃，模具預(yù)熱溫度150℃、200℃、250℃、300℃進(jìn)行模擬，取得了凸模在一個(gè)擠壓過程的最高溫度數(shù)據(jù)，見表2所示。

表2 凸模最高溫度 ℃

圖8為凸模預(yù)熱溫度與其擠壓過程中達(dá)到的最高溫度的關(guān)系曲線，圖9為坯料溫度與凸模擠壓過程中達(dá)到的最高溫度的關(guān)系曲線。

圖8所示每條曲線變化都比較平緩，這說明改變凸模預(yù)熱溫度，擠壓結(jié)束時(shí)凸模達(dá)到的最高溫度比較接近。圖9可以看出坯料溫度越高，擠壓結(jié)束時(shí)凸模達(dá)到的最高溫度越高。這兩圖說明影響凸模最高溫度的主要因素是坯料溫度，而模具預(yù)熱溫度對(duì)凸模的最高溫度影響不大。

溫?cái)D壓過程中，模具溫度變化越大，冷熱疲勞裂紋越容易產(chǎn)生。表3列出了擠壓過程中凸模開始時(shí)溫度與最后達(dá)到的最高溫度差值即瞬間急熱溫度差值，表4列出了凸模冷卻前后急冷溫度差值。利用這些數(shù)據(jù)得到凸模預(yù)熱溫度與其急冷急熱溫度差值之間的關(guān)系曲線，如圖10、圖11所示。

表3 凸模急熱溫度差值 ℃

表4 凸模急冷溫度差值 ℃

由圖10可知當(dāng)坯料溫度為950℃，凸模預(yù)熱溫度為150℃時(shí)，其急熱溫度差達(dá)最高為766℃。當(dāng)坯料溫度為500℃，預(yù)熱溫度為300℃時(shí)，凸模急熱溫度差達(dá)最低為350℃。由圖11可知當(dāng)坯料溫度為950℃時(shí)，預(yù)熱溫度為150℃時(shí)，凸模急冷溫度差達(dá)最高為519℃。當(dāng)坯料溫度為500℃，模具預(yù)熱溫度為300℃時(shí)，急冷溫度差達(dá)最低為364℃。所以從降低冷熱疲勞失效方面考慮，選擇坯料溫度和凸模預(yù)熱溫度越接近越好。但考慮到預(yù)熱溫度過高又會(huì)使模具氧化嚴(yán)重，所以最佳預(yù)熱溫度為200～300℃。坯料溫度的選擇，由表2可知，當(dāng)坯料溫度大于800℃時(shí)模具的最高溫度都已超過820℃，而模具材料3Cr2W8V鋼的Ac1為820～830℃，而當(dāng)模具表層加熱到材料A1溫度以上，隨后進(jìn)行冷卻時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生由于相變(如馬氏體轉(zhuǎn)變)而引起的體積變化，加速模具的熱疲勞過程，所以坯料加熱溫度控制在800℃內(nèi)為宜。

4 結(jié)語

(1)模具急熱溫度差在350～766℃之間，急冷溫度差在364～519℃之間，模具在急冷急熱的惡劣工況下工作，存在嚴(yán)重的冷熱疲勞失效。

(2)影響凸模最高溫度的主要因素是坯料溫度，而模具預(yù)熱溫度對(duì)凸模的最高溫度影響不大。

(3)從降低冷熱疲勞失效方面考慮，選擇坯料溫度和凸模預(yù)熱溫度越接近越好。但考慮到預(yù)熱溫度過高又會(huì)使模具氧化嚴(yán)重，所以模具最佳預(yù)熱溫度為200～300℃。

(4)對(duì)于材料為3Cr2W8V鋼的模具，為了減緩模具的冷熱疲勞，擠壓時(shí)坯料溫度應(yīng)控制在800℃內(nèi)。

［1］蔣良.熱處理工藝對(duì)3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［2］馮曉曾，何世禹，郭寶蓮.(零件—1)模具的失效分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］蔡美良，丁惠麟，孟滬龍.新編工模具鋼金相熱處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［4］龐祖高，蘇廣才，夏薇，等.溫?cái)D壓模具的早期失效探討及對(duì)策［J］.熱加工工藝，2005(9):25－28.