基于CAE分析的熱鍛模具磨損部位預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

劉洋，李峰光，劉建永，吳小蘭，陳剛，曾明玉

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰442002；2.東風(fēng)（十堰）汽車鍛鋼件有限公司 技術(shù)中心，湖北 十堰442012）

熱鍛模是汽車零部件生產(chǎn)中最常用的模具之一，在工作過(guò)程中要反復(fù)承受機(jī)械載荷和熱載荷的作用，主要的失效形式有磨損、過(guò)量塑性變形、疲勞開(kāi)裂等，其中磨損為常見(jiàn)的失效形式，熱鍛模具因型腔磨損而失效的情況約占70%［1-2］。采用激光仿生強(qiáng)化技術(shù)手段對(duì)熱鍛模表面易磨損區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)化處理可有效提升模具易磨損區(qū)域的耐磨損性能和模具整體使用壽命，相較于傳統(tǒng)的整體氮化處理等技術(shù)手段而言，壽命提升更加明顯、效率更高且成本大幅降低，目前已得到較廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行熱鍛模激光仿生強(qiáng)化過(guò)程中，首要任務(wù)是確定模具易磨損部位，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行局部仿生強(qiáng)化。在文獻(xiàn)報(bào)道的模具激光仿生強(qiáng)化應(yīng)用案例中，國(guó)內(nèi)外目前均是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或是失效后模具的宏觀形貌觀察來(lái)確定模具易磨損部位，缺乏相應(yīng)的理論支撐，且對(duì)于新模具的開(kāi)發(fā)和強(qiáng)化而言存在周期長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題［3-5］。在熱鍛模具工作過(guò)程中，由于鍛造過(guò)程時(shí)間極短，坯料成型過(guò)程以及模具工作狀態(tài)通常是一個(gè)劇烈的瞬態(tài)變化過(guò)程，鍛造過(guò)程中模具和坯料的溫度、形狀、結(jié)構(gòu)等均難以直接觀察，因而難以直接通過(guò)理論分析來(lái)確定模具易磨損部位。隨著CAE（computer aided engineering）技術(shù)的成熟并不斷應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生當(dāng)中，通過(guò)CAE 技術(shù)對(duì)材料成型過(guò)程進(jìn)行模擬仿真分析，可以方便地獲取整個(gè)材料成型過(guò)程中材料以及模具的溫度、受力、磨損量等信息，簡(jiǎn)化了模具設(shè)計(jì)和制造流程［6］。邱紅鈺［7］通過(guò)三維成型軟件對(duì)三通管熱鍛成型過(guò)程中模具的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及其熱磨損進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，通過(guò)分析熱鍛模具工作表面的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布情況和熱磨損情況，確定了模具表面易發(fā)生磨損失效的部位，并利用激光仿生強(qiáng)化技術(shù)對(duì)模具表面進(jìn)行了局部強(qiáng)化處理，應(yīng)用效果良好。陳麗瓊［8］利用CAE分析確定了壓鑄模具表面容易出現(xiàn)熱疲勞失效的部位，并使用激光強(qiáng)化技術(shù)對(duì)此部位進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高了壓鑄模具的使用壽命。姚亮等［9］以圓柱齒輪坯的鍛造工藝為例，利用DEFORM 獲得了多層金屬熱鍛模在連續(xù)熱鍛條件下的循環(huán)溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布；建立了多層金屬熱鍛模熱機(jī)械疲勞壽命預(yù)測(cè)方法與流程，利用熱機(jī)械疲勞損傷預(yù)測(cè)模型對(duì)多層金屬熱鍛模壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Srivastava 等［10］針對(duì)壓鑄模具易產(chǎn)生熱裂失效的問(wèn)題，使用DEFORM 對(duì)壓鑄模具的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真并對(duì)裂紋的方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。Painter 等［11］利用有限元軟件模擬熱擠壓模的磨損過(guò)程，依據(jù)對(duì)熱擠壓模具磨損情況的分析，最終完成擠壓模型腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以上相關(guān)研究均說(shuō)明，采用CAE 方法方便分析模具在熱鍛過(guò)程中的溫度、受力和磨損情況，確定熱鍛模具易發(fā)生磨損區(qū)域，進(jìn)而為激光仿生強(qiáng)化區(qū)域的選擇提供理論指導(dǎo)。

文中針對(duì)某汽車零部件企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的零件及其模具，利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)其熱鍛過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)熱鍛模具鍛造過(guò)程中坯料流動(dòng)狀態(tài)、模具溫度、受力情況及磨損情況進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)了模具易發(fā)生磨損的部位，與模具服役后實(shí)際磨損情況進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)模具易磨損區(qū)域的精確預(yù)測(cè)，為實(shí)際熱鍛模具后續(xù)的激光表面局部強(qiáng)化方案提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 熱鍛模具仿真模擬分析前處理

1.1 零件及模具基本情況

文中研究對(duì)象為某車企生產(chǎn)用熱鍛吊耳零件預(yù)鍛模具，零件結(jié)構(gòu)及模具如圖1所示。零件尺寸約為170 mm×140 mm×40 mm，屬于小型鍛件，材質(zhì)為AISI-1045machining（45鋼）；熱鍛模具的尺寸約為360 mm×270 mm×190 mm，材料為AISI-H-13（H13 鋼）。模具目前的熱處理工藝如下：880 ℃真空爐淬火加熱，保溫5 h，油冷卻至40～80 ℃，3次回火，每次回火溫度在480～500 ℃，回火后空氣冷卻，回火后硬度要求在44 HRC以上，熱處理后作簡(jiǎn)單人工表面拋光處理，投入使用，熱處理后無(wú)其他強(qiáng)化工藝，使用壽命約4000件。

圖1 零件及其熱鍛模具

1.2 熱鍛過(guò)程仿真分析模型

為準(zhǔn)確模擬零件成型過(guò)程及模具受力和磨損情況，依據(jù)實(shí)際尺寸建立模具及坯料幾何模型，其中坯料為圓柱形，尺寸為Φ80 mm×130 mm。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，建模時(shí)將模具頂桿孔位置進(jìn)行填充，模型如圖2所示。將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入到DEFORM-3D 中進(jìn)行裝配，建立有限元仿真模型，如圖3所示。

圖2 模具與坯料三維模型圖

圖3 熱鍛過(guò)程DEFORM-3D仿真模型

1.3 仿真分析工藝參數(shù)

模擬吊耳零件的熱鍛過(guò)程，坯料及模具材料的傳熱和機(jī)械性能參數(shù)均根據(jù)企業(yè)所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算坯料成型程和模具磨損時(shí)，坯料設(shè)置為塑性體，采用各向同性的多線性模型來(lái)近似表達(dá)坯料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系；熱鍛模具設(shè)置為剛性體，不考慮模具的彈性變形及回彈對(duì)形狀和尺寸精度的影響；坯料成型過(guò)程計(jì)算完畢后，采用應(yīng)力映射法進(jìn)行模具受力情況計(jì)算，即將最終成型時(shí)坯料的載荷映射到模具上，通過(guò)插值法計(jì)算模具的應(yīng)力分布，此時(shí)模具設(shè)置為彈性體。模具材料和坯料的傳熱和機(jī)械性能等參數(shù)如表1 所示。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，利用局部網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)對(duì)模具型腔邊角等潛在受力較大區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，坯料和模具網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量分別為50 000和80 000，網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 模具網(wǎng)格劃分結(jié)果

表1 模具及坯料材料參數(shù)

在成型工藝參數(shù)方面，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，模具行程設(shè)為80 mm，成型速度設(shè)為400 mm·s-1；坯料初始溫度設(shè)置為1100 ℃，模具預(yù)熱溫度設(shè)置為100 ℃（由模具每次鍛造開(kāi)始前實(shí)測(cè)溫度確定），預(yù)鍛環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃；模具與坯料接觸面的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為5 N·s-1·mm-1·℃-1，模具與空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為0.02 N·s-1·mm-1·℃-1；坯料與模具之間的摩擦選用剪切摩擦，其摩擦系數(shù)取熱鍛摩擦系數(shù)為0.3；磨損模型選用Archard 磨損模型，如式（1）所示，并借鑒文獻(xiàn)［12］經(jīng)驗(yàn)設(shè)定系數(shù)。

式中：W為磨損深度；K為無(wú)量綱的磨損系數(shù)；P為接觸壓力；v為相對(duì)速度；H為硬度；dt為無(wú)量綱的時(shí)間增量；a、b、c為實(shí)驗(yàn)決定的無(wú)量綱系數(shù)，a取1、b取1、c取2。

2 熱鍛模具仿真結(jié)果分析

2.1 鍛件成型過(guò)程仿真分析

通過(guò)建立的模型對(duì)吊耳零件熱鍛過(guò)程進(jìn)行仿真，模擬所得鍛件成型過(guò)程如圖5所示。由圖5可知鍛件充型過(guò)程良好。

圖5 鍛件成型過(guò)程

由圖6 分析可知，零件成型過(guò)程可分為3 個(gè)階段：1）坯料與模具開(kāi)始接觸，由于坯料與模具接觸面積較少，金屬流動(dòng)緩慢，此階段成型載荷較小，載荷曲線為斜率幾乎為零的直線，對(duì)應(yīng)圖5a；2）坯料預(yù)鍛成型中間過(guò)程，此時(shí)坯料與模具接觸面積逐漸增大，坯料一部分開(kāi)始流入型腔中，此階段成型載荷逐漸增大，但載荷增速較小，變形力較小，對(duì)應(yīng)圖5b～c；3）坯料預(yù)鍛成型最終階段，此時(shí)坯料大部分迅速充滿型腔，受到型腔壁的較大摩擦阻力，同時(shí)會(huì)有飛邊產(chǎn)生，當(dāng)金屬流動(dòng)到阻力壁時(shí)，會(huì)受到類似擠壓的作用，使得金屬向型腔更深處流動(dòng)，此階段成型載荷值迅速增大，且增速上升，最終達(dá)到預(yù)鍛成型的最大載荷值，對(duì)應(yīng)圖5d。圖6中曲線整體較為平滑，未出現(xiàn)異常峰值或波動(dòng)，說(shuō)明坯料預(yù)鍛成型過(guò)程穩(wěn)定且成型情況良好。

圖6 鍛件成型載荷圖

2.2 熱鍛模具溫度場(chǎng)仿真分析

在熱鍛過(guò)程中，模具的預(yù)熱以及模具與高溫坯料的反復(fù)接觸會(huì)導(dǎo)致模具溫度發(fā)生較大變化，在溫度差異較大的區(qū)域?qū)a(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，或由于溫度的循環(huán)變化而導(dǎo)致熱疲勞，同時(shí)溫度的變化對(duì)模具的硬度也將產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響到模具的抗磨損性能。模具在熱鍛不同階段的溫度分布情況如圖7所示。由圖7可知：模具最高溫度出現(xiàn)在與坯料接觸最緊密的模具中部凸起位置，該區(qū)域絕大部分溫度為250～300 ℃，少數(shù)局部區(qū)域溫度較高，最高約為300～350 ℃。

圖7 單次鍛造后不同下壓行程模具溫度分布圖

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)熱鍛生產(chǎn)過(guò)程中，采用手持式紅外測(cè)溫儀對(duì)模具實(shí)際溫度進(jìn)行測(cè)量。具體測(cè)量過(guò)程如下：從模具預(yù)熱完成后開(kāi)始鍛造起，每鍛20 件后分別對(duì)模具型腔中心表面進(jìn)行多次溫度測(cè)量（期間操作工人每鍛造1次就會(huì)對(duì)模具進(jìn)行噴油潤(rùn)滑和冷卻），測(cè)量約鍛造160 件后為止。由圖8所示的模具實(shí)測(cè)溫度結(jié)果可知，在鍛造過(guò)程中，模具的初始溫度約為70～80 ℃，隨著鍛造件數(shù)的增加，模具溫度逐漸升高，但上升速度越來(lái)越慢，并穩(wěn)定在330 ℃左右。說(shuō)明在實(shí)際鍛造開(kāi)始階段，由于模具預(yù)熱溫度較低，模具本身存在一個(gè)從受熱表面向其他區(qū)域傳熱的過(guò)程，即模具蓄熱升溫的過(guò)程，隨著鍛造件數(shù)的增加，模具在每次鍛造后受熱面最高溫度有一個(gè)緩慢上升的過(guò)程。當(dāng)經(jīng)過(guò)約160 件的鍛造后，模具蓄熱基本完成，模具每次鍛造后及噴油冷卻后的表面溫度均趨于穩(wěn)定。而模具表面每次鍛造完并噴油潤(rùn)滑和冷卻后的實(shí)測(cè)溫度約在100～120 ℃內(nèi)浮動(dòng)（受工人手工噴油量的影響）。文中將模具預(yù)熱溫度設(shè)置為100 ℃計(jì)算后得出的單次鍛造后模具表面溫度為300～350 ℃，與模具表面溫度趨于穩(wěn)定后的330 ℃吻合較好，說(shuō)明模具溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信，可以保證后續(xù)磨損情況計(jì)算的精確度。

圖8 模具實(shí)測(cè)溫度

2.3 熱鍛模具應(yīng)力場(chǎng)仿真分析

熱鍛模具在工作過(guò)程中，局部區(qū)域溫度的差異所帶來(lái)的熱應(yīng)力、來(lái)自坯料的壓力以及坯料流動(dòng)所帶來(lái)的摩擦力共同作用在模具上，構(gòu)成了模具所承受的綜合應(yīng)力。在DEFORM-3D中，將綜合應(yīng)力以等效應(yīng)力形式表現(xiàn)并進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖9所示。結(jié)合圖6 可知，在鍛造初始階段，當(dāng)坯料大部分流入型腔之前，坯料與模具接觸區(qū)域主要集中在型腔中間平面區(qū)域，且坯料流動(dòng)較小，此時(shí)模具綜合應(yīng)力很??；當(dāng)坯料大部分流入型腔時(shí)，模具型腔表面會(huì)承受相當(dāng)大的擠壓力，型腔圓弧邊角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且此處坯料流動(dòng)速度較快，所以模具在型腔中間和型腔圓弧邊角處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進(jìn)而易出現(xiàn)過(guò)量塑性變形、磨損、開(kāi)裂等形式的失效。從模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，上模的最大綜合應(yīng)力約377 MPa，下模的最大綜合應(yīng)力約337 MPa，未超過(guò)H13 鋼在相應(yīng)溫度下的許用強(qiáng)度值（表1），故塑性變形失效不是模具主要失效形式；同時(shí)H13鋼在600 ℃以上工作時(shí)易出現(xiàn)熱疲勞失效［13］，而文中模具最高溫度僅330 ℃左右，且模具所承受應(yīng)力值亦遠(yuǎn)低于其許用強(qiáng)度，故疲勞失效也不是主要失效原因。因此計(jì)算結(jié)果表明模具主要失效形式應(yīng)是磨損失效，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)保持一致。為進(jìn)一步分析模具易磨損區(qū)域，采用模型對(duì)模具單次鍛造后的磨損量進(jìn)行計(jì)算。

圖9 單次鍛造后模具等效應(yīng)力分布

2.4 熱鍛模具磨損情況仿真分析

根據(jù)Archard 磨損模型，模具磨損量主要與模具表面和坯料間的接觸壓力以及二者間的相對(duì)滑動(dòng)速度成正比，與模具本身硬度成反比。鍛造不同階段時(shí)，模具表面和坯料間的接觸壓力以及二者間的相對(duì)滑動(dòng)速度分別如圖10～11所示。

圖10 單次鍛造不同下壓行程模具界面壓力

圖11 單次鍛造不同下壓行程材料相對(duì)模具滑移速度

由圖10～11可知，在成型時(shí)界面壓力較大的區(qū)域始終集中在模具型腔中部的凸起位置，最大能達(dá)到700～800 MPa，但此區(qū)域坯料與模具間的滑動(dòng)速度相對(duì)較小，約為200～300 mm·s-1；型腔表面圓角位置接觸壓力相對(duì)較小，最大約為350～550 MPa，但此區(qū)域坯料與模具間的相對(duì)滑動(dòng)速度較大，可達(dá)1200～2000 mm·s-1。這是由于坯料和模具始終接觸的部位在模具型腔中間平面上，其界面壓力產(chǎn)生最大，但坯料成型流動(dòng)是從型腔中部位置向兩邊擴(kuò)展，型腔中部位置相對(duì)滑動(dòng)速度較低，模具型腔邊緣凹槽處圓弧位置和飛邊產(chǎn)生處的相對(duì)滑動(dòng)速度較大。由于未經(jīng)特殊強(qiáng)化處理的模具在型腔表面各區(qū)域的硬度基本一致，故模具表面磨損較嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)集中在型腔中部凸起位置及邊緣凹槽附近圓角位置，且圓角位置處的磨損量遠(yuǎn)大于型腔中部。磨損量計(jì)算結(jié)果（圖12）與上述分析結(jié)果吻合，計(jì)算所得的磨損量最大位置出現(xiàn)在型腔中部凸起部分靠近邊緣凹槽的圓角過(guò)渡位置；同時(shí)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)模具鍛造后實(shí)際磨損情況（圖13）高度吻合。

圖12 單次鍛造模具最終磨損情況

圖13 模具實(shí)際工廠加工磨損情況

3 結(jié)論

文中采用DEFORM-3D 建立了汽車某吊耳零件的熱鍛成型過(guò)程仿真分析模型，結(jié)果表明該鍛件目前生產(chǎn)中所采用的工藝參數(shù)合理，零件成型過(guò)程穩(wěn)定且成型情況良好。采用建立的模型分析了吊耳零件熱鍛過(guò)程中模具溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布情況，并通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明，鍛造過(guò)程中模具綜合應(yīng)力并未超過(guò)相應(yīng)溫度下模具材料的許用應(yīng)力值，磨損失效是模具主要的失效形式。磨損量預(yù)測(cè)結(jié)果與模具實(shí)際磨損情況高度吻合。后續(xù)工作中可進(jìn)一步以模型的仿真結(jié)果為指導(dǎo)，采用激光仿生強(qiáng)化等手段對(duì)模具易磨損位置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、高效的局部強(qiáng)化處理以提升其使用壽命，或?qū)δ＞呓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。