基于有限元模擬的焊后熱處理曲軸熱鍛模磨損分析

馬欣

摘要：基于Archard磨損模型建立曲軸成型的三維有限元模型，實現(xiàn)對曲軸熱鍛成形的熱力耦合分析，預(yù)測不同回火熱處理條件下熱鍛模具的磨損分布情況，制定最佳熱處理工藝。通過模擬發(fā)現(xiàn)：在模具溫度高、壓力大、坯料變形速度較快的地方，模具磨損較為嚴(yán)重，這些部位除了曲軸模膛橋部及阻力墻外，在曲軸模膛小頭端磨損也較為嚴(yán)重。在回火溫度和回火保溫時間分別為550℃和4h時，模具的耐磨層性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：有限元;曲軸熱鍛模;熱力耦合;磨損

0? 引言

曲軸在發(fā)動機(jī)中的作用主要是承受載荷、傳遞動力。由于曲軸的模具型腔特別復(fù)雜，加上曲軸的使用工況惡劣，使得其制造困難，所以曲軸造價高，加之曲軸壽命低，生產(chǎn)率低等原因，使得曲軸在制造業(yè)中的地位不斷突出。用于生產(chǎn)曲軸的熱鍛模工作條件惡劣，在模具的多種失效形式中，磨損導(dǎo)致的模具報廢占模具作廢的70%[1-2]，因此對于模具的磨損是我們必須要重視的問題，且其對實際生產(chǎn)有較大的研究意義。

將曲軸模具用鑄鋼代替，在一定程度上不僅提高材料利用率、降低成本，同時也使模具的性能得到了很大的提高，鑄鋼的良好性能，使其在國內(nèi)外的應(yīng)用不斷擴(kuò)展[3]。同時，模具堆焊技術(shù)由于成本低、材料利用率高、制造周期短等特點在熱鍛模具修復(fù)中的應(yīng)用較為廣泛[4-5]。模具的壽命與耐磨性息息相關(guān)并且焊后熱處理在很大程度上決定材料的耐磨性[6-7]。

針對熱鍛模具在高載高溫下的使用現(xiàn)狀，提出對堆焊模具焊后熱處理的場量進(jìn)行研究，預(yù)測不同焊后熱處理工藝條件下的耐磨性，制定最佳回火熱處理工藝。從而改善模具磨損，滿足現(xiàn)代工業(yè)需要，節(jié)約成本。

1? 研究對象

1.1 研究材料

本文所研究的鑄鋼基體材料為ZG25MnCrNiMo，過渡層及耐磨層材料分別為450E和650E藥芯焊絲，各材料的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 熱處理制度

堆焊模具的焊后熱處理主要是指回火處理，本文主要利用Deform軟件對不同回火溫度與回火時間下的熱鍛模磨損情況進(jìn)行模擬仿真，其中回火溫度為：420℃、480℃、550℃、600℃，回火時間為1h、2h、4h、6h，并且采用全因子實驗的方法，共進(jìn)行16組模擬實驗。

1.3 硬度測試

不同熱處理條件下的硬度值見圖1所示，主要用于后續(xù)模擬。

2? 有限元模型的建立

本文采用的分析模型是汽車曲軸模具，根據(jù)熱鍛過程的工藝特性，曲軸熱鍛成形工藝分為三步，分別為制坯、預(yù)鍛和終鍛，通過建立相應(yīng)的三維有限元分析模型，模擬整個曲軸的熱鍛成形過程。相關(guān)設(shè)置如下：

①坯料規(guī)格為？準(zhǔn)53mm×508mm的棒料，選取deform材料庫中的AISI5140作為鍛件的材料模型，模具堆焊層的材料模型由材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行設(shè)定。

②材料的預(yù)鍛溫度為制坯后得到的每一階段坯料溫度，模具的初始溫度設(shè)定為250℃，坯料與環(huán)境的對流因子為0.02N/s·mm·℃。

③定義上模的運動速度為280mm/s，并且設(shè)定上模是主運動對象。

④設(shè)置接觸邊界條件，定義剪切摩擦因子為0.3，傳熱系數(shù)選擇值11。

⑤模擬步長增量為1mm/步，設(shè)定停止條件，也就是不同工步時飛邊的厚度。

⑥終鍛時坯料設(shè)置為HRC20，模具測得的堆焊層硬度值進(jìn)行設(shè)定。

⑦終鍛成形時要考慮模具磨損，故采用Archard理論磨損模型預(yù)測并計算得到模具在成形過程中的磨損深度值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置的熱力耦合成形后的不同工步結(jié)果如圖2所示。

3? 曲軸鍛模具有限元模擬結(jié)果分析

3.1 模擬參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過數(shù)值模擬可以對缺陷進(jìn)行預(yù)測并且優(yōu)化，從而為實際生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鍛件提供可靠的依據(jù)，通過模擬發(fā)現(xiàn)主要存在的缺陷類型如下：①充不滿：曲軸成形過程中充不滿主要出現(xiàn)在平衡塊處和連桿頸曲臂處。故需合理選擇坯料尺寸，在預(yù)鍛時，合理分配預(yù)鍛儲料，確保鍛打時溫度控制在1150℃及其以上。②折疊：在模擬過程中，折疊主要出現(xiàn)在曲軸的端面處。出現(xiàn)在小頭端面處的折疊是因為在鍛造過程中坯料表層金屬變形快，而心部的金屬流動慢致使變形慢，制坯后端面處會形成凹陷，從而出現(xiàn)折疊，當(dāng)坯料內(nèi)外溫差相差較大時折疊會更加明顯，對于此種情況，應(yīng)將坯料凹陷區(qū)盡可能擺放在小頭模膛外鍛打。通過上述手段可以有效避免缺陷的產(chǎn)生。

3.2 曲軸成型過程中的熱力耦合場量分布結(jié)果

溫度在熱鍛過程不僅能保證金屬有很好的可鍛性，而且可獲得較好的內(nèi)部組織。本研究中坯料可鍛溫度范圍在900～1200℃，此曲軸鍛件的溫度在1090～1200℃，曲軸輪廓的溫度在1130℃左右，模具的初始溫度是250℃，經(jīng)過終鍛后，模具的溫度也有很大的提高，下模的溫度在250～526℃，模具上的溫度分布是：在曲軸型腔中的大端、小端以及平衡塊處的溫度較高。

下模在整個鍛造過程中承受著上模的沖擊載荷，下模的壓力值最高可達(dá)到773MPa，且主要分布在曲軸型腔的拐角處，其次是位于主軸頸還有連桿頸橋接處。而小頭端的壓力值也可高達(dá)400MPa左右。

而速度場分布是從935～4790mm/sec，最高速度分布位于曲軸鍛件的飛邊邊緣處，較低的速度是分布在曲軸輪廓處，這些地方受到模具型腔的阻擋，抑制了金屬的流動狀況。所以曲軸模具在橋部處的磨損是最為嚴(yán)重的。

3.3 磨損分析

本文通過對影響磨損的溫度場、壓力場、速度場進(jìn)行分析，從而來分析堆焊層模具磨損。從磨損的有限元模擬結(jié)果看出，模具磨損最嚴(yán)重的部位是橋部、小頭端以及連桿頸處，從場量分析結(jié)果可知這些地方往往是溫度較高，坯料流動速度劇烈，壓力較大的部位，這些因素的共同作用導(dǎo)致了磨損的加劇。因此，選取曲軸模具的小頭截面磨損最嚴(yán)重處為研究對象，用周向坐標(biāo)設(shè)定，來分析不同焊后熱處理對磨損深度的研究，從而研究耐磨性。

模擬得到的小頭端截面上的最大磨損深度值列舉如表2所示。從表2可知，在不同的回火熱處理工藝中磨損最小值是在480℃、2h，其值為11.7×10-5mm，而在550℃、4h 時的磨損值也較小，為12.1×10-5mm。

4? 結(jié)語

①基于Archard理論進(jìn)行有限元模擬分析，得到曲軸熱鍛堆焊模具的磨損分布，發(fā)現(xiàn)磨損較為嚴(yán)重的部位往往是溫度高、壓力大且金屬流動較明顯區(qū)域，且這些區(qū)域為橋部、小頭端以及連桿頸處，磨損最為嚴(yán)重的是曲軸模膛的小頭端。

②對16組不同焊后熱處理條件下的熱鍛堆焊模具進(jìn)行模擬后，表明在550℃、4h時磨損深度值較小為12.1×10-5mm，與實際生產(chǎn)相比，兩者結(jié)果相距較小，充分說明有限元模擬對于實際生產(chǎn)指導(dǎo)作用顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙一平.提高熱鍛模生產(chǎn)中的模具使用壽命[J]. 鍛壓技術(shù)， 2000（6）.

[2]J.H. Kanga， I.W. Park. A study on a die wear model considering thermal softening： （I） Construction of the wear model [J]. Journal of Materials Processing Technology 96（1999）：53-58.

[3]崔向紅.新型鑄造熱鍛模具鋼高溫磨損行為的研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[4]左占軍，段智勇，吳順華，郭守華.大型曲軸模具修復(fù)工藝探討[J].裝備維修技術(shù)，2008（1）：41-44.

[5]白莉.廢舊模具堆焊修復(fù)技術(shù)研究展望[J].熱加工工藝，2013，42（1）：219.

[6]單志公.熱作模具鋼變質(zhì)處理及熱處理工藝探究[D].山東： 山東大學(xué)，2012.

[7]馬國.鑄造模具鋼焊接修復(fù)工藝研究[D].吉林：吉林大學(xué)， 2013.