16 t錘鍛模延壽研究

盧 順，甘玉平，余盈燕，甘貴生

（1.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 401329；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；3.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054）

0 前言

不同鍛件材料所需的鍛造溫度不同，所用的鍛模的溫度場、應(yīng)力場也不相同。為了制造適合實際生產(chǎn)的長壽命梯度堆焊鍛模，保證鍛模具備較好的力學(xué)性能，其工作區(qū)域具備較高的耐磨耐蝕和熱穩(wěn)定性以及各梯度層具有足夠高的連接強度，需要分析該鍛模在鍛造過程中的溫度場、應(yīng)力場分布，設(shè)計出能夠滿足鍛件生產(chǎn)的合理的梯度堆焊層厚度范圍。

錘鍛模是熱鍛模的一個重要分支，能夠通過較小噸位的錘鍛設(shè)備加工出難以成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。錘鍛模在服役過程中除了受到普通熱鍛模機械及熱的雙重負(fù)荷，還要承受鍛錘的高頻次沖擊載荷，因此相較于普通熱鍛模更容易出現(xiàn)底角疲勞斷裂、磨損、塑性變形等失效情況。

本文采用Deform 3D有限元分析軟件進行模擬仿真，分析某16 t錘鍛模在成型過程的溫度場、應(yīng)力場分布規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計增材梯度層的模型及再制造工藝，有效解決錘鍛模變形、開裂問題，最終達到延長模具壽命的目的。

1 鍛模失效分析

一般熱鍛模服役時，與成形金屬在高溫下有較長時間接觸，承受巨大的沖擊力、壓力、剪切力等復(fù)雜作用力，且具有周期性交變特征。隨著高速、強負(fù)荷、高精密模鍛設(shè)備和高強韌性鍛件的普遍應(yīng)用，熱鍛模服役條件更加惡劣。關(guān)注鍛模失效形式及其形成機理，是開展鍛模再制造以延續(xù)其壽命的關(guān)鍵。圖1為錘鍛模服役后典型失效形式。

圖1 錘鍛模服役后損傷情況

表面損傷失效是熱鍛模主要失效形式之一，主要包括表面磨損（粘著磨損、磨料磨損、氧化磨損、疲勞磨損等）和表面腐蝕（點腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕、應(yīng)力腐蝕等）。在熱模鍛生產(chǎn)中，在多次重復(fù)沖擊載荷的作用下，一方面坯料對型腔表面產(chǎn)生沖擊性的接觸應(yīng)力；另一方面因塑性變形產(chǎn)生流動的金屬劇烈地摩擦研磨型腔表面，導(dǎo)致凹模膛擴展和凸緣磨鈍；此外，塑性變形流動的金屬間壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力合成后可在型腔表面形成許多小溝槽，從而導(dǎo)致產(chǎn)生機械磨損。在熱負(fù)荷的作用下，特別是型腔的溫度過高時，型腔會因回火效應(yīng)而致表面軟化，同時表面的氧化也將加劇，兩者均將加劇磨損。對模具磨損影響較大的因素是表層溫度、模具材料成分和硬度、型腔表面狀況以及模具的使用條件等。

過量變形失效是指過量彈性變形、過量塑性變形（局部塌陷、局部鐓粗、型腔漲大等）以及蠕變變形超限。溫度升高使模具材料的屈服強度下降，當(dāng)溫度高于模具的回火溫度時，進一步使其軟化，當(dāng)軟化部位的屈服極限低于該部位所承受的應(yīng)力時，就會產(chǎn)生塑性變形。模具型腔中的肋和凸臺等突出部位與變形金屬長時間接觸而吸熱較多，溫度較高且受力也比較大，當(dāng)軟化層深度較大時，就會出現(xiàn)棱角塌陷等塑性變形現(xiàn)象。

斷裂失效包含了塑性斷裂、脆性斷裂以及疲勞斷裂。在沖擊載荷的作用下，易萌生疲勞裂紋，裂紋一旦延伸并向縱深擴展，造成型腔開裂。為了減少開裂，除了應(yīng)該考慮模具表面粗糙度和模具的安裝固定等因素，還應(yīng)該考慮模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及合適的硬度和組織才能使模具有較高的使用壽命[1-3]。

2 某16 t錘鍛模有限元模擬分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元數(shù)字模擬技術(shù)模擬鍛造成形時，正確的邊界條件設(shè)置對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性十分重要。結(jié)合實際生產(chǎn)條件，建立該鍛件鍛造成形工藝模擬初始條件如下[4-5]：

（1）模具替代材料：AISI-L16。

（2）模具預(yù)熱溫度350℃。

（3）熱對流系數(shù)0.02 N/(s·mm·℃)，熱傳導(dǎo)系數(shù)5 N/(s·mm·℃)。

（4）16 t錘，能量為400 kJ，效率0.8。

（5）模擬成形過程中，設(shè)置上模位移為步長增量，根據(jù)需求設(shè)置保存的步長增量。

以此建立的鍛造成形有限元模型如圖2所示

圖2有限元數(shù)值模擬模型

2.2 鍛件型腔充填情況

圖3 為坯料終鍛過程填充成形情況。從填充情況來看，一火終鍛后鍛件主體大體充填到位，飛邊較小，無需切邊就可加熱后進行下一火終鍛。二火終鍛結(jié)束后坯料填充飽滿，成形終了形成的飛邊如圖3（b）所示，飛邊形成均勻，鍛件無充不滿缺陷，說明坯料外形和尺寸設(shè)計合理，能夠滿足成形需要。

圖3 終鍛填充情況

2.3 錘鍛模溫度場模擬結(jié)果分析

熱鍛模的損傷結(jié)果表明：模具型腔表面的溫度波動區(qū)易出現(xiàn)疲勞裂紋，溫度波動區(qū)即為循環(huán)熱應(yīng)力作用的區(qū)域，此區(qū)域受到的溫度和應(yīng)力非常復(fù)雜。因此，模具的溫度場分析主要集中研究溫度波動區(qū)的溫度變化。

鍛造過程主要包括擺料、加載、卸載等過程，熱量由高溫鍛件傳遞給低溫模具，一火終鍛后鍛模的溫度場分布如圖4所示。從圖中可以看出最高溫度出現(xiàn)在最早接觸坯料的型腔邊緣(飛邊槽)處，鍛壓時鍛件在高壓狀態(tài)與模具貼合，模溫上升。鍛模最大溫度主要分布在鍛模橋部邊緣和型腔側(cè)壁以及內(nèi)凸臺處，上模最大溫度約為386℃，下模最大溫度約為377℃。總體來說，一火終鍛模溫上升較小，在40℃以內(nèi)。

圖4 一火終鍛鍛模溫度場分布

二火終鍛后鍛模的溫度場分布如圖5所示。從圖中可以看出最高溫度出現(xiàn)在型腔邊緣(飛邊槽)處以及凸臺處，上模最大溫度約為617℃，下模最大溫度約為579℃。這些位置與模具較先接觸，在坯料熱量傳遞和摩擦生熱的雙重作用下，溫度上升明顯。這些位置由于溫度較高，可能會發(fā)生模具軟化，容易產(chǎn)生壓塌變形以及磨損，在后續(xù)模具堆焊設(shè)計時需要進行重點關(guān)注。模具其他位置基本維持預(yù)熱溫度350℃，在進行后續(xù)設(shè)計時可忽略該溫度對模具壽命的影響。

圖5 二火終鍛鍛模溫度場分布

此外，模具除了經(jīng)歷鍛打過程，還會經(jīng)歷冷卻過程。在鍛打階段，型腔表層區(qū)域受到高溫坯料的熱作用，溫度逐漸上升；鍛打結(jié)束后，在隨后的冷卻潤滑階段，受到低溫潤滑劑的冷卻作用，型腔表層溫度急劇下降，導(dǎo)致表層溫度變化較大，這在后續(xù)模具堆焊設(shè)計時也需要考慮。無論是鍛打階段還是冷卻階段，距離表面型腔一定厚度下的模具基體區(qū)域溫度基本維持350℃（模具預(yù)熱溫度）不變，鍛打或冷卻階段對該區(qū)域的溫度沒有明顯影響。這是由于鍛打階段坯料傳熱能力有限以及冷卻潤滑時間較短，對該區(qū)域的溫度影響較小。因此，根據(jù)模具模鍛循環(huán)過程中的溫度變化，需要重點關(guān)注型腔表面堆焊材料的選擇。

2.4 錘鍛模應(yīng)力場模擬結(jié)果分析

圖6為該鍛模在鍛造最后一步的應(yīng)力場分布。從圖中可知鍛模型腔等效應(yīng)力值主要分布在750~1 500 MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在型腔底部兩側(cè)圓角處，在1 250 MPa以上，主要因為隨著金屬逐漸充填型腔，金屬流動阻力增大，在模具圓角處金屬難以充滿，較容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為更好地反應(yīng)鍛模型腔圓角處的等效應(yīng)力分布狀態(tài)，對鍛模等效應(yīng)力最大部位型腔進行剖切，如圖7所示。觀察模體等效應(yīng)力分布可知，型腔圓角處應(yīng)力較為集中，等效應(yīng)力在1 250 MPa以上區(qū)域的型腔深度約為15 mm，最大應(yīng)力值超過1 750 MPa。

圖6 錘鍛模等效應(yīng)力分布

圖7 錘鍛模剖面等效應(yīng)力分布

圖8為該鍛模在鍛造最后一步的最大主應(yīng)力場分布圖。從圖中可知鍛模型腔底部凹槽圓角部位受到拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力超過1 250 MPa，在該區(qū)域容易因受拉而產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)的鍛模梯度堆焊材料選擇上需要重點考慮。模具兩側(cè)橋部附近區(qū)域主要受到壓應(yīng)力，在工作情況下容易產(chǎn)生磨損以及壓塌變形，在堆焊設(shè)計時該區(qū)域需要選擇高硬的耐磨材料。為了更好地反應(yīng)鍛模型腔圓角處的最大主應(yīng)力分布狀態(tài)，對鍛模最大主應(yīng)力最大部位型腔進行剖切，結(jié)果如圖9所示。觀察模體最大主應(yīng)力分布狀態(tài)可知，型腔圓角處最大拉應(yīng)力向模具基體擴展并隨著擴展深度的增加逐漸減小。對其應(yīng)力擴展深度進行測量分析可以得到其應(yīng)力分布具體情況，即最大拉應(yīng)力在750 MPa以上區(qū)域的型腔深度約為10 mm。為了有效釋放模具應(yīng)力，避免產(chǎn)生開裂，可考慮在該區(qū)域堆焊一定厚度的軟質(zhì)材料，通過軟質(zhì)材料的輕微塑性變形使拉應(yīng)力得到釋放。該區(qū)域是工件成形最后充填區(qū)域，可稍微降低強硬度要求。

圖8 錘鍛模最大主應(yīng)力分布

圖9 錘鍛模剖面最大主應(yīng)力分布

3 某16 t錘鍛模延壽梯度增材再制造

根據(jù)上述結(jié)論并結(jié)合梯度結(jié)構(gòu)各材料層熱物理性能，便可得到如圖10所示的鍛模梯度結(jié)構(gòu)模型。在模具基體D上堆焊過渡材料JX104，該材料的硬度及高溫壓縮強度都比模具基體更好，能提高模具表面性能；同時其高溫硬度比表面強化層材料JX105低，能夠減緩硬度梯度，弱化堆焊層、熱影響區(qū)和基體在強度、塑性、韌性等方面存在的明顯差別，使整個梯度堆焊結(jié)構(gòu)層的組織和性能呈緩慢過渡趨勢。

圖10 鍛模型腔梯度增材再制造結(jié)構(gòu)示意圖

在橋部以及模具型腔凸臺區(qū)域堆焊表面強化材料JX105，該材料具有較好硬度、耐磨性以及耐高溫性，可以很好改善鍛模型腔該區(qū)域易發(fā)生的壓塌變形、磨損等問題。

因鍛模型腔底部凹槽圓角部位受到拉應(yīng)力容易產(chǎn)生裂紋，為了有效釋放模具應(yīng)力，考慮在該區(qū)域堆焊一定厚度的止裂材料JX202。該材料在回火溫度變化下硬度變化不大，總體較低，高溫穩(wěn)定性能極佳，同時塑性好、延伸率高，在鍛打時可以通過該止裂材料的輕微塑性變形使拉應(yīng)力得到釋放，避免模具產(chǎn)生開裂。

4 錘鍛模生產(chǎn)驗證

再制造鍛模生產(chǎn)驗證結(jié)果如圖11所示。與再制造前該鍛模失效情況對比，從外觀上看再制造鍛模鍛打后模具基本無變形，表現(xiàn)很好，模具局部表面基本無磨損，也看不到明顯的刮擦等現(xiàn)象。原鍛模壓塌、墩擠變形以及磨損嚴(yán)重部位，均得到極大改善；服役壽命從原鍛模的一件提升至6件，至少提升6倍。

圖11 再制造鍛模生產(chǎn)驗證

該再制造鍛模服役后三坐標(biāo)尺寸（如圖12所示）及表面進行的探傷檢測結(jié)果表明：其變形最大部位—橋部，由原鍛模鍛打一件后的變形15~20 mm，降低為鍛打6件后的1.5 mm，變形量大大降低；型腔表面無缺陷，可以繼續(xù)服役使用。

圖12 再制造鍛模服役后下模三坐標(biāo)尺寸檢測

5 結(jié)論

根據(jù)錘鍛模實際損傷情況以及數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計了某16 t錘鍛模延壽梯度增材再制造工藝。

（1）原鍛模鍛打一件后，變形最大部位為橋部，變形量最大為20 mm；再制造鍛模鍛打6件產(chǎn)品后，變形最大部位也為橋部，但變形量最大為1.5 mm。變形量大大降低。

（2）原鍛模鍛打一件后，因局部變形量過大而失效；再制造鍛模鍛打6件后，經(jīng)檢測，原鍛模壓塌、墩擠變形以及磨損嚴(yán)重部位均得到極大改善，型腔表面無缺陷；服役壽命從原鍛模的一件提升至6件，至少提升6倍。

（3）與原鍛模相比，優(yōu)化后的鍛模耐磨性極大提升，服役壽命顯著提高，實現(xiàn)了模具循環(huán)再制造。