張智超，張光亮，張 濤

（臺(tái)州學(xué)院 浙江省工量刃具與深加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臺(tái)州318000）

爪極鍛造成形屬于高筋類鍛件，爪部模膛充填相當(dāng)困難，容易形成折疊等缺陷。因此國內(nèi)學(xué)者對(duì)爪極的成形工藝做了大量的研究。肖紅生、汪晨、張質(zhì)良等[1]分析總結(jié)了冷鍛、熱鍛的缺點(diǎn)，提出溫鍛塑性成形技術(shù)并采用有限元模擬分析了爪極零件溫鍛成形的可行性，對(duì)模具和工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。洪順章、曾振鵬[2]對(duì)爪極成形的難點(diǎn)和容易出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，提出了高速擠壓成形工藝以減小摩擦系數(shù)，提高爪尖充型效果。滕來、王飛、郭成等[3]針對(duì)爪極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形難點(diǎn)，提出了熱擠壓、折彎和冷精整為主的溫冷成形工藝，采用有限元模擬分析和工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了溫冷精密成形的可行性。張韶華、張猛[4]總結(jié)了國內(nèi)外一些純鐵爪極成形工藝，指出了其中的不足之處，并對(duì)冷鍛精整工藝進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了熱鍛反擠壓成形工藝，并與板料沖壓冷精整工藝、冷擠壓工藝、溫冷鍛聯(lián)合工藝、熱冷鍛聯(lián)合工藝和分流反擠壓工藝進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明使用分流反擠壓模具的熱鍛冷精整工藝，生產(chǎn)成本最低。原國森、辛選榮、劉汀[6]在分流反擠壓工藝的基礎(chǔ)之上，針對(duì)正擠壓成形工藝的設(shè)備要求高、鍛造溫度高、模具消耗大等問題，設(shè)計(jì)出分流正擠壓成形新工藝，成形工藝實(shí)驗(yàn)表明分流正擠壓新工藝能夠避免在反擠壓工藝中的缺陷，是值得推廣的新技術(shù)。卓榮明[7]研究了熱處理與表面處理方式對(duì)模具壽命的影響。

綜上所述，爪極熱鍛成形過程，模具受高溫、高應(yīng)力、熱摩擦作用引起失效[8]，壽命低，模具消耗大是爪極熱鍛成形的關(guān)鍵瓶頸。本文針對(duì)這一問題，展開對(duì)模具失效機(jī)理的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，旨在為開發(fā)高壽命模具提供方向性的指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 有限元模擬方法

本文利用UG 進(jìn)行建模，導(dǎo)出STL 格式文件再導(dǎo)入Deform-3D，為提高計(jì)算效率，取對(duì)稱幾何模型的1/2 進(jìn)行計(jì)算。忽略坯料從加熱爐中取出到鐓粗之間的熱傳遞。模具材料采用ASI-H13 鋼，汽車發(fā)電機(jī)爪極材料為08 鋼，有限元模擬時(shí)爪極材料在Deform-3D 的材料庫中調(diào)用。熱鍛工件溫度為1200℃，模具溫度為200℃，模具和鍛件的摩擦因子設(shè)為0.3。

模具磨損的計(jì)算用Archard 磨損模型，公式如下：

式中：p——模具型腔接觸面所受的正壓力；

v——模具與坯料之間接觸面所受的正壓力；

H——模具材料的硬度；

K、a、b、c——分別為模具材料的常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取K=2×106，a=1，b=1，c=2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果，對(duì)實(shí)際熱鍛失效的模具進(jìn)行微觀組織和力學(xué)性能的表征分析。實(shí)驗(yàn)樣品的制備方法：利用線切割從失效下模上取樣，在金相試樣機(jī)上制備金相試樣，用8%的硝酸腐蝕金相試樣，再用純酒精沖洗去硝酸，烘干后進(jìn)行顯微組織觀測(cè)和顯微硬度測(cè)試。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 金屬流動(dòng)分析

有限元模擬的金屬流動(dòng)如圖1 所示，金屬由上而下沿著上模運(yùn)動(dòng)的方向流動(dòng)向爪尖充填，隨著上模向下運(yùn)動(dòng)達(dá)到預(yù)鍛尺寸要求，由于凸臺(tái)模膛、爪部模膛都已經(jīng)充滿，阻礙金屬的流動(dòng)，但是載荷卻不斷加大，多余的金屬變形急劇變形，流向飛邊部位，飛邊前端速度急劇增加。金屬從爪尖和根部的位置發(fā)生流動(dòng)的轉(zhuǎn)彎，且流動(dòng)速度很大，所有往爪尖的金屬都要流過轉(zhuǎn)彎A 處，因而該處模具受到的摩擦作用最為顯著，也容易磨損。

圖1 熱鍛過程金屬流動(dòng)分布

2.2 溫度場(chǎng)分析

有限元模擬預(yù)測(cè)的模具和工件溫度場(chǎng)如圖2所示。工件在爪尖和根部的轉(zhuǎn)角A處由于發(fā)生劇烈的塑性變形和金屬與模具的摩擦作用導(dǎo)致劇烈的溫升，溫度為1260℃。對(duì)應(yīng)的，模具在凸臺(tái)模膛入口圓角處始終與坯料相接于A處，受到工件溫升和摩擦的作用，也出現(xiàn)了顯著溫升，最高溫度達(dá)544 ℃。在轉(zhuǎn)角A 處，模具和工件都出現(xiàn)了顯著的溫度升高，容易導(dǎo)致在該處模具發(fā)生材料的軟化，而降低本身的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致模具變形失效。坯料中心部位變形產(chǎn)生的熱量與凸臺(tái)模膛底部的熱交換損失的能量相當(dāng)，凸臺(tái)模膛入口處產(chǎn)生摩擦熱效應(yīng)，因此坯料中心部位溫度在1200℃左右，凸臺(tái)模膛入口處溫度約為1250℃，凸臺(tái)模膛底部溫度稍低，約為1180℃。

圖2 有限元預(yù)測(cè)的工件和模具溫度分布

圖3 模擬預(yù)測(cè)的模具開裂與實(shí)物對(duì)比

2.3 模具應(yīng)力分析

鍛造模具常因過載而承受過大應(yīng)力導(dǎo)致開裂。利用Deform-3D 軟件，將模具設(shè)置為彈性體，進(jìn)行模具等效應(yīng)力計(jì)算，為模具應(yīng)力分析提供依據(jù)。如圖3 所示為上模等效應(yīng)力分布，應(yīng)力集中出現(xiàn)在過渡圓角部位，最大應(yīng)力約1580MPa。爪極充型過程飛邊形成過程中載荷變化急劇，產(chǎn)生巨大沖擊，在應(yīng)力集中部位導(dǎo)致模具產(chǎn)生微裂紋，隨著鍛造次數(shù)的增加、冷熱循環(huán)、載荷交替，使微裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)展成宏觀裂紋從而導(dǎo)致模具開裂。圖3 所示為某企業(yè)預(yù)鍛上模開裂失效模具，與模擬分析對(duì)預(yù)鍛模具開裂預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

2.4 模具磨損分析

影響模具磨損的主要因素有溫度、變形速度、壓力和模具材料硬度等。模具溫度升高主要由于坯料與模具摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)以及坯料與模具之間的熱交換。模具溫度越高，一方面使模具表面的氧化層被破壞，使模具產(chǎn)生新生面而與坯料直接接觸，另一方面當(dāng)模具溫度在超過500℃時(shí)模具材料處于回火軟化狀態(tài)，降低了表面硬度，因此導(dǎo)致模具磨損加??；鍛造過程中，坯料溫度越高則塑性越好，越有利于金屬流動(dòng)成形，磨具磨損越少。

Deform-3D 根據(jù)Archard 磨損模型對(duì)鍛造過程中的磨損進(jìn)行計(jì)算，該模型忽略了溫度對(duì)模具的影響，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際模具的磨損對(duì)比如圖4 所示。從圖中可以看出，磨損最嚴(yán)重的是兩個(gè)爪部模膛制件凸起部位的外側(cè)C 處，其次是爪部模膛過渡圓角部位B 處，而且C 處磨損量大于B 處。這主要是因?yàn)橥蛊鸩课辉谡麄€(gè)過程中都與坯料相接觸，不斷產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生熱效應(yīng)以及坯料溫度高，與模具之間的熱交換劇烈，從而導(dǎo)致模具表層溫度隨之升高，引起模具抗變形和抗磨損能力降低。凸起部位只有內(nèi)側(cè)面參與成形及起到分流作用，有利于金屬流向爪部模膛及凸臺(tái)模膛的作用，因此上表面磨損對(duì)預(yù)鍛件質(zhì)量影響較小，而爪部模膛圓角部位是爪極成形的一個(gè)重要部位，B 處的磨損是主要導(dǎo)致模具報(bào)廢的原因。由圖2 可見，模擬結(jié)果與實(shí)際模具磨損的位置和磨損嚴(yán)重程度對(duì)應(yīng)很好，同時(shí)揭示了B 處和C處出現(xiàn)的嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，有限元模擬具有較高的預(yù)測(cè)精度，為以后進(jìn)行模具和鍛造方案改進(jìn)提供了一種有效的分析方法。

圖4 下模磨損模擬預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.5 微觀組織和力學(xué)性能分析

對(duì)實(shí)際磨損模具進(jìn)行切片，并進(jìn)行微觀組織和顯微硬度實(shí)驗(yàn)分析。微觀組織分析結(jié)果如圖5 所示，其中D 處為飛邊槽外側(cè)壁，其微觀組織保留了調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)的回火馬氏體加碳化物增強(qiáng)相、表面滲氮層和白亮層也仍然可見，磨損量小。E 處為爪部模膛圓角處其微觀組織顯示出很多表面深入基體的裂紋，且滲氮的白亮層和調(diào)質(zhì)組織已經(jīng)消失，磨損非常嚴(yán)重。F 處是靠近內(nèi)壁的圓角處，該部位顯微組織出現(xiàn)了鋸齒形的裂紋、已經(jīng)沒有滲氮白亮層和調(diào)質(zhì)熱處理組織，而體現(xiàn)為退火態(tài)組織，該處塑性變形嚴(yán)重，材料沿圓角方向向外側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，并出現(xiàn)大量微裂紋。

在爪部模膛填充過程中，由于金屬材料與模具摩擦熱效應(yīng)，坯料與模具進(jìn)行熱交換使該部位溫度急劇升高。對(duì)比圖5 的E、F 處可知，爪部模膛圓角材料組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。圖6 為爪部模膛圓角磨損部位的顯微硬度圖，表面硬度降為150HV 左右。而H13鋼的退火態(tài)硬度為145HV 左右，調(diào)質(zhì)處理后顯微硬度可達(dá)到500HV，如表面滲氮后硬度可達(dá)1000HV以上。因此推測(cè)在磨損部位可能發(fā)生了回火/退火現(xiàn)象，出現(xiàn)回火/退火軟化。同時(shí)抗變形能力也隨著溫度的升高而下降，再加上材料在此處變形劇烈，流動(dòng)速度大，因此磨損十分嚴(yán)重。結(jié)合前面的溫度場(chǎng)分析，E 處、F 處都是溫度最高的位置，也是最容易出現(xiàn)回火/退火軟化的位置，進(jìn)一步論證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 實(shí)際失效下模微觀組織圖

圖6 爪部模膛圓角磨損處硬度

3 結(jié)論

通過對(duì)鍛造過程的金屬變形、溫度和磨損的有限元分析，以及對(duì)失效模具的表面狀態(tài)、微觀組織和顯微硬度的分析，得到以下結(jié)論：

（1）模具在爪部模膛過渡圓角和凸臺(tái)模膛過渡圓角部位溫度最高達(dá)到544℃，材料發(fā)生高溫軟化，組織變?yōu)橥嘶饝B(tài)組織，表面滲氮白亮層已經(jīng)剝落，顯微硬度降為150HV，出現(xiàn)大量微裂紋，因而該處磨損最為嚴(yán)重，提高模具材料的耐高溫性和適當(dāng)降低鍛造溫度是提升下模壽命的有效方法。

（2）對(duì)上模的應(yīng)力分析表明在圓角處最大應(yīng)力1580MPa，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，實(shí)際模具在該圓角處出現(xiàn)了大裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致失效，但磨損并不嚴(yán)重。提高上模壽命的主要途徑是提高材料斷裂韌性和增大圓角半徑。

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