馬繼堂

我公司生產(chǎn)的刮刀，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)的熱軋剪切設(shè)備上。刮刀材質(zhì)為H13熱作模具鋼，要求硬度45～50HRC。刮刀是截面形狀復(fù)雜的長條形件，熱處理后刃口變形6mm左右，經(jīng)常因變形導(dǎo)致報(bào)廢。

近幾年，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)工件淬火過程的數(shù)值模型，借助計(jì)算機(jī)求解淬火過程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和組織場(chǎng)的變化，并根據(jù)模擬結(jié)果，找出合適的工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)過程提供參考或直接指導(dǎo)生產(chǎn)。

1. 刮刀簡介

刮刀形狀截面尺寸如圖1所示，刮刀長度2070mm。

2. 刮刀材料及熱處理

刮刀選用H13熱作模具鋼，技術(shù)要求48～52HRC。由于考慮變形，加工余量單邊留3mm，由此增加了磨削時(shí)間，大大降低了生產(chǎn)效率。

（1）刮刀的熱處理工藝 采用吊架將刮刀自由懸掛在井式爐內(nèi)加熱。520℃、850℃、1020℃三段階梯升溫，保溫結(jié)束后出爐，油冷至100℃以下，瀝油后，進(jìn)行多次回火，使硬度控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。由于刮刀截面形狀復(fù)雜，采用原工藝淬火、回火后，刃口彎曲變形6mm左右，很難進(jìn)行校正。

（2）刮刀淬火過程計(jì)算機(jī)模擬 利用有限元軟件對(duì)淬火過程進(jìn)行模擬： 建立刮刀三維模型（見圖2），并導(dǎo)入H13材料的熱物參數(shù)。設(shè)定刮刀淬火初始溫度1020℃，油溫設(shè)定為恒溫80℃，油冷時(shí)間30min。換熱邊界采用L-AN46全損耗系統(tǒng)用油的換熱系數(shù)。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖1 刮刀截面尺寸

圖2 刮刀三維模型

（3）模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證 刮刀開始入油淬火，劇烈冷卻，由于開始沒有相變發(fā)生，內(nèi)應(yīng)力以熱應(yīng)力為主。刮刀截面形狀厚薄不一，較厚處冷的慢，較薄處冷的快，產(chǎn)生了熱應(yīng)力變形；而冷到相變點(diǎn)以下，相變應(yīng)力開始和熱應(yīng)力共同作用。模擬結(jié)果表明，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力作用的方向相反，并開始抵消熱應(yīng)力的變形。隨著冷卻的繼續(xù)，變形向熱應(yīng)力變形相反的方向彎曲，即組織應(yīng)力大于熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力逐漸以組織應(yīng)力為主。最終，刮刀的變形內(nèi)應(yīng)力以組織應(yīng)力為主。

模擬結(jié)果表明，冷至720s時(shí)，組織應(yīng)力恰好抵消熱應(yīng)力。因此，改進(jìn)工藝重點(diǎn)在組織應(yīng)力恰好抵消熱應(yīng)力的時(shí)間點(diǎn)上，出油空冷減小后續(xù)相變應(yīng)力，就能有效減小變形。現(xiàn)場(chǎng)油冷時(shí)間設(shè)定720s，出油時(shí)，紅外測(cè)溫槍測(cè)刮刀溫度230℃。空冷后，進(jìn)行多次回火，硬度合格。

采用改進(jìn)的操作工藝，生產(chǎn)了2件2070mm長的刮刀，測(cè)量最大變形量均小于1mm。

圖3 淬火過程不同時(shí)間點(diǎn)的變形趨勢(shì)

3. 結(jié)語

通過有限元模擬，掌握了刮刀的變形規(guī)律，淬火工藝由原來油冷至100℃改為230℃，解決了刮刀淬火變形問題。