張小平

(渭南市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南 711711)

前言

目前在國內(nèi)，只有個別鋼廠生產(chǎn)的小批、高質(zhì)量H13鋼在組織和性能與國外生產(chǎn)的H13鋼相差無幾，但是在國內(nèi)現(xiàn)有的工藝水平和生產(chǎn)環(huán)境的限制下，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性不能得到保證[1]。所以國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼市場仍是被國外進(jìn)口的H13鋼所填充?，F(xiàn)階段，熱作模具鋼的主要研究領(lǐng)域是如何改良現(xiàn)有熱作模具鋼的鋼種，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高熱作模具鋼的性能，同時對降低成本提高生產(chǎn)效率，具有相當(dāng)重要的經(jīng)濟(jì)價值和現(xiàn)實意義[2]。

隨著計算機(jī)技術(shù)快速的發(fā)展，計算機(jī)科學(xué)已經(jīng)成為一門新興的學(xué)科，鑄造工藝的計算機(jī)模擬技術(shù)已成為鑄造學(xué)科的探索領(lǐng)域，是對傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)革新的必經(jīng)之路[3]。通過計算機(jī)對鑄件的充型凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對鑄件形成中的各個過程的變化進(jìn)行精確的計算來獲得合適的鑄件成形的控制參數(shù)，包括應(yīng)力場、溫度場、濃度場的計算[4]?？梢栽阼T造工藝設(shè)計階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷、大小，部位以及發(fā)生的時間進(jìn)行預(yù)測。

ProCAST作為評價和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品與鑄造工藝而開發(fā)的專業(yè)CAE系統(tǒng)，可以模擬金屬在鑄造階段中的流動情況，準(zhǔn)確顯示裹氣、充填不足、冷隔和熱節(jié)的位置及變形與殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確的預(yù)測鑄造階段中組織的變化和縮孔、縮松[5～8]。因此能夠?qū)﹁T件在成形階段中的流場、應(yīng)力場和溫度場進(jìn)行模擬分析并且預(yù)測鑄件品質(zhì)，從而改良鑄造工藝參數(shù)和試驗方案[9]。

筆者以H13模具鋼為模型合金，采用專業(yè)的鑄造過程數(shù)值模擬軟件對熱處理工藝方案進(jìn)行模擬。在模擬過程中，首先對邊界條件(界面換熱系數(shù))以及初始條件(澆注速度、澆注溫度)等進(jìn)行了模擬研究；其次改變熱處理工藝，如入爐溫度、保溫時間，研究不同工藝下鋼錠內(nèi)應(yīng)力分布，確定最大應(yīng)力位置。本研究成果為減小鑄造應(yīng)力的熱處理工藝開發(fā)提供理論指導(dǎo)，同時供同類生產(chǎn)借鑒使用。

1)以H13模具鋼模型合金為研究對象，基于ProCAST軟件建立合適的有限元模型，綜合考慮變熱物性、相變潛熱、綜合換熱系數(shù)等因素的影響，建立熱處理過程應(yīng)力場和溫度場互相作用的有限元模型。

2)通過不同熱處理工藝模擬實驗，分析不同工藝下工件溫度和瞬時應(yīng)力變化情況，分析熱應(yīng)力在不同時刻分布規(guī)律，得到最終應(yīng)力的分布情況，推斷和預(yù)測工件的變形和開裂的可能性。

1 技術(shù)路線

筆者是在3種不同保溫溫度熱處理工藝的條件下，通過專業(yè)鑄造模擬軟件ProCAST對H13模具鋼應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬。所以要模擬鑄件凝固、冷卻和熱處理過程中的溫度場和應(yīng)力場。

本次試驗主要由兩部分構(gòu)成：脫模過程和熱處理過程。通過ProCAST軟件的特點、模擬試驗的內(nèi)容以及現(xiàn)階段所具有的硬件條件，把整個數(shù)值模擬分開計算，這樣不僅可以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且還可以提高模擬運(yùn)行的速度。

1.1 脫模過程模擬

首先進(jìn)行凝固模擬，在這個過程中主要進(jìn)行凝固和熱計算，試驗到凝固結(jié)束時停止運(yùn)算，其目的是為應(yīng)力計算提供初始流場和溫度場實驗數(shù)據(jù)和對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行收斂性檢驗。

然后進(jìn)行脫模模擬，復(fù)制充型過程的p.dat和d.dat文件到新的目錄下并命名文件名，然后作如下設(shè)置：

1)把鑄件區(qū)域設(shè)置為非空；

2)給所有材料都賦上熱物性參數(shù)；

3)設(shè)置位移邊界條件；

4)除去之前充型模擬中設(shè)定的邊界條件，再設(shè)定新的邊界條件；

5)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場計算。

1.2 熱處理過程模擬

復(fù)制脫模過程的p.dat和d.dat文件到新的目錄下并命名文件名，然后作如下設(shè)置：

1)把鑄件區(qū)域設(shè)置為非空；

2)給所有材料都賦上熱物性參數(shù)；

3)設(shè)置位移邊界條件；

4)除去之前脫模模擬中設(shè)定的邊界條件，再設(shè)定新的邊界條件；

5)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場計算。

2 凝固模擬

2.1 模型建立

H13模具鋼鑄件最大外形尺寸為：長1 965 mm，平均直徑456 mm，材質(zhì)為H13鋼。化學(xué)成分如圖1所示。

圖1 ProCAST數(shù)據(jù)庫中H13鋼的化學(xué)成分

圖2 模具的三維模型圖

根據(jù)相關(guān)資料已經(jīng)對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得了一個相對合理的工藝設(shè)計方案，因此就在這個方案中進(jìn)行鑄件的應(yīng)力分布數(shù)值模擬。鑄件和鑄型的三維模型圖如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格的編輯

先用Proe軟件進(jìn)行三維實體造型，實體模型建好后導(dǎo)入到MeshCAST中先進(jìn)行單位設(shè)定，接下來用REPAR ENVIRONMENT工具列表中的工具按鈕對模型的幾何體進(jìn)行修整，并對模型中一些有問題的線、面在原幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，接著用CHECKG EOMETRY來檢驗幾何文件的質(zhì)量，通過這兩個過程對模型進(jìn)行全面的修復(fù)。

然后在REPAIR ENVIRONMENT進(jìn)行面網(wǎng)格的生成，在MESHING ENVIRONMENT進(jìn)行編輯，在面網(wǎng)格編輯完后進(jìn)行對面網(wǎng)格質(zhì)量的檢驗，然后對其中的未劃分上網(wǎng)格的面和壞網(wǎng)格進(jìn)行修改如圖3所示。

圖3 模具工件有限元模型

最后在MESHING ENVIRONMENT中產(chǎn)生體網(wǎng)格并在QUALITY CHECKING ENVIROMENT中觀察網(wǎng)格，并提高網(wǎng)格質(zhì)量。

2.3 工藝參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬是通過計算機(jī)的模擬計算來替換實際中的生產(chǎn)制造和實驗室試驗，因此為了保證模擬的結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確的反映實際的問題[10～11]。所以有必要保證各種條件、參數(shù)和性能設(shè)置的準(zhǔn)確性。

2.3.1 材料熱參數(shù)設(shè)置

在對有限元模型檢查完成后，接下來就可以對鑄件和鑄型進(jìn)行相應(yīng)的材料設(shè)置，因為在凝固階段進(jìn)行應(yīng)力場和溫度場的數(shù)值模擬，所以設(shè)置了應(yīng)力參數(shù)和材料的熱物性參數(shù)[12]。對于鑄件我們采用實際生產(chǎn)中的H13，實際生產(chǎn)中是采用H13來做鑄型[13]。兩種材料的物性參數(shù)都是由軟件材料庫提供。

2.3.2 界面建立及參數(shù)設(shè)置

在材料已經(jīng)定義好后，接下來設(shè)置各個材料之間的界面條件參數(shù)[14]。在本課題中鑄件和鑄型間只有一個界面，并且在全部模擬過程中鑄件和鑄型是始終接觸的，因此將鑄件和鑄型間的界面設(shè)置成一致性界面。根據(jù)鑄件和鑄型間的界面?zhèn)鳠釛l件，我們把傳熱系數(shù)設(shè)置為h=2 000 km2/W。

2.3.3 邊界條件的設(shè)置

在設(shè)定好界面條件后，接下來設(shè)置邊界條件。工件在加熱或者冷卻的過程中，會與外界環(huán)境之間發(fā)生過程較復(fù)雜的換熱，而邊界條件即為對這一換熱過程的描述[15]。

在邊界條件中需要設(shè)置冷卻方式?？諝獾臏囟仍O(shè)為恒溫20 ℃，空冷[16]。

2.3.4 重力設(shè)置

重力加速度對鑄件來說，它的影響是顯著的[17]，所以設(shè)置重力加速度方向是很有必要的。根據(jù)實驗需要，設(shè)置重力加速度的方向為Z軸的負(fù)方向，其大小為9.81 m2/s。

圖4 熱參數(shù)的設(shè)置

2.3.5 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

圖5 充型參數(shù)的設(shè)置

該過程主要進(jìn)行充型模擬，為模擬運(yùn)行提供初始條件[18]。在充型模擬過程中要計算充型過程的應(yīng)力場和溫度場，因此在運(yùn)行參數(shù)中需要設(shè)置通用參數(shù)、熱參數(shù)和充型參數(shù)[19]。

通用參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置180 000步后結(jié)束運(yùn)行。

儲存的模擬結(jié)果要有精度，所以把結(jié)果儲存步設(shè)為50步，其它采用默認(rèn)值。具體設(shè)置如圖4所示。

將FLOW設(shè)為0，關(guān)閉流體模塊。儲存步要和熱模擬設(shè)置的一樣，其它采用默認(rèn)值。具體設(shè)置如圖5所示。

完成所有設(shè)置后，就可以保存、退出ProCAST。

2.4 模擬運(yùn)算

在所有的工藝參數(shù)設(shè)置完成后，會得到兩個文件，分別是是p.dat文件和d.dat文件。然后可以通過運(yùn)行ProCAST來進(jìn)行凝固過程的數(shù)值模擬計算，在運(yùn)行ProCAST時要加上DataCAST的選項，本質(zhì)上是將得到的上面兩個文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的文件，并且檢查運(yùn)行是否正常，以便可以使運(yùn)算模塊能夠讀取并且可以運(yùn)行，如果不能進(jìn)行運(yùn)算，那么接下來要進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

3 熱處理模擬

在進(jìn)行完了凝固模擬后就可以熱處理的應(yīng)力模擬，接下來具體說明熱處理模擬的過程及相關(guān)設(shè)置。

3.1 有限元模型

因為是接著上面的凝固模擬繼續(xù)進(jìn)行熱處理的模擬，因此有限元模型和上面的步驟是相同的，需要把凝固模擬中的d.dat文件和p.dat文件復(fù)制粘貼到新的目錄下，并重新命名文件名來進(jìn)行熱處理過程的模擬。

3.2 熱處理工藝設(shè)置

在熱處理應(yīng)力分布模擬這一過程要進(jìn)行的是熱模擬和應(yīng)力模擬[20]，因此其工藝參數(shù)的設(shè)置會和凝固模擬有不一樣的地方，在此主要敘述其不相同的，不會提及與凝固模擬設(shè)置相同的。

3.2.1 材料屬性設(shè)置

在材料屬性設(shè)置中，鑄件的材料設(shè)置不需要更改，在熱處理中不需要鑄型，故不需要設(shè)定其材料屬性[21]。

3.2.2 界面參數(shù)設(shè)置

在熱處理過程中，只有鑄件，故設(shè)定換熱系數(shù)h=0 km2/W[22]。

3.2.3 初始條件設(shè)置

在每次模擬開始的時候，每個材料的初始溫度必須設(shè)置，在熱處理模擬中，鑄件的初溫度就是鑄件的入爐溫度[23]。所以分別設(shè)定其為200 ℃、400 ℃、600 ℃。

所有設(shè)置完成之后，保存并退出ProCAST。

3.3 模擬運(yùn)算

在所有的工藝參數(shù)設(shè)置完成后，接下來進(jìn)行模擬運(yùn)算，具體的步驟和凝固模擬的是相同的[24]。在模擬的運(yùn)行過程中在ViewCAST檢看應(yīng)力的收斂情況，以便可以及時的發(fā)現(xiàn)錯誤。

4 溫度場分析

(a)200 ℃ (b)400 ℃ (c)600 ℃

圖6三種保溫溫度條件下，工件完成熱處理到6 900 s時的溫度場

工件的應(yīng)力產(chǎn)生原因在于：當(dāng)溫度發(fā)生改變時，因為工件受熱不均勻，所以在各個部位存在著溫度差，從而導(dǎo)致各個部位的收縮變形或膨脹變形不同[25]。但工件又是一個整體，因此會使得工件各部分相互約束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，稱其為熱應(yīng)力[26]。首先進(jìn)行溫度場分析，如圖6所示。在3種熱處理工藝下工件的溫度場分布規(guī)律：從工件的內(nèi)表面到外表面溫度逐漸降低，在工件的凸出部位和內(nèi)外壁間以及尖角處形成較為密集的溫度梯度[27]。

與此同時，從圖6中還可以看出，隨著入爐溫度的不同，工件的外表面的溫度也不相同，入爐溫度越高，對于相同部位，熱處理結(jié)束時的溫度越高[28]；而且工件的溫度梯度越小。入爐溫度為200 ℃時，工件表面的溫度分布從最大溫度881 ℃到最小溫度650 ℃；入爐溫度為400 ℃時，工件表面的溫度分布從最大溫度881 ℃到最小溫度713 ℃；入爐溫度為600 ℃時，工件表面的溫度分布從最大溫度881 ℃到最小溫度780 ℃。

通過上面的分析可知，在3種入爐溫度條件下，工件的溫度場分布情況基本一致；因為工件的入爐前的整體溫度比保溫溫度高，熱量自然由內(nèi)向外傳導(dǎo)，所以工件的整個熱處理過程的溫度場分布都是相似的，但在入爐溫度改變的條件下，工件的外表面溫度和整體溫度差有所改變。最后的結(jié)論不同入爐溫度下得到的溫度場分布規(guī)律相同，但因為工件的熱處理溫度不同，所以熱處理結(jié)束時的溫度大小不相同。在保溫溫度為600 ℃下，溫度分布最為均勻。

(a)0 s (b)2 000 s (c)4 000 s (d)6 000 s

圖7在200 ℃保溫溫度下各時段溫度場分布

接下來分析工件在不同時間下的溫度場變化，如圖7所示。在整個工件的熱處理過程中，各個部位的溫度分布不均勻，從開始運(yùn)行到運(yùn)行結(jié)束即1 000～7 000 s之間。開始時，在工件的凸出部位形成很高的溫度梯度，同時在內(nèi)外壁間以及尖角處也出現(xiàn)了較高的溫度梯度。隨后，內(nèi)外壁以及尖角處的溫度梯度逐漸減小，但在凸出部位的溫度梯度依然存在。因此推測工件的最大應(yīng)力位置在這個部位[29～30]。

5 溫度分布曲線分析

在模型中選取一系列能夠反映冷卻速度的點進(jìn)行分析，如圖8所示，選取工件外表面(點1，點55 886)和次表面(點2，點55 368)以及芯部(點3，點54 380)，工件的軸線處一系列點(點4，點685、點5，點14 351、點6，點32 816)。

圖8 冷卻速度分析選點示意圖

對選取的點進(jìn)行冷卻曲線分析，如圖9所示。

圖9(a)是工件在200 ℃熱處理時的冷卻曲線。從其圖中可以看到，1點的冷卻速度最快，依次是2點、4點、5點、3點和6點。其中2點和5點冷卻速度接近，3點和6點冷卻速度接近。1點、2點、4點靠近工件表面，因此冷卻速度相比其它點大；3點、5點和6點在工件芯部因此傳熱較慢。

圖9(b)是工件在400 ℃熱處理時的冷卻曲線。從其圖中可以看到，1點的冷卻速度最快，依次是2點、5點、3點、6點和4點。其中2點和5點冷卻速度接近，3點和6點冷卻速度接近。整體冷卻曲線的走向與圖9(a)基本一致，但因為保溫溫度升高，因此整體的冷卻曲線變的較為平緩，點1與點4最為明顯。

圖9(c)是工件在600 ℃熱處理時的冷卻曲線。從其圖中可以看到，1點的冷卻速度最快，依次是2點、5點、3點、6點和4點。其中2點和5點冷卻速度接近，1點、3點和6點冷卻速度接近。在保溫溫度為600 ℃時，整體冷卻曲線變的更加平緩，并且內(nèi)外部的溫度分布更加均勻。

對圖9中進(jìn)行總結(jié)，可以看出任何一點的冷卻速度都隨著工件的保溫溫度的升高而降低，200 ℃保溫時的冷卻速度最快，600 ℃保溫時冷卻速度最慢。這是因為提高保溫溫度，會對工件的外部進(jìn)行加熱，降低了內(nèi)外部之間的溫度差，使之整體溫度保持均勻[31～33]。

(a)200 ℃ (b)400 ℃ (c)600 ℃

圖9工件各點在不同熱處理時的冷卻曲線

6 應(yīng)力分析

在熱處理過程中，工件逐漸收縮，并且因為各處的冷卻速度的不相同，使得各部位的收縮速度不同，相互阻礙，從而發(fā)生變形產(chǎn)生應(yīng)力[34～39]。

在溫度場的分析中，我們推測最大應(yīng)力位置在工件的凸出部位，接下來我們將對應(yīng)力場進(jìn)行分析。工件在熱處理過程中，應(yīng)力分布不斷地在改變[40～43]。如

(a)200 ℃ (b)400 ℃ (c)600 ℃

圖10所示，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在芯部以及軸線的兩側(cè)區(qū)域。最大應(yīng)力位置與在溫度場分析結(jié)果基本一致，在工件的凸出部位。工件的有效應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸變大，這是因為工件的冷卻規(guī)律造成的，并且通過對比三幅圖發(fā)現(xiàn)隨著保溫溫度的升高，工件的有效應(yīng)力的分布規(guī)律沒有發(fā)生大的改變，只是具體值發(fā)生了的變化。并且在圖中還可以看出，隨著保溫溫度的升高，工件的有效應(yīng)力在一定程度上減小，這是因為保溫溫度的提高，工件的冷卻速度降低，工件各個部位的冷卻速度的差值減小，工件整體的同步性得到了提高，因此應(yīng)力值會減小[44～45]。與前面所述的冷卻速度的分析結(jié)果相符合，即工件在熱處理中的冷卻速度隨著保溫溫度的升高而降低。

7 變形分析

工件在熱處理爐中繼續(xù)冷卻，工件不斷發(fā)生變形從而產(chǎn)生應(yīng)變[45]。

首先給出工件在保溫溫度為200 ℃，從運(yùn)行開始到運(yùn)行結(jié)束時的網(wǎng)格變形如圖11(a)所示；再給出保溫溫度為400 ℃和600 ℃，整個熱處理過程的網(wǎng)格變形圖如圖11(b)和圖11(c)所示。

從圖11中可以看出，工件在不同熱處理溫度的總位移分布規(guī)律是相同的，從軸線到表面的位移是逐漸變大的，邊角處比工件內(nèi)部的位移大，即表面的邊角處總位移最大。同時可以得出結(jié)論：保溫溫度越高，變形越小。

(a)200 ℃ (b)400 ℃ (c)600 ℃

8 結(jié)論

本課題基于ProCAST數(shù)值模擬軟件，以H13鋼為模擬研究對象，在3種不同保溫溫度下進(jìn)行熱處理工藝過程應(yīng)力場、溫度場數(shù)值模擬；通過分析熱處理過程的應(yīng)力場、溫度場、變形情況、應(yīng)力分布和各部位應(yīng)力、隨時間的變化過程，得到以下結(jié)論：

1)在3種保溫溫度條件下，工件溫度場分布規(guī)律是相同的；但保溫溫度改變了鑄件的整體溫度的大小，保溫溫度越高，工件的溫度差越小。

2)工件的冷卻速度隨著工件的保溫溫度的升高而降低，在200 ℃保溫時冷卻速度最快，600 ℃保溫時冷卻速度最?。还ぜ谋販囟仍降?，冷卻速度越快。

3)熱處理過程中，隨著保溫溫度的升高，工件的有效應(yīng)力的分布規(guī)律沒有發(fā)生大的改變，但具體值發(fā)生變化。隨著保溫溫度的升高，工件整體的有效應(yīng)力將越小。

4)最大應(yīng)力區(qū)域主要集中在芯部以及軸線的兩側(cè)區(qū)域。

5)熱處理過程中，隨著保溫溫度越高，熱處理后的位移值將越小。