滕樹滿，朱 勇

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西柳州 545002）

1 引言

研究表明，對熱鍛模具進行合理預熱可降低模具磨損提升所鍛造材料的充填性能[1]。大型熱鍛模具在服役過程中承受高溫重載，實施合理的預熱工藝對模具服役性能的提升尤為關鍵[2]。然而，由于模具尺寸大，截面厚，在預熱時模具易產生內外溫度差，降低模具性能的均勻性[3～4]。因此，對大型熱鍛模具預熱過程中的溫度場分布特點進行研究，改進預熱工藝，對降低模具預熱過程溫度差，提升鍛造成形質量意義重大[5]。本文基于熱力學模擬軟件求解了模具材料H13鋼在不同溫度下的比熱容，并基于此模擬了不同預熱工藝下的某大型鈦合金鍛件模具溫度場分布特點，以期為大型熱鍛模具預熱工藝的改進優(yōu)化提供基礎性指導。

2 有限元模型建立

2.1 網格模型

本文以某大型鈦合金連接框模具（最大外廓尺寸：1,700×1,300×300mm）為研究對象，為提高運算速率，對模具的型腔進行了部分簡化。

2.2 材料換熱系數的確定

預熱過程中熱鍛模具所受到的熱交換主要來自環(huán)境溫度與模具表面的對流換熱以及加熱爐內壁對其的輻射換熱[6]。無論是對流換熱還是輻射換熱，其換熱系數均是隨模具溫度的改變而不斷地變化。為求解模具材料的換熱系數，將模具材料H13鋼的化學成分（如表1所示）輸入材料熱力學計算軟件JMATPRO求解，獲得了模具材料在不同溫度下的比熱容，如圖1所示。為簡化計算，模具材料的換熱系數取常數0.02N/S/mm/℃。

表1 模具材料H13鋼的化學成分 %

圖1 H13鋼熱交換系數與溫度的關系

2.3 加熱工藝的確定

為研究加熱工藝對熱鍛模具溫度場、應力場的影響，設置了如圖2所示的3種加熱工藝。

圖2 不同預熱工藝的溫度曲線

加熱工藝1：熱鍛模具隨爐加熱，爐內溫度由室溫升溫至300℃后保溫30min，隨后升溫至400℃后保持。

加熱工藝2：熱鍛模具隨爐加熱，爐內溫度由室溫升溫至300℃后保溫60min，隨后升溫至400℃后保持。

加熱工藝3：熱鍛模具隨爐加熱，爐內溫度由室溫升溫至300℃后保溫30min，隨后升溫至350℃后保溫30min，隨后升溫至400℃保持。

3 有限元模擬結果分析及討論

為更直觀地比較大型熱鍛模具在預熱過程中各區(qū)域的溫度場變化規(guī)律，選取模具內部截面上的3點，分別標注P1、P2、P3，其中P1位于模具外表面，P3位于模具內部截面中心，P2為P1與P3的中點，如圖3所示。

圖3 熱鍛模具內部測量點位置示意圖

圖4a、圖4b、圖4c所示為分別對應工藝1、工藝2、工藝3過程中的測量點溫度隨加熱時間的變化規(guī)律，可以看到，不同預熱工藝下大型預鍛模具在預熱時內外均產生了較大的溫度差，采用工藝方案1進行預熱，預熱13,200s后模具內外的溫度差達到最大值40℃，加熱51,000s后（約14.1h）熱鍛模具已經完全預熱透。采用工藝方案2與工藝方案3預熱模具時，模具預熱過程中的內外溫度差分別可降低至30℃與23℃，且模具完全預熱透的時間不會顯著增加，這對實際降低大型熱鍛模具預熱過程中的內外溫度梯度有較大幫助：在預熱大型模具時，模具完全熱透需要較長時間，增加保溫時間和采用多級升溫+保溫的方式均可有效降低熱鍛模具表面與芯部的溫度差。

圖4 熱鍛模具內部測量點溫度隨加熱時間變化曲線圖

4 結論

本文以某大型鈦合金連接框模具為研究對象，基于材料熱力學計算軟件JMATPRO與塑性成形計算軟件DEFORM-3D，模擬了不同預熱工藝下熱鍛模具溫度場的分布情況。結論如下：

（1）大型熱鍛模具連續(xù)加熱過程中溫度分布極不均勻，預熱過程中模具內外溫差可達40℃，加熱 51,000s后熱鍛模具被完全熱透。

（2）增加保溫時間和采用多級升溫+保溫的方式均可有效降低熱鍛模具表面與芯部的溫度差。