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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)也不相同。為了制造適合實(shí)際生產(chǎn)的長(zhǎng)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(qiáng)度，需要分析該鍛模在鍛造過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)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(jìn)行模擬仿真，分析某16 t錘鍛模在成型過程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)到延長(zhǎng)模具壽命的目的。

1 鍛模失效分析

一般熱鍛模服役時(shí)，與成形金屬在高溫下有較長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)負(fù)荷、高精密模鍛設(shè)備和高強(qiáng)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(jī)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(diǎn)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(duì)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(dòng)的金屬劇烈地摩擦研磨型腔表面，導(dǎo)致凹模膛擴(kuò)展和凸緣磨鈍；此外，塑性變形流動(dòng)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(jī)械磨損。在熱負(fù)荷的作用下，特別是型腔的溫度過高時(shí)，型腔會(huì)因回火效應(yīng)而致表面軟化，同時(shí)表面的氧化也將加劇，兩者均將加劇磨損。對(duì)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(qiáng)度下降，當(dāng)溫度高于模具的回火溫度時(shí)，進(jìn)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。模具型腔中的肋和凸臺(tái)等突出部位與變形金屬長(zhǎng)時(shí)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(shí)，就會(huì)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(kuò)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(jì)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(shí)，正確的邊界條件設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性十分重要。結(jié)合實(shí)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(duì)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(zhǎng)增量，根據(jù)需求設(shè)置保存的步長(zhǎng)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(jìn)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(jì)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(chǎng)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(dòng)區(qū)易出現(xiàn)疲勞裂紋，溫度波動(dòng)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(chǎng)分析主要集中研究溫度波動(dòng)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(chǎng)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(shí)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(tái)處，上模最大溫度約為386℃，下模最大溫度約為377℃?？傮w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(chǎng)分布

二火終鍛后鍛模的溫度場(chǎng)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(tái)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(huì)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(jì)時(shí)需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。模具其他位置基本維持預(yù)熱溫度350℃，在進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可忽略該溫度對(duì)模具壽命的影響。

圖5 二火終鍛鍛模溫度場(chǎng)分布

此外，模具除了經(jīng)歷鍛打過程，還會(huì)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(rùn)滑階段，受到低溫潤(rùn)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(jì)時(shí)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(duì)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(rùn)滑時(shí)間較短，對(duì)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(diǎn)關(guān)注型腔表面堆焊材料的選擇。

2.4 錘鍛模應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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?jī)蓚?cè)圓角處，在1 250 MPa以上，主要因?yàn)殡S著金屬逐漸充填型腔，金屬流動(dòng)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(duì)鍛模等效應(yīng)力最大部位型腔進(jìn)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(chǎng)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(diǎn)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(jì)時(shí)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(duì)鍛模最大主應(yīng)力最大部位型腔進(jìn)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(kuò)展并隨著擴(kuò)展深度的增加逐漸減小。對(duì)其應(yīng)力擴(kuò)展深度進(jìn)行測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度都比模具基體更好，能提高模具表面性能；同時(shí)其高溫硬度比表面強(qiáng)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(qiáng)度、塑性、韌性等方面存在的明顯差別，使整個(gè)梯度堆焊結(jié)構(gòu)層的組織和性能呈緩慢過渡趨勢(shì)。

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(tái)區(qū)域堆焊表面強(qiáng)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(shí)塑性好、延伸率高，在鍛打時(shí)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(yàn)證

再制造鍛模生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示。與再制造前該鍛模失效情況對(duì)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(yàn)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(jìn)行的探傷檢測(cè)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(cè)

5 結(jié)論

根據(jù)錘鍛模實(shí)際損傷情況以及數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cè)，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(shí)現(xiàn)了模具循環(huán)再制造。