扇形板成形工艺及模具设计外文翻译资料

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摘要

本文描述了在用于热锻时，模具表面上发生的现象。因为本文仅仅有限的研究了在齿轮锻造过程中工具表面层的变化。但很多研究表明，在其它两个闭模锻造工艺的情况下，即分别对盖和轭的锻造，也分别观察到类似的变化。这个调查由FEM辅助，其提供了关于锻造条件的大量信息。最强烈的工具的磨损发生在它们与被锻造材料的最长接触的位置，而不管生产锻件的数量。研究表明，影响研究的锻造过程最不利的因素之一是热机械劳，它导致细裂纹迅速发展成在整个工具/锻造材料接触表面上延伸的裂缝网络。所研究的模具的磨料磨损也有一部分是因为材料在磨料氧化物表面的强烈流动和热机械疲劳产生的工具钻头。于是尝试使用Archard模型模拟磨料磨损现象。

1.引言

热锻造工具具有相当短的寿命，这取决于锻造工艺条件、工具设计、热处理（适合于工具材料）、预成型件的形状、工艺等。为了提高用于热锻造和温锻造工艺中使用的工具的耐久性，需要准确地识别工具的表面层在其工作过程中发生的由各种失效机制引起的变化。大约15年前，这个领域有很多研究，但由于技术能力不足，其结果难以解释。然而，降解机制被各种解释，并且由于许多现象同时发生的事实而使问题复杂化。一般，工具疲劳在冷成形中是关键的，而过度的磨料磨损，材料的塑性流动和热疲劳在热塑成型中是关键的。最困难的情况是在蜗杆成形中，因为每个现象可以同样重要。在这种情况下工具必须承受非常高的压力（如在冷成形中），同时它们必须耐高温（如在热成形中）。根据兰格工具寿命，高的成形工艺温度取决于磨料磨损在70％的情况下。然而，这个观点是一个较大的简化，因为主要失效机理主要取决于模具的操作条件，并且可以在过程中改变。此外，其他机制可能主导模具的一些特定区域。这样看来，尽管在研究能力上有了很大程度上的增长，但怎样描述工具失效现象这个问题近年来一直被忽视。在热和温锻模具的表面上发生的物理现象的强度取决于锻造工艺条件，设计，制造和工具的热处理，坯料和预成型坯的形状等。大量而又大不相同的因素对锻造过程产生了很大的影响，而且它们之间的相互作用使得该过程变得分析困难。到目前为止的研究表明，对于模具表面层的影响，下面列出的磨损机理是决定性的。

磨料磨损是由材料损失，主要是通过材料颗粒与表面的分离。这个过程发生在当松散或固定的磨料颗粒或较硬的材料突起（作为局部微刀片）处于摩擦区域相互作用的时候。

粘着磨损发生于摩擦面之间产生局部粘结而形成的表面上，当金属颗粒脱离或当金属被涂抹在摩擦面上时被破坏时，如果在实际接触的区域中的颗粒的两个摩擦面足够接近到在分子力范围内的距离。那么在高的单位压力下，低速滑动摩擦会使黏着磨损情况发生。

氧化磨损是在摩擦情况下金属表面的毁坏过程，由于在摩擦区域由氧气的吸附而形成的氧化物涂层的分离和氧在塑性和弹性变形时在金属微体积内的扩散，伴随着形成固溶体膜。这种磨损发生在氧化物涂层的形成速率高于由磨损引起的表面劣化[10]。

热机械疲劳磨损是一种由局部内聚力损失造成的磨损，材料损失是由在接触表面发生的周期性的接触压力而产生的材料疲劳造成，由于微应变在表面层中的积累而导致的内应力和应力产生的叠加外部负载和热负载。因此金属的位脱离基体[11,12]。

另一个破坏性因素，导致大量工具在锻造过程中损坏或磨损，是模具印模和冲头的永久变形。设计锻造工具（特别容易发生塑性变形）时，必须确保等效应力不超过任何工具点的材料屈服应力[13]。

特定工艺对模具表面层的影响和其磨损的影响通常分别进行分析。目前对磨损的物理过程没有综合详细的描述，因为这将考虑到所有的现象，其强度根据锻造参数和模具的位置而变化，反过来其又确定接触时间的长短和温度的变化。

今天，大多数基于FEM的计算机应用如CAD / CAM / CAE，广泛用于设计，分析和优化金属成形工艺，包括锻造工艺。特别设计新的金属成型工艺是非常方便的[14,15]。计算机工具有助于用于制造复杂产品的新技术的发展，特别是对于汽车工业。在有限元方法应用于计算磨料磨损体积方面的大批研究已经通过使用Archard详述的模型[16]进行。[17]在Archard模型中确定模具表面不同点的磨损系数。 Kang et al [18]提出了一种包含热软化的磨损模型并用它来计算温锻模的磨损曲线。Kim et al[19]认为使用FEM可估计模具使用寿命对塑料热锻造过程中的变形和磨损。 Gronostajski et al。 [20]提出了一种基于FEM的专家预测系统预测工具的耐久性。

考虑到今天的研究能力很大大于20年前，有限元法提供了很多的关于工艺参数的信息，扫描激光系统以高分辨率确定工具磨损量，微观结构也更详细，故障现象可以更彻底地探索[21,22,23]。本篇论文提出了热锻造工具失效机理的详细分析，通过有限元法提供了很多关于信息，例如工具中的温度分布的信息，工具上的正常应力等，这有助于解释锻造工具的失效机制现象。

2.研究的工艺过程的描述

热模锻工艺由几个操作组成。 首先操作通常是预成型坯在开模锻造中形状和尺度被去除。由于预制件的公差都远远低于终端产品，因此工具磨损不是那么重要。通常，工具具有简单的形状没有任何尖角，并且应力远低于中下一步操作。通常，工具仅经热处理并且没有额外的硬化层。通常，模具是在该操作中既不润滑也不冷却。在接下来的操作中，发生闭模锻造，这需要更大的锻造压力和对锻件的更严格的要求，由此，通过氮化或冷却它们减小模具磨损是至关重要的。

作者对不同锻造公司的工具耐久性进行了非常广泛的研究。三种有着类似的工具磨损现象的代表性锻造工艺，即锻造分别是齿轮，盖和磁轭被深入研究。因为本文主要局限在方法1的操作2中用于底部模具插入件的表面层，作为最具代表性的。在其他闭模锻造中也观察到类似的变化。

2.1. 齿轮锻造

该过程在三个连续操作中进行：1）镦锻，2）阻塞锻造，3）用25MN的压机吨数在曲柄上的精锻（图1a）。研究过程使用的工具是由工具钢H13（钢1.2344）制成。在热处理之后，用于操作2和3的工具氮化至硬度为1100-1200HV。 氮化层约0.2mm厚。 特定操作的平均工具寿命是：操作1 - 约3万锻造单元，操作2 - 约8,000单元和操作3-20万单位。 操作2和3中的工具用a石墨悬浮液润滑（4％石墨和96％水）。 照片磨损的工具如图1所示。

预型件和工具的加热被精确地控制着。通过分布热敏电阻和高温计测量工具的温度分布，而粘贴热电偶用于测量坯料的温度（图2a）。应该注意，测量的工具的温度是大概的，因为辐射系数在0.9-0.95范围内波动和工具没有光泽。
工具上的温度如图1所示。 2b。最初的坯料的温度为1150-1170℃（锻造温度）。由于在第二和第三操作中的工具用石墨悬浮液润滑，因此它们的温度第一、第二和第三约是500℃，250℃和250℃。锻造过程由人工控制步骤，一个周期的时间为14-17秒。锻造材料为钢1.7147。

3.沿刀具横截面的磨损分布

对于底部模具插件在操作2中（其寿命已被发现为最短）的工艺表面层在工艺过程中的变化进行了研究。所给出的结果是从3套工具得到的平均值。

使用GOM ATOS II光学扫描仪测定工具的特定区域中的磨损程度。机器规格为：每次扫描1 400 000个测量点，250*200* 200 mm³测量面积，精度0.05 mm。扫描器使得可以在锻造过程之前和之后扫描模具的有效表面。通过获得的图像比较发现，无论锻造的数量单位，最强烈的磨损发生在最长与锻件接触的区域，即在区域1和区域3（在闪光处）（图3）。

图4示出了分别在500，1850，4300，6900网格下所研究区域中模具在沿着最高磨损量幡然横截面方向的最大磨损值（在图3中标记）。

4.模具载荷的FEM确定

为了确定在一个锻造模具中的磨损机制的强度，我们必须知道其工作条件，如：圆周应力和径向应力，温度变化，法向应力，滑动距离，相对滑动速度和接触时间。测量坯料和模具的初始温度，而在过程中温度的变化通过FEM计算。还有环向和径向应力，正常应力，滑动距离，相对摩擦速度等接触时间通过FEM测定。

锻造工艺的技术文件，包括工具图纸，压力机规格和为特定操作测量的锻造时间，用于通过MSC.MARC软件构建有限元模型在轴向对称的应变状态的FEM模型。在数值模型中的工具假定是可变形的。第1和第2锻造操作模型示意图为图5.材料数据，即热膨胀，比热，导性，杨氏模量 - 温度依赖性和泊松比率（以及应力 - 应变依赖性，应变速率和温度）取自MATILDA材料数据库。预制件材料的应力 - 应变曲线在使用GLEEBLE模拟器镦锻进行的镦粗试验中测定。初步有限元模拟表明应变速率从0.1变化到100s ^-1，温度范围为600至1200℃。在GLEEBLE测试中的温度为750℃，850℃，1050℃，1250℃，应变速率为：0.1，1，10，100s ^-1。使用弹性材料模型描述模具杨氏系数为2*10⁵MPa。

根据实际过程中测量的初始温度，在FEM中假定以下温度：预成型坯 - 1160°C，工具在第一次操作 - 500°C（模具未润滑），并且在第二和第三操作中的工具 - 250℃。与接触和与环境的热交换系数分别假定为2500和35W /（m2*K）。第一和第二操作的模型由用于轴对称应用的任意四边形等参数元素组成。坯料由开始的1780变为重新设置后的3007个网格组成。工具包括第一操作1680网格的上工具和1750网格的下工具，为第二操作3922网格的上工具和3995网格的下工具。通过比较从建模获得的力与在压力24MN上测量的真实力来确定库仑摩擦模型假定具有的系数为0.35。

通过比较在FEM中获得的部件的形状与物理部件证实了建模的正确性。第一和第二锻造操作之后的锻件的形状的比较在图片6中。锻造横截面的宏观结构和连续操作中的应变分布证明该过程的数值模型可以可靠地描述材料塑料流动。

由于环向应力和径向应力对于表面裂纹是最关键的开裂，因此它们作为第一位被测量（通过FEM）的量（图7）。

所测量的应力的最大值可达到2000MPa。环向应力略高于径向，在区域1中达到最高值，而在区域3中，它们只在桥的最边缘达到高值。在区域2的应力达到1100-1300MPa。

图8示出了锻造后立即通过建模确定的工具中的温度分布。

图9示出了通过有限元模型确定的正应力在十字形截面中的分布。最高正应力出现在区域1，大约1000MPa。区域2和3的正应力可分别达到600MPa和500MPa。

由材料损失造成的磨损主要是由于材料颗粒从表面分离，并且主要取决于材料硬度，正常压力和滑动距离。根据Archard（1953）方程，较低的硬度，更高的压力和更大的滑动距离通常导致更大的磨料磨损。由FEM确定的滑动距离（图10）和最高压力（图9）表示最大磨损应该在区域1.然而这不适用于区域2和3。在区域3中测量的真实磨损比区域2（图4）中的高10倍，尽管区域3中滑动距离和的硬度（氮化工具）类似于区域2。

5磨料磨损的建模

根据关于该主题的文献，在成形过程中高温下的模具材料的损失取决于在70％的磨料磨损情况下并且可以通过Archard方程建模。

与Archard模型一致，锻造的任何时刻的磨损率可以假设写为：w（1）=V_rel 在一个循环中的磨损是：w（1）=.最后，任何数量C的锻造循环的所有磨损都可以由下式表示：w（c）。其中：w是磨损值[mm]），是正应力[MPa]，Vrel是接触位移的相对速度[mm / s]，H是材料的硬度[MPa]，k是无量纲磨损系数。

沿着表面测量的实际硬度的变化考虑了不同锻造工件的数量。它在图21-23中讨论和呈现。

在文献中，磨损系数通过比较分析损坏模具的磨损曲线和测量曲线确定。 被分析的工具的平均磨损曲线如图11所示。 11a，而由Archard计算模型计算的磨损如图11b所示（图3所示的磨损曲线）。由于在两个曲线之间存在大的偏差，因此没有确定系数k，并且仅提供沿着模具半径的无量纲磨损分布。

在Archard模型的情况下，区域1中的磨损最高，而在区域2和3中比区域1约低3倍。 法向应力分布（图9）和滑动距离（图10）与材料流动良好一致（图6），这证明在FEM计算中没有出现错误。不幸的是，计算的磨损很大程度上不同于真正的磨损。

从Archard模型获得的异常结果可以是解释为模型没有考虑其它影响故障机制的因素，例如相对滑动速度或接触时间。

由FEM确定的相对滑动速度（它是在用于计算的接触点和工具点之间的相对速度）在区域3（在闪光陆地上）比模具的其他地方高很多（图12），然而接触时间最长的区域是区域1。

通过数学模型和实际过程测量确定接触时间。有记录的单次锻造操作平均时间为1.06秒，它是分为变形前的接触时间（预成型件在锻造之前停留在压痕中的时间），变形时间和变形后的接触时间（通过在移除之前的印模中的锻造的时间）。对分析的区域的时间于表1中说明。

考虑到在区域1中相对滑动速度低（图12），接触时间长（表1），我们可以预期在高单位压力下该区域的强烈的粘着磨损。

在热锻时，只有一些氧化皮积聚在模具表面和预制件上，大部分都被去除了。一些残留的氧化皮仍然留在工具上，作为一部分磨料在下一个热锻中循环，从而强化工具的磨损。图13示出通过高速热像仪拍摄的图像，在其中可以看见大量的热钻头从工具上脱落。

氧化皮含有45/55％至5/95％的FeO。因此，可以得出结论，从锻件收集的氧化皮中含有各种氧化铁，包括Fe<sub

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