溫擠壓模具冷熱疲勞早期失效模擬分析與探討*

栗育琴

(瀘州職業技術學院機械工程系，四川瀘州 646005)

從生產現場發現，擠壓某殼體零件的凸模經常因在急冷急熱的惡劣工況下工作而造成冷熱疲勞失效，圖1是實際拍到的冷熱疲勞造成模具開裂失效的模具圖片。本文借助有限元模擬軟件DEFORM結合生產實際對溫擠壓過程進行模擬，得到相關數據，分析了此類模具冷熱疲勞失效的成因，并且通過對比試驗分析

表1 凸模在工作中不同時刻的溫度值

得出最佳的模具預熱溫度和坯料加熱溫度范圍［1］。

1 零件結構及模擬條件

1.1 零件結構

殼體零件如圖2所示，內徑為φ65 mm，外徑為φ100.3 mm，孔深 185 mm，總高 363 mm，材料為30CrMnSiNi2A鋼。

1.2 建模及模擬條件設定

考慮到模型的對稱性，為節省模擬計算的時間，取1/4模型進行有限元模擬計算，有限元模型如圖3所示。模擬初始條件為:①定義模具為剛性體，材料為3Cr2W8V鋼，工件為塑性體，材料為30CrMnSiNi2A鋼。②傳熱系數選擇11，摩擦系數選擇0.25。③工件網格單元數為18 149，凸模網格單元數為5 147，凹模網格單元數為11 806。④模具預熱溫度取150℃、200℃、250℃、300℃，擠壓速度為10 mm/s。

2 模具冷熱疲勞失效機理分析

利用DEFORM－3D里面點的追蹤功能可捕捉到凸模最前端在不同時刻時的溫度值，如表1所示。由這些數據得到溫度隨時間的變化曲線，如圖4所示。

擠壓的整個過程是:坯料加熱后先與環境進行熱交換10 s，然后與凹模進行熱交換2 s，再在第12 s開始擠壓，擠壓結束后凸模在外加冷卻水快速冷卻5 s。由表1及圖4可知，模具從第12 s擠壓剛剛開始到第13 s，一秒鐘的時間內溫度由198℃急劇升高到610℃，隨后直到第31 s擠壓結束前溫度還在逐漸上升，但上升幅度比較小。這是因為從12 s擠壓剛剛開始時，200℃的模具和800℃的坯料溫度相差較大，在接觸的瞬間凸模的最前端就被急劇加熱而溫度升高，隨后隨著模具溫度的升高坯料溫度的降低，模具與坯料的溫差逐漸減小，模具溫度的增加就趨于緩慢。從第31 s開始模具溫度開始下降，這是因為第31 s擠壓結束后，模具被冷卻水冷卻而溫度得到了下降。在冷卻水的冷卻過程中，溫度的下降幅度很大，在5 s的時間內從802℃下降到335℃。這是擠壓一個工件的一個循環過程。

冷熱疲勞就是模具表面經受反復加熱和冷卻所產生的循環熱應力的作用下所產生的疲勞裂紋或破壞的現象。

當低溫模具與高溫坯料接觸時，坯料的一部分熱量會傳遞給模具，同時坯料變形過程以及與模具表面摩擦所產生的一部分熱量也會被模具吸收，這樣模具表層溫度急劇上升，表層金屬膨脹。而膨脹的模具表層金屬又會受到表層下面溫度較低的內層金屬的約束，因而在表面產生壓應力。如果從表面到內部的溫度梯度大，那么在給定的熱膨脹系數下壓應力可達到實際的屈服極限值，這在表層中產生塑性變形(壓縮)［1－2］。

當模具在外加冷卻水的快速冷卻過程中，模具內層金屬溫度高于表層(見圖5)。此時模具表層金屬急劇收縮，但由于先前加熱時的塑性變形和此刻較高溫度內層的抗力，使表層的收縮過程困難，甚至完全不可能進行，從而表層產生拉應力，如圖6所示。

模具表層中的循環熱應力，是引起冷熱疲勞的根本原因。循環熱應力引起反復的塑性變形，如同在交變機械載荷作用下，使材料的塑性降低，形成了一些裂紋源，反復擠壓使裂紋不斷加深和擴展，最后在模具表面形成網狀裂紋。尤其當模具表層溫度超過材料A1溫度，在隨后冷卻中，模具還會產生由于相變而引起的體積變化，從而加速了模具的冷熱疲勞過程［1－2］。

圖7為溫擠壓凸模頭部的斷面上所顯示出的冷熱疲勞裂紋。

此外，模具不預熱或模具預熱溫度與壓入的高溫坯料間的溫差愈大，模具表層的膨脹和收縮量也愈大，冷熱疲勞裂紋的產生也就愈快［3］。冷熱疲勞裂紋的形態與模具工作條件有關，在一定的模具預熱溫度下，急熱的嚴重程度主要取決于模具在擠壓結束后達到的最高溫度，所以有必要研究影響模具最高溫度的因素。

3 對比模擬分析

選擇坯料溫度500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃，模具預熱溫度150℃、200℃、250℃、300℃進行模擬，取得了凸模在一個擠壓過程的最高溫度數據，見表2所示。

表2 凸模最高溫度 ℃

圖8為凸模預熱溫度與其擠壓過程中達到的最高溫度的關系曲線，圖9為坯料溫度與凸模擠壓過程中達到的最高溫度的關系曲線。

圖8所示每條曲線變化都比較平緩，這說明改變凸模預熱溫度，擠壓結束時凸模達到的最高溫度比較接近。圖9可以看出坯料溫度越高，擠壓結束時凸模達到的最高溫度越高。這兩圖說明影響凸模最高溫度的主要因素是坯料溫度，而模具預熱溫度對凸模的最高溫度影響不大。

溫擠壓過程中，模具溫度變化越大，冷熱疲勞裂紋越容易產生。表3列出了擠壓過程中凸模開始時溫度與最后達到的最高溫度差值即瞬間急熱溫度差值，表4列出了凸模冷卻前后急冷溫度差值。利用這些數據得到凸模預熱溫度與其急冷急熱溫度差值之間的關系曲線，如圖10、圖11所示。

表3 凸模急熱溫度差值 ℃

表4 凸模急冷溫度差值 ℃

由圖10可知當坯料溫度為950℃，凸模預熱溫度為150℃時，其急熱溫度差達最高為766℃。當坯料溫度為500℃，預熱溫度為300℃時，凸模急熱溫度差達最低為350℃。由圖11可知當坯料溫度為950℃時，預熱溫度為150℃時，凸模急冷溫度差達最高為519℃。當坯料溫度為500℃，模具預熱溫度為300℃時，急冷溫度差達最低為364℃。所以從降低冷熱疲勞失效方面考慮，選擇坯料溫度和凸模預熱溫度越接近越好。但考慮到預熱溫度過高又會使模具氧化嚴重，所以最佳預熱溫度為200～300℃。坯料溫度的選擇，由表2可知，當坯料溫度大于800℃時模具的最高溫度都已超過820℃，而模具材料3Cr2W8V鋼的Ac1為820～830℃，而當模具表層加熱到材料A1溫度以上，隨后進行冷卻時，還會產生由于相變(如馬氏體轉變)而引起的體積變化，加速模具的熱疲勞過程，所以坯料加熱溫度控制在800℃內為宜。

4 結語

(1)模具急熱溫度差在350～766℃之間，急冷溫度差在364～519℃之間，模具在急冷急熱的惡劣工況下工作，存在嚴重的冷熱疲勞失效。

(2)影響凸模最高溫度的主要因素是坯料溫度，而模具預熱溫度對凸模的最高溫度影響不大。

(3)從降低冷熱疲勞失效方面考慮，選擇坯料溫度和凸模預熱溫度越接近越好。但考慮到預熱溫度過高又會使模具氧化嚴重，所以模具最佳預熱溫度為200～300℃。

(4)對于材料為3Cr2W8V鋼的模具，為了減緩模具的冷熱疲勞，擠壓時坯料溫度應控制在800℃內。

［1］蔣良.熱處理工藝對3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響［D］.南京:南京理工大學，2007.

［2］馮曉曾，何世禹，郭寶蓮.(零件—1)模具的失效分析［M］.北京:機械工業出版社，1987.

［3］蔡美良，丁惠麟，孟滬龍.新編工模具鋼金相熱處理［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［4］龐祖高，蘇廣才，夏薇，等.溫擠壓模具的早期失效探討及對策［J］.熱加工工藝，2005(9):25－28.