爪極熱鍛模具失效機理的數值模擬與實驗研究

張智超，張光亮，張 濤

（臺州學院 浙江省工量刃具與深加工技術研究重點實驗室，浙江 臺州318000）

爪極鍛造成形屬于高筋類鍛件，爪部模膛充填相當困難，容易形成折疊等缺陷。因此國內學者對爪極的成形工藝做了大量的研究。肖紅生、汪晨、張質良等[1]分析總結了冷鍛、熱鍛的缺點，提出溫鍛塑性成形技術并采用有限元模擬分析了爪極零件溫鍛成形的可行性，對模具和工藝設計具有指導意義。洪順章、曾振鵬[2]對爪極成形的難點和容易出現的缺陷進行分析，提出了高速擠壓成形工藝以減小摩擦系數，提高爪尖充型效果。滕來、王飛、郭成等[3]針對爪極的結構特點和成形難點，提出了熱擠壓、折彎和冷精整為主的溫冷成形工藝，采用有限元模擬分析和工藝實驗驗證了溫冷精密成形的可行性。張韶華、張猛[4]總結了國內外一些純鐵爪極成形工藝，指出了其中的不足之處，并對冷鍛精整工藝進行改進，開發出了熱鍛反擠壓成形工藝，并與板料沖壓冷精整工藝、冷擠壓工藝、溫冷鍛聯合工藝、熱冷鍛聯合工藝和分流反擠壓工藝進行對比，結果表明使用分流反擠壓模具的熱鍛冷精整工藝，生產成本最低。原國森、辛選榮、劉汀[6]在分流反擠壓工藝的基礎之上，針對正擠壓成形工藝的設備要求高、鍛造溫度高、模具消耗大等問題，設計出分流正擠壓成形新工藝，成形工藝實驗表明分流正擠壓新工藝能夠避免在反擠壓工藝中的缺陷，是值得推廣的新技術。卓榮明[7]研究了熱處理與表面處理方式對模具壽命的影響。

綜上所述，爪極熱鍛成形過程，模具受高溫、高應力、熱摩擦作用引起失效[8]，壽命低，模具消耗大是爪極熱鍛成形的關鍵瓶頸。本文針對這一問題，展開對模具失效機理的數值模擬和實驗研究，旨在為開發高壽命模具提供方向性的指導。

1 數值模擬和實驗方法

1.1 有限元模擬方法

本文利用UG 進行建模，導出STL 格式文件再導入Deform-3D，為提高計算效率，取對稱幾何模型的1/2 進行計算。忽略坯料從加熱爐中取出到鐓粗之間的熱傳遞。模具材料采用ASI-H13 鋼，汽車發電機爪極材料為08 鋼，有限元模擬時爪極材料在Deform-3D 的材料庫中調用。熱鍛工件溫度為1200℃，模具溫度為200℃，模具和鍛件的摩擦因子設為0.3。

模具磨損的計算用Archard 磨損模型，公式如下：

式中：p——模具型腔接觸面所受的正壓力；

v——模具與坯料之間接觸面所受的正壓力；

H——模具材料的硬度；

K、a、b、c——分別為模具材料的常數，根據經驗選取K=2×106，a=1，b=1，c=2。

1.2 實驗方法

為驗證有限元模擬結果，對實際熱鍛失效的模具進行微觀組織和力學性能的表征分析。實驗樣品的制備方法：利用線切割從失效下模上取樣，在金相試樣機上制備金相試樣，用8%的硝酸腐蝕金相試樣，再用純酒精沖洗去硝酸，烘干后進行顯微組織觀測和顯微硬度測試。

2 結果分析與討論

2.1 金屬流動分析

有限元模擬的金屬流動如圖1 所示，金屬由上而下沿著上模運動的方向流動向爪尖充填，隨著上模向下運動達到預鍛尺寸要求，由于凸臺模膛、爪部模膛都已經充滿，阻礙金屬的流動，但是載荷卻不斷加大，多余的金屬變形急劇變形，流向飛邊部位，飛邊前端速度急劇增加。金屬從爪尖和根部的位置發生流動的轉彎，且流動速度很大，所有往爪尖的金屬都要流過轉彎A 處，因而該處模具受到的摩擦作用最為顯著，也容易磨損。

圖1 熱鍛過程金屬流動分布

2.2 溫度場分析

有限元模擬預測的模具和工件溫度場如圖2所示。工件在爪尖和根部的轉角A處由于發生劇烈的塑性變形和金屬與模具的摩擦作用導致劇烈的溫升，溫度為1260℃。對應的，模具在凸臺模膛入口圓角處始終與坯料相接于A處，受到工件溫升和摩擦的作用，也出現了顯著溫升，最高溫度達544 ℃。在轉角A 處，模具和工件都出現了顯著的溫度升高，容易導致在該處模具發生材料的軟化，而降低本身的屈服強度，導致模具變形失效。坯料中心部位變形產生的熱量與凸臺模膛底部的熱交換損失的能量相當，凸臺模膛入口處產生摩擦熱效應，因此坯料中心部位溫度在1200℃左右，凸臺模膛入口處溫度約為1250℃，凸臺模膛底部溫度稍低，約為1180℃。

圖2 有限元預測的工件和模具溫度分布

圖3 模擬預測的模具開裂與實物對比

2.3 模具應力分析

鍛造模具常因過載而承受過大應力導致開裂。利用Deform-3D 軟件，將模具設置為彈性體，進行模具等效應力計算，為模具應力分析提供依據。如圖3 所示為上模等效應力分布，應力集中出現在過渡圓角部位，最大應力約1580MPa。爪極充型過程飛邊形成過程中載荷變化急劇，產生巨大沖擊，在應力集中部位導致模具產生微裂紋，隨著鍛造次數的增加、冷熱循環、載荷交替，使微裂紋擴展，最終發展成宏觀裂紋從而導致模具開裂。圖3 所示為某企業預鍛上模開裂失效模具，與模擬分析對預鍛模具開裂預測結果一致。

2.4 模具磨損分析

影響模具磨損的主要因素有溫度、變形速度、壓力和模具材料硬度等。模具溫度升高主要由于坯料與模具摩擦產生的熱效應以及坯料與模具之間的熱交換。模具溫度越高，一方面使模具表面的氧化層被破壞，使模具產生新生面而與坯料直接接觸，另一方面當模具溫度在超過500℃時模具材料處于回火軟化狀態，降低了表面硬度，因此導致模具磨損加劇；鍛造過程中，坯料溫度越高則塑性越好，越有利于金屬流動成形，磨具磨損越少。

Deform-3D 根據Archard 磨損模型對鍛造過程中的磨損進行計算，該模型忽略了溫度對模具的影響，模擬預測結果和實際模具的磨損對比如圖4 所示。從圖中可以看出，磨損最嚴重的是兩個爪部模膛制件凸起部位的外側C 處，其次是爪部模膛過渡圓角部位B 處，而且C 處磨損量大于B 處。這主要是因為凸起部位在整個過程中都與坯料相接觸，不斷產生摩擦，產生熱效應以及坯料溫度高，與模具之間的熱交換劇烈，從而導致模具表層溫度隨之升高，引起模具抗變形和抗磨損能力降低。凸起部位只有內側面參與成形及起到分流作用，有利于金屬流向爪部模膛及凸臺模膛的作用，因此上表面磨損對預鍛件質量影響較小，而爪部模膛圓角部位是爪極成形的一個重要部位，B 處的磨損是主要導致模具報廢的原因。由圖2 可見，模擬結果與實際模具磨損的位置和磨損嚴重程度對應很好，同時揭示了B 處和C處出現的嚴重磨損現象，有限元模擬具有較高的預測精度，為以后進行模具和鍛造方案改進提供了一種有效的分析方法。

圖4 下模磨損模擬預測和實驗對比

2.5 微觀組織和力學性能分析

對實際磨損模具進行切片，并進行微觀組織和顯微硬度實驗分析。微觀組織分析結果如圖5 所示，其中D 處為飛邊槽外側壁，其微觀組織保留了調質熱處理狀態的回火馬氏體加碳化物增強相、表面滲氮層和白亮層也仍然可見，磨損量小。E 處為爪部模膛圓角處其微觀組織顯示出很多表面深入基體的裂紋，且滲氮的白亮層和調質組織已經消失，磨損非常嚴重。F 處是靠近內壁的圓角處，該部位顯微組織出現了鋸齒形的裂紋、已經沒有滲氮白亮層和調質熱處理組織，而體現為退火態組織，該處塑性變形嚴重，材料沿圓角方向向外側流動的趨勢，并出現大量微裂紋。

在爪部模膛填充過程中，由于金屬材料與模具摩擦熱效應，坯料與模具進行熱交換使該部位溫度急劇升高。對比圖5 的E、F 處可知，爪部模膛圓角材料組織發生轉變。圖6 為爪部模膛圓角磨損部位的顯微硬度圖，表面硬度降為150HV 左右。而H13鋼的退火態硬度為145HV 左右，調質處理后顯微硬度可達到500HV，如表面滲氮后硬度可達1000HV以上。因此推測在磨損部位可能發生了回火/退火現象，出現回火/退火軟化。同時抗變形能力也隨著溫度的升高而下降，再加上材料在此處變形劇烈，流動速度大，因此磨損十分嚴重。結合前面的溫度場分析，E 處、F 處都是溫度最高的位置，也是最容易出現回火/退火軟化的位置，進一步論證了模擬結果的準確性。

圖5 實際失效下模微觀組織圖

圖6 爪部模膛圓角磨損處硬度

3 結論

通過對鍛造過程的金屬變形、溫度和磨損的有限元分析，以及對失效模具的表面狀態、微觀組織和顯微硬度的分析，得到以下結論：

（1）模具在爪部模膛過渡圓角和凸臺模膛過渡圓角部位溫度最高達到544℃，材料發生高溫軟化，組織變為退火態組織，表面滲氮白亮層已經剝落，顯微硬度降為150HV，出現大量微裂紋，因而該處磨損最為嚴重，提高模具材料的耐高溫性和適當降低鍛造溫度是提升下模壽命的有效方法。

（2）對上模的應力分析表明在圓角處最大應力1580MPa，出現了明顯的應力集中，實際模具在該圓角處出現了大裂紋，進而導致失效，但磨損并不嚴重。提高上模壽命的主要途徑是提高材料斷裂韌性和增大圓角半徑。

[1]肖紅生，汪 晨，張質良，等.極爪零件的溫鍛成形及其三維有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2000，35（2）：41-43.

[2]洪慎章，曾振鵬.磁極高速溫擠壓工藝及模具設計[J].熱加工工藝，2000，（4）：32-33.

[3]滕 來，王 飛，郭 成，等.汽車發電機爪極溫冷精密成形工藝研究[J].鍛壓技術，2012，（5）：166-171.

[4]張韶華，張 猛.交流發電機轉子磁極鍛造工藝研究[J].農業機械學報，2003，34（3）：122-123+134.

[5]周 濱，辛選榮，劉 汀.汽車電機爪極熱鍛正擠壓工藝及模具設計[J].熱加工工藝，2004，（12）：38-40.

[6]原國森，辛選榮，劉 汀.爪極鍛造工藝分析及數值模擬[J].礦山機械，2008，（24）：102-105.

[7]卓榮明.提高熱鍛模具使用壽命的方法[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（5）：87-89.

[8]諶 峰，王 波.熱鍛模具失效分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（6）：76-78.