葉片熱作模具磨損及應(yīng)力場研究

文/周天朗，劉仁培，沈泳華，常超，仝安乾·南京航空航天大學(xué)

葉片熱作模具磨損及應(yīng)力場研究

文/周天朗，劉仁培，沈泳華，常超，仝安乾·南京航空航天大學(xué)

周天朗，碩士，主要從事研究葉片熱鍛模具的成形及失效。

葉片熱作模具在服役過程中易出現(xiàn)磨損及開裂失效，嚴(yán)重影響了葉片模具的使用壽命。為了提高模具的使用壽命，需要深入研究熱鍛模具的磨損及應(yīng)力分布。本文使用成形分析軟件對葉片熱作模具鍛造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其磨損及應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)磨損量最高的區(qū)域為模具的橋部，這主要是由于該位置在葉片鍛造過程中金屬的流速過快、應(yīng)力較大；葉身與葉根連接處所對應(yīng)的型腔區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)域，處于該區(qū)域內(nèi)的脆性裂紋易失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致發(fā)生開裂失效。

葉片熱作模具材料費用高、加工難度大、精度要求高，其使用壽命很大程度上決定了零件的加工成本與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在熱鍛成形過程中，模具與工件材料表面接觸后的相對運動會發(fā)生摩擦并產(chǎn)生磨損，造成模具表層材料的損耗，而應(yīng)力過大的地方會出現(xiàn)開裂，這些失效嚴(yán)重影響了模具的使用壽命。據(jù)不完全統(tǒng)計，在熱鍛成形過程中，因磨損和裂紋而導(dǎo)致熱鍛模具失效的情況為80%，其余失效情況為塑性變形。所以，對于長期承受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的熱鍛模具，磨損和開裂是影響其使用壽命的主要因素。因此，減少熱鍛模具在葉片生產(chǎn)過程中的磨損和開裂，是提高熱鍛模具壽命的關(guān)鍵所在。國外很多學(xué)者都對失效工作做了大量的研究，Siamak考慮到熱鍛模具的機(jī)械應(yīng)力與溫度因素，綜合研究了熱鍛模具的磨損，以此提出熱鍛模具在處于高溫高載荷工況時的性能要求；Fujikawa采用熱力耦合法模擬了正擠壓模在擠壓過程中的應(yīng)力場，并將模具和工件一同視作變形體。

另外，關(guān)于鍛模的負(fù)荷及受損情況的有限元模擬，國內(nèi)也有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)阮雪榆院士采用有限元迭代法研究分析了熱鍛過程中模具溫度場的變化情況。重慶大學(xué)的周杰基于Archard理論模型，對模具初始硬度以及摩擦因子等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了影響模具磨損程度的規(guī)律；河南科技大學(xué)的唐六丁和張學(xué)賓以模具應(yīng)力集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)橐罁?jù)，預(yù)測了熱鍛模具的壽命。本文介紹了運用有限元分析軟件對葉片熱作模具鍛造全過程進(jìn)行磨損及應(yīng)力場數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可進(jìn)行葉片鍛造參數(shù)的優(yōu)化及指導(dǎo)葉片熱作模具的堆焊修復(fù)，最終達(dá)到提高葉片模具壽命的目的。

材料和方法

葉片及模具材料

葉片材料為17-4PH馬氏體不銹鋼合金，其具有高強(qiáng)度、高硬度和抗腐蝕等特性。葉片坯料及模具形狀如圖1所示。

圖1 葉片坯料及模具形狀

經(jīng)過熱處理后，葉片的力學(xué)性能進(jìn)一步提高，耐壓強(qiáng)度可以達(dá)到1100～ 1300MPa。它對大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力。17-4PH不銹鋼主要力學(xué)性能見表1。

表1 17-4PH合金不同溫度下力學(xué)性能

模具的材料為5CrNiMo，此鋼具有良好的韌性、強(qiáng)度和高耐磨性。鍛壓設(shè)備為35000kN鍛壓機(jī)，被加工坯料為17-4PH鋼，鍛造葉片前模具預(yù)熱至240℃，葉片坯料加熱至1120～1150℃之間，終鍛溫度需高于850℃，葉片坯料與模具接觸約4s，葉片模具型腔的瞬時溫度可增高至500℃，該過程中噴石墨潤滑冷卻一次。

試驗結(jié)果與分析

模具磨損失效數(shù)值模擬

運用有限元分析軟件對上模、下模及坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了使結(jié)果更為精確，下模需劃分更密的網(wǎng)格。上模共劃分50000個網(wǎng)格，生成49153個單元，10923個節(jié)點；下模共劃分80000個網(wǎng)格，生成90124個單元，19413個節(jié)點；葉片坯料共劃分30000個網(wǎng)格，共成22182個單元，5539個節(jié)點；網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分情況

模擬參數(shù)設(shè)置

葉片坯料的材料為17-4PH(美國牌號），即馬氏體不銹鋼，對應(yīng)中國牌號0Cr17Ni4Cu4Nb。模具的材料為5CrNiMo，是韌性良好、硬度較高、耐磨性較好的合金鋼。在模擬過程中，模具的預(yù)熱溫度為240℃，葉片坯料的初始溫度為1140℃，環(huán)境溫度為20℃，模具與葉片坯料表面的摩擦因子為0.3，上模下壓速度為300mm/s，接觸傳熱系數(shù)為10W/℃。整個熱鍛模擬過程分為60步，步長為2.5mm，總行程為130mm。模具在模擬成形過程中設(shè)為剛性體，在分析模具磨損時設(shè)為塑性體。

模具磨損量分析

下模在終鍛模擬過程中最終磨損量分布如圖3所示。由圖3可以看出，兩邊橋部位置的磨損量較大，型腔表面其他位置的磨損量較小。其中，葉根與葉冠型腔的磨損量較小，葉身型腔磨損量較大，最大磨損量為2.40×10-4mm。葉片成形過程中模具的載荷變化曲線如圖4所示。

圖3 下模磨損量分布情況

圖4 模具載荷變化曲線

由圖4可以看出，成形過程中，開始載荷較小，這是由于葉片坯料與型腔接觸較少，所以型腔磨損量較小；經(jīng)過一段時間后，葉片坯料開始發(fā)生塑性變形，載荷增加，葉片坯料金屬流速增加，型腔磨損開始增大；成形的后期，坯料充滿型腔，金屬流動受到橋部阻礙，難以流動，載荷繼續(xù)增加，所有型腔表面的磨損也繼續(xù)增加。

為了進(jìn)一步分析模具磨損情況，將第60步模具磨損圖的葉身型腔放大，選取A到B共20個點，對磨損量進(jìn)行分析。葉身型腔放大圖如圖5所示。所取點到A點的距離用橫坐標(biāo)表示，所取點在第60步時的磨損量用縱坐標(biāo)表示，葉身型腔20個點的磨損分布如圖6所示。

圖5 葉身型腔磨損量放大圖

圖6 20個點的磨損分布圖

由圖6可以看出，最大磨損量出現(xiàn)在B點，并且A點與B點中間節(jié)點的磨損量較小。所以模具橋部的磨損量較大，并且由橋部向中心部位逐漸減少，型腔中心部位的磨損量較小。橋部作為磨損量最大的區(qū)域，在經(jīng)過長期服役后容易出現(xiàn)磨損失效，所以，橋部是影響模具壽命的重要部位。在實際生產(chǎn)中，模具磨損失效如圖7所示。從圖7可以看出葉片模具的橋部有明顯的磨損痕跡。

圖7 葉片熱作模具磨損失效照片

模具應(yīng)力場數(shù)值模擬

熱鍛模具在鍛造過程中，主要承受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷兩種負(fù)荷，這兩種負(fù)荷分別產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。有限元分析軟件可進(jìn)行熱力耦合分析，即將同一節(jié)點在同一時刻的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力合成為綜合應(yīng)力，綜合應(yīng)力以等效應(yīng)力的方式表示。成形過程中下模等效應(yīng)力分布情況如圖8所示。

隨著上模往下運動，葉片坯料與下模逐漸接觸。這個過程決定了下模應(yīng)力場是一個逐漸變化的過程。葉片坯料在葉根及葉冠所對應(yīng)的型腔內(nèi)最先發(fā)生變形，并且隨著鍛造過程的進(jìn)行，型腔內(nèi)的節(jié)點等效應(yīng)力值由小變大，在鍛造結(jié)束（即第60步）時達(dá)到最大值。圖9為該區(qū)域在60步時的放大視圖。

圖8 葉片下模等效應(yīng)力場變化情況

圖9 第60步時下模型腔局部應(yīng)力場放大視圖

從A到B選取1000個點來研究其等效應(yīng)力的分布，以橫坐標(biāo)表示所取點離A點的距離，縱坐標(biāo)表示所取點在第60步的等效應(yīng)力，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，在鍛造過程中從葉身中部型腔到橋部，等效應(yīng)力逐漸降低，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在A點，最大等效應(yīng)力值為873MPa。葉身與葉根連接處所對應(yīng)的型腔區(qū)域為應(yīng)力集中區(qū)域，在鍛造過程中該區(qū)域最容易發(fā)生失效，應(yīng)當(dāng)引起重視。

圖10 從A點到B點等效應(yīng)力的變化過程

模具處于高應(yīng)力狀態(tài)下的脆性裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生開裂如圖11所示。圖11為探傷后模具形貌，可以清晰的看出葉根處開裂裂紋。裂紋位于葉片熱作模具葉根鍛造部位，裂紋長度約為360mm。葉片熱作模具除承受機(jī)械力外，還有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用，組織中不同的相在溫度變化的過程中產(chǎn)生的性能變化不同，會產(chǎn)生應(yīng)力，葉片模具在急冷急熱溫度變化時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此內(nèi)應(yīng)力過大是導(dǎo)致模具開裂失效最主要的原因。

圖11 葉片熱作模具葉根部位開裂失效形貌

結(jié)論

⑴從應(yīng)力場的分布來看，在鍛造過程中從葉身中部型腔到橋部區(qū)域，等效應(yīng)力逐漸降低；最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉身與葉根連接處所對應(yīng)的型腔區(qū)域，該區(qū)域為整個型腔內(nèi)等效應(yīng)力最大的區(qū)域，故在鍛造過程中最易失效，需要高度重視。

⑵通過葉片熱作模具數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)葉片熱作模具兩邊橋部位置的磨損量較大，型腔表面其他位置的磨損量較??；葉片熱作模具葉根處應(yīng)力較大易發(fā)生開裂。

⑶根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，針對不同的失效形式，可以在生產(chǎn)中指導(dǎo)葉片熱作模具堆焊修復(fù)，如在葉片模具橋部易磨損處堆焊時，需要用硬度較高的焊材；在葉片模具葉根易開裂處堆焊時，需要用韌性較好的焊材。從而使葉片熱作模具的力學(xué)性能和組織性能得到極大地改善，大大地提高模具的壽命。