基于有限元模擬的焊后熱處理曲軸熱鍛模磨損分析

馬欣

摘要：基于Archard磨損模型建立曲軸成型的三維有限元模型，實現對曲軸熱鍛成形的熱力耦合分析，預測不同回火熱處理條件下熱鍛模具的磨損分布情況，制定最佳熱處理工藝。通過模擬發現：在模具溫度高、壓力大、坯料變形速度較快的地方，模具磨損較為嚴重，這些部位除了曲軸模膛橋部及阻力墻外，在曲軸模膛小頭端磨損也較為嚴重。在回火溫度和回火保溫時間分別為550℃和4h時，模具的耐磨層性能最優。

關鍵詞：有限元;曲軸熱鍛模;熱力耦合;磨損

0? 引言

曲軸在發動機中的作用主要是承受載荷、傳遞動力。由于曲軸的模具型腔特別復雜，加上曲軸的使用工況惡劣，使得其制造困難，所以曲軸造價高，加之曲軸壽命低，生產率低等原因，使得曲軸在制造業中的地位不斷突出。用于生產曲軸的熱鍛模工作條件惡劣，在模具的多種失效形式中，磨損導致的模具報廢占模具作廢的70%[1-2]，因此對于模具的磨損是我們必須要重視的問題，且其對實際生產有較大的研究意義。

將曲軸模具用鑄鋼代替，在一定程度上不僅提高材料利用率、降低成本，同時也使模具的性能得到了很大的提高，鑄鋼的良好性能，使其在國內外的應用不斷擴展[3]。同時，模具堆焊技術由于成本低、材料利用率高、制造周期短等特點在熱鍛模具修復中的應用較為廣泛[4-5]。模具的壽命與耐磨性息息相關并且焊后熱處理在很大程度上決定材料的耐磨性[6-7]。

針對熱鍛模具在高載高溫下的使用現狀，提出對堆焊模具焊后熱處理的場量進行研究，預測不同焊后熱處理工藝條件下的耐磨性，制定最佳回火熱處理工藝。從而改善模具磨損，滿足現代工業需要，節約成本。

1? 研究對象

1.1 研究材料

本文所研究的鑄鋼基體材料為ZG25MnCrNiMo，過渡層及耐磨層材料分別為450E和650E藥芯焊絲，各材料的化學成分如表1所示。

1.2 熱處理制度

堆焊模具的焊后熱處理主要是指回火處理，本文主要利用Deform軟件對不同回火溫度與回火時間下的熱鍛模磨損情況進行模擬仿真，其中回火溫度為：420℃、480℃、550℃、600℃，回火時間為1h、2h、4h、6h，并且采用全因子實驗的方法，共進行16組模擬實驗。

1.3 硬度測試

不同熱處理條件下的硬度值見圖1所示，主要用于后續模擬。

2? 有限元模型的建立

本文采用的分析模型是汽車曲軸模具，根據熱鍛過程的工藝特性，曲軸熱鍛成形工藝分為三步，分別為制坯、預鍛和終鍛，通過建立相應的三維有限元分析模型，模擬整個曲軸的熱鍛成形過程。相關設置如下：

①坯料規格為？準53mm×508mm的棒料，選取deform材料庫中的AISI5140作為鍛件的材料模型，模具堆焊層的材料模型由材料的應力-應變數值導入到軟件中進行設定。

②材料的預鍛溫度為制坯后得到的每一階段坯料溫度，模具的初始溫度設定為250℃，坯料與環境的對流因子為0.02N/s·mm·℃。

③定義上模的運動速度為280mm/s，并且設定上模是主運動對象。

④設置接觸邊界條件，定義剪切摩擦因子為0.3，傳熱系數選擇值11。

⑤模擬步長增量為1mm/步，設定停止條件，也就是不同工步時飛邊的厚度。

⑥終鍛時坯料設置為HRC20，模具測得的堆焊層硬度值進行設定。

⑦終鍛成形時要考慮模具磨損，故采用Archard理論磨損模型預測并計算得到模具在成形過程中的磨損深度值，其數學表達式如下：

根據以上參數設置的熱力耦合成形后的不同工步結果如圖2所示。

3? 曲軸鍛模具有限元模擬結果分析

3.1 模擬參數優化

經過數值模擬可以對缺陷進行預測并且優化，從而為實際生產優質鍛件提供可靠的依據，通過模擬發現主要存在的缺陷類型如下：①充不滿：曲軸成形過程中充不滿主要出現在平衡塊處和連桿頸曲臂處。故需合理選擇坯料尺寸，在預鍛時，合理分配預鍛儲料，確保鍛打時溫度控制在1150℃及其以上。②折疊：在模擬過程中，折疊主要出現在曲軸的端面處。出現在小頭端面處的折疊是因為在鍛造過程中坯料表層金屬變形快，而心部的金屬流動慢致使變形慢，制坯后端面處會形成凹陷，從而出現折疊，當坯料內外溫差相差較大時折疊會更加明顯，對于此種情況，應將坯料凹陷區盡可能擺放在小頭模膛外鍛打。通過上述手段可以有效避免缺陷的產生。

3.2 曲軸成型過程中的熱力耦合場量分布結果

溫度在熱鍛過程不僅能保證金屬有很好的可鍛性，而且可獲得較好的內部組織。本研究中坯料可鍛溫度范圍在900～1200℃，此曲軸鍛件的溫度在1090～1200℃，曲軸輪廓的溫度在1130℃左右，模具的初始溫度是250℃，經過終鍛后，模具的溫度也有很大的提高，下模的溫度在250～526℃，模具上的溫度分布是：在曲軸型腔中的大端、小端以及平衡塊處的溫度較高。

下模在整個鍛造過程中承受著上模的沖擊載荷，下模的壓力值最高可達到773MPa，且主要分布在曲軸型腔的拐角處，其次是位于主軸頸還有連桿頸橋接處。而小頭端的壓力值也可高達400MPa左右。

而速度場分布是從935～4790mm/sec，最高速度分布位于曲軸鍛件的飛邊邊緣處，較低的速度是分布在曲軸輪廓處，這些地方受到模具型腔的阻擋，抑制了金屬的流動狀況。所以曲軸模具在橋部處的磨損是最為嚴重的。

3.3 磨損分析

本文通過對影響磨損的溫度場、壓力場、速度場進行分析，從而來分析堆焊層模具磨損。從磨損的有限元模擬結果看出，模具磨損最嚴重的部位是橋部、小頭端以及連桿頸處，從場量分析結果可知這些地方往往是溫度較高，坯料流動速度劇烈，壓力較大的部位，這些因素的共同作用導致了磨損的加劇。因此，選取曲軸模具的小頭截面磨損最嚴重處為研究對象，用周向坐標設定，來分析不同焊后熱處理對磨損深度的研究，從而研究耐磨性。

模擬得到的小頭端截面上的最大磨損深度值列舉如表2所示。從表2可知，在不同的回火熱處理工藝中磨損最小值是在480℃、2h，其值為11.7×10-5mm，而在550℃、4h 時的磨損值也較小，為12.1×10-5mm。

4? 結語

①基于Archard理論進行有限元模擬分析，得到曲軸熱鍛堆焊模具的磨損分布，發現磨損較為嚴重的部位往往是溫度高、壓力大且金屬流動較明顯區域，且這些區域為橋部、小頭端以及連桿頸處，磨損最為嚴重的是曲軸模膛的小頭端。

②對16組不同焊后熱處理條件下的熱鍛堆焊模具進行模擬后，表明在550℃、4h時磨損深度值較小為12.1×10-5mm，與實際生產相比，兩者結果相距較小，充分說明有限元模擬對于實際生產指導作用顯著。

參考文獻：

[1]趙一平.提高熱鍛模生產中的模具使用壽命[J]. 鍛壓技術， 2000（6）.

[2]J.H. Kanga， I.W. Park. A study on a die wear model considering thermal softening： （I） Construction of the wear model [J]. Journal of Materials Processing Technology 96（1999）：53-58.

[3]崔向紅.新型鑄造熱鍛模具鋼高溫磨損行為的研究[D].吉林：吉林大學，2006.

[4]左占軍，段智勇，吳順華，郭守華.大型曲軸模具修復工藝探討[J].裝備維修技術，2008（1）：41-44.

[5]白莉.廢舊模具堆焊修復技術研究展望[J].熱加工工藝，2013，42（1）：219.

[6]單志公.熱作模具鋼變質處理及熱處理工藝探究[D].山東： 山東大學，2012.

[7]馬國.鑄造模具鋼焊接修復工藝研究[D].吉林：吉林大學， 2013.