大型熱鍛模具預(yù)熱過程的溫度場(chǎng)模擬

滕樹滿，朱 勇

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州 545002）

1 引言

研究表明，對(duì)熱鍛模具進(jìn)行合理預(yù)熱可降低模具磨損提升所鍛造材料的充填性能[1]。大型熱鍛模具在服役過程中承受高溫重載，實(shí)施合理的預(yù)熱工藝對(duì)模具服役性能的提升尤為關(guān)鍵[2]。然而，由于模具尺寸大，截面厚，在預(yù)熱時(shí)模具易產(chǎn)生內(nèi)外溫度差，降低模具性能的均勻性[3～4]。因此，對(duì)大型熱鍛模具預(yù)熱過程中的溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，改進(jìn)預(yù)熱工藝，對(duì)降低模具預(yù)熱過程溫度差，提升鍛造成形質(zhì)量意義重大[5]。本文基于熱力學(xué)模擬軟件求解了模具材料H13鋼在不同溫度下的比熱容，并基于此模擬了不同預(yù)熱工藝下的某大型鈦合金鍛件模具溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)，以期為大型熱鍛模具預(yù)熱工藝的改進(jìn)優(yōu)化提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。

2 有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格模型

本文以某大型鈦合金連接框模具（最大外廓尺寸：1,700×1,300×300mm）為研究對(duì)象，為提高運(yùn)算速率，對(duì)模具的型腔進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化。

2.2 材料換熱系數(shù)的確定

預(yù)熱過程中熱鍛模具所受到的熱交換主要來自環(huán)境溫度與模具表面的對(duì)流換熱以及加熱爐內(nèi)壁對(duì)其的輻射換熱[6]。無論是對(duì)流換熱還是輻射換熱，其換熱系數(shù)均是隨模具溫度的改變而不斷地變化。為求解模具材料的換熱系數(shù)，將模具材料H13鋼的化學(xué)成分（如表1所示）輸入材料熱力學(xué)計(jì)算軟件JMATPRO求解，獲得了模具材料在不同溫度下的比熱容，如圖1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，模具材料的換熱系數(shù)取常數(shù)0.02N/S/mm/℃。

表1 模具材料H13鋼的化學(xué)成分 %

圖1 H13鋼熱交換系數(shù)與溫度的關(guān)系

2.3 加熱工藝的確定

為研究加熱工藝對(duì)熱鍛模具溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響，設(shè)置了如圖2所示的3種加熱工藝。

圖2 不同預(yù)熱工藝的溫度曲線

加熱工藝1：熱鍛模具隨爐加熱，爐內(nèi)溫度由室溫升溫至300℃后保溫30min，隨后升溫至400℃后保持。

加熱工藝2：熱鍛模具隨爐加熱，爐內(nèi)溫度由室溫升溫至300℃后保溫60min，隨后升溫至400℃后保持。

加熱工藝3：熱鍛模具隨爐加熱，爐內(nèi)溫度由室溫升溫至300℃后保溫30min，隨后升溫至350℃后保溫30min，隨后升溫至400℃保持。

3 有限元模擬結(jié)果分析及討論

為更直觀地比較大型熱鍛模具在預(yù)熱過程中各區(qū)域的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，選取模具內(nèi)部截面上的3點(diǎn)，分別標(biāo)注P1、P2、P3，其中P1位于模具外表面，P3位于模具內(nèi)部截面中心，P2為P1與P3的中點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 熱鍛模具內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

圖4a、圖4b、圖4c所示為分別對(duì)應(yīng)工藝1、工藝2、工藝3過程中的測(cè)量點(diǎn)溫度隨加熱時(shí)間的變化規(guī)律，可以看到，不同預(yù)熱工藝下大型預(yù)鍛模具在預(yù)熱時(shí)內(nèi)外均產(chǎn)生了較大的溫度差，采用工藝方案1進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱13,200s后模具內(nèi)外的溫度差達(dá)到最大值40℃，加熱51,000s后（約14.1h）熱鍛模具已經(jīng)完全預(yù)熱透。采用工藝方案2與工藝方案3預(yù)熱模具時(shí)，模具預(yù)熱過程中的內(nèi)外溫度差分別可降低至30℃與23℃，且模具完全預(yù)熱透的時(shí)間不會(huì)顯著增加，這對(duì)實(shí)際降低大型熱鍛模具預(yù)熱過程中的內(nèi)外溫度梯度有較大幫助：在預(yù)熱大型模具時(shí)，模具完全熱透需要較長(zhǎng)時(shí)間，增加保溫時(shí)間和采用多級(jí)升溫+保溫的方式均可有效降低熱鍛模具表面與芯部的溫度差。

圖4 熱鍛模具內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)溫度隨加熱時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)論

本文以某大型鈦合金連接框模具為研究對(duì)象，基于材料熱力學(xué)計(jì)算軟件JMATPRO與塑性成形計(jì)算軟件DEFORM-3D，模擬了不同預(yù)熱工藝下熱鍛模具溫度場(chǎng)的分布情況。結(jié)論如下：

（1）大型熱鍛模具連續(xù)加熱過程中溫度分布極不均勻，預(yù)熱過程中模具內(nèi)外溫差可達(dá)40℃，加熱 51,000s后熱鍛模具被完全熱透。

（2）增加保溫時(shí)間和采用多級(jí)升溫+保溫的方式均可有效降低熱鍛模具表面與芯部的溫度差。