16 t錘鍛模延壽研究

盧 順，甘玉平，余盈燕，甘貴生

（1.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 401329；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044；3.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054）

0 前言

不同鍛件材料所需的鍛造溫度不同，所用的鍛模的溫度場、應力場也不相同。為了制造適合實際生產的長壽命梯度堆焊鍛模，保證鍛模具備較好的力學性能，其工作區域具備較高的耐磨耐蝕和熱穩定性以及各梯度層具有足夠高的連接強度，需要分析該鍛模在鍛造過程中的溫度場、應力場分布，設計出能夠滿足鍛件生產的合理的梯度堆焊層厚度范圍。

錘鍛模是熱鍛模的一個重要分支，能夠通過較小噸位的錘鍛設備加工出難以成型的復雜結構件。錘鍛模在服役過程中除了受到普通熱鍛模機械及熱的雙重負荷，還要承受鍛錘的高頻次沖擊載荷，因此相較于普通熱鍛模更容易出現底角疲勞斷裂、磨損、塑性變形等失效情況。

本文采用Deform 3D有限元分析軟件進行模擬仿真，分析某16 t錘鍛模在成型過程的溫度場、應力場分布規律，優化設計增材梯度層的模型及再制造工藝，有效解決錘鍛模變形、開裂問題，最終達到延長模具壽命的目的。

1 鍛模失效分析

一般熱鍛模服役時，與成形金屬在高溫下有較長時間接觸，承受巨大的沖擊力、壓力、剪切力等復雜作用力，且具有周期性交變特征。隨著高速、強負荷、高精密模鍛設備和高強韌性鍛件的普遍應用，熱鍛模服役條件更加惡劣。關注鍛模失效形式及其形成機理，是開展鍛模再制造以延續其壽命的關鍵。圖1為錘鍛模服役后典型失效形式。

圖1 錘鍛模服役后損傷情況

表面損傷失效是熱鍛模主要失效形式之一，主要包括表面磨損（粘著磨損、磨料磨損、氧化磨損、疲勞磨損等）和表面腐蝕（點腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕、應力腐蝕等）。在熱模鍛生產中，在多次重復沖擊載荷的作用下，一方面坯料對型腔表面產生沖擊性的接觸應力；另一方面因塑性變形產生流動的金屬劇烈地摩擦研磨型腔表面，導致凹模膛擴展和凸緣磨鈍；此外，塑性變形流動的金屬間壓應力和剪切應力合成后可在型腔表面形成許多小溝槽，從而導致產生機械磨損。在熱負荷的作用下，特別是型腔的溫度過高時，型腔會因回火效應而致表面軟化，同時表面的氧化也將加劇，兩者均將加劇磨損。對模具磨損影響較大的因素是表層溫度、模具材料成分和硬度、型腔表面狀況以及模具的使用條件等。

過量變形失效是指過量彈性變形、過量塑性變形（局部塌陷、局部鐓粗、型腔漲大等）以及蠕變變形超限。溫度升高使模具材料的屈服強度下降，當溫度高于模具的回火溫度時，進一步使其軟化，當軟化部位的屈服極限低于該部位所承受的應力時，就會產生塑性變形。模具型腔中的肋和凸臺等突出部位與變形金屬長時間接觸而吸熱較多，溫度較高且受力也比較大，當軟化層深度較大時，就會出現棱角塌陷等塑性變形現象。

斷裂失效包含了塑性斷裂、脆性斷裂以及疲勞斷裂。在沖擊載荷的作用下，易萌生疲勞裂紋，裂紋一旦延伸并向縱深擴展，造成型腔開裂。為了減少開裂，除了應該考慮模具表面粗糙度和模具的安裝固定等因素，還應該考慮模具的結構設計以及合適的硬度和組織才能使模具有較高的使用壽命[1-3]。

2 某16 t錘鍛模有限元模擬分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元數字模擬技術模擬鍛造成形時，正確的邊界條件設置對模擬結果的準確性十分重要。結合實際生產條件，建立該鍛件鍛造成形工藝模擬初始條件如下[4-5]：

（1）模具替代材料：AISI-L16。

（2）模具預熱溫度350℃。

（3）熱對流系數0.02 N/(s·mm·℃)，熱傳導系數5 N/(s·mm·℃)。

（4）16 t錘，能量為400 kJ，效率0.8。

（5）模擬成形過程中，設置上模位移為步長增量，根據需求設置保存的步長增量。

以此建立的鍛造成形有限元模型如圖2所示

圖2有限元數值模擬模型

2.2 鍛件型腔充填情況

圖3 為坯料終鍛過程填充成形情況。從填充情況來看，一火終鍛后鍛件主體大體充填到位，飛邊較小，無需切邊就可加熱后進行下一火終鍛。二火終鍛結束后坯料填充飽滿，成形終了形成的飛邊如圖3（b）所示，飛邊形成均勻，鍛件無充不滿缺陷，說明坯料外形和尺寸設計合理，能夠滿足成形需要。

圖3 終鍛填充情況

2.3 錘鍛模溫度場模擬結果分析

熱鍛模的損傷結果表明：模具型腔表面的溫度波動區易出現疲勞裂紋，溫度波動區即為循環熱應力作用的區域，此區域受到的溫度和應力非常復雜。因此，模具的溫度場分析主要集中研究溫度波動區的溫度變化。

鍛造過程主要包括擺料、加載、卸載等過程，熱量由高溫鍛件傳遞給低溫模具，一火終鍛后鍛模的溫度場分布如圖4所示。從圖中可以看出最高溫度出現在最早接觸坯料的型腔邊緣(飛邊槽)處，鍛壓時鍛件在高壓狀態與模具貼合，模溫上升。鍛模最大溫度主要分布在鍛模橋部邊緣和型腔側壁以及內凸臺處，上模最大溫度約為386℃，下模最大溫度約為377℃。總體來說，一火終鍛模溫上升較小，在40℃以內。

圖4 一火終鍛鍛模溫度場分布

二火終鍛后鍛模的溫度場分布如圖5所示。從圖中可以看出最高溫度出現在型腔邊緣(飛邊槽)處以及凸臺處，上模最大溫度約為617℃，下模最大溫度約為579℃。這些位置與模具較先接觸，在坯料熱量傳遞和摩擦生熱的雙重作用下，溫度上升明顯。這些位置由于溫度較高，可能會發生模具軟化，容易產生壓塌變形以及磨損，在后續模具堆焊設計時需要進行重點關注。模具其他位置基本維持預熱溫度350℃，在進行后續設計時可忽略該溫度對模具壽命的影響。

圖5 二火終鍛鍛模溫度場分布

此外，模具除了經歷鍛打過程，還會經歷冷卻過程。在鍛打階段，型腔表層區域受到高溫坯料的熱作用，溫度逐漸上升；鍛打結束后，在隨后的冷卻潤滑階段，受到低溫潤滑劑的冷卻作用，型腔表層溫度急劇下降，導致表層溫度變化較大，這在后續模具堆焊設計時也需要考慮。無論是鍛打階段還是冷卻階段，距離表面型腔一定厚度下的模具基體區域溫度基本維持350℃（模具預熱溫度）不變，鍛打或冷卻階段對該區域的溫度沒有明顯影響。這是由于鍛打階段坯料傳熱能力有限以及冷卻潤滑時間較短，對該區域的溫度影響較小。因此，根據模具模鍛循環過程中的溫度變化，需要重點關注型腔表面堆焊材料的選擇。

2.4 錘鍛模應力場模擬結果分析

圖6為該鍛模在鍛造最后一步的應力場分布。從圖中可知鍛模型腔等效應力值主要分布在750~1 500 MPa，最大應力均出現在型腔底部兩側圓角處，在1 250 MPa以上，主要因為隨著金屬逐漸充填型腔，金屬流動阻力增大，在模具圓角處金屬難以充滿，較容易產生應力集中。為更好地反應鍛模型腔圓角處的等效應力分布狀態，對鍛模等效應力最大部位型腔進行剖切，如圖7所示。觀察模體等效應力分布可知，型腔圓角處應力較為集中，等效應力在1 250 MPa以上區域的型腔深度約為15 mm，最大應力值超過1 750 MPa。

圖6 錘鍛模等效應力分布

圖7 錘鍛模剖面等效應力分布

圖8為該鍛模在鍛造最后一步的最大主應力場分布圖。從圖中可知鍛模型腔底部凹槽圓角部位受到拉應力，最大拉應力超過1 250 MPa，在該區域容易因受拉而產生裂紋，在后續的鍛模梯度堆焊材料選擇上需要重點考慮。模具兩側橋部附近區域主要受到壓應力，在工作情況下容易產生磨損以及壓塌變形，在堆焊設計時該區域需要選擇高硬的耐磨材料。為了更好地反應鍛模型腔圓角處的最大主應力分布狀態，對鍛模最大主應力最大部位型腔進行剖切，結果如圖9所示。觀察模體最大主應力分布狀態可知，型腔圓角處最大拉應力向模具基體擴展并隨著擴展深度的增加逐漸減小。對其應力擴展深度進行測量分析可以得到其應力分布具體情況，即最大拉應力在750 MPa以上區域的型腔深度約為10 mm。為了有效釋放模具應力，避免產生開裂，可考慮在該區域堆焊一定厚度的軟質材料，通過軟質材料的輕微塑性變形使拉應力得到釋放。該區域是工件成形最后充填區域，可稍微降低強硬度要求。

圖8 錘鍛模最大主應力分布

圖9 錘鍛模剖面最大主應力分布

3 某16 t錘鍛模延壽梯度增材再制造

根據上述結論并結合梯度結構各材料層熱物理性能，便可得到如圖10所示的鍛模梯度結構模型。在模具基體D上堆焊過渡材料JX104，該材料的硬度及高溫壓縮強度都比模具基體更好，能提高模具表面性能；同時其高溫硬度比表面強化層材料JX105低，能夠減緩硬度梯度，弱化堆焊層、熱影響區和基體在強度、塑性、韌性等方面存在的明顯差別，使整個梯度堆焊結構層的組織和性能呈緩慢過渡趨勢。

圖10 鍛模型腔梯度增材再制造結構示意圖

在橋部以及模具型腔凸臺區域堆焊表面強化材料JX105，該材料具有較好硬度、耐磨性以及耐高溫性，可以很好改善鍛模型腔該區域易發生的壓塌變形、磨損等問題。

因鍛模型腔底部凹槽圓角部位受到拉應力容易產生裂紋，為了有效釋放模具應力，考慮在該區域堆焊一定厚度的止裂材料JX202。該材料在回火溫度變化下硬度變化不大，總體較低，高溫穩定性能極佳，同時塑性好、延伸率高，在鍛打時可以通過該止裂材料的輕微塑性變形使拉應力得到釋放，避免模具產生開裂。

4 錘鍛模生產驗證

再制造鍛模生產驗證結果如圖11所示。與再制造前該鍛模失效情況對比，從外觀上看再制造鍛模鍛打后模具基本無變形，表現很好，模具局部表面基本無磨損，也看不到明顯的刮擦等現象。原鍛模壓塌、墩擠變形以及磨損嚴重部位，均得到極大改善；服役壽命從原鍛模的一件提升至6件，至少提升6倍。

圖11 再制造鍛模生產驗證

該再制造鍛模服役后三坐標尺寸（如圖12所示）及表面進行的探傷檢測結果表明：其變形最大部位—橋部，由原鍛模鍛打一件后的變形15~20 mm，降低為鍛打6件后的1.5 mm，變形量大大降低；型腔表面無缺陷，可以繼續服役使用。

圖12 再制造鍛模服役后下模三坐標尺寸檢測

5 結論

根據錘鍛模實際損傷情況以及數值模擬結果，優化設計了某16 t錘鍛模延壽梯度增材再制造工藝。

（1）原鍛模鍛打一件后，變形最大部位為橋部，變形量最大為20 mm；再制造鍛模鍛打6件產品后，變形最大部位也為橋部，但變形量最大為1.5 mm。變形量大大降低。

（2）原鍛模鍛打一件后，因局部變形量過大而失效；再制造鍛模鍛打6件后，經檢測，原鍛模壓塌、墩擠變形以及磨損嚴重部位均得到極大改善，型腔表面無缺陷；服役壽命從原鍛模的一件提升至6件，至少提升6倍。

（3）與原鍛模相比，優化后的鍛模耐磨性極大提升，服役壽命顯著提高，實現了模具循環再制造。