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热锻模模膛表层材料温度分布的模拟研究

作　者: 徐俊杰
导　师: 李爱农
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 热锻模热渗透深度温度波动幅值温度应力
分类号: TG315.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

热锻模具在金属塑性成形,特别是难变形金属的成形过程中起着十分重要的作用。然而热锻模连续工作时因承受周期性的机械载荷和高温热载荷,工况恶劣,模具寿命都不长。已有研究指出,锻模失效主要是模膛表面的温度应力引起的。由于锻模表面层的温度应力幅值很大,可能大大超过模具材料的屈服应力,产生低周期的热疲劳变形,导致锻模塑变失效。要从根本上提高热锻模的寿命,必须打破传统均质材料的局限,进行热锻模材料设计。本研究以热锻模表层材料设计入手,对H13钢均质模具材料以及SiCp/Inconel 625模具表层材料进行了温度场模拟。第一部分首先介绍了热锻模的发展现状,突出说明了热锻模存在制造成本高、使用寿命低的问题。阐述了热锻模的失效形式和影响使用寿命的主要因素。分析认为热锻模损伤失效的主要原因是模膛表面层的温度应力,据此提出了热锻模材料的理想结构。欲合理设计热锻模具材料,必须了解锻造过程中热锻模表面层温度分布及载荷加载情况,找到热锻过程的数学模型及理论依据。第二部分介绍了热锻成型的热力学基础理论,阐述了锻模热传导的微分方程及初始与边界的计算条件。结合热锻的机械耦合作用,进一步说明锻模材料的热机械理论。第三部分介绍利用Deform有限元软件研究在不同的热锻工艺、材料物性和轮廓曲率条件下模具模膛表面层的温度分布,以模具表面所达到的最高温度T(℃)和热渗透深度H(mm)来预测热锻模的损伤方式及范围,并通过利用OrginPro软件进行数据拟合,找出其变化规律,得到有效结论。第四部分介绍以轿车前轮毂热锻模的终锻模为模型,详细分析了锻造过程中热锻模模膛表面和近表面层的温度梯度和温度波动情况,结合其工作性质及温度应力,从理论上对多层金属热锻模具的材料进行了如下选择和设计：(1)处于温度平衡区和散热区的热锻模基体选用为H13钢(5CrNiMo);(2)处于耐热区的热锻模近表层选用耐热高速钢(W6Mo5Cr4V2)堆焊覆层；(3)处于耐热区的热锻模表层选用SiCp陶瓷／Inconel 625镍基合金喷焊覆层。通过在均质热锻模型的基础上建立多层金属热锻模型,对W6Mo5Cr4V2及SiCp/Inconel 625覆层的耐热区材料进行热锻过程仿真,得到多层金属热锻模的温度分布；并在变物性参数推定的基础上,考虑材料变物性对多层金属热锻模具表面层的温度分布影响,以此来表明多层金属热锻模具可有效降低热锻模具表层的温度、减小模膛温度波动幅值,从而提高热锻模具的使用寿命。本文不仅从热锻工艺、材料物性和轮廓曲率多方面,模拟给出了均质热锻模表面层的温度分布规律；并且以温度波动为依据,提出了具有等效温度应力的多层金属热锻模具设计思想,为多层金属热锻模具的制造奠定了理论基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 引言  11
  1.2 热锻模的发展现状及存在问题  11-12
  1.3 热锻模的失效形式及其影响因素  12-15
    1.3.1 热锻模的几种失效形式  12
    1.3.2 热负荷对热锻模的影响  12-14
    1.3.3 机械负荷对热锻模的影响  14-15
  1.4 热锻模具材料的理想结构  15-16
  1.5 本文研究内容及意义  16
  1.6 本章小结  16-17
第二章热锻成型及材料热机械理论  17-21
  2.1 引言  17
  2.2 热锻成型的热力学理论  17-18
    2.2.1 锻模的温度场  17
    2.2.2 锻模热传导微分方程  17-18
    2.2.3 初始条件和边界条件  18
  2.3 锻模材料热机械理论  18-19
    2.3.1 平均场理论  18-19
    2.3.2 锻模材料的热冲击弹性形变  19
  2.4 Deform-2D软件介绍  19
  2.5 算例  19-20
  2.6 本章小结  20-21
第三章热锻模模膛表面层温度场模拟分析  21-39
  3.1 热锻模模膛表面层的温度场  21-23
    3.1.1 锻模表面层的温度分布  21-22
    3.1.2 锻模表面层的温度传递特性  22-23
  3.2 不同热锻工艺参数条件下模膛表面层的温度分布  23-30
    3.2.1 模拟的条件与方法  23-25
    3.2.2 坯料温度对模膛表面层的温度分布影响  25-27
    3.2.3 压机速度对模膛表面层的温度分布影响  27-28
    3.2.4 摩擦因子对模膛表面层的温度分布影响  28-29
    3.2.5 模具状态对模膛表面层的温度分布影响  29
    3.2.6 工艺参数对热锻模表层温度分布的影响小结  29-30
  3.3 不同材料物性参数下模膛表面层的温度分布  30-33
    3.3.1 模拟条件及方法  30-31
    3.3.2 导热系数对模膛表面层的温度分布影响  31-32
    3.3.3 比热容对模膛表面层的温度分布影响  32-33
    3.3.4 材料物性对热锻模表层温度分布的影响小结  33
  3.4 不同轮廓曲率半径参数下模膛表面层的温度分布  33-38
    3.4.1 轮廓曲率半径模型的建立  33-35
    3.4.2 正曲率半径对模膛表面层的温度分布影响  35-36
    3.4.3 负曲率半径对模膛表面层的温度分布影响  36-37
    3.4.4 轮廓曲率半径参数对热锻模表层温度分布的影响小结  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章热锻模表层温度梯度及材料的对应关系  39-55
  4.1 引言  39
  4.2 热模锻温度波动区  39-40
  4.3 热锻模表面和近表层的温度梯度  40-45
    4.3.1 热锻模近表层的温度梯度  40-42
    4.3.2 热锻模表面层的温度梯度  42-45
  4.4 多层金属热锻模具材料设计  45-54
    4.4.1 热锻模基体材料设计  45-46
    4.4.2 热锻模近表面层材料设计  46-47
    4.4.3 热锻模表面层材料设计  47-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章多金属热锻模表层温度场及变物性影响分析  55-65
  5.1 引言  55
  5.2 多层金属热锻模分析模型  55-57
    5.2.1 多层金属热锻模设计思路  55-56
    5.2.2 模拟条件与方法  56-57
  5.3 多层金属热锻模表层温度场  57-61
    5.3.1 多层金属热锻模近表层  57-59
    5.3.2 多层金属热锻模表面层  59-61
    5.3.3 多层金属热锻模表层温度场小结  61
  5.4 变物性条件下多层金属热锻模表层温度场  61-64
    5.4.1 变物性参数推定  61-63
    5.4.2 变物性对多层金属热锻模具温度场影响  63-64
    5.4.3 变物性对多层金属热锻模表层温度场的影响小结  64
  5.5 本章小结  64-65
第六章总结和展望  65-68
  6.1 总结  65-67
    6.1.1 热锻模模膛表层温度场模拟分析总结  65-66
    6.1.2 合理的选择和设计多金属热锻模具材料  66
    6.1.3 多层金属热锻模表层温度场及变物性影响的分析总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录攻读硕士学位期间发表的论文  72

热锻模模膛表层材料温度分布的模拟研究

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