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• 本文标题：H13模具钢镦粗拔长数值模拟与工艺分析.docx
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• 内容摘要：摘要H13热作模具钢因其自身的较好的物理化学性质，良好的耐高温，耐腐蚀，极大的抗冲压能力，防止模具因热疲劳而导致的尺寸问题而模具报废情况产生。目前，HI3热作模具钢应用广泛，在有色金属制作过程中，被用来进行对其铸造的模具的制作应用。因此，研究H13模具钢镦粗拔长锻造工艺，进行数值模拟分析，对大规模生产H13模具钢有非常重要的意义。并对两种锻造工艺进行了实际的锻造分析，分析其在破坏能量，等效应变，等效应变率，等效应力，最大主应力，速度全速度以及温度等方面进行了细化的研究。采用三镦三拔+镦粗展宽的变形工艺，采用Deform3D模拟软件对H13模具钢锻造过程中的镦粗工艺进行模拟，分析其各项数据分布规律。本文在数值模拟实验中详细的描述了实验过程，在镦粗过程中，破坏能量不会发生变化，等效应变不会发生变化，等效应变率和等效应力上中心部位大于四周区域，一段时间后速度加速度将在镦粗过程中保持不变，镦粗过程温度也不断降低。拔长过程较为复杂，上端和偏中心部位都有一定的破坏能量的变化，这个过程破坏能量达到一定的稳定。等效应变都是在50s之前进行一定稳定的增长，按照和中心部的距离远近关系，有所大小区别。关键词：H13模具钢，镦粗，拔长，数值模拟，组织AbstractH13hotworkdiesteelhasgoodphysicalandchemicalpropertieshightemperatureresistancecorrosionresistanceandgreatstampingresistancewhichcanpreventdiescrapduetodimeionalproblemscausedbythermalfatigue。Atpresenthi3hotworkdiesteeliswidelyused。Intheprocessofnonferrousmetalproductionitisusedfortheproductionandapplicationofitscastingdie。ThereforeitisofgreatsignificancetostudytheupsettinganddrawingforgingprocessofH13diesteelandcarryoutnumericalsimulationanalysisformassproductionofH13diesteel。Theactualforginganalysisofthetwoforgingprocessesiscarriedoutandthedetailedresearchonthefailureenergyequivalentstrainequivalentstrainrateequivalentstressmaximumprincipalstressfullspeedandtemperatureiscarriedout。TheupsettingprocessofH13diesteelinforgingprocesswassimulatedbyDEFORM3Dsimulatiooftwareandthedatadistributionwasanalyzed。Conclusion:intheprocessofupsettingthefailureenergywillnotchangetheequivalenteffectchangewillnotchangethecentralpartoftheequivalentstressandtheequivalentrateofchangeislargerthanthesurroundingareaafteraperiodoftimethespeedandaccelerationwillremainunchangedintheprocessofupsettingandtheupsettingprocesstemperaturewillcontinuetodecrease。Thepulloutprocessiscomplexandtherearesomechangesoffailureenergyintheupperpartandthecentralpartandthefailureenergyinthisprocessreachesacertaitability。Theequaleffectchangesareallstablegrowthbefore50s。Accordingtothedistancebetweentheequaleffectchangesandthecentertheyaredifferentiize。KeyWords：H13diesteelupsettingdrawingnumericalsimulationmicrostructure目录摘要IAbstractIII插图或附表清单VII注释说明清单IX1引言12文献综述22。1课题背景与研究意义22。1。1课题背景22。1。2研究意义32。2国内外对H13模具钢研究概况42。2。1H13模具钢国内研究现状42。2。2H13模具钢国外研究现状52。3镦粗拔长工艺研究62。3。1镦粗工艺研究概述62。3。2拔长工艺研究概述73试验材料113。1试验材料与方案112。1。1试验材料112。1。1试验方案123。2研究方法123。2。1镦粗工艺数值模拟概述123。2。2拔长工艺数值模拟概述153。2。3DEFORM简介164H13模具钢镦粗拔长数值模拟184。1模拟原理184。1。1模拟流程184。1。24Cr5MoSiV1钢的应力应变特点184。2镦粗数值模拟过程204。2。1破坏能量分析204。2。2应变等效分析214。2。3应变率等效分析224。2。4应力等效分析254。2。5应力最大主应力分析274。2。6速度全速度分析。314。2。7温度分析334。3拔长数值模拟过程354。3。1破坏能量分析354。3。2应变等效分析374。3。3应变率等效分析394。3。4应力等效分析424。3。5应力最大主应力分析444。3。6速度全速度分析484。3。7温度分析494。4三墩三拔工艺模拟与分析514。4。1模拟方案及参数设置514。4。2模拟过程分析535结论60参考文献61致谢65插图或附表清单注释说明清单引言H13热作模具钢是一种中碳中铬热作模具钢，由于在服役过程中的工况非常复杂，前期的模具会出现很多方方面面的各种问题，在热作模具钢中也会时有发生。研究人员开发出了许多数值模拟分析的方法，为了提高经济效益和生产效率，让生产产品达到预期效果，进一步使成本的花销大幅度降低。最近几年，随着模具工业正在飞速地进行发展和模具钢的工艺上的不断开拓创新，大型生产线上所需要的模具的使用情况的要求也越来越高。与此同时，研究人员还会根据一些新晋技术改善生产技术，对新生产资料的开发投入也越来越大，也引进了很多新型材料，不断更迭换代，但很多形式的模具失效仍然不可避免，比如热腐蚀、应力磨损、疲劳断裂等问题。为了解决这些问题，研究人员把目光投向了4Cr5MoSiV1材料的选用，比Cr2W8V相比，有更好的冷热疲劳。所谓研究，研究人员对H13钢热变形组织进行了模拟，根据实验和数据的分析，进行目前能力上一定程度的全方位的创新，对H13钢的晶粒尺寸计算模型进行了推测，并做实验进行总结。先决定了材料的选择，选定了4Cr5MoSiV1化合物为指定材料，并通过模型优化，分析材料的各项影响因素，确定各项数据选择。增大了挤压模具的寿命周期，进而提高了将近2～3倍，甚至可以更高，在经历热处理之后，之后的性能会更好，变得不易变形，材料组织的均匀化程度有所提高。因此，本文提出关于H13模具钢的镦粗拔长过程模拟分析与工艺分析，通过研究可以掌握H13模具钢国内外的相关研究现状、锻造中镦粗拔长过程特点及数值模拟的发展情况。主要利用DEFORM软件通过模拟实验压缩变形方式对H13热作模具钢的镦粗拔长变形特性进行研究，结合塑性变形数值模拟理论基础，进行锻造过程镦粗和拔长工艺设计，根据模拟结果进行工艺优化，在保证质量绝对过关的基础上，让生产产品达到预期效果，进一步使成本的花销大幅度降低，提高生产进度效率，。文献综述课题背景及研究意义课题背景在服役过程中热作模具钢的实时工作状态非常繁琐，容易发生几种形式的模具失效：首先，温度过高的流动液体引起的，模腔在较低温度时，瞬时感受到高温流体的流动，会产生失效中的腐蚀失效，发生热腐蚀进而产生模具失效；其次，多种应力共同作用引起的，包括拉压应力和高温带来的热应力，这些应力会使模具磨损，进而产生模具失效的一种，磨损失效；之后，过程中会有速冷速热的情况存在，这个现象会导致模具钢产生热疲劳，更加严重的话，可能会引起断裂，再有就是瞬间的冲击可以导致这种失效。H13热作模具钢由于也属于热作模具钢的一种，因此本身也具备热作模具钢的全部性质，具有良好的高温下硬度，强度。以及极好的抵抗冲击的能力。国外，类如日本，欧，美各国，比国内领先了100余年开始对H13热作模具钢进行使用，于十九世纪80年代便在摩擦压力机锻造模具、锤锻模具、热模锻压力机模锻模具等很多方面开始了众多方面的制造，在一系列的工序上也有不同程度的使用。大概100年后，在二十世纪90年代我国也开始逐步考虑进行高速叶片领域的发展，考虑了发展锤锻工艺来完成高速叶片的生产，在齿轮制造领域也有所涉猎，制造锤锻模具设计，由于的我国的科技能力有限，也只能制造一些中小型的模锻模具。在这个过程中，因H13模具钢的产生，以其良好的工艺性能，成功地达到了服役寿命大幅度增加，生产成本不断压缩的效果，并且大量投入使用，使用规模之大，范围之广，产生了极高的生产效率和较高利润，在很大程度上降低了生产成本，形成了较大生产效益。在这个发展过程中，H13模具钢用于各种模具过程中，取代了很多原本性能不及的材料，类似5CrNiMo材料，Cr2W8V材料，提高输出利润，产出价值进行了几何倍数的增加。不仅如此，H13模具钢在其他制造领域也可以应用广泛，比如有色金属压铸模具领域。在热作模具钢还没有被大量投入使用之前，有色金属压铸模具领域所存在的熔融状态的金属，会形成高温流体。这种高温流体会因其高温及其高速状态，产生机械应力和热应力，与模具型腔内壁产生热摩擦，这种激烈的摩擦，在高温高压状态下会严重影响模具的使用寿命，此时便需要一种热作模具钢对这种情况进行改善。H13热作模具钢因其自身的较好的物理化学性质，良好的耐高温，耐腐蚀，极大的抗冲压能力，防止模具因热疲劳而导致的尺寸问题而模具报废情况产生。目前，HI3热作模具钢应用广泛，在有色金属制作过程中，被用来进行对其铸造的模具的制作应用[2]。研究意义H13模具钢因具有优秀的性能，使其在航天、医学、车船制造业等各个领域有着美好的前景。研究H13模具钢的使用方法、物理性质在当前时段是材料领域的热门话题，民用影响着每个人的生活，军用影响着国家的强大，所以研究H13模具钢是非常有意义的[3]。这次选题是关于H13模具钢的镦粗拔长过程数值模拟与工艺分析，通过研究可以掌握H13模具钢国内外研究现状、锻造中镦拔拔长过程的特点及数值模拟的发展情况。与国外优秀的H13热作模具钢相比，国产热作模具钢仍存在很大的不足：国产的钢在很多方面都有很大的差距，在内部，内部纤维组织变形不均匀导致微观组织有较大差异，力学性能上横向纵向也有很大差异，导致不均匀扩散元素的产生，进而性能无法媲美H13模具钢，极大概率会在服役过程中随时产生失效的后果。锻造过程中会有退火，回火处理，调质处理，而国产模具钢中的粒状碳化物分布不均匀，会在退火时锻件本身状态的硬度会有较大增加。此外，H13模具钢在不同的生产工艺的情况下，处理步骤的不同也会导致最后所呈现出的效果和性能有所不同，更何况性能不及H13模具钢的国产模具钢，因此，本文系统研究阐述对材料性能和对组织的影响因素中，H13模具钢进行锻造过程中塑性加工工艺处理和锻造过程中的工艺参数的具体情况，传递热处理过程将对材料的内部结构和实际性能有怎样的影响，旨在提高H13模具钢本身产品的实际品质，有着深远的影响和重要意义，具有很高的实践价值[4]。主要利用DEFORM软件通过模拟实验在高温的条件下在压缩变形方式对H13热作模具钢的镦粗拔长变形特性进行研究，实验过程中所用的镦粗拔长工艺对锻件内部的组织的进一步的变化起着决定性的作用，从而对这种结构的材料自身一些有关的性能也产生着影响。结合塑性变形数值模拟理论基础，进行锻造过程镦粗和拔长工艺设计。根据模拟结果进行工艺优化，从而达到降低成本，提高生产效率和经济效益，全方位的提升了产品质量，达到预计标准。因此，研究H13热作模具钢热加工工艺具有指导意义。国内外对H13模具钢研究概况国内外各地学者从十九世纪到二十世纪都对H13模具钢成形性能以及变形行为做出了各个层面不朽的贡献，当然，这也建立在H13模具钢优秀的自身性能的基础上，旨在对H13模具钢零件的加工和制造能力进行不断地提升。现如今，国内对于H13模具钢的主要的研究工作较为单一，对镦粗拔长高温塑性变形缺乏一定全方位细化的研究，大部分研究都集中在组织性能在锻造工艺和热处理工艺的影响上会发生怎样的变化。经过一系列的研究，可以感受到H13模具钢成型的过程中经过热变形的作用较为困难，而且所产生机械变形应力也比较大，当工艺的参数发生轻微变化时，H13模具钢各项参数变化也会相应比较明显[5]H13模具钢国内研究现状H13模具钢在我国应用算早，我国开始逐步考虑进行高速叶片领域的发展，考虑了发展锤锻工艺来完成高速叶片的生产，在齿轮制造领域也有所涉猎，制造锤锻模具设计，由于的我国的科技能力有限，也只能制造一些中小型的模锻模具，但也收到了显著的效果。二十世纪八十年代末期国内将H13模具钢用作进行热挤压模的应用，熟练地了解并掌握了热挤压模加工工艺，并且这项工艺所产生的实际效果也较好，在实际生活中也广泛使用。在具体的应用时，要提到济南的柴油机厂生产出来的型号为2V190B型柴油机，本身的材料为3Cr2W8V，这种材料寿命周期一直是柴油机的诟病，一段时间后就会有所磨损，使用寿命较短，因此，用H13模具钢代替3Cr2W8V钢时，使用寿命会因此变长，会大幅度提高0。2倍，这是1989年前后国内的发展[6]。还是在这个时期，二十世纪八十年代末，国内除了济南还有上海的很多压铸厂在进行压铸模，这时H13钢的大量引进，由于其良好的抗腐蚀性，耐热性以及耐冷性，对抗腐蚀的效果更为显著，好于曾经的Cr2W8V材料，因此而广泛使用，制定合理的热处理工艺关乎模具内部组织和所属性能，因此详细的制定工艺对优化研究起着重要的作用。因此，上海的锻压机床厂对H13模具钢进行了一系列组织方面的研究[7]，影响深远，起到开创先河的作用，山东潍坊学院机电工程系的曹教授也通过研究H13模具钢表面热处理工艺，表明了H13模具钢良好的自身性质，较高的工作温度，可以达到600℃，在热作模具钢的应用中，H13模具钢有着良好的自身性质，得到了广泛的应用[8]。从二十一世纪开始，H13模具钢被广泛的应用到产品之中，被很多国内的厂家将其当作模具材料。在2004年，湖北的一家公司作滚轮模具，使用5CrNiMo材料，在发掘到H13模具钢的良好性质后，将其进行使用，企业的总体收益变为了之前的两倍，有了质的飞跃，获得较高收益。北京科技大学的王西涛教授对H13钢进行了数值模拟，包括热变形组织方面，通过模拟分析过程，以Avrami方程为基础，优化模型本身的特点，对H13模具钢的晶粒尺寸模型进行深度的分析，各种材料的本身性能被挖掘，具有深远意义[10]，还有一些加工厂，类如西南加工厂。刘静安对真空热处理工艺进行了系统的研究，对H13模具钢采用真空热处理工艺，周期变为了原本的3到4倍，工艺达到一定标准，甚至可以更高。此外，通过这种热处理工艺，提升材料本身的性质，刚性变得足够大，几乎不会发生形变，模具内部纤维变得更加均匀化。一些职业技术学院也对此有一定的研究，平顶山工业职业技术学院机电工程系的董笑鹏教授等人，深入探讨工艺，研究并改进将挤压模具材料的工艺应用在H13模具钢时一些性能的改变以及自身性质的提升[11]，研究发现针对H13热作模具钢，当在实验中进行回火工艺时，耐磨性和韧性将会有很大的改观，体现了回火工艺的必要性。鲁世红教授和何宁教授来自南京航空航天大学，在不同温度下，大概20到600℃时，H13模具钢本身的流变应力与应变的关系[12]，应变率达到103~104s1，为后来的更好的实现应用给予了理论依据，拟合出的模型能表达出H13模具钢在运动状态下的力学性能，在后续的实际实践中有着深远的影响。研究了20到600℃的环境下，梁宝钱教授和张弛教授来自重庆理工大学，进而研究了在900~1150℃的环境下，H13模具钢的规律，在此基础上，还进一步研究了真应力应变关系，这次的研究方向考虑情况是在不同应变速率条件下，实验结果表明，，在这个过程中根据最小二乘法，建立了H13模具钢电渣淀热变形的本构模型。在变形过程中，变形所处于的温度对电渣淀热变形有较大影响，反之变形速度则会造成的影响微乎其微。H13模具钢国外研究现状国外的H13模具钢发展比较快，早在二十世纪六十年代中期，瑞典福玻斯公司便提议对热处理工艺应当进行一定的热处理改革，采取的热处理方法不仅使H13模具钢模具的自身性质进行了显著的提升，还使H13模具钢模具材料的内部的纤维得到改进，成功的增大了模具的寿命周期。近20年后，二十世纪八十年代，H13模具钢应用在国外开始变得比较成熟，欧美国家可以开始熟练的使用H13模具钢，进行金属件的模体和金属芯棒等多方面的制造。在美国，WallaceEngineering公司已经在之前的进度中发现H13模具钢生产制造中的一些问题，很可能会发生翘曲和开裂的问题，在这个过程中，为了解决H13模具钢在淬火中可能会产生的所有问题。通过实验，便将高温环境下的模具，此时的模具温度高达1240℃，选择的H13模具钢大概重达300kg，将其放入冷却环境中，在流体状态的床体冷却炉中进行冷却，冷却时长约为l0min，直到冷却结果达到539℃。后来便立刻更换容器，更换冷却环境，将模具转入另一冷速较慢(16。7℃min)的流体状态的床体冷却炉中再进行第二次的冷却，过程进行大概l0min至372℃。1970年左右，Sheffield大学的Sella等人，也做过一系列的模拟实验，根据热变形轧制过程中，分析CMn钢和含Nb钢的内部纤维，微观内部结构[13]。通过观察微观组织的细微改变构造了数学模型。随着学者研究的进一步的完备，研究人员的逐步增加，又研究了很多实用的，并且在后来广泛的被人们使用的模型，比如Nanba模型、Saito模型和Yada模型等。这些经验模型看似没有什么联系，实则不然，都有较为一致的模型基础，都是在Avrami动力学方程的基础上建立的，具有相似的共同点。镦粗拔长工艺研究镦粗工艺研究概述镦粗是在成型工艺中属于一种常见的工艺，压下量较小时，可以进行变形，但当压下量较大时，类似鼓状的区域，俗称鼓肚区容易发生开裂现象。当这种现象发生时，意味着此区域有环向全方位的拉应力，以及模具之间所存在的摩擦导致的。想要进一步的知晓镦粗坯料时的应力分布情况，所知道的传统的主应力法已经不足以支撑现在的理论需求，尽管在过程中有很多的简化和假设情况，但主应力法所需要的假定条件过多。去获得内部的应力规律，进行精准的应力分布规律分析，这个方法是较为困难的得到相应的结论，更不用说足以预测内部的应力分布规律情况，广大学者发动了自己的资源，采取一些前所未有的，更加有效直接的方法来进一步知晓坯料内部的拉压应力分布，并通过不断的研究取得了较有价值的研究成果[14]。湘潭大学机械工程学院的马帅教授等人也进行了镦粗试验，选取了100Cr6钢作为实验材料，研究了将100Cr6钢进行晶粒细化处理的过程中，锻造比有所不同，对实验有怎样的影响，进一步分析了经过水淬工艺之后产生的组织内部的变化[15]。沈阳铸锻工业有限公司分公司利用静水应力区切应力力学模型，对管板锻件在镦粗成形过程中的工艺参数加以控制，优化设计了小方砧进行局部镦粗，将毛坯坯料内部的紊乱的应力应变状态进行改善处理，在刚性区域内易产生额外的剪切力作用，在过程中存在额外的剪切变形，可以减小这种情况的产生，保证锻件的内部质量[16]。图21是H13模具钢在应变速率为10。0s1，变形温度为1100℃时不同变形量下的变形情况可以看出，在镦粗过程中呈现一种鼓肚状，下图中可见在在变形量从20%增加到50%时，在压缩变形的过程中，试样由于受到压力的影响而变得越来越呈现腰鼓状扁平，主要是由于此区域有环向全方位的拉应力，在试样两端与压头之间的摩擦所致[6]。图21是H13模具钢在10s1，1100℃时不同变形量的变形形貌a）为20%时的变形形貌b）为50%时的变形形貌控制H13模具钢的一些定量保持不变，改变一些外在条件，看其中所蕴含的规律，进行进一步分析得出结论。图22为固定变形量为50%时，在不同变形温度条件下和应变速率下的压缩试样形貌。从图中可见，在变形温度或应变速率不断的有所升高，变形均匀，试样表面光滑。变形试样出现不同程度的腰鼓状。试样在变形量为50%无裂纹生成，说明材料在该变形条件下变形抗力较大。变形塑性较好，材料具有较好的变形能力。图224Cr5MoSiV1合金50%，不同应变速率和变形温度条件下试样形貌拔长工艺研究概述国内外学者通过不断的研究并进行分析，在研究中诸多国内外学者通过对边界条。。。
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