热锻模温度场、应力场模拟及优化

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1、摘要热锻模是锻造工业中重要的工艺装备，在其工作过程中要同时承受周期性的热负荷和机械负荷。这两种负荷分别产生热应力和机械应力。前人研究发现，由温度场的变化引起的热应力是造成热锻模损伤失效的主要原因。因此，要提高热锻模的寿命，就必须解决热应力的问题。本文首先从理论上分析了影响热锻模热应力大小的因素。发现热锻模温度场的变化影响热应力的大小，主要的影响因素包括工艺参数和锻模材料的物性参数。其中锻模材料的物性参数对热应力场的影响前人已经做了总结。模锻工艺参数(包括预热温度、工作节拍、留模时间等)对热锻模温度场、应力场的影响则没有引起人们足够的重视。作者以轿车前轮毂热锻模的终锻模为

2、原型，DEFORM一2D有限元软件为工具，对热锻模不同工艺参数下的温度场、应力场进行仿真模拟，得到了热锻模连续工作的应力场和在不同工艺参数下的温度场。文中定义热锻模连续工作到热平衡状态的温度场为连续工作的温度场。在此热平衡状态下，热锻模每一次工作循环吸收的热量等于其向外界散发的热量。通过分析连续工作的温度场，把热锻模连续工作的温度场分为温度波动区和温度梯度区。实际的工作过程证明，占锻模体积很小一部分的温度波动区是热锻模发生损伤失效的主要区域。对不同工艺参数下，轮毂热锻模连续工作的温度场的模拟结果分析发现：①预热温度越高，热锻模越容易达到平衡状态，连续工作温度场的温度越高

3、，但是相比预热温度的差值，不同预热温度时温度场的差别较小。②通过比例改变不同模锻阶段的时长而改变工作节拍时，工作节拍越慢，模具吸热和散热的时I．日J同时增加，热锻模达到平衡状态所需要的工作循环次数越少，但模膛表面的温度波动幅值越大，锻模连续工作的温度场变化不规律：⑨留模时间越长，模体温度上升越快，热锻模达到平衡状态所需要的工作循环次数越少，连续工作时温度场的温度越高。对连续工作时的应力场模拟分析发现，下模等效综合应力较大的部分为靠近对称轴的部位，危险点的应力达到2000MPa：当上模下行约llmm时，危险点的应力发生急剧的上升，直至达到最后的极值。本文还针对此前轮毂终锻

4、模的桥部宽度进行了尺寸优化。通过模拟发现，当桥部宽度由lOmm减小到7mm时，不仅可以锻造出合格的锻件，而且所需要的锻造力也有减小，并且热锻模所受的综合应力也随桥部宽度的减小而减小。所以，可以将此终锻模的桥部宽度由lOmm减小到7ram。本文不仅找到了有利于缓解热应力的工艺参数，而且为后续热锻模功能梯度材料的研制提供了有效的模拟依据，相信对提高热锻模的寿命有促进作用。关键字：热锻模，热应力，温度场，应力场，优化AbstractHotForgingDieisanimportantprocessingequipmentinForgingindustry．Itwillbear

5、cycficalthermalloadandmechanicalloadinitsworkingprocessingandthesetwoloadswillproducethermalstressandmechanicalstress．Predecessors’researchfoundthethermalstresswhichwasproducedbythevaHationoftemperaturefieldwasthemaincauseofthefailureanddamageoftheHotForgingDie．Inordertoincreaseserviceli

6、feofHotForgingDie，wehavetoresolvetheproblemofthermalstress．Inthispaper,1analyzethefactorswhichinfluencethethermalstressonHotForgingDieintheoryfirst．Inoticethatthesefactorsincludecraftparameterandphysiesparameterofmaterial．FormershadmadesummarytotheimpactofphysicsparameterofForgingdiemate

7、rialstothermalstress．However，theinfluenceofcraftparameter(includepreheattemperature，workingheat,stayedtimeofforgingandsoon)tothetemperaturefieldandstressfielddidnotwinenou【ghattention．Inthispaper,weregardthehubHotForgingDieofc缸asprototype．regardDEFORM·2Dprogramastool，ands