大模块淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究

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1、大模块淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究摘要对于大型预硬化塑料模具钢，由于水的冷却能力强，淬后截面硬度差大、棱角和表面易出现裂纹；而油的冷却能力相对较弱，预硬化厚度较浅且存在油烟和火灾隐患；水淬+油冷可在一定程度上克服两者的不足，但是工艺控制难度大，限制了预硬化深度；聚合物类水溶性介质淬火冷却能力介于水与油之间，但其低温段的冷却能力很高仍有开裂危险，且介质成本高，自然降解缓慢，对环境有不利影响。显然，理想的工艺应当是仅仅用水和空气，通过严格控制水和空气交替作用在工件上的时间，来实现大模块的控制冷却获得尽可能均匀的组

2、织和性能。但要在大规模工业生产中实现，仍然面临很多问题，其中工艺装备将在很大程度上决定此理想方案的实现与否。为此，本文针对工业化生产条件下，仅用水和空气为介质淬火冷却塑料模具钢大模块的特点，讨论了淬火冷却技术及其计算机模拟技术发展现状，及存在的问题。指出目前的热处理数值模拟研究与应用还处在初级阶段，对热处理数值模拟精度有重要影响的一些参数，尚缺乏可靠的数据来源，使得数值模拟的运算结果对实际生产还只能起到辅助的参考作用。但是，本文认为热处理过程的数值模拟提供了一个强大的虚拟生产试验的工具，使人们得以在虚拟环境中演绎整个

3、工艺过程，发现其中的规律，优化热处理工艺和开发热处理新技术。与传统的试验相比，虚拟生产试验更加灵活、快速，且经济。同时，应当正视其存在的问题，在深刻理解计算机模拟的局限性的前提下合理地充分发挥其积极作用，完全可以在实际工业生产中起到良好的甚至是巨大的作用。本文对大型塑料模具钢采用水和空气作为淬火介质的喷液、浸液、风冷和空冷的组合淬火，测量和计算了各种情况下的换热系数。对换热系数的计算方法(如反传热法、集中热容法和大电流法等)进行了讨论。本文提出了反迸膨集乒辫雾练克服了原有的集中热容法的缺点，使其适用范围大为扩展，从实

4、际应用效果看，对喷雾情况下仍能获得相当合理的结果，与反传热法的结果非常接近。在原理上，改进的集中热容法误差要比集中热容法小，并且受温度采样误差的影响比反传热法小得多，计算稳定性较好。从风冷和喷雾冷的结果看，温度采样波动对改进的集中热容法计算结果的影响比其它两种方法小得多；但仍不适用于冷速很快时如水冷和喷水冷却的情况。本文设计了一套可以测量不同冷却方式下试样换热系数的实验装置，测得了方板探头在空冷、以及各种不同压力下喷气、喷雾和喷水的冷却曲线；用反传热法、集中热容法和改进的集中热容法计算得到了这些冷却方式下的换热系数。

5、还设计了大电流方法测量装置，测量了不同探头形状和不同探头材料在不同风速下的换热系数。本文在有限元法求解温度场和组织转变量等的基础上，根据工业上对大型P20和718塑料模具钢使用要求，考虑到它们的相变特性，制定了复合冷却条件下虚拟淬火的研究方案。对这两种钢不同尺寸的工件采用有限元法模拟了以水和空气为介质的复合冷却条件下的温度场和组织场，寻找满足工业要求的工艺参数，结合物理模拟方法，制定了这两种钢不同尺寸工件的优化淬火工艺。研究表明对>600mm以上的718钢件，由于经过数小时的冷却，近表面相当厚的材料已经完成了组织转变

6、，然后可以通过后期强冷加快心部冷却，达到增加硬化层深度和缩短工艺时间的双重效果。本文针对高淬透性钢，设计制作了一套端淬实验装置，使端淬试样在淬火过程中近似符合一维传热。可以用端淬试样的回火试验确定淬火态硬度、回火温度、回火时间对回火后硬度的影响规律，可作为制定大模块热处理回火工艺的依据。端淬试样的回火试验结果表明，为使P20钢和718钢同火后硬度保持在33HRC左右，应选抒600。C左右的同火温度为宜。本文根据抚顺特殊钢有限公司生产的P20、718钢大件调质生产的需要，在虚拟生产的研究结果提示的工艺可行性基础上，着重

7、分析讨论了传统工艺与装备的缺陷，提出了开发智能化大型复合冷却工艺装备的设计要求，思路与实施方案。实现了在单台设备上组合浸液水淬、喷水、喷雾、风冷和空冷等多项功能，装备结构设计采用了独特的通过介质快速注入与排放方法，实现了在不设置升降台条件下的组合式淬火。PLC控制采用了模块化PC控制模式的控制流程，以一种循环结构米代替传统的顺序结构，只需要很少的数据存储空间就可以实现大量加工内容的表示，提升了控制模式的灵活性和通用性，满足了复杂工艺的需要，实现了计算机控制下的组合淬火(浸液水淬+喷水+喷雾+风冷+空冷)。采用淬火冷却

8、虚拟生产与物理模拟相结合方法获得的冷却工艺与研制的工艺软件，实现了工艺自动调用。本论文研究成果已在抚顺特殊钢有限公司生产现场实现工业应用，二年多来生产实践表明系统设备设计合理、可靠性高，连续使用二年多来无故障，完全满足了生产的要求，处理质量稳定可靠，产品质量指标完全达到设计指标。具有明显的环保与安全效益，无油烟排放，无有机物排放，解决了环保和安