H13热模钢失效分析及工艺改进

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新的模具行业投稿系统正式上线！点击(模具行业 (cnki.net)）在线办公系统中的作者提交系统可以在注册后按照提示提交。欢迎提交！ 针对实际生产H13研究热作模具钢分流桥根部过早开裂现象，利用DeForm-3D有限元模拟软件模拟了分流组合模具的挤出过程，研究了不同工作带长度对模具应力场和金属流动均匀性的影响规律。研究发现，当工作带长度为6 时mm、焊接室深度为12 mm分流桥根部等效应力更小，应力分布均匀，下模带出口坯料流量均匀。研究结果为铝型材热挤压成型H13合理设计钢模具提供了有效的理论参数。 数值模拟；分流组合模；挤出成型；模具参数；H13热作模具钢0 引 言H13热作模具钢(成分为4Cr5MoSiV1）它是目前应用更广泛的热作模具钢之一。因其强度高、韧性好、热疲劳性能好，广泛应用于铝合金、镁合金等金属加工制造业[1-4]。传统挤出工艺穿孔针采用的模具结构简单，产品无焊缝，可减少粗晶环等缺陷，但需要经常更换芯轴，管道前端偏心度大。目前，分流组合模[5、6]已逐渐取代穿孔针法，采用分流组合模具可获得壁厚均匀、尺寸精度高的产品，具有设备操作简单、生产周期快、成本低等优点。但由于形成产品形状的复杂性、挤压力过高、冷热疲劳的影响，分流组合模具必须合理设计[7、8]。于宝义等[9]对模具的分流比和焊接角进行了优化和模拟，通过验证模具优化后的强度，得到了合理的模具结构参数；岳博文等[10]通过模拟不同分流孔的深度，分析了不同分流孔的模具深度，提高了模具的早期分流组合深度。1 分流组合模1.1 分流组合模具的工作原理和几何模型分流组合模具的工作原理如图1所示。在挤压杆的挤压力下，坯料沿图1中箭头所示的方向移动。**阶段，坯料被分流桥分为4股金属流，然后沿分流孔进入焊接室；第二阶段，金属在焊接室内缓慢流动，相互接触，然后进行焊接；第三阶段，金属焊接后在出口工作带上形成。1   分流组合模工作原理工作带是在模孔中确定挤出型材的形状、尺寸和表面质量的区域，初始值为4 mm，焊接室的深度是从分流桥底部到模孔入口的垂直距离，取12

mm。图2为淬火锯切后的汽车配件型材，图3为模具分流桥根部开裂，造成模具报废。图2   汽车配件型材截面图3   模具分流桥根部开裂1.2 模拟条件设置以实际生产工艺参数为基础，坯料初始温度设置为510 ℃，直径为φ178 mm；假设模具、挤压筒和挤压杆刚性，初始温度分别为480、440和20 ℃；挤压速度为3 mm/s；坯料与模具挤压筒之间的摩擦因数设置为0.4；每步长1 mm，总模拟步数为600；通过计算坯料横截面积和型材横截面积，得出挤压比约为40.1。分流组合模在靠近模口处坯料的变形量较大，容易造成网格畸变，因此需要对网格进行局部划分[10]。采用相对法划分网格，网格基础数为40 000，更小边缘尺寸为3.12 mm，进入上模的坯料启动局部网格划分，划分比例为0.1；进入下模的坯料也启动局部网格划分，划分比例为0.05；上模采用相对法划分网格，网格基数为4

万 ，更小边缘尺寸为1.99 mm，局部网格在分流桥部分划分，划分比例为0.1；下模也采用相对法划分网格，网格基数为40 00，更小边缘尺寸为2.13 mm，局部网格分为焊合室和工作带，分为0.1。挤压杆和挤压缸分为少量网格。坯料和模具材料的性能如表1所示[9]。

表1   坯料和模具材料的性能

2 模拟结果和分析工作带长度L对于研究对象，在不改变其他工艺参数的情况下，分析流动金属在不同工作带长度下对模具的应力影响和流动均匀性，降低模具分流桥的等效应力，延长模具的使用寿命。2.1 工作带长度对模具零件应力的影响图4显示焊合室深度为12 mm、工作带长度不同的上模等效应力分布。从图4可以看出，当工作带长度为4、6、8 时，分流桥应力集中mm当时，模芯附近分流桥的等效应力分别为778、716和865 MPa。图5显示了分流桥相同点在不同工作带长度下的等效应力值。从图5可以看出，在不同的质地下，6 mm工作带长度的等效应力值比4、8 mm工作带长度等效应力值小，梯度变化相对温和，表明工作带长度下上模分流桥应力分布更加均匀。当模具局部区域应力集中，在循环负荷的重复作用下，裂纹首先在这里产生。在连续使用过程中，裂纹扩展，更终导致模具部件断裂。此外，工作带过长会导致金属流动不均匀。阳极氧化后，成型产品表面两侧和中间颜色不均匀，壁厚差；工作带过短会降低产品尺寸稳定性，加深模具零件磨损，缩短模具使用寿命[11、12]。因此，在设计模具时，应合理设计工作带的长度。4   工作带长度不同的上模等效应力

（a）工作带长度为4 mm （b）工作带长度为6 mm （c）工作带长度为8 mm

图5   工作带长度不同的分流桥等效应力图6显示焊合室深度为12 mm、工作带长度不同的下模等效应力分布。从图6可以看出，工作带越长，下模的更大等效应力越大。当工作带长度为4、6、8 时mm当下模具的更大等效应力依次增加。如果工作带长度过长，模芯在金属流动过程中可能会变形，影响成型件的表面质量。6   工作带长度不同的下模等效应力  （a）L=4 mm （b）L=6 mm （c）L=8 mm2.2 模具出口流量分布不均匀会影响成型件的表面质量，因此必须调整工作带的长度，使金属流出工作带的速度更加均匀。为了有效地表示金属流出模孔速度的均匀性，利用金属流出工作带的流动分布因子来衡量[13-15]，计算公式如下:(1)公式:DMVi——工作带出口节点数量流动分布因子；-规定平面节点i轴向流速，mm/s；——规定平面上所有节点的平均流速，mm/s。在不同工作带长度的型材上取相同的8点DeForm-3D在软件的后处理中，利用点跟踪功能提取此时8个质点的流速。流速因子分布及各点流速分布曲线如图7所示。从图7可以看出，不同工作带长度下的流速因子分布为4、6、8 mm当通过计算得知其极差分别为0.061 33、0.008 14、0.023 2.随着工作带长度的增加，工作带出口空白的流量越均匀，但在一定程度上，模具出口空白的流量变得不均匀，当工作带长度为6 时mm当流动因子波动更小时，工作带长度下的金属流动更加均匀。7   根据工作带长度，流动因子分布和各点流速分布曲线6 mm试生产改进的工艺参数设计模具。改进前，模具生产8×103 kg根据改进参数设计的模具左右报废11.6×103 kg，模具分流桥根部仍无明显裂纹，成型产品质量符合要求。3 通过模拟可以看出，当工作带长度为6 时mm与工作带长度4、8 相比mm分流桥根附近等效应力更小，应力分布均匀。当工作带长度为6 时，使用点跟踪功能观察流速分布mm当流动因子波动更小时，工作带长度下的金属流动更均匀。工作带长度为6 mm实际生产改进工艺参数设计的模具，铝型材挤出量达到11.6×103 kg模具分流桥根部无明显裂纹，超过改进前8×103 kg的产量。

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▍原作者：王汉 1李亨 1 徐凡凡 1朱晓勇 2王东明 3

▍作者单位：1. 合肥工业大学 航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室；2. 合肥工业大学 智能制造技术研究所；3. 池州九华明坤铝业有限公司

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