维普资讯 热锻模非稳态温度场到稳态温度场的转变过程与特征 口 王洪福 1,2 口 王华昌 口 汤育玺 1.中北大学 机械工程与 自动化学院 太原 030051 2.武汉理工大学 材料科学与工程学院 武汉 430070 摘要:使用功能梯度材料设计制造钢锻件的热锻模 ,首先需要全面深入掌握热锻模在实际工作时的温度场、应力 场及应变场的分布和变化规律。为此,用DEFORM一2D软件对轿车前轮毂热锻模的全工作过程进行 了连续仿真,得到了 热锻模从非稳态过渡到稳态的温度场变化过程和变化规律,对热锻模稳态温度场的特征参数及变化规律进行了定量描 述,首次揭示 了热锻模稳态温度场与非稳态温度场之 间的对应关系和主要差别 ,使对热锻模温度场 的变化过程与变化规 律 的认识更全面、更深刻 、更具体 。 关键词:温度场 仿真分析 热平衡状态 热锻模 中图分类号:TG315,2 文献标识码:A 文章编号:1000—4998(2008)07—0028—04 在 现代热模 锻生 产中,热锻 模是 连续工 作的,其温 图2所示是第 一次终度场 是连 续 变化 的 ,其 初始 非 稳态 温 度场 与稳 态 温度 锻过程中锻靠 阶段 结束 , 场之 间既有相互关系又有本质 区别 。但迄今为止 ,对热上模 即将 上行 时下模 的温 锻模温度场 的认识还仅 限于非稳态温度场 ,还未见对 度场。图 中A、B、C、… 、L 热锻模在连续工作过程 中稳态温度场 的变化过程及变 分别表示温度295、315、 化规律 的较系统 的分析报道 ,人们对 热锻模温度场 的334、… 、509。C的等 温曲认识 还是不 全面 、不深刻 的。线。由图可知 ,此时仅模 膛 热锻模使用寿命 的根本 问题是锻模材料 问题 。由 近表 面层 发生温度变 化,于传统均质模 具钢 的局 限性 ,热锻模寿命 问题一直难 模 具其 它部分 的温度基 本图1 工件与模具的模型图 以从根本上得 以解决 。要显著提高热锻模使用寿命 ,就没有发 生变化。如果将 模Pt 必须打破传 统 均质材料 的局 限 ,采用功能梯度材 料膛近表层温度(FunctionallyGradientMaterials,FGM)…来 设计制 造热发生变化的区锻模。FGM 已成 功地应用于军工 及 民用 7-业中,随 着域称温度变动FGM 技术 的成熟和发展 ,其 广泛应用是必然趋 势 。要 区 ,而将模具 上用FGM来设计制造热锻模 ,必须根据 热锻模稳态温度 温度没有发生场、应力场来设计锻模材料 ,然后探 寻其制备方法 。 变化的区域 称 温度稳定 区,则1热锻模稳态温度场形成 终锻 模第一次1.1 仿 真模 型212作 循环 时的图2 第一次锻靠阶段结束后下模的温度场 用DEFORM 软件模 拟轿车前轮毂 终锻 模 的连 续温度场具有 如下特 点:工作过程 。由于锻件是轴对称 的 ,故用 DEFORM一2D软1)温度变动 区是 由模膛表 面及近表面层构成 ,此 件模拟锻件半个截面 的成形过程 即可 ,见图1所示 。锻 时温度变动 区范围最小 ,温度稳定 区范 围最大 。 件材料为35钢 ,模 具材料为H13。毛坯始锻温度为12)在 温度 变动 区 ,模膛表 面 温度最 高 ,从表 面 向远 220~12;毛 坯经 预锻 后进 入终锻 时 的温度 为11O0~C;终 离表 面方 向温 度 急剧 降低 ,表层与近表 层 的温 度梯 度 锻时的环境温度为20~12;终锻设备为20MN模锻压力 大 。模膛表面上温度最高 点为模膛表面 的尸2点处 ,达机;工件变形 流动 时 ,工件与模具 间的摩擦 因数 取0.3, 526.5℃ ;温度次高 点为飞边桥部入 口处 的PJ点处 ,温 接触热传 导系数为 11w /(in ·℃);无变形流动 时工件 度为494.2℃ ;此两处 温度与摩擦生 热有 密切关 系。与模具 问的接触热传导系数为 1W /(in ·℃);终锻模 3)模 膛表 面温度 越高 ,温度 变动 区对应 厚度越 大,的预热温度为300~12。 如图2中P2点处温度最高 ,对应 的厚度亦最大 。 1.2 第一 次工作 循环时的非稳 态温度 场1.3 第二 次工作循 环 时的非稳 态温度 场 收稿 日期:2008~1月 第一次工作循环 结束 ,但DEFORM.2D软件继续 回2008/7 机械制造46卷第527期 维普资讯 运行 ,在未进行第二次工作循环 时 ,模具与周 围介质发 生热交 换 。模 膛表面温 度下 降 ,模 具 内部 的温 度 场也在 发 生变 化 ,这些 过 程都 让DEFORM 软件 的模 拟记 录下来,一切 均在 以时 间为步 长 的控制 下进 行模 拟 和记 录。根据前轮毂锻件 的实 际模锻过程 ,设定设备 的工 作 节拍 及每一节 拍锻模与工件 间接 触 情况 的细 节 。如 预 锻件 放人 终锻 模经4S后进人 塑性 变形阶段 ,塑 性变 形 阶段上 、下模 间的运动取决于设备参数 ,锻靠结束后 上模上行 ,锻靠结束 经2S锻件顶 出 ,锻件顶 出后经2S 放人第二个预锻件 ……如此循环往 复 ,锻模 的全部工 作过 程均 在DEFORM 的模 拟文 件之 中。 图3所示为第二次终锻过程中锻 靠 阶段 结束时下模的温度场。与 图2 为各 自的恒 定值 。 所示的第一3)模膛表面各 点温度 的变化 幅值逐次减小 ,直至 次终锻循环变为一恒定值 ,见图5所示 。当模膛表面各点 峰值温度 时 的温 度场不再上升 ,模膛表面各点温度变化 幅值变为恒 定值 时,相比较 ,产生此时的温 度场 定义为锻 模连续工作 时 的温 度场 。在此了如下变化 。 温度场 下继续模锻 ,锻模温度场 的循环变化规律基本 1)温度变动 区的范 围有所 扩大 ,其扩大主要表现 不再变化。本 文列举 的前轮 毂 终锻 模 ,在 连 续模 锻100 在 距模 膛表面的厚度 增加,即温 度变动区的分 界线向次以上 就可认 为 是进人 了连续 工作 时 的温度 场。远离模膛 表面的方 向移 动。2热锻模稳态温度场 2)模膛表面 的温度有所上升 ,温度最高点仍在 尸2 点 ,尸2点最高温度 为568.9℃ ,温度 次高 点仍在 P 点,当热锻模温度场成稳态 时 ,意味着此后每模锻一 P 点温 度为540.4℃ ,分别比图2中两 点 的温 度提高件锻件 ,锻件传给锻模 的热量基本上等于锻模 向周 围42.4℃和46.2℃ 。 介质散发 的热量 ,即锻模进人热平衡状态 。故也将连续 3)模膛表 面各点 的最高温度虽有所上升 ,但其波 工作 的温度场 叫做稳态温度场 。 动 幅度有所 降低 。因为第二次终锻过程开始时 ,模膛表 2.1 模膛表面温度分布 面温度 来 不及 降低 到锻模 的预 热温度,此 时模膛 表面 前轮毂 热锻 模 在进 人稳态温度 场后,模 膛表面在 温度 因第一次模锻过程 的影 响而普遍有所升高 。例如 每一工作循环 中的峰值温度分布如 图6和表 1所示 。可图2中P:点 ,其第一次工作循环 时 的温度波动 幅度是 以看 出 ,模膛表面温度分布很不均匀 ,温度最高处为点 从预热温度 300~C升高到526.5℃ ,波 幅为226.5℃ 。而B8,达775℃ ;温度 最低 处 为点 B20,温度 为555.2℃。模图3中的 P:点 ,其第 --~ -r-作循环 时 的温 度波动 幅度 膛表面温度分布特 点是 :①表 面轮廓外 凸且金属流动 是}~427.2℃升高到568.9℃ ,波 幅为141.7℃ 。 剧烈处温度最高 ,如图6中的 B1、B8和B18各点;②表1.4 稳 态温度 场 的形 成 面轮廓 内凹且金属流动不剧烈处温度较低 ,如图6中的 将上述温度场 的模拟过程 继续下去 ,进 行第三次 , B3、B5、B15各点 。 第 四次 ……第 n次模锻过程 的温度场模拟 ,就可 以得 模膛表面温 度 变化 规律可用模 膛表面的3个 特征 出如 图4所示的热锻模 稳 态温 度场 。 值 ,即温度 峰值 、温度变化 幅值 死 及温度均值 死; 在 连续模 锻 次数 增加的过程 中 ,锻 模温度场的变 来描述 。模膛表面各点 的这3个特征值各不相 同 ,但对 化呈 现如下特 点:某点来说 ,3个特征值 间存在如下关系 : 1)温度变动 区范 围逐步扩大 ,温度稳定 区范 围逐 +A The~2= 渐缩 小 ,直 至锻 模整 体全 部进 人温 度 变动 区。模膛表面各 点 的温度均值 表示各 点 的平衡温 2)模膛表面各点峰值温度逐渐上升 ,但逐次上升 度 ,可用 来衡量模膛表面温度 的高低 ,是衡量模膛 机械制造46卷第527期20118/7 国 维普资讯 表1模膛表面各点峰值温度 /(。C) 温线 的方 向),该 曲线与热流流 出面有一交 标号 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B1O 点P。,则称 P。与P,间的距离为模膛表面 温度 731.4 722.1 635.3 605.1 595.1 631.6 678.8 775.0 732.3 7oo.O P-点 的温 度波 动 区厚度 。 与模膛 表面 标号 B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 的峰值温度 死r有正相关关系 ,死r越大 ,阮 温度 661.1 677.5 687.6 640.0 592.0 598.2 608.4 681.2 627.2 555.2 也越大。位 于图2中 点处 的巩 约为68表2 热流流出面上各点的温度 /(。C) mm,而图2中P]点处 的地 仅为2.9mm。 温 度波 动 区热流流 出面上 的温度 分布 标号 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C1O 见图6和表2所示 。比较 图6及表 1、表2可知 , 温度 703.7 685.8 604.2 588.9 5772 617.7 664.4 665。1 661.4 662 标号 Cl1 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 热流流 出面上 的温度分布 ,总体上是模体 温度 649.2 642.8 638.7 614.2 567.3 559.1 553.8 546.9 545.2 5217 中心处最高 ,从模体 中心沿径 向线逐渐 降低(其 中4个 特殊点 除外)。但 热流流 出面 上最高温 度与最低 温度之差值 比模 膛表面的相 应 差值 小 ,说 明热流流 出面上 的温度分布均匀些 。与模膛表面 各点温度 的波动 幅值 死相比较 ,热流流 出面各点 的 温度波动区 温度波动 幅度可忽略不计 。 一 从模膛表面任取一 点 ,沿热流流动方 向达 到热流 BI 流 出面 的 曲线上 ,各点 的温度及温度波动 幅度 的变化 B }C6『徽区 情况 ,如图7、图8所示 。图中所示是 图2中的点 P,热流 方 向上依次各点 的温度变化情况及温度波动 幅值 。 奎芝 /c5 2.3 温度 梯度 区图6 温度波动区边界点位置 热锻模温度场呈稳态 时 ,整个模体 内除去温度波 动 区的其余 部分 ,均 为温度 梯度 区 (参 见图6)。由图4中 表面热负荷状况 的重要指标之一 ,可根据 的高低 的等温 线 可看 出 ,温 度梯 度区内的等 温线 均是 围绕模 来选择模膛材料 。 膛 的光滑连续、比较平直 的曲线 。越靠近模膛表面的地 温度变化 幅值 死 是某 点峰值温度 与温度均 方 ,温度梯度越大 ,越远离模膛表面处 ,温度梯度越小 。 值 之差值 的2倍 ,亦是模膛表面某点 的最高温度 与 最低温度 间的差值 。模膛表面各点 的热应力与 死成3热锻模稳态温度场与非稳态温度场的比较 线性关系 ,故 是衡量模膛表面热负荷状况 的另一 综合考虑上述锻模 连续工作 时温度场 的形成过 个重 要指标 。 程 ,比较 图2和图4所 示两种 温度 场 ,可 以得 出稳 态温度 2.2 温度 波动 区场与非稳态温度场 间的主要差别及相似之处 。两者 间模体内紧贴模 膛表 面 的一 部分区域 (如图6所示)的主要差 别有 : 为温 度波 动区,温 度 波动 区 由模 膛表面和热流 流 出面 1)模 膛表 面温 度 明显 不同,图4中模 膛表 面温度 显所围成 。热 流流 出面可 以 这样来确定 :在如 图4所示 稳态温度场 中有许 多等温 线 ,这些等 温线在模膛表 面 附近均 出现拐 点 ,由这 些拐 点所构成 的曲面就是 温度波动区的热 流流出面。温度波动 区 的厚度可 以这样 来定义:在 模膛表面取 一点 P-,由P。点 出发 向模体 内划一 曲线 ,使该 曲线 的切线方 向始终是热 流 的流动方 向 (垂 直于等 2~ 8/7 机械制造46卷第527期 维普资讯 我 国紧固件产业发展 的对策研究 口 张青春 浙江工业大学 经贸管理学院 嘉兴 314300 摘要:要实现紧固件制造强国必须加快技术改造,深化专业分工 ,加强人才培养 ,实施品牌战略,加快科研平台建 设 、提高环保意识 ,只有不断提高我 国紧固件企业的 自主创新 能力和综合竞争力 ,才能实现紧固件行业发展的新跨越。 关键词 :紧固件 发展 研究中图分类号:TH131 文献标识码:A 文章编号 :1000—4998(2008)07—0031—02 Abstract:Tobecomeapowerfulfastenermanufacturingcountry,wemustspeeduptechnicaltransformation,deepenworkdivi- sion,strengthenprofessionalpersonneltraining,im~ementbrandstrategy,expeditetheconstructionofscientificresearchplatform andraiseenvironmentalprotectionconsciousness.A newleapinthedevelopmentofourfastenerindustrycanberealizedonlyifour fastenermanufacturingenterprisescontinuouslyenhancehteirindependentinnovationabilityandcomprehensivecompetitivebaility. KeyW ords:Fastener Development Research 经:~t2