16 t锤锻模延寿研究

卢 顺，甘玉平，余盈燕，甘贵生

（1.重庆杰品科技股份有限公司，重庆 401329；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044；3.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054）

0 前言

不同锻件材料所需的锻造温度不同，所用的锻模的温度场、应力场也不相同。为了制造适合实际生产的长寿命梯度堆焊锻模，保证锻模具备较好的力学性能，其工作区域具备较高的耐磨耐蚀和热稳定性以及各梯度层具有足够高的连接强度，需要分析该锻模在锻造过程中的温度场、应力场分布，设计出能够满足锻件生产的合理的梯度堆焊层厚度范围。

锤锻模是热锻模的一个重要分支，能够通过较小吨位的锤锻设备加工出难以成型的复杂结构件。锤锻模在服役过程中除了受到普通热锻模机械及热的双重负荷，还要承受锻锤的高频次冲击载荷，因此相较于普通热锻模更容易出现底角疲劳断裂、磨损、塑性变形等失效情况。

本文采用Deform 3D有限元分析软件进行模拟仿真，分析某16 t锤锻模在成型过程的温度场、应力场分布规律，优化设计增材梯度层的模型及再制造工艺，有效解决锤锻模变形、开裂问题，最终达到延长模具寿命的目的。

1 锻模失效分析

一般热锻模服役时，与成形金属在高温下有较长时间接触，承受巨大的冲击力、压力、剪切力等复杂作用力，且具有周期性交变特征。随着高速、强负荷、高精密模锻设备和高强韧性锻件的普遍应用，热锻模服役条件更加恶劣。关注锻模失效形式及其形成机理，是开展锻模再制造以延续其寿命的关键。图1为锤锻模服役后典型失效形式。

图1 锤锻模服役后损伤情况

表面损伤失效是热锻模主要失效形式之一，主要包括表面磨损（粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等）和表面腐蚀（点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等）。在热模锻生产中，在多次重复冲击载荷的作用下，一方面坯料对型腔表面产生冲击性的接触应力；另一方面因塑性变形产生流动的金属剧烈地摩擦研磨型腔表面，导致凹模膛扩展和凸缘磨钝；此外，塑性变形流动的金属间压应力和剪切应力合成后可在型腔表面形成许多小沟槽，从而导致产生机械磨损。在热负荷的作用下，特别是型腔的温度过高时，型腔会因回火效应而致表面软化，同时表面的氧化也将加剧，两者均将加剧磨损。对模具磨损影响较大的因素是表层温度、模具材料成分和硬度、型腔表面状况以及模具的使用条件等。

过量变形失效是指过量弹性变形、过量塑性变形（局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等）以及蠕变变形超限。温度升高使模具材料的屈服强度下降，当温度高于模具的回火温度时，进一步使其软化，当软化部位的屈服极限低于该部位所承受的应力时，就会产生塑性变形。模具型腔中的肋和凸台等突出部位与变形金属长时间接触而吸热较多，温度较高且受力也比较大，当软化层深度较大时，就会出现棱角塌陷等塑性变形现象。

断裂失效包含了塑性断裂、脆性断裂以及疲劳断裂。在冲击载荷的作用下，易萌生疲劳裂纹，裂纹一旦延伸并向纵深扩展，造成型腔开裂。为了减少开裂，除了应该考虑模具表面粗糙度和模具的安装固定等因素，还应该考虑模具的结构设计以及合适的硬度和组织才能使模具有较高的使用寿命[1-3]。

2 某16 t锤锻模有限元模拟分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元数字模拟技术模拟锻造成形时，正确的边界条件设置对模拟结果的准确性十分重要。结合实际生产条件，建立该锻件锻造成形工艺模拟初始条件如下[4-5]：

（1）模具替代材料：AISI-L16。

（2）模具预热温度350℃。

（3）热对流系数0.02 N/(s·mm·℃)，热传导系数5 N/(s·mm·℃)。

（4）16 t锤，能量为400 kJ，效率0.8。

（5）模拟成形过程中，设置上模位移为步长增量，根据需求设置保存的步长增量。

以此建立的锻造成形有限元模型如图2所示

图2有限元数值模拟模型

2.2 锻件型腔充填情况

图3 为坯料终锻过程填充成形情况。从填充情况来看，一火终锻后锻件主体大体充填到位，飞边较小，无需切边就可加热后进行下一火终锻。二火终锻结束后坯料填充饱满，成形终了形成的飞边如图3（b）所示，飞边形成均匀，锻件无充不满缺陷，说明坯料外形和尺寸设计合理，能够满足成形需要。

图3 终锻填充情况

2.3 锤锻模温度场模拟结果分析

热锻模的损伤结果表明：模具型腔表面的温度波动区易出现疲劳裂纹，温度波动区即为循环热应力作用的区域，此区域受到的温度和应力非常复杂。因此，模具的温度场分析主要集中研究温度波动区的温度变化。

锻造过程主要包括摆料、加载、卸载等过程，热量由高温锻件传递给低温模具，一火终锻后锻模的温度场分布如图4所示。从图中可以看出最高温度出现在最早接触坯料的型腔边缘(飞边槽)处，锻压时锻件在高压状态与模具贴合，模温上升。锻模最大温度主要分布在锻模桥部边缘和型腔侧壁以及内凸台处，上模最大温度约为386℃，下模最大温度约为377℃。总体来说，一火终锻模温上升较小，在40℃以内。

图4 一火终锻锻模温度场分布

二火终锻后锻模的温度场分布如图5所示。从图中可以看出最高温度出现在型腔边缘(飞边槽)处以及凸台处，上模最大温度约为617℃，下模最大温度约为579℃。这些位置与模具较先接触，在坯料热量传递和摩擦生热的双重作用下，温度上升明显。这些位置由于温度较高，可能会发生模具软化，容易产生压塌变形以及磨损，在后续模具堆焊设计时需要进行重点关注。模具其他位置基本维持预热温度350℃，在进行后续设计时可忽略该温度对模具寿命的影响。

图5 二火终锻锻模温度场分布

此外，模具除了经历锻打过程，还会经历冷却过程。在锻打阶段，型腔表层区域受到高温坯料的热作用，温度逐渐上升；锻打结束后，在随后的冷却润滑阶段，受到低温润滑剂的冷却作用，型腔表层温度急剧下降，导致表层温度变化较大，这在后续模具堆焊设计时也需要考虑。无论是锻打阶段还是冷却阶段，距离表面型腔一定厚度下的模具基体区域温度基本维持350℃（模具预热温度）不变，锻打或冷却阶段对该区域的温度没有明显影响。这是由于锻打阶段坯料传热能力有限以及冷却润滑时间较短，对该区域的温度影响较小。因此，根据模具模锻循环过程中的温度变化，需要重点关注型腔表面堆焊材料的选择。

2.4 锤锻模应力场模拟结果分析

图6为该锻模在锻造最后一步的应力场分布。从图中可知锻模型腔等效应力值主要分布在750~1 500 MPa，最大应力均出现在型腔底部两侧圆角处，在1 250 MPa以上，主要因为随着金属逐渐充填型腔，金属流动阻力增大，在模具圆角处金属难以充满，较容易产生应力集中。为更好地反应锻模型腔圆角处的等效应力分布状态，对锻模等效应力最大部位型腔进行剖切，如图7所示。观察模体等效应力分布可知，型腔圆角处应力较为集中，等效应力在1 250 MPa以上区域的型腔深度约为15 mm，最大应力值超过1 750 MPa。

图6 锤锻模等效应力分布

图7 锤锻模剖面等效应力分布

图8为该锻模在锻造最后一步的最大主应力场分布图。从图中可知锻模型腔底部凹槽圆角部位受到拉应力，最大拉应力超过1 250 MPa，在该区域容易因受拉而产生裂纹，在后续的锻模梯度堆焊材料选择上需要重点考虑。模具两侧桥部附近区域主要受到压应力，在工作情况下容易产生磨损以及压塌变形，在堆焊设计时该区域需要选择高硬的耐磨材料。为了更好地反应锻模型腔圆角处的最大主应力分布状态，对锻模最大主应力最大部位型腔进行剖切，结果如图9所示。观察模体最大主应力分布状态可知，型腔圆角处最大拉应力向模具基体扩展并随着扩展深度的增加逐渐减小。对其应力扩展深度进行测量分析可以得到其应力分布具体情况，即最大拉应力在750 MPa以上区域的型腔深度约为10 mm。为了有效释放模具应力，避免产生开裂，可考虑在该区域堆焊一定厚度的软质材料，通过软质材料的轻微塑性变形使拉应力得到释放。该区域是工件成形最后充填区域，可稍微降低强硬度要求。

图8 锤锻模最大主应力分布

图9 锤锻模剖面最大主应力分布

3 某16 t锤锻模延寿梯度增材再制造

根据上述结论并结合梯度结构各材料层热物理性能，便可得到如图10所示的锻模梯度结构模型。在模具基体D上堆焊过渡材料JX104，该材料的硬度及高温压缩强度都比模具基体更好，能提高模具表面性能；同时其高温硬度比表面强化层材料JX105低，能够减缓硬度梯度，弱化堆焊层、热影响区和基体在强度、塑性、韧性等方面存在的明显差别，使整个梯度堆焊结构层的组织和性能呈缓慢过渡趋势。

图10 锻模型腔梯度增材再制造结构示意图

在桥部以及模具型腔凸台区域堆焊表面强化材料JX105，该材料具有较好硬度、耐磨性以及耐高温性，可以很好改善锻模型腔该区域易发生的压塌变形、磨损等问题。

因锻模型腔底部凹槽圆角部位受到拉应力容易产生裂纹，为了有效释放模具应力，考虑在该区域堆焊一定厚度的止裂材料JX202。该材料在回火温度变化下硬度变化不大，总体较低，高温稳定性能极佳，同时塑性好、延伸率高，在锻打时可以通过该止裂材料的轻微塑性变形使拉应力得到释放，避免模具产生开裂。

4 锤锻模生产验证

再制造锻模生产验证结果如图11所示。与再制造前该锻模失效情况对比，从外观上看再制造锻模锻打后模具基本无变形，表现很好，模具局部表面基本无磨损，也看不到明显的刮擦等现象。原锻模压塌、墩挤变形以及磨损严重部位，均得到极大改善；服役寿命从原锻模的一件提升至6件，至少提升6倍。

图11 再制造锻模生产验证

该再制造锻模服役后三坐标尺寸（如图12所示）及表面进行的探伤检测结果表明：其变形最大部位—桥部，由原锻模锻打一件后的变形15~20 mm，降低为锻打6件后的1.5 mm，变形量大大降低；型腔表面无缺陷，可以继续服役使用。

图12 再制造锻模服役后下模三坐标尺寸检测

5 结论

根据锤锻模实际损伤情况以及数值模拟结果，优化设计了某16 t锤锻模延寿梯度增材再制造工艺。

（1）原锻模锻打一件后，变形最大部位为桥部，变形量最大为20 mm；再制造锻模锻打6件产品后，变形最大部位也为桥部，但变形量最大为1.5 mm。变形量大大降低。

（2）原锻模锻打一件后，因局部变形量过大而失效；再制造锻模锻打6件后，经检测，原锻模压塌、墩挤变形以及磨损严重部位均得到极大改善，型腔表面无缺陷；服役寿命从原锻模的一件提升至6件，至少提升6倍。

（3）与原锻模相比，优化后的锻模耐磨性极大提升，服役寿命显著提高，实现了模具循环再制造。