热锻模热力学模拟分析以及区域划分...

热锻模模具分区域等寿命设计研究

重庆大学硕士学位论文

（学术学位）

学生姓名：*** 指导教师：周 杰 教 授 专 业：材料加工工程 学科门类：工 学

重庆大学材料科学与工程学院

二O一四年四月

a Research of Region Segmentation Approach and Regional Life Unification for

Hot Forging Dies

A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the

Master’s Degree of Engineering

By Yu Yingyan

Supervised by Prof. Zhou Jie

Specialty: Material Processing Engineering

College of Material Science and Engineering of Chongqing

University, Chongqing, China

April 2014

重庆大学硕士学位论文 中文摘要

摘 要

热锻模具是锻造过程中的重要工具，对于热锻模具寿命的研究一直是锻压行

业中的重要问题，调查表明，在中国，热锻模的成本占了整个锻件成本的30%-40%，而在发达国家，这一数字仅为15%左右。国内外许多学者都对如何降低模具成本，提高模具材料的利用率进行了研究，相比于提高模具寿命来达到降低模具成本的方法，采用等寿命的思想对模具进行定制设计是更加科学也更加有效的方法，特别是用在小批量的大型模具制造上，成本节省效果更加明显。

本文针对某厂曲轴QP123终锻模具进行分析，通过现场调研以及对传统模具进行统计分析，建立了基于DEFORM有限元软件的有限元数值模拟模型，对该曲轴终锻过程模具的温度场、应力场以及磨损进行了分析；引入等寿命的设计思想，提出了分区域等寿命的理想锻模模型，依据模拟结果以及实际调研的模具失效形式分布分析了模具不同部位的热力特征以及会出现的主要失效形式，制定了将模具分区域进行研究的技术路线，根据材料的屈服强度以及温度波动的规律，定量地将模具划分为几个不同的特征区域：多重失效区，磨损区，塑性变形区以及易断裂区；根据模具的分区对不同区域进行针对性的设计，制定了区域选材的原则：首先满足不失效原则，其次考虑生产批次，最后结合制造工艺进行调整。利用这一原则对划分的几个区域进行选材设计，利用屈服准则，磨损寿命分析以及残余应力叠加分析的方法规定了选材的范围，然后在常用的热作模具钢种选出相应的材料，最后结合分区的位置以及制造工艺的需要对材料进行调整，最终得到了一套可以用于实际生产的近等寿命锻模设计方案。利用这一方案指导制造了一套近等寿命锻模并进行了实际生产试制，提高了模具的寿命，对试制后的模具进行等寿命分析，分析了各区域使用后的失效状况，并提出了改进的方案。

通过本课题的研究，创新地将等寿命的思想引入到热作模具的制造设计中，为模具结构的设计提供了新的思路，根据等寿命的思想进行设计，可以最大程度发挥模具材料的利用率，甚至达到按照模具服役环境以及生产批量需要来反定制模具材料的目的。本文通过对通过对模具的分区，选材，结合寿命计算，为新型经济型的模具结构设计提供参考和数据支持。

关键词：热作模具，理想模具结构，等寿命，有限元模拟

I

重庆大学硕士学位论文 英文摘要

ABSTRACT

The lifespan study for hot forging dies is a hot issue in forging industry. According to statistics, the costs for tooling, which involve purchase, repair and replacement, are up to 40% of the value of the final product and prolongation among prevention of unexpected failure result in a reduction around 30% in the production costs. The service life of tools has a high impact on the competitiveness of closed-die forging shops. To increase it, metallurgical modification of the die surface, coating and geometric changes of the engraving have already been studied in different works. But there aren’t many studies about how to get a suited service life. Compared with long life tools, scheduled life tools are more efficient and economical, especially for large-scale tools.

In this study, a rigid-plastic finite element simulation was used to simulate the finish forging process of a crankshaft named QP-123 based on the commercial code DEFORM 3D/2D. Combined with the simulation results e.g. temperature distribution, stress distribution, tool wear and ideas of equal life design, a new tool design method was proposed for a new type of economical forging tool. This method is aim to get a unified regional life in different tool regions and mainly include three procedures. At first, the distribution and evolvement of temperature, stress and tool wear in a multiple forging process have been analyzed; also, the data of failure position and pattern in practical manufacturing process has been collected. Then, a region segmentation approach based on region feature was presented in forms of formula and rules. In this approach, a finish forging tool of the selected crankshaft was divided into five regions i.e. multi-failure region, wear region, plastic deformation region, crack region and matrix region. Every region has its classification standard and the main failure. At last, the final procedure was material selection for different region. It is the most important part in the proposed method, a series of rules for material selection were made to define a suitable material for a featured region. There are general material rules: good enough to avoid failures; have a suitable lifespan and feasible to link with other region. Based on the method have presented above, a net-equallife forging tool is manufactured and an experimental industrial production was conducted. The results show that the tool designed under guidance of the new method is more efficient and economical than classical tools. This paper introduced the idea of equal life into mould design, try to get a new type of forging tools which can custom-made according to the working environment and

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重庆大学硕士学位论文 英文摘要

service life. We need a suitable life tool rather than a long life tool in many cases and tool life customization will be more appropriate for new manufacturing industry.

Key words: hot forging die, ideal mould structure, equal life design, FEM simulation

III

重庆大学硕士学位论文 目 录

目 录

中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1

1.1引言 ............................................................................................................................................ 1 1.2热锻模失效形式以及影响因素 ................................................................................................ 2 1.3热锻模具寿命研究现状 ............................................................................................................ 6 1.4本文研究的内容和意义 ............................................................................................................ 7 1.4.1研究内容 ............................................................................................................................. 7 1.4.2选题目的以及意义 ............................................................................................................. 8 1.5本章小结 .................................................................................................................................... 9

2 等寿命方法与实验研究 ................................................................................................. 10

2.1等寿命方法概念以及实现方式 .............................................................................................. 10 2.1.1预定寿命以及等寿命设计思路 ....................................................................................... 10 2.1.2预订寿命与等寿命思想用于模具设计制造的构想（理想的模具结构） .................... 11 2.2 模具分区域等寿命设计技术路线 ......................................................................................... 13 2.3模具分区域等寿命设计分析以及实现方式 .......................................................................... 14 2.3.1有限元模拟 ....................................................................................................................... 14 2.3.2材料基础性能分析实验 ................................................................................................... 17 2.4 本章小结 ................................................................................................................................. 19

3 热锻模热力学模拟分析以及区域划分 ................................................................. 20

3.1 引言 ......................................................................................................................................... 20 3.2 有限元热-力耦合模型的建立 ................................................................................................ 20 3.3 模拟结果分析 ......................................................................................................................... 22 3.3.1坯料成形情况分析 ........................................................................................................... 22 3.3.2模具应力场分析 ............................................................................................................... 24 3.3.3模具温度场分析 ............................................................................................................... 25 3.3.4模具磨损分析 ................................................................................................................... 26 3.3.5 模具最大应力截面应力累积分析 .................................................................................. 27 3.4模具区域划分 .......................................................................................................................... 28 3.4.1基体与工作区域的划分 ................................................................................................... 28 3.4.2 模具失效分布以及工作区域分区细化 .......................................................................... 32

IV

重庆大学硕士学位论文 目 录

3.5本章小结 .................................................................................................................................. 37

4 模具分区域近等寿命选材设计 ................................................................................. 38

4.1局部强化区 .............................................................................................................................. 38 4.2耐磨区 ...................................................................................................................................... 41 4.3抗变形区 .................................................................................................................................. 42 4.4防断裂区 .................................................................................................................................. 44 4.5本章小结 .................................................................................................................................. 44

5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估 ................................................................. 45

5.1模具制造以及生产试制 .......................................................................................................... 45 5.2近等寿命模具等寿命效果评估 .............................................................................................. 46 5.3本章小结 .................................................................................................................................. 48

6 总结与展望 ............................................................................................................................ 49

6.1全文总结 .................................................................................................................................. 49 6.2研究展望 .................................................................................................................................. 50

致 谢 ......................................................................................................................................... 52 参考文献 ....................................................................................................................................... 53 附 录 ....................................................................................................................................... 56

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录 ................................................................................... 56

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

1 绪 论

1.1引言

模具是生产各类产品的基础工艺装备，它是以被制件的材料、形状、尺寸及使用要求为依据，经设计、制造、调试等环节而生成的用于批量生产该制件的一种专用工具，是批量生产制品基础工艺的设备。模具成型技术广泛应用于现代社会的各种工业中，据统计，采用模具成型技术制造的产品在飞机、汽车、仪器等机电产品中占60%~70%；在电视机、计算机等电子产品中占80%以上；在冰箱、风扇等家电产品中占85%以上[1]，可见，模具成型技术与现代工业化的生活息息相关，是航空航天、石油化工、仪器仪表、船舶制造、汽车工业、机械制造、家用电器、轻工业日用品等国家重要产业的基础。采用模具生产零件具有效率高、质量好、节能降耗、生产成本低等一系列有点，对国民经济和社会发展起到了巨大的作用[2-4]。

根据模具使用的成形工艺性质以及使用对象，模具又可以分为冲压模具，锻造模具，铸造模具，压铸模具等。其中，锻造模具是模具中十分重要的一个类别，锻造作为汽车、船舶、机械、军工以及航天等工业中不可或缺的重要加工工艺，在国民经济中占有十分重要的经济地位，锻造工艺生产的产品具有良好的塑性和力学性能，是一些关键部位零件的主要制造方法[5-6]。锻造模具作为锻造的工具，其质量和寿命直接决定了锻件的质量以及成本，锻造模具寿命的研究也一直备受锻压行业的关注。

锻造模具在服役过程中承受着复杂并且剧烈变化的载荷作用，尤其是热锻模具，服役时不仅承受很大的机械载荷，型腔部分还受到严重的热力作用以及冷热交变载荷，服役条件十分恶劣，一般热锻模的使用寿命都普遍很低，并且需要采用高性能的热作模具钢作为模具的制造材料，使得模具的制造成本很高[7-10]。据统计，热锻模的平均寿命大约为 3000-5000 件，大约只有国外的1/3～1/5，另外，热锻模的成本偏高，国内热锻模具费用(包括模具设计、制造、修复等)约占锻件成本的30%一40%以上，而在日本、德国等发达国家，这一数字仅为8%~15%[11]，因此如何使热锻模具获得合理的使用寿命，降低模具成本，降低锻件成本是热加工行业中亟待解决的问题。

要降低锻模成本，可以从以下两个方面入手，一是提高模具寿命，主要是针对大批量生产的锻件来说，二是降低模具的费用，模具的费用包括制造模具所需要的材料，机加工，表面处理以及劳动力等主要成本，也包括模具在后期修复，再制造等引起的间接成本。模具的寿命和成本并不是呈简单的比例关系的，通过

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

合理的结构以及工艺设计，可以使得模具寿命在满足使用要求的同时，成本降到最低，这也就是许多学者们致力研究的重要问题。

1.2热锻模失效形式以及影响因素

热锻模具的失效分为正常失效和非正常失效两种，非正常失效也叫早期失效，是指模具由于制造过程中的工艺或材料问题导致模具还未能达到一定的工业技术水平就无法继续使用的失效，非正常失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损等。正常失效是指模具经过长时间的工作，由于磨损、塑性变形，热疲劳，断裂等失效使得模具不能继续服役而造成的模具失效。对于模具寿命的研究，主要就是要掌握模具失效的规律，防止模具的非正常失效，同时尽量延长模具发生正常失效的时间段，也就是延长模具的正常使用寿命。[12-13]

综合数据分析发现，模具的正常失效的形式主要有磨损、热疲劳裂纹、塑性变形以及断裂4种形式，图1.1所示为某厂实际生产中热锻模几种失效形式的实物图。[14]

(a)

(b)

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

(c)

(d)

图1.1 某厂曲轴模具实际生产中的模具失效形式 （a）磨损失效；（b）热疲劳裂纹；（c）塑性变形；（d）断裂

Fig. 1.1 main failure forms of a forging die

(a) tool wear; (b) thermal crack; (c) plastic deformation; (d) fracture

（1）磨损

磨损是热锻模最常见的一种失效形式，据研究统计，在实际生产报废的模具中，由于磨损而导致模具报废的约占整个报废总数的70%，而由于塑性变形和断裂导致模具报废的数量分别占报废总数的20%和10%[15]。

磨损主要可以分为四种: 磨料磨损、粘接磨损、冲击磨损和疲劳磨损。其中磨料磨损又可细分为凿削式磨粒磨损、研磨式磨粒磨损和划伤式磨粒磨损。对于热锻模来说，最主要的磨损形式及是磨粒磨损[16]，其磨损过程主要分为三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段以及剧烈磨损阶段，如图1.2所示，模具使用中整个过程模具的磨损量一直增大，但在初期磨损阶段，磨损速率逐渐下降，到正常磨损阶段磨损速率稳定在一个值左右，当服役到一定阶段时磨损速率逐渐增大，磨损量剧烈增加，模具进入报废状态[17]。

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

图1.2 热锻模不同磨损阶段的磨损速率

Fig. 1.2 wear rate of hot forging die in different wear stages

在初期磨损阶段，互相接触的两个物体表面都具有一定的粗糙度，当两个表面接触并且相对运动时，突起的部分由于受到较大的单位压力，会首先发生塑性变形而被迅速地磨去，使得两个表面的粗糙度都减小，随着粗糙度的减小，磨损速率也随之减小，如图1.2中初期磨损阶段所示。经过一段时间的初期磨损后，模具进入正常磨损阶段，接触面上突起的部分已经被磨去，表面粗糙度降低到一定程度，摩擦副进入正常工作状态，在这个阶段磨损量基本和磨损的时间成正比关系，是模具正常工作的时段，磨损缓慢且单次磨损量小，调查表明，热锻模具的产量90%都是在这一阶段完成的[18-19]。模具长期服役后，模具尺寸发生了变化，模具表面也由于热力作用产生软化，粗糙度增加，温度升高，润滑性能下降等问题，使得表面的摩擦环境发生了很大变化，此时模具进入剧烈磨损阶段，磨损量随磨损时间的增加迅速增大，最终导致摩擦副破坏而使得模具完全报废。 （2）热疲劳

热疲劳是一种常见的热锻模失效形式，热锻模具在与热坯料接触以及锻造时产生的摩擦热使得模具表面温度升高，当锻件取出后喷洒润滑剂又使得模具表面温度急剧降低，模具表面受热时发生膨胀，越远离模具表面的材料膨胀量越小，亦即非模具表面的材料对模具表面材料有阻止其膨胀的压力作用；当模具表面降温时，模具表面材料发生收缩，同时也收到非表面材料的拉应力，由于这种冷热交替变化以及拉压应力的变化，再加上锻造过程中变化的机械载荷作用，在模具表面会产生很多微观的裂纹，就是所谓的热疲劳裂纹。热疲劳裂纹一般呈网状，

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

也有呈放射状和直线状的，若模具长期服役，这些裂纹会逐渐扩展成宏观裂纹，当其达到临界尺寸后，也会发生低应力的脆断，造成模具失效。热疲劳失效主要发生在模具型腔内冷热循环激烈的地方，如凸台、筋部、模具表面等，机械疲劳裂纹也常出现在模具型腔内应力集中的地方，如转角、凸台的根部，这些部位容易出现与打击方向成45°的裂纹。若模具型腔由于其他原因已经产生了裂纹，在交变循环的作用下使得裂纹扩展甚至发生低应力脆断，也称为疲劳损坏。疲劳裂纹总是从模具表面或者模具材料原有的缺陷处开始产生，在应力的反复作用下产生扩展，在扩展过程中又不断地形成新的裂纹，使得模具上能够传递应力的材料越来越少，直至不足以传递载荷时，模具就会断裂。[20-24] （3）塑性变形

模具的变形失效包括过量的弹性变形、塑性变形(整体或局部的)、高温蠕变以及时效等失效机制。它们主要是模具在制造、使用及存放过程中,因各种载荷及交变温度、模具材料内应力变化所导致的模具零件形状及性能的变化。模具在服役过程中承受了复杂的温度和应力作用，由于模具结构的不同，不同区域受到的热力作用往往也是不相同的，当模具的局部区域收到的应力超过了该区域温度下模具材料的屈服强度时，该区域就会以以滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形,造成模具无法修复而报废。冷作模具的工作温度是室温，其塑性变形的屈服强度即材料在室温下的屈服强度，故冷作模具塑性变形的主要决定因素是机械载荷以及模具材料的强度，而对于热作模具来说，它的屈服过程在较高的温度下进行，影响因素增加了一个温度，考虑是否产生塑性变形时不仅要研究机械载荷的问题，也要考虑热载荷以及高温下的材料强度的问题。因此热作模具较冷作模具更加容易出现塑性变形的问题。模具产生塑性变形的原因，归纳起来有以下几点：①模具材料在一定温度下的强度不能达到使用要求；②模具材料热处理工艺不当，未能达到钢材的最佳强韧性；③模具结构设计不合理，模具局部受到过大的热力载荷；④模具材料的高温性能不佳，出现高温软化或者蠕变的现象，这主要是对于热作模具钢来说，热作模具表面与高温模具相接处，当模具型腔表面温度超过模具的回火温度时，模具钢的强度下降，在工作时就容易发生塑性变形失效。⑤低周热力循环载荷作用下材料性能的降低，模具在服役状态下不断地收到循环交变的热力载荷作用，破坏了材料的组织使材料的性能发生下降，当材料性能降到使用要求以下时，模具就容易产生塑性变形失效[25-28]。 （4）断裂

锻造过程是一个使用外力使得金属组织形状发生变化的过程，这个过程中模具要经受很大的应力作用，当模具经受的应力超过模具材料的强度极限时，模具就发生断裂。断裂的现象主要发生在模具型腔的最深处，尤其的型腔底部圆角处

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

等容易产生应力集中的部位。因此，设计模具时要求保证模具型腔内的内应力不能超过材料的强度极限，同时在转角处要采用圆滑过渡，以避免产生应力集中的现象。模具在承受冲击载荷时更容易开裂，这不仅是材料的性能问题，还与模具承受的冲击载荷有关，在冲击载荷下进行闭式模锻时，如果毛坯充满型腔后锻锤还有多余的能量，剩余的能量必然会传递给锻模，使得模具应力水平提高，模具出现断裂现象。另外，模具由于热疲劳或自身材料缺陷形成的裂纹，在多次打击作用下有可能发生扩展而形成较大的裂纹，最终导致模具的断裂。[29-30]

1.3热锻模具寿命研究现状

模具寿命是评价模具质量的一个重要指标，是指在生产出的产品质量合格的前提下所能生产的产品数量。热锻模具寿命的研究，对于提高锻造产品的质量，降低其成本有着重要的意义，故一直在锻压界得到高度重视。在我国,模具的平均使用寿命大概在3000-5000件,和国外先进水平还有较大的差距。研究表明，我国热锻模制造存在的主要问题有：制造成本高、使用寿命低、模具钢消耗量大、设计制造技术落后等。热锻模制造的基本状况是：不能进行专业化设计与制造，企业往往自设模具车间，模具技术力量分散，模具制造设备的投资大，利用率低，模具成本高；部分企业对先进技术保密,导致行业水平参差不齐，大部分企业设计制造技术严重落后；模具材料性能不高，尤其使用均质材料，严重制约模具的使用寿命提高，在很大程度上存在浪费材料的问题。[31] 影响模具寿命的因素是多方面的，根据很多学者的长期统计，导致模具寿命较低的因素中，材料选择与热处理不当约占 45%，模具结构不合理约占 25%,工艺问题约占 10%；润滑问题、设备问题等因素约占 20%， 由此可见模具材料与热处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。[32]

目前，对于热锻模寿命研究主要集中在对其磨损失效的研究。孙宪萍，王雷刚等人利用神经网络遗传算法和有限元模拟结合起来，建立了模具型腔控制点与磨损深度之间的关系，优化了模具型腔轮廓形状，提高了模具寿命[33-34]。Painier等人模拟热挤压模具的磨损过程，通过实验和模拟的对比，对挤压模具的型腔进行了优化[35]，Lee等人利用数值模拟对模具的磨损进行了分析，并通过磨损试验对磨损系数进行了测定，结果发现磨损系数是与温度相关的函数，温度越高，磨损系数越大[36]。Tatsuro Iwama和Yasuhiro Morimoto对反挤压模具的润滑条件，模具温度等几个影响模具寿命的因素分别进行了分析，提出了在模具型腔表面涂敷一层耐磨材料来延长模具寿命的方法[37] ABACHI Siamak[38]分析了热锻模的机械应力与温度因素，研究了热锻模的磨损，提出了热锻模具材料高温高载荷工况时的性能要求。唐六丁和张学宾[39]以模具应力集中处最大局部应力和应变为依据，采用

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

Coffin-Mansion公式预测了连杆热锻模寿命；汤浅娜二和安藤弘行[40]以模具硬度为标准，预测了温、热锻造模具的寿命。

另外，也有一些学者对于模具的结构以及制造方法进行了研究，以达到降低模具成本的目的。多夫拉尔C A[41]开发了双金属热锻模,使得热锻模的使用寿命提高3倍,与常规锻模相比,杨兵[42]制造的双金属复合锻模使用寿命提高2~3倍。Pelz C[43]研究了用铸造方法制作双金属热锻模具，武汉理工大学汪学阳等人提出了多层金属模具的理想锻模模型，并对热锻模的表层温度以及应力规律做了研究[31]，重庆大学卢顺，刘阳等人提出了采用铸钢作为模具基体，用双金属堆焊的方法进行型腔制造的方法来制造多次循环利用的长寿命模具，并对其服役前后的性能等做了一定的探究[44-47]。

但是目前，综合地考虑模具各种失效形式，并且将模具生产批次也考虑进来，根据模具需要的寿命来进行模具结构设计的方法还有待研究。对于大批量生产的锻件来说，提高模具寿命是终极追求，但对于一些小批量生产的锻件，模具往往会产生多余的寿命，对锻件的成本产生较大影响。并且在同一套模具中，模具的各个部分材料在使用后的性能变化是不一样的，传统的均质材料模具在服役完成后往往型腔部分失效，但远离型腔部位的基体位置材料性能并没有大幅下降，这样就导致了模具材料的浪费。为了降低模具成本，提高模具材料的利用率，本文引入等寿命的设计思想，将传统的均质模具看成不同区域的组合，对各个区域进行单独设计，使其整体寿命趋于一致，以达到根据产品的批量来定制模具的构想。

1.4本文研究的内容和意义

1.4.1研究内容

本课题将等寿命的思想引入模具的结构设计中，建立新型的模具理想结构以

及模具选材逆向设计工程，通过对模具服役过程的模拟，得到模具服役过程的热-力载荷以及磨损数据，将模具划分为不同的区域，针对每个区域不同的特性进行模具的结构设计，选材以及制造工艺设计，最终得到整体寿命趋于一致的新型等寿命模具，以提高模具寿命，降低模具制造成本，提高模具材料的利用率。研究的内容主要分为以下三个部分：

① 模具服役过程模拟分析

以重庆大江杰信锻造有限公司QP123曲轴锻模为研究对象，通过工厂实际调研得到建立模拟模型所需要的边界条件以及实际生产中模具失效形式的分布，利用有限元分析软件DEFORM建立模具服役过程的3D和2D有限元模型，3D模型表征模具单次锻打过程中模具温度、应力以及磨损状况，2D模型选取3D模型中应力最集中的部位进行多次循环打击的模拟，观察其温度、应力的叠加作用。并利

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

用实际生产中采集的数据验证模型的可信性。

② 模具区域划分

根据有限元模拟得到服役过程的热-力载荷，磨损数据以及温度，应力的叠加规律，结合实际调查中得到的模具失效形式分布提出模具分区的标准，对模具进行特征区域划分。规定区域划分的标准，得到可行的区域划分方案。

③ 模具分区域等寿命选材设计

对划分出的每一个区域进行单独研究，结合模具失效机理，模具预定寿命，区域制造方法以及模具制造材料的性能等，提出各区域的选材设计方案。利用模拟以及实验等方式获得定量的数据，尝试制定各个区域定量选材的标准，并且在设计选材的过程中将模具寿命作为一个重要的衡量项目，使各个区域的寿命趋于一致，确定最终的等寿命模具制造方案。

④生产试制与效果评估

根据得到的理论指导制造近等寿命的模具，对失效的模具进行分析评估,提出改进的措施。

1.4.2选题目的以及意义

为解决国家重大装备——超大型(800 MN)模锻液压机完成后大型锻模的设计与制造等关键技术问题，重庆大学首次提出将特种铸钢作为模具基体，在工作区域采用双金属梯度层(过渡层和耐磨层，如图1.3)制造的方法来制备大型或超大型模锻液压机锻模[48]，并取代国内目前大型锻模的传统制造方法。是模具结构设计方面的一大创新，在该方法的启示下，作者提出“热锻模表层热力学研究以及模具分区域等寿命设计研究”这一课题，进行进一步的新型模具结构设计研究，旨在引入新的模具结构设计思路，提出新型的模具制造方法，提高模具寿命，提高模具材料的利用率，降低模具成本。

图1.3 铸钢基体双金属梯度制造截面示意图

1-耐磨层；2-过渡层；3-铸钢基体

Fig. 1.13Section diagram of dual metal gradient manufacture based on casting-steel substrate

1-wear-resistant layer; 2-transition layer; 3-casting-steel substrate.

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

采用等寿命的思想进行模具结构设计，其主旨思想是使构成模具的各个区域寿命趋于一致，理想情况下，这种方法可以使得模具的寿命与其需要的生产能力相一致，在完成生产任务后模具即失效，且失效的模具每一个部分都已经发挥了其所有的使用潜力，最大程度上提高模具的利用率，降低模具的成本，以达到真正的物尽其用。

1.5本章小结

本章主要介绍了热锻模具主要的失效方式，并对每种失效形式的影响因素进行了分析，总结了国内外对于热锻模寿命以及模具结构设计的研究现状，提出了将等寿命的设计思想用于热锻模具的设计上这一设想，介绍了使用这一方法的基本思想以及所能达到的效果，说明了该课题的研究意义和研究内容。

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重庆大学硕士学位论文 2 等寿命方法与实验研究

2 等寿命方法与实验研究

2.1等寿命方法概念以及实现方式

2.1.1预定寿命以及等寿命设计思路

等寿命设计，是基于预定寿命设计的一个概念，要理解等寿命，首先应该对于预定寿命的概念有一定了解。预定寿命是指一件产品在发挥必要的功能后，它的寿命就近终结，即使寿命与功能相匹配的方法[47]。产品的寿命是指产品用来发挥必要的功能的时间，若产品在没有完全发挥必要的作用时就失效则该产品视为短寿命的产品，在很多情况下，都希望产品发挥作用的时间能够很长，但也存在另一种情况，当产品发挥必要的功能之后，若它还处于能够发挥作用的状态，此时虽然产品仍然有寿命，但是这种寿命不会被利用，这种寿命被视为过剩寿命。寿命不足和寿命过剩都是一种浪费，只有与功能匹配的有限寿命，才是最具科学价值的设计。因为它是真正意义上的“物尽其用”，“用得其所”。预定寿命设计，是指运用当代最先进的科学技术，通过材料选择、加工制造、装配等有效的手段和方法，把产品寿命控制在预定的时间内的一种现代设计方法。

而等寿命的设计思想，即指在进行预定寿命设计时，使构成该产品的所有零部件（包括运动的与不运动的）在发挥各自的必要功能之后，其实际使用寿命都是相同或接近相同的目的。

对于一个零件构成的产品，产品就是零件本身，它们具有材料、功能寿命完全相同的特点，这时，预定寿命与等寿命是同一含义。如钻头、销和键等产品。由两个以上零件组装的产品，不管各零件的材料是否相同，当其中一个薄弱零件丧失功能（尚未达到预定寿命），又没有修复价值时，整个产品的寿命便提前终结。此时进行等寿命设计的目的，在于通过设计延长该薄弱零件的寿命，或缩短其它过剩寿命的零件的寿命，促使所有零件一起达到产品的预定寿命。等寿命设计主要是针对这类产品的设计。而对于由多件产品（或部件）组成的成套装置，当其中的一个部件失去功能，在修复或更换该部件之后，仍能延续装置的寿命，这时产品（或部件）与装置是一个成倍比匹配的关系。此时进行等寿命设计，其重点是减少可能修复或更换部件的数量与更换频率。如机床与易损件、手机与电池、灯台与灯管等等。最后，等寿命设计一般是指具有某种特定功能的产品而言，其寿命值可用功能的丧失来评价。但对于多功能的产品，在其主要功能丧失后，还会继续发挥其它的附加功能，如某些核心产品消耗完后，其内外包装可以改装成工艺品或回收再利用。对这类产品进行等寿命设计时，必须考虑产品的附加功能对人类、对环境有益无害，并制订出回收的方法和可利用的途径。预定寿命设计和与

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其并行的等寿命设计，是有效地减少社会劳动时间，实现资源优化配置和降低社会成本的最优设计方法，也是人们追求“物尽其用”和“用得其所”，最终实现文明生产与文明消费的最理想的技术方案。预定寿命设计与等寿命设计，就是要使具有过剩寿命的零件缩短其寿命，又将寿命不足的零件延长其寿命，并达到产品中所有零部件寿命互相匹配的理想境界。因此，寿命设计比传统设计的领域更广阔，内容更丰富也更复杂。由于技术条件、可选材料的种类和性能、制造检验手段和产品使用环境的复杂性等多种因素的制约，目前要对所有产品推行预定寿命设计，其难度是可想而知的[47]，等寿命设计思想最早应用于电子工业，随后被应用于易损零件的设计中，如盾构机的刀具、齿轮等，随着产品设计要求的不断提高，等寿命设计的思想开始应用于一些结构零件，如回转窑支承系统构件、混凝土泵送机械的输送装置等，取得了良好的应用效果[48-50]。

目前，等寿命的思想一直用于构件的设计，目前使用的等寿命设计一般是使一个机构中的几个构件寿命趋于一致，通过提高易损构件的寿命或者降低不易损构件的成本来达到整体的等寿命，使得整体的成本最低化，而本文中创新地把等寿命这一思想用在一个零件的设计中，把模具受力不同的区域看成是不同的部分进行单独的设计，然后对模具整体的寿命进行统一，从而达到模具材料的最佳利用，降低模具的成本,传统的等寿命设计思想与本文研究的等寿命的对比如图2.1所示。

图2.1等寿命思想应用对比

Fig.2.1 Flow chart of equal life design method

2.1.2预订寿命与等寿命思想用于模具设计制造的构想（理想的模具结构）

将预订寿命与等寿命的思想用于模具的设计以及制造，其主要思想是对整体

的模具进行分区域研究，对每个不同的区域进行有针对性的分析和设计，然后综合考虑各个部分的寿命，得到最符合设计要求的模具。

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模具分区域等寿命设计分为两个尺度上的等寿命：模具型腔横向等寿命与模具基体纵向等寿命。 ① 模具型腔横向等寿命

模具型腔横向上的等寿命主要是针对不同的模具型腔结构，模具在使用的过程中，由于型腔结构的不同，和坯料接触的时间以及受到的压力作用不同，型腔的各个部分寿命是不相同的，当易损的部位失效，零件尺寸发生变化，当变化超过许用的公差范围，模具即失效。因此，在模具型腔维度上的等寿命即使得型腔各个部分的寿命趋于一致，可通过模具设计，型腔局部加强处理等方式达到。 ② 模具基体纵向等寿命

模具基体纵向的等寿命即沿模具横截面上的等寿命，对于传统的模具，模具是由单一的材料加工而成，在纵向截面上初始的性能是相同的，但是在服役过程中，由于各个部分经受的热力学作用的不同，出现了不同的寿命，当表层金属已经报废时，大部分基体的金属其性能还与原始状态一致，这部分金属的寿命就认为是被浪费的寿命部分，而在基体纵向维度上的等寿命，即通过分析设计，使用不同的材料进行模具制造，从型腔位置往下，材料的性能根据要求递减，以此来达到预定的设计要求。

图2.2为按照等寿命设计思想得到的理想模具结构，从图中可以看出，本文中的模具等寿命主要通过使用不同的材料来实现，设计完成的模具在型腔横向方向上针对不同的型腔结构使用不同的材料进行制造，或者采用在原有材料上附着性能较优的材料来达到各个部位的磨损趋于一致；而在型腔沿基体的纵向方向上，采用多层金属的模具结构，使得整体的模具材料沿型腔往下性能呈梯度变化，靠近型腔的部分主要选用耐磨，耐热性能较好的材料，越往下材料的耐磨、耐热性能要求越低，故可采用性能与使用要求相匹配的材料。

图2.2 理想等寿命模具结构示意图

（a）模具型腔横向等寿命； （b）模具基体纵向等寿命 Fig.2.2 ideal forging die model with equal life method

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进行模具分区域等寿命设计，需要解决的问题主要有几个方面： 1. 有限元模型的建立与模具失效形式分布分析

根据实际生产中的数据建立有限元模型，并验证模型的可靠性，结合实际生产中模具失效形式的分布对模具在服役过程中的温度场，应力场变化规律以及磨损情况进行分析 2. 模具区域划分标准的建立

根据模拟结果制定区域划分的标准，定量地进行模具区域划分，得到实际应用中切实可行的模具区域划分标准。 3. 模具不同区域选材标准的建立

分别分析划分的不同区域，针对每个区域不同的特点制定其选材方案，总结适用于各个分区的选材标准。

2.2 模具分区域等寿命设计技术路线

图2.3为模具分区域等寿命设计的技术路线图，首先通过实际的数据采集建立锻造过程的有限元模型，并且利用实际的检测数据进行验证。然后根据模具的失效形式结合模拟中得到的温度以及应力等分布状况进行分析，根据分析结果对模具进行区域划分，划分的标准主要有失效形式，温度波动情况以及应力分布状况。接下来针对每个区域进行等寿命的选材设计，选材过程中考虑的因素有失效，寿命以及制造三个因素。确定了方案之后进行生产试制，最后对试制的结果进行等寿命的评估，对这一方法进行评价并提出改进方案。

图2.3等寿命设计技术路线图 Fig.2.3Flow chart of equal life design method

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2.3模具分区域等寿命设计分析以及实现方式

模具分区域等寿命设计主要分为有限元分析，模具特征区域划分以及分区域选材制造几个部分，实现这一方案需要用到的实验技术主要有有限元模拟和材料性能实验两个部分。

2.3.1有限元模拟

1) 刚粘塑性材料模型

塑性加工过程是指在一定外力(载荷)和边界条件(加载方式、加载速度、约束条件、几何形状、接触摩擦条件、温度场)下对材料进行力和热耦合成形的过程，塑性成型过程中发生了十分复杂的组织以及性能的变化，所以在研究塑性问题时必须合理地做一些假设[51-52]。用刚粘塑性有限元法分析大变形塑性问题时的基本假设有：

① 忽略变形材料的弹性变形； ② 材料体积不变； ③ 材料均匀且各向同性； ④ 不计体积力和惯性力的影响； ⑤ 材料变形满足Levy-Mises流动原理； ⑥ 加载条件给出刚性区和塑性区的界限。

根据以上假设，可以建立塑性变形区的计算模型，发生塑性变形的材料应满足的方程有:

① 力平衡微分方程（运动方程）：

ij,j0 （2.1） 其中ij为各应力分量。

② 速度－应变速率关系方程（几何方程）：

1ijui,juj,i （2.2）

2其中ij为各应变速率分量，ui,j为各速度分量。

③ Levy-Mises本构方程：

 （2.3） ijij3 （2.4） 223ij为等效为塑性区各应力偏量，ijij为等效应变速率，ij其中ij32应力。

④ Mises屈服准则：

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1ijK2 （2.5） ij2其中K服应力。

1s，为屈服剪应力，对于理想刚塑性材料，k为常数，s为材料的屈3⑤ 体积不可压缩条件：

vijijij0 （2.6）

⑥ 边界条件：

设在力面上SF作用外力Fi，刚应力边界条件为：

ijnjFi （2.7）

其中nj为力面SF的外法向矢量的方向余弦。设在速度面SU上的速度为Ui，则速度边界条件为：

UiUi （2.8）

对于刚塑性材料，其等效应力与等效应变之间的关系为：

Hd （2.9） 其中H为硬化函数，其导数称为硬化系数，d为等效应变增量。在常温下，大多数金属的流动应力仅与应变有关，但在高温下，即再结晶温度以上，应变对流动应力的影响不明显，而流动应力对应变速率的变化却很敏感。对于一般的金属成形问题都有：

(,,T) （2.10）

也就是说流动应力为应变、应变速率和变形温度之间的函数。

设变形体的体积为V，表面积为S，在SF上给定面力Fi，在SU上给定速度Ui，在满足边界条件、协调方程和体积不可压缩条件的一切许可速度场中，真实速度场使泛函

dVFuiidS（刚塑性材料） （2.11）

VSF或

E(ij)dVFuiidS（刚/粘塑性材料） （2.12）

VSF取极小值，式中E(ij)称为功函数，则

.E(ij)ij0dijd （2.13） ij0ij由塑性力学的基本方程可以得到，对于金属的塑性成形问题必须满足边界条件和体积不变条件，然而在实际的求解过程中，同时满足这两个约束条件是比较困难的，而仅满足边界条件的速度场比较容易找到。因此，在实际求解时，往往采用Lagrange乘子法或罚函数法将体积不变条件引入到泛函表达式中，得到新的函数。

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Lagrange乘子法是通过引入附加的Lagrange乘子，因而增加了方程的未知量和求解方程数，且使得刚度矩阵呈非带状分布。构成的新函数为：

dVFuiidSijijdV （2.14）

VSFV罚函数法不引入额外的未知量，而是通过引入一个罚因子，在泛函式中增加一

2项VdV，同时解除了体积不可压缩这一约束，得到新的函数： V2dVFuiidSVSF2V2VdV （2.15）

罚函数与乘子法相比，由于未引入额外的未知量，收敛较快，且整体刚度矩阵呈对称带状分布，所需的内存和计算时间较少，但是罚函数只能求出应力偏量，无法求得平均应力[53-]。

2）热-力耦合磨损有限元模型建立

利用有限元软件DEFORM-3D 进行有限元模型的建立，采用Archard理论磨损模型预测模具在成形过程中的磨损量，其数学表达式如下：

PiavibdwiK(T)cdt (2.16)

H式中，

dw—磨损深度； P—模具表面正压力； v—相对滑动速度；

a、b、c—标准常数，对钢而言，通常a、b取1，c取2；

H—模具表面硬度，HRC； K—磨损系数[55]； i—模具型腔表面节点； dt—时间增量。

如果在锻造成形过程中，模具在每锻打完一件产品后，都能进行充分的润滑和冷却，使锻模始终处于良好的工作状态，则可用公式3.7大致估算模具的寿命[56]。

根据实际生产情况以及实验数据，建立QP123曲轴热锻成形工艺模拟的初始条件如下：

① 坯料材料：AISI-5140，模具材料：650 E； ② 杨氏模量E：206 GPa； ④ 泊松比μ：0.3；

⑤ 坯料始锻温度：1180 °C，模具初始温度250 °C；

⑥ 热对流系数为0.02N /s·mm·℃，辐射系数为0.3，接触面传热系数5； ⑥ 成形速度：280 mm /s；

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⑦ 摩擦边界条件：选用常摩擦模型[57]，即：

mK (3.8) 式中，

τ——接触面上的摩擦切应力； m——摩擦因子，此处取m = 0.2； K——金属的剪切屈服强度。

⑧ 坯料尺寸：直径ϕ 109 mm，长490 mm； ⑨ 锻造成形过程中上模位移的每一步增量为1 mm。

2.3.2材料基础性能分析实验

为了对实际生产试制的模具进行评估，进行了以下实验分析： ①材料高温拉伸实验

按照标准HB 7571-1997 《金属高温压缩试验方法》，利用线切割机切取基体母材材料、过渡层焊材和表面强化层的压缩试样，在Gleeble-1500D上进行热压缩试验。

Gleeble热/力学模拟试验机是一种动态试验机，Gleeble系统是工业形变热处理加工过程模拟的工业标准。它具有很高的加热速率和广阔的力学性能指标。它是热影响区模拟、零强度、热循环、热处理研究、低力试验以及热张力试验的理想选择，并可实现快速拉伸和压缩试验，快速多道次变形试验，连铸及熔化试验和板带退火处理模拟，如图2.4所示。

图2.4 Gleeble-1500D Fig. 2.4 Gleeble-1500D

为得到各层材料在不同温度条件下的力学性能，按照HB 7571-1997标准制备试样尺寸，如图2.5所示。用砂纸对试样进行打磨。

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图2.5 压缩试样（mm）

Fig. 2.5 Compression of the tensile test specimen（mm）

②材料抗冲击性能实验

按照国标GB_T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，利用线切割机切取基体母材材料、过渡层焊材和表面强化层的冲击试样，在金属摆锤冲击试验机上进行常温冲击试验，如图2.6所示。

图2.6 金属摆锤冲击试验机 Fig. 2.6 Metal pendulum impact testing machine

为得到各层材料在室温条件下的力学性能，按照GB_T229-2007标准制备试样尺寸，如图2.7所示。用砂纸对试样进行打磨。

图2.7 冲击试样

Fig. 2.7 Impact of the tensile test specimen

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③模具磨损三维蓝光扫描

对失效后的QP-123曲轴锻模型腔表面进行显像处理后，利用德国GOM公司ATOSII三维光学扫描仪进行点云扫描，获取失效锻模的点云数据，与JL465Q曲轴锻模、QP-123曲轴锻模三维设计模型进行尺寸比对检测。如图2.8所示。

图2.8 ATOSII三维光学扫描仪 Fig. 2.8 ATOSII optical measuring techniques

2.4 本章小结

本章介绍了等寿命方法的概念，并提出了将等寿命设计思想用在模具的设计以及制造中的构想和具体的技术路线，指出了本研究需要解决的主要问题，并且介绍了实现整个模具等寿命设计所需要用到的方法，包括有限元模拟和材料的基本物性测试两个部分，确定了进行本次研究的路线以及方法。

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3 热锻模热力学模拟分析以及区域划分

3.1 引言

锻造成形是一个十分复杂的弹塑性大变形过程，在热模锻成形过程中，坯料金属的变形情况非常复杂，坯料流动是建立在大应变、大位移的基础上发生的，这不但会涉及到材料的非线性，还会涉及到因大位移而引起的几何非线性，而且其混合边界条件较难于处理，经典理论难于分析。

有限单元法是一种用于锻造成形过程模拟中的有效而理想的数值计算方法，作为一套已经比较成熟的数值计算方法，运用有限元数值计算方法进行锻造成形过程模拟，可以在尽可能少或没有物理实验的情况下，通过考虑锻造成形过程中多种外界因素(外界温度、摩擦系数、力能特性等)及材料属性对成形过程的影响，灵活地设置并处理复杂的几何形状和边界条件，实现对生产过程的虚拟制造，可重复再现并改进锻造工艺。通过有限元数值模拟结果可直观地显示坯料在锻造成形过程中的流动规律，并能定量地计算出金属变形区的温度场、应力-应变场等各种信息，为锻造工艺的优化改进及最终锻模的设计制造提供一定的技术支持。

DEFORM是由美国SFTC (Scientific Forming Technologies Corporation)开发的用于主要用于锻造工艺仿真的专业系统，它可以帮助工程设计人员在计算机上(而不是在车间通过不断地试错法)分析金属成形、磨损、热处理、机加工及金属连接等各种工艺过程。采用DEFORM系统不仅可以节约不必要的花费，降低材料消耗及生产成本，同时提高工模具设计效率，加快研发节奏，缩短产品的开发周期。

为较好地预测模具的寿命，分析锻模在服役过程中的受力等情况，本章将利用有限元算法，建立基于DEFROM-3D/2D的热-力耦合有限元模型，分析锻模不同区域的受力状况以及不同型腔位置的磨损状况。

3.2 有限元热-力耦合模型的建立

本次研究根据工厂实际生产情况来进行有限元模型的建立，QP123曲轴在成型过程中经过制坯，预锻，终锻，切边四道工艺，由于终锻下模的失效最为严重，寿命最短，因此将终锻下模定为本次研究的主要对象，对整个锻造过程进行有限元模拟，但只针对终锻下模进行模具的寿命分析。

分别采用DEFORM-3D和DEFORM-2D建立了一次锻造成型过程分析有限元模型和多次锻造有限元分析模型。用3D模型来分析瞬态模具的温度以及受力情况，根据模拟结果简化为2D模型进行多次锻造研究在循环载荷下模具温度以及应力的变化。

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根据实际生产情况，建立QP123曲轴热锻成形工艺模拟的初始条件如下： ① 坯料材料：AISI-5140，杨氏模量E：206 GPa； ② 模具材料：H13；

③ 坯料始锻温度：1150 °C，模具初始温度250 °C；

④ 热对流系数为0.02N /s·mm·℃，辐射系数为0.3，接触面传热系数5； ⑤ 成形速度：280 mm /s；

⑥摩擦边界条件：选用常摩擦模型[87]，即：

mK (3.8) 式中，

τ——接触面上的摩擦切应力； m——摩擦因子，此处取m = 0.2； K——金属的剪切屈服强度。

⑦坯料尺寸：直径ϕ 109 mm，长0 mm； ⑧锻造成形过程中上模位移的每一步增量为1 mm。

以此建立的有限元分析模型如图3.1所示。

图3.1 JL465Q曲轴热模锻成形工艺：(a)坯料，(b)预锻，(c)终锻

Fig. 3.1 Hot forging process of the JL465Q crankshaft: (a) the billet, (b) the pre-forging and (c) the

finish forging

选取3D模拟中应力最集中的横截面简化进行2D多次终锻锻打模拟，建立的有限元模型如图3.2所示，根据实际的生产节拍来设置锻打的过程共模拟锻造40件，生产节拍如表3.1所示，冷却过程采用热辐射的方式进行模拟，模拟得到的温度与实际的温度进行比较校正结果，二维模拟中得到该截面第一次锻造完成后的温度场与应力场与三维模拟中一致。

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表3.1 QP-123终锻模具生产节拍 Table 3.1 Takt time of QP-123 hot forging die

程序 锻造 模具喷墨冷润滑 锻件放置

2s

持续时间 由压机速度决定 10s

图3.2 锻造过程2D模型 Fig.3.2 2D simulation model

3.3 模拟结果分析

3.3.1坯料成形情况分析

图3.3为所建立有限元模型终锻件的填充效果图，经过制坯，预锻，终锻三个工序后，坯料填充型腔情况良好，零件成型完全，没有出现折叠等缺陷。

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图3.3 终锻坯料填充效果图 Fig.3.3 Filling state of finish forging

将模拟得到的锻件与实际锻件的测量尺寸做对比，对比数据如表3.2所示，模拟与实际锻件的尺寸误差在1.7%~5%之间，因此，就成型尺寸预测而言，可以认为该模型能够较准确地重现实际生产中的情况。

表3.2 模拟与实际锻件尺寸对比

Table 3.2 Geometries comparison between simulation result and actual product

位置 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

设计尺寸

37+2−0.5

模拟锻件 38.2 56 75.5 76.9 76.8 76.5 75.9 59 59.4 59.6 58.7 100.6

2实测锻件1 38.9/37.8 57/55.7 76.3/76.4 76.2/76.3 76.1/76.1 76.3/76.2 76.1/75.9 59.3/59.6 59.4/58.7 59.3/58.6 59.3/59.2 101.2/101

3实测锻件2 39/38.3 57/56.4 76.5/76.7 76.4/76.4 76.2/76.2 76.3/76.4 76.2/76 59.5/59.8 59.6/58.8 59.6/58.6 59.5/59.4 101.5/101.2

4实测锻件3 38/37.8 56.1/55.8 75.6/76.1 75.3/76.1 75.5/76.2 75.2/76 75.3/75.7 58.3/59.1 58.4/58.4 58.4/58.3 58.2/58.9 100.4/100.8

55+2−0.5 75+2−0.5 75+2−0.5 75+2−0.5 75+2−0.5 75+2−0.5 58+2−0.5 58+2−0.5 58+2−0.5 58+2−0.5 100+2−0.5

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3.3.2模具应力场分析

对锻打完成以后模具的应力场以及温度场的分布趋势进行分析，图3.4为模具应力的分布图，其中a为模具的等效应力分布，b为模具的最大主应力分布，等效应力表征了模具每个部位单元块的受力情况，将剪切力与主应力都包含在内，而最大主应力则可以表征模具各个部位受拉压应力的情况。

(a)

(b)

图3.4 模具应力分布图：（a）等效应力分布；（b）最大主应力分布 Fig.3.4 Stress state of finish forging die (a) Effective stress; (b) Max principle stress

从等效应力的分布趋势中发现，模具型腔内部的等效应力水平明显高于模具上表面直接承受力的飞边成形部位，通过对各种力的对比分析发现，在型腔部位，导致等效应力水平较高的最重要原因是剪切力的应力水平较高，坯料在填充型腔的过程中对整个型腔不同方向的膨胀作用导致了这种高应力水平的剪切应力。另外，从等效应力的纵向截面图上发现，模具在服役过程中在表层以下一定位置会出现一个应力较大的区域。为直观地研究模具各部位受到的拉压应力的情况，对

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最大主应力的分布进行按照最大主应力的分布趋势，该套模具的受力主要有三个特征部位，如图 中所示，一是对应于曲轴主轴颈的模具肋板部位，在成形过程中这个部位有较多的材料要被挤出，承受着较大的压应力，可能引起较大的摩擦力，在实际模具的磨损状况中，该部位也是磨损最严重的部位；第二个特征部位是型腔侧壁部位，此部位成形时需要材料纵向流动以充填满型腔，特别是在型腔形状为狭长型时，金属受力沿型腔侧壁流动的过程中会对侧壁产生压力作用，导致在侧壁根部的圆角处形成较大的拉应力；第三个特征部位是型腔的底部，这个部分只在最终成形时与坯料发生直接接触，因此这个部分受坯料的直接压力的影响较小，但坯料在填充型腔的过程中产生的剪切应力在这一区域应力水平较高。

3.3.3模具温度场分析

锻打完成后模具的温度分布如图3.5所示，与坯料接触时间较长的肋板部位以及型腔内部温度升高较为明显，锻打一件之后的最高温升在50℃左右，型腔底部区域由于和坯料接触的时间较短，温升较小，大部分基体部分的温度并没有发生明显的变化，这种温度分布的规律与实际温度分布是相符合的。温度场的纵向分布显示，经过第一次锻打后，温度传递的影响区域在6~15mm左右。实际生产中用红外线测温仪对模具表层的几个特征点的温度进行检测（表），实测温度结果与模拟结果的对比如图所示，误差在20%左右，考虑到在锻造过程中模具表面常附着氧化皮润滑剂等，使得实测的温度偏低，温度的误差属于可接受范围。

图3.5 模具温度分布图

Fig.3.5 Temperature state of finish forging die

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表3.3 模拟与实际模具温度对比

Table 3.3 Temperature comparison between simulation result and measured data

模拟值 271 实测值 310.5

263 271.8

269 297.3

271 255.0

284 258.8

323 268.2

268 281.6

302 270.7

观察应力场中用到的特征部位的温度分布，肋板部位的温度与其他形成飞边的模型部位基本一致，温度在270~280℃之间；型腔侧壁的温度较肋板部位高，局部出现了超过300℃的高温，特别是在侧壁的边缘位置，这一部位温度较高的原因主要是金属流动引起的摩擦产热；而型腔底部温度也处于较低的水平，较原始模具温度升高了20℃左右。

3.3.4模具磨损分析

经过第一次锻造后模具的磨损情况如图3.6所示，从图中可以看出，磨损情况与温度场的分布有密切的联系，主要是由于肋板部位与坯料接触的时间长，使得模具局部温度升高，并且在成形过程中收到的压力较大，材料在流动时产生的摩擦力大，使得磨损量大，经过多次锻打后，模具的磨损量呈直线增长。实际锻造中磨损速率随时间的关系曲线可以分为3个阶段：跑和磨损阶段，稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，跑合磨损阶段表示锻造开始时,由于工件、模具表面具有一定的粗糙度,真实接触面积较小,故磨损速率较大。随着表面逐渐被磨平,真实接触面积增大,模具的磨损速率逐渐下降,进入稳定磨损阶段,磨损速率趋向于稳定,磨损量逐渐增加,在型腔表面形成微小的沟痕。热锻加工的循环进行,模具表面的沟痕逐渐加深,当磨损深度超过几十微米后形成点蚀,模具和坯料接触表面之间的间隙逐渐扩大,磨损速率急剧增加,模具的磨损深度急剧增大,出现金属剥落等现象,模具报废。借助有限元软件对模具的磨损进行分析,考虑的是比较理想的情况,即模具型腔表面粗糙度较小,模拟的主要是锻造中的稳定磨损阶段。当磨损深度超过约60μｍ后形成点蚀,模具的磨损深度急剧增大,出现金属剥落等现象[58]。

图3.6 模具磨损分布图

Fig.3.6 Tool wear state of finish forging die

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3.3.5 模具最大应力截面应力累积分析

图3.7 2D模型参考点示意图

Fig.3.7 Reference points in 2D simulation model

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11161412等效应力/Mpa108200100200300400时间/s

图3.8 多次锻造过程应力时间关系图

Fig.3.8 Stress-time graph during multi forging progress

在2D模拟中，从模具型腔表面沿模具厚度方向参考线上选取11个点进行温度应力循环的跟踪，参考线以及点的选取如图3.7和3.8所示，跟踪得到的应力值曲线经过去除锻造过程处理，得到的曲线如图所示，从图中可以看出，在初始阶段，每次锻造过程都会累积一定量的应力，累积的应力使得循环锻造时模具中的

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应力不断叠加。另外，随着参考点距离型腔距离的增加，这种波动越来越小，且应力叠加累积的趋势也越来越小。

3.4模具区域划分

综合有限元模拟中的温度、应力分布，以及模具的磨损情况，可以得到模具在服役过程中各个不同的部位不同的热力载荷情况以及可能出现的失效形式，以此为依据对模具进行区域的划分。

3.4.1基体与工作区域的划分

根据模拟结果可以发现，模具大部分的区域在成形过程中收到的锻打的热-力

影响都很小，当模具的工作区域失效后，这些区域其实还处于工作状态，正是这样的现象导致了模具材料的大量浪费，模具不同区域的划分，首先要进行的就是模具的工作区域与基体的划分，划分所使用的主要标准是模具在服役过程中的温度场以及应力场。根据以上分析，将模具在服役过程中受热力影响较小的区域定义为基体区域，而受热力影响大，失效严重的区域称为工作区域。

为了划分基体区域和工作区域，需要综合温度以及应力两个物理量，本次研究中先分别按照温度以及应力的分布进行划分，再综合考虑进行调整的方式来进行基体与工作区域的划分。

首先是按照温度分布来进行的区域划分，模拟中模具的初始温度设定为250℃，对于基体区域，在服役过程中受温度的影响较小，在锻打完成后温度基本不变，首先按照温度的变化将模具分为两个部分，表层温度影响区以及温度稳定区，具体的方法为在模具的不同位置取截面，得到每个截面的型腔深度以及温度影响区深度以及形状，将每一个截面的数据连接起来，就得到了温度影响区的三维分布趋势，如图 所示。温度影响区定义：根据锻造生产节拍，模具在锻造完一件之后进行了10秒的冷却以及喷墨过程，在经过锻造以及冷却一个循环后，温度在250℃以上的部分，温度影响区的范围如图3.9所示。

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图3.9 温度影响区范围 Fig.3.9 thermal affected zone

图3.10 模具切片示意图

Fig.3.10 Tool section of 3D simulation model

在确定了温度影响区之后，对模具的应力场进行分析，对于应力场的分析，确定划分区域的标准是最主要的问题，不同的材料有不同的屈服强度，其承受压力的能力也是各不相同的，因此，要得可以被认为安全的应力分布区域，也需要结合材料的性能参数进行分析，由于定义的基体区域即受温度，应力影响都很微小的区域，基体的材料选择原则也是在满足使用条件的前提下尽量选择价值较低的材料，故在本次研究中先预选了一种基体材料，在区分基体区域时参照这种材料的基本力学性能进行划分，基体材料预选为铸钢ZG29MnMoNi，其化学成分以及力学性能如表3.4以及3.5所示。

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表3.4 29MnMoNi化学成分

Table 3.4 Chemical component of 29MnMoNi

牌号

C

29MnMoNi 0.22～

Si

Mn

化学成分 P ,S

Ni

Mo

Cr

Cu

0.20～1.20～≤0.03 0.35～0.20～0.40

1.50

表3.5 29MnMoNi室温力学性能

0.40～0.60

≤0.30

0.28 0.55 0.30

Table 3.5 Room-temperature mechanical property of 29MnMoNi

热处理

正火，回火 正火温度910～930℃，保温2小时,风冷；回火温度620℃

σs/MPa σb/MPa δ ψ AKu(常温)/J 硬度/HRC

≥495 ≥620 ≥22 ≥45 ≥34 ≥20

380370 实测值 拟合值360s\\MPa350340330320240260280300320340o360380400420temperature\\C

图3.11 基体材料高温屈服强度

Fig.3.11 High temperature yield strength of matrix material

该种基体材料在高温下的力学性能特性曲线如图3.11所示，在250℃时材料屈服强度为372MPa，通过多项式拟合得出该种材料在250℃至400℃之间的屈服强度与温度的关系公式为s(T)487.80.5T0.0004T2,取安全系数1.7，另外需要考虑应力叠加的作用，由模具型腔表面应力累积最大处的应力累积曲线拟合可以得到模具应力累积的公式为n4.363.01*ln(N2.80)，其中N为生产锻

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件的数量。

765应力/MPa4321005101520253030 模拟结果 拟合曲线时间/T图3.12 基体材料高温屈服强度

Fig.3.12 High temperature yield strength of matrix material

通过模拟应力分析，可以得到模具的应力分布(T)，则将(T)s(T)n的区域定为基体区域，就可以将工作区域和基体区域划分开，本次设计中，预设模具寿命为6000件，故n4.363.01*ln(N2.80)22Mpa，则模具的应力满足条件(T)372/1.7Mpa22Mpa196Mpa的部分如图3.12所示，将该区域定义为应力超载区，图3.13。

图3.13 应力超载区 Fig.3.13 Overstress zone

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为了得到可以指导生产的工作区与基体区的模型，需要将温度波动区以及应力超载区综合起来分析，将温度和应力的分布二维化到不同的截面进行研究，令某一截面上温度影响区的最大深度为Ht, 应力超载区最大深度为Hs, 该截面的工作区域设计深度为H， 按照图3.14的工作流程进行计算设计，得出最后的基体形状模型。根据定义计算，得到该套模具工作区域的最大深度H为80mm，工作区域底部形状简化为半径40mm的半圆柱面。

图3.14 温度-应力耦合计算流程

Fig.3.14 Temperature-stress coupled calculating flow

3.4.2 模具失效分布以及工作区域分区细化

在确定了工作区域的范围之后，还需要对工作区域进行进一步的细分。按照定义，模具的工作区域在服役过程中受到复杂的热-力作用，是模具失效集中出现的部分，对于模具这一区域的分析，不仅要考虑模具的热力作用，也要考虑坯料在成型过程中与模具相对运动所产生的磨损以及模具使用过程中的润滑等因素，对这一区域的划分按照不同位置出现的最主要的失效形式来进行。

前文中已经介绍过，热锻模具的主要失效形式有磨损，热疲劳，塑性变形以及断裂四种，但这几种失效形式发生的位置有所不同，磨损只发生在与坯料直接接触的模具表面，严重的热磨损经常出现在金属流动量较大的部位,如飞边过桥处等。热疲劳裂纹多发生在与锻件接触时间长和应力集中处,如圆角底边处。一般形态为网状龟裂,裂纹深度很浅。但在应力集中较大的底角处出现的热疲劳裂纹易发生扩展，形成裂纹缺陷。塑性变形主要发生在模具受热较多和受力较大的部位,使模具的型腔尺寸或形状发生不可恢复的变化,造成锻件尺寸变化过大或锻件取出困难,导致模具失效。而断裂是由裂纹扩展而形成，裂纹一般萌生于应力集中处(R角、沟槽及材料缺陷处)[20]

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根据各种失效形式产生的机理，结合数值模拟的结果来对模具的工作区域进行区域的细化。经过分析发现，模具的工作区域中存在以下几个特征的区域：多重失效区，磨损区，塑性变形易发区以及易断裂区，下面就每一个区域进行分析。 1）多重失效区

多重失效区是模具中受热-力作用影响最大的区域，也是模具在服役过程中达到的最高温度最高，温度波动最大的区域，主要集中在模具成形飞边的肋板部位以及一些深沟型型腔的边缘。这个区域的特点主要有：①是整个模具零件中服役温度最高的部分；②是模具上在一个服役循环中温度波动最大的部分；③是模具中磨损最严重的部位；④这个区域中的单元收到的主应力值最大，但剪切力的作用相对较小。

由于恶劣的工作环境，多重失效区是一般是模具中最先失效的部分，在多重失效区容易出现的失效问题有多种：温度波动引起的低周疲劳，由于高温软化作用而产生的塑性变形，塌角，以及严重的磨损等。此区域实际的失效状况如图所示。

为了定义出该区域的具体范围，定义模具内某点的在一个锻造工作循环内的温度变化ΔTi，则ΔTi = 2Tia = Timax – Timin，其中Tia为某点的温度幅，则当ΔTi > 10℃时，认为该部分属于多重失效区。如图3.15所示为典型的多重失效区节点与其他区域节点多次锻打的温度波动对比图。

图3.15 典型多重失效区温度波动曲线

Fig.3.15 Typical temperature fluctuation curve in multi failure region

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重庆大学硕士学位论文 3 热锻模热力学模拟分析以及区域划分

2）磨损区

并不是所有的模具表面都处于多重失效区，位于模具表面，但受到的热-力作用略小于多重失效区的区域本文中定义为磨损区。磨损区的特点是：①与坯料有直接接触或在模具使用寿命内与模具会有直接接触；②服役过程最高温度以及温度波动都略低于多重失效区；③是磨损主要的发生区域。

确定磨损区的范围，首先可以确定的是模具的最大允许磨损量，每一套模具在设计制造时都规定了其允许的最大磨损量，一旦磨损量超过这个值，成形出来的零件不能满足设计要求，模具即宣布失效，需进行修模或再制造才能继续服役，本次研究中忽略模具的再制造工艺，仅对模具的一次失效寿命进行研究。研究对象QP123曲轴终锻的尺寸公差带为-0.5~+2mm，因此，模具允许的最大磨损量为1mm，故磨损区的深度首先应满足D1mm。另外，耐磨区位于模具表层位置，与坯料直接接触，在锻造过程中也会出现较大的温度波动，为了考虑这种温度波动的影响，定义温度波动幅值10℃>ΔTi > 5℃的近表层区域都属于耐磨区的范围。则该套模具的耐磨区设计深度为16mm，形状即沿型腔形状向下扩展16mm的范围。耐磨区的范围如图3.16所示。

图3.16 磨损区范围 Fig.3.16 Wear region

3）塑性变形区

塑性变形区是指模具中可能发生的主要失效是塑性变形，几乎没有磨损以及热疲劳的区域，位于模具内部收到应力和温度影响较大的部分，相较于多重失效

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区以及耐磨区，该区域的定义是由应力分布中应力在模具深度截面近表面部位的集中而来，如图3.17所示，模具在成形过程中由于应力的向下传播以及模具固定力的共同作用，会再模具型腔下方模具心部的位置出现一定范围的应力集中。结合前文中工作区域和基体区域的划分，规定工作区域中除去多重失效区以及耐磨区这两个表面特征区以外的工作区域部分为塑性变形区。其特点是：①位于模具中心部位，不与坯料进行直接接触；②服役过程中受到温度和力的影响，但温度波动幅度小；③不会发生磨损以及热疲劳，其主要的失效形式变为塑性变形。

图3.17 模具纵向截面应力集中示意图 Fig.3.17 Stress concentration in cross section

根据定义，本文所使用的模具中塑性变形区的范围为模具型腔沿纵向分布16mm以外的部分，其最大深度为60mm。

4）易断裂区

热锻模发生的断裂主要有一次性断裂，沿晶断裂以及热疲劳断裂，裂纹一般以模具制造中产生的显微裂纹或由于模具表面周期急冷急热产生的热疲劳裂纹为预制裂纹直接扩展而成，在温度波动大以及应力集中的部位容易产生裂纹源并扩展，根据第一强度定理，在本文研究的模具中，容易产生裂纹的区域为单次打击最大拉应力较大的部分。主要集中在模具型腔底部圆角以及沟槽处。

易断裂区的特点是：①出现在模具型腔底部圆角或沟槽处有较大的应力集中的位置；②主要的失效形式为裂纹。由于热锻模的裂纹主要是热疲劳裂纹，易断裂区出现的位置一般也位于表面层，与磨损区和多重失效区会出现一定的重叠。

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重庆大学硕士学位论文 3 热锻模热力学模拟分析以及区域划分

图3.18 易断裂区示意图 Fig.3.18 Fracture region

按照模具型腔表面的应力分布，定义型腔表面最大主应力为拉应力，且maxb的区域为易断裂区，b为某一种特定材料的高温抗拉强度。与其他的三个区域不同，易断裂区的形状具体尺寸决定要在选材之后才能进行，根据所选择的磨损区的材料性能来判定哪些部位易出现裂纹，在磨损区选材性能较好时，易断裂区也可能不需要另外定义。

综上所述，结合了模具的温度、应力分布以及磨损状况，对模具进行的区域划分如图3.19所示，

图3.19 模具分区示意图 Fig.3.19 Different regions of mould

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结合模具不同区域的温度场，应力场以及失效分布，可以对此套模具进行分区域的选材以及模具寿命设计。

3.5本章小结

本章的主要研究内容可以分为以下几点

1）利用DEFORM-3D软件建立了某厂QP-123曲轴终锻热锻模的热力学分析有限元模型，并引入Archard理论磨损模型预测模具在成形过程中的磨损量。

2）分析了模具在成形过程中的温度场、应力场分布趋势，并且分析了模具单次磨损的最大值以及模具在使用过程中的磨损速率变化。

3）分析了模具各个部分主要出现的失效形式以及失效出现的条件。 4）针对模具的温度变化以及受力结果，对模具进行了区域的划分，采用的方法为：首先选定可能的基体材料，利用基体材料的高温力学性能来作为划分工作区域和基体区域的依据，然后再将工作区域按照受力与磨损的不同进行区域划分，主要有：多重失效区，磨损区，塑性变形易发区以及易断裂区四个区域。

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重庆大学硕士学位论文 4 模具分区域近等寿命选材设计

4 模具分区域近等寿命选材设计

前文中已经把模具的工作区域分为了四个区域：多重失效区，磨损区，塑性变形区以及断裂区，每一个区域的特点与主要的失效形式有所不同，利用等寿命的思想将这几个区域分开来考虑，针对每个区域来选定材料制造，以材料的性能来作为寿命统一的变动参数。传统模具使用的都是均质材料，当其中某一区域失效则模具整体失效，而在本研究中，尝试用等寿命的方式进行模具结构的设计，即针对模具的不同区域进行不同的寿命分析预测，最终达到整个工作区域的寿命趋于一致，并且工作区域与基体的寿命也趋于一致，使得构成模具的材料都尽可能地发挥自己的作用。

对应于模拟分析中的四个区域，在模具制造时这几个区域分别叫做局部强化区，耐磨区，抗变形区以及防断裂区，对于模拟分析得到的几个区域中有所重叠的部分，按照分区前后顺序选材服从上级的规则。

模具材料选择的原则主要有以下三个：①以失效抗力性能高为选材的主要准则，针对不同的区域和失效形式，要以防止失效为最主要的衡量标准；②以制品的批量大小为选材主要决策因素，所谓等寿命设计，首先要达到预测寿命，故在选材时要考虑模具的生产的批量；③从经济性和便于生产及管理为选材重要因素，在选材的同时也要兼顾模具制造工艺的成本以及可行性，才能真正解决模具成本高的问题。

按照前文中的区域划分，基体材料已经选定，基体寿命设计为6000件，结合各分区的定义，对工作区域的各分区进行选材设计。

4.1局部强化区

局部强化区对应于模拟分区中的多重失效区，位于型腔的表面易损的局部区域，这个区域与坯料接触的时间最长，与坯料接触时温度急剧上升，锻打完成后喷润滑剂又使温度急剧下降，正是处于温度波动最严重的区域，也是应力集中的区域，这个区域是模具中最容易产生失效的部位。在这个区域，四种失效形式都有可能发生，其中较为严重的是热疲劳，变形和热磨损，所以，这个区域对材料性能的要求很高，一方面，要求材料具有好的热疲劳性能，可以在高温的状态下保持工作状态，另外，也要求材料有高的热屈服强度和良好的抗回火稳定性，对它的红硬性也有较高的要求。对于这个区域来说，目前普遍使用的模具钢材料仅能基本满足使用要求，但如果要追求模具的长寿命，进行材料的强化是十分必要的，由于这个部位是模具中受热力影响最严重的区域，许多学者对新型模具材料

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的研究都与这个区域有关，用SIC粉末与Ni基自熔合金的混合粉末利用等离子熔覆的方法来获得性能较高的模具表面材料，将陶瓷材料与传统模具材料复合得到新型的模具材料以及通过修改元素成分与含量来得到新型的模具材料等方法都可以得到性能很高的材料[31][18,32]。

针对本文研究的曲轴终锻模具，其局部强化区主要分布在型腔边缘，肋板突出部位，最高温度达到420℃，最大温度波动达到150℃，受到的最大等效应力达到418MPa，选材的首要原则是模具在高温下不能失效，首先要考虑的就是选用的材料要满足高温时不屈服，另外还要具有较高的抗热疲劳性能。对热性能的高要求了材料的选用，把材料的选择范围控制在高抗疲劳性，高温下屈服强度高的材料中，材料选择大方向为高耐热性的热作模具钢。

具体选择时，首先考虑屈服强度的条件，模拟所用的材料为H13钢，模拟中的温度与材料参数热导率有关，故选材时应做两种考虑，一是对于导热系数比H13钢大的材料，其得到的最高温度会变小，屈服强度满足s(420oC)418MPa即可，而对于导热系数小于H13钢的材料，在满足s(420oC)418MPa的基础上还要加上相应的安全系数。对于抗疲劳性的衡量，一般采用的是热疲劳实验实测，但由于材料还未选定，本文中采用材料的临界点Ac1以及其热导率来间接衡量，有研究表明，材料的临界点越高，其热疲劳倾向越低，其热导率越大，耐热性能越好。

基于以上分析，选取了几种符合应力条件的常用的高耐热性热作模具钢材料，表4.1列举了这几种材料与H13钢的高温力学性能物理性能对比。

表4.1 常用高耐热性热作模具钢 Table 4.1 Typical heat resistant die steel

序号 材料名称

高温屈服Ac1 强

度

860 850 850 837

737

热导率 高温硬度（600）

（600℃）

0 1 2 3

4

H13 3Cr2W8V 3Cr3Mo3W2V 6Cr4Mo3Ni2WV

834 491 725

1350

32.2 20.1 31.8 34

34.3

35 37 39 40.1

37.1

5Cr4Mo3SiMnVA1 597

几种材料中，1号材料是我国最常用的三大钢种之一，它含有较多的碳化物形成元素铬、钨等,并具有二次硬化效应,因而在高温下有较高的强度、硬度和热稳定性,具有很高的抗回火能力和热强性，但该钢的韧性和抗急冷急热的热疲劳能力较

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差,使模腔产生龟裂 和导致早期脆断失效，故将其排除。剩下的3种材料在性能上来说都是符合该区域的使用要求的，进入下一步的选择。

选材的第二步，需要考虑模具的寿命问题，基于等寿命设计思路对这三种材料进行比较，若模具预定寿命为6000件，当此区域选择的材料满足在服役状况下不会产生断裂，塑性变形，以及影响使用的热疲劳裂纹的条件时，模具的寿命主要由磨损量来决定。局部强化区都分布在模具型腔表面，故其应该遵循在生产批量范围内，模具磨损最大量不超过1mm的规定，则在稳定磨损阶段，平均每锻打一件的磨损量m应符合m1/60001.67104mm的条件。

采用模拟的方式对几种材料的磨损量进行评价，根据Archard磨损计算模型，磨损量主要与模具的硬度 H 成反比，与模具和工件的相对滑移速度v、模具受到的表面正压力 p 以及磨损系数K 成正比，当外界条件控制一致时，几种材料都属于铬系高合金钢，其磨损系数量级差别很小，故主要采用材料的硬度来对磨损进行考虑。在DEFORM中分别输入三种材料的参数进行磨损模拟，得到的结果如表4.2所示。

表4.2 材料磨损量对比

Table 4.2 Wear depth comparison of different material

序号 材料 硬度 磨损量mm

2

3Cr3Mo3W2V 39

1.104

3 40.1

1.104

4 37.1

1.82104

5Cr4Mo3SiMnVA1 6Cr4Mo3Ni2WV

可以看出，当选择2号和3号材料时，其磨损量都能符合使用要求，对比这两种材料，由于其热疲劳性能以及经济性的考虑，选择2号材料为局部强化区的制造材料。

最后，对该区域的制造性能进行考虑，该区域处于模具的最表面层，无法使用传统锻模的整块锻造制造方式，区域相对分散，使用镶块会使得模具整体受力情况复杂，不利于制造生产。且该区域涉及的范围较小，仅在局部区域需要进行加强，目前比较可行的方法就是采用焊补的方式将材料附着在模具表面。焊补是目前使用的较成熟的一种模具修复方式，对于不同的模具钢有不同的焊补材料，焊补材料的选择原则是与基体材料的成分性能相类似，因此，根据模具钢的选择，可以确定出相应可以使用的堆焊材料。

综上所述，最终选定的材料为模具钢材料为3Cr3Mo3W2V，采用其对应的堆焊材料RMD248进行制造，采用补焊的方式进行该区域的成型制造。

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4.2耐磨区

耐磨区对应于模具服役过程中的磨损区，这个区域需要防止的主要失效问题就是磨损，失效的主要特征是尺寸超差,脱模困难、表面拉毛等。和多重失效区一样，耐磨区的工作环境也比较恶劣，但整体说来，其温度波动和受应力水平都较多重失效区小。对耐磨区进行选材设计，首先要分析这个区域的磨损形式，研究表明，热作模具在工作时受到强烈的热力作用，发生的最主要是磨损是热磨蚀磨损，模具的热磨蚀磨损失效按Kannppan，Thomas等人的观点，是由两种效应使其失效，一是由于在高温情况下，由于坯料表面或模具表面发生强烈的高温氧化，形成较厚的氧化膜，由于热坯与模具表面在工作过程中产生相对滑动，通常氧化膜的晶体结构与基休材料有所不同,从而在氧化膜加厚过程中，易从基体剥落,形成氧化皮。另一效应是由于在模锻与压铸过程中,坯料的塑性变形在模具表面产生压应力和剪应力或热金属液对模具表面的冲刷，使模具表面产生热磨蚀。[58]

为了减少这种热磨蚀磨损，需要从模具的设计，模具制造的材料、工艺以及模具工作的环境等方面对其进行优化，在本次研究中重点关注模具材料的选择，好的抗热磨损性能的材料,应具有较高的热屈服强度,较好的抗回火稳定性和好的延展性，高的热屈服强度能使材料有好的红硬性,好的抗回火稳定性能使材料保持好的红硬性,好的延展性能阻止由热磨损造成的裂纹源引起的开裂。从工艺性能考虑,材料还应有好的抗氧化耐腐蚀性能。但对比耐磨区和局部强化区，耐磨区的温度和应力值都较局部强化区水平低，温度波动范围也较小，因此可以从性能略低于局部强化区的中耐热韧性热作模具钢种选择，主要考虑材料在已经确定是工作条件下的耐磨性能。

按照选材的原则，首先进行高温力学性能的筛选，本文中的模具耐磨区最高温度270℃，在这个区域受到的最大应力为674Mpa，最大温度波动20℃。故首先应满足s(270oC)674MPa的条件，分析发现，大部分的热作模具钢都满足这一条件，故重点考虑其磨损性能与抗热疲劳性能。从常用的中耐热强韧性热作模具钢种选出符合初选要求的几种材料，如表4.3所示。

表4.3 常用中耐热强韧性热作模具钢 Table 4.3 Typical strong toughness hot-work die steel

序号 材料名称 1 2 3 4

4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1 4Cr3Mo3SiV

屈服强度 Ac1 热导率 高温硬度 高温冲击性能Ak （300℃） (300℃)

1311 1420 1218

853 860 820 825

25.9 32.2 -- 25.17

41

48.8 46.1 47.5 46.3

28.8 41.1 20.5 48.4

3Cr3Mo3VNb 1209

重庆大学硕士学位论文 4 模具分区域近等寿命选材设计

四种材料相比较，2号材料的高温屈服强度，材料临界点，以及热导率都较其他三种材料高，300℃时的硬度四种材料基本属于同一量级，2号材料和4号材料的高温冲击性能较优。同样对四种材料进行磨损计算，得到的本区域最大磨损量如表4.4所示。

表4.4 常用中耐热强韧性热作模具钢磨损量对比

Table 4.4 Wear depth comparison of different strong toughness hot-work die steel

序号 材料 硬度 mm

1

4Cr5MoSiV 48.8

2

46.1

3

47.5

4

3Cr3Mo3VNb

4Cr5MoSiV1 4Cr3Mo3SiV

46.3

1.56104

磨损量1.35104 1.35104 1.42104

综合以上分析，最终选取4Cr5MoSiV1作为耐磨区的制造材料。另外，对该区域的位置和形状进行分析，该区域位于模具表面局部强化区与抗变形区之间，区域最大深度为16mm，对于模具表面的材料涂覆，主要的方式有堆焊，热喷涂等，对于厚度为16mm的材料涂覆，由于需要覆盖的材料量很大，主要采用堆焊的方式进行涂覆。

故最终决定采用4Cr5MoSiV1的堆焊材料RMD248来进行该区域的制造。 另外，针对处于模具表面的多重失效区和耐磨区，为进一步提高其耐磨性能，还可以采用表面处理的方式来使得这部分材料性能提高，以此增加模具寿命常用的表面处理方式有表面化学热处理，表面淬火，物理或化学气相沉积，表面镀层，激光表面合金化等。针对已经选出的两种材料，进行渗氮处理是比较常用且有效的表面处理方式。

4.3抗变形区

抗变形区对应于模拟分区中的塑性变形区，占了工作区域中的大部分，位于模具的内部，主要的失效形式为塑性变形，因此针对变形来进行选材，其主要选材标准就是金属的在高温下的抗变形能力，衡量的指标主要有屈服强度s以及高温硬度。

对于抗变形区的材料寿命研究，需要对多次锻打的情况进行考虑，由于每个工作节拍结束后，模具内部的应力都会有所残余，而在生产过程中又不能采取消除这种残余应力的措施，导致锻模内部出现应力叠加的情况，这种应力叠加导致了模具不是在开始锻打的时候就出现塑性变形，而是在锻打了一定批量的零件之后

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重庆大学硕士学位论文 4 模具分区域近等寿命选材设计

开始出现塑性变形，型腔塌陷的情况。为了对这种残余应力的情况进行研究，本文选取了模具锻打过程中受到应力最大的横截面进行2D多次锻打的数值模拟，根据实际的生产节拍设计锻打以及冷却的过程，选取的位置以及所建立的有限元数值模型如图所示。

在终锻下模型腔表面沿模具纵向取参考线分别研究模具深度方向不同位置多次锻造残余应力的叠加问题，选取的参考线如图所示，得到的应力叠加情况如图所示。从图中可以看出，在服役过程中模具中的应力存在残余现象，且会随着锻造产量的增加应力逐渐累加，当批量达到一定量时，会导致应力超过材料的屈服强度而产生塑性变形。且在应力越大的地方这种累积的幅度越大。

塑性变形区正是处在模具心部产生应力集中的部位，这部分会产生较大的残余应力累积，故对这部分材料进行研究时，对残余应力累积的考虑是必须的。 对抗变形区的温度以及应力场进行分析发现，只锻打一件时，塑性变形区受到的最大应力为669Mpa，区域最大温度为260℃，最大温度波动10℃，当进行多次锻打时，该区域应力最大值处的残余应力叠加如图所示，利用非线性拟合得到应力最大值处的应力叠加曲线，其计算公式为n4.363.01*ln(N2.80)

由此公式计算得知，模具锻打6000件之后，其心部残余应力最大积累量为21Mpa，则在考虑模具寿命选材时，模具材料的屈服强度应符合s(300oC)669MPa21Mpa690Mpa，要求材料具有良好的韧性。根据以上分析，从常用的热作模具钢种选出符合此条件且材料韧性较好的几种材料，他们的材料性能如表4.5所示

表4.5 常用低耐热高韧性热作模具钢 Table 4.5 Typical strong toughness hot-work die steel

序号 材料名称 1 2 3 4

屈服强度 （300℃）

Ac1 热导率 高温硬度 高温冲击性能Ak

(300℃)

730 710 792 750

0.44 -- --- ----

383 -- --- ----

41-58.2 65 80 ----

5CrNiMo 5CrMnMo

1061 1021

4CrMnSiMoV 1180 5Cr2NiMoVSi 1200

几种材料都符合该区域的使用要求，但由于相对前面两个区域来说，抗变形区的范围较大，从材料的易获得性和经济性考虑，选择5CrNiMo作为该区域的制造材料。最后，从模具的制造性能来分析，抗变形区处于模具心部的位置，与模具的其他区域有相互连接的关系，且需要的材料量较大，故仍然采用堆焊的方式进行

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重庆大学硕士学位论文 4 模具分区域近等寿命选材设计

制造，选取5CrNiMo模具的焊补焊材RMD142为堆焊的焊材。

4.4防断裂区

防断裂区对应于区域划分中的易断裂区，根据易断裂区的定义，防断裂区的位置确定需要结合耐磨区的材料性能以及模具的应力分布。耐磨区所用材料为4Cr5MoSiV1，模具中最大主应力为正值的位置锻造过程中的最大温度为290℃，所选用的材料在300℃时的抗拉强度b1446Mpa，而该套模具最大主应力的最大值max558Mpa，可知耐磨区选用的材料符合防断裂区的使用要求，针对该套模具不需要专门设置防断裂区。

4.5本章小结

本章利用等寿命的设计思想，针对模具的各个分区进行了选材设计，确定了各个分区的制造材料以及制造方式。对于处于模具表层的局部强化区和耐磨区主要采用磨损作为寿命设计的指标，而对于模具心部的抗变形区，则主要考虑其在服役过程中模具的残余应力累积效应对塑性变形的影响。

最终设计的结果为：基体铸造成型，局部强化区采用模具钢材料3Cr3Mo3W2V的堆焊材料进行制造，采用补焊的方式进行制造，耐磨区和抗变形区分别采用堆焊材料RMD248和RMD142进行堆焊制造，不用单独设置防断裂区。

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重庆大学硕士学位论文 5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估

5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估

5.1模具制造以及生产试制

利用设计的方法指导进行了生产试制，制造了63 MN热模锻压机用QP-123近等寿命锻模，其制造工艺如图5.1所示，生产过程以及最后得到的模具如图5.2所示。堆焊设备选用美国米勒多功能焊机Miller Dimension 812，为了保证堆焊时有较稳定的电压，良好的焊缝成形质量及较少的飞溅，采用直流反接方法进行堆焊，堆焊的焊接工艺如表5.1所示。

图5.1 模具制造工艺

Fig.5.1 Manufacture process of the tested mould

图5.2 模具制造工艺实物图

Fig.5.2 Manufacture picture of the tested mould

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重庆大学硕士学位论文 5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估

表5.1 焊接工艺参数

Table 5.1 Process parameters of welding

焊接 设备 Dimension 812

堆焊极性 DCRP

电弧电压U/V 26

焊接电流I/A 130

层间温度T/°C 300±20

焊接速度v/(mm/min)

180

焊条直径 /mm 2.4

保护 气体 CO2+Ar

在堆焊结束后，在模具冷却至300 °C以前放入井式电阻加热炉内进行回火去应力处理，升温速度为80 °C /h，回火温度为400~600 °C，并保温一定时间，之后随炉冷却至约180 °C后取出放入石英砂中空冷。其工艺如图5.3所示。

图5.3 模具热处理工艺

Fig.5.3 Heat treatment process of the tested mould

进行去应力处理后，对模具表面进行超声波或磁粉探伤，检查工件在热处理过程中是否有裂纹等缺陷产生。然后将无缺陷的工件送至机加工中心，加工吊装孔，粗铣、精铣底面、键槽、型腔等，最后进行打磨，抛光，合模(装入导柱/套等，浇注蜡型等)，最后进行模具验收。

5.2近等寿命模具等寿命效果评估

由于在该套模具的设计选材过程中引入了大量的最大化设计，导致制造的模具不能达到理想等寿命模具的效果，故只能称之为近等寿命模具。对选定的材料堆焊后进行高温拉伸实验，获得材料的高温屈服强度，与设计的强度进行对比，传统模具与实际生产模具以及理想的等寿命模具各区域材料的性能对比如表所示

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重庆大学硕士学位论文 5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估

表5.2 3种模具结构选材对比

Table 5.2 Comparison of three kinds of mould model

传统均质实际生产近等寿命模理想等寿命模具 模具

具 29MnMoNi

29MnMoNi

基体区5CrNiMo 域

局部强5CrNiMo 化区

材料满足 RMD248

s(300oC)1420MPa s(420oC)418MPa，

s(600oC)729MPa 单件锻件磨损量

m(T,)1/60001.67104mm

耐磨区 5CrNiMo

材料满足 RMD248

s(300oC)1420MPa s(270oC)674MPa

单件锻件磨损量

m(T,)1/60001.67104mm

抗塑性5CrNiMo 变形区

将该套模具应用至63MN热模锻压机用锻模上，经过锻件产品的生产验证，做到了一次试模成功，所生产的曲轴锻件尺寸及性能检测合格，满足产品质量要求，并且质量稳定。在锻造了5671件后锻模失效，传统采用5CrNiMo的锻钢模具寿命平均为4000件左右，提高约43%，模具制造成本降低约30%。模具失效形式主要为型腔表面的疲劳磨损，无塌陷、裂纹和断裂现象，模具在使用过程中的精度和性能能够完全满足要求。

针对各个区域进行等寿命效果评估，实际生产中局部强化区与耐磨区采用同一种材料，但二者所处位置的温度与应力都有所不同，导致局部强化区磨损失效而导致模具整体失效。将失效后的锻模进行三维光学扫描仪点云扫描，获取失效锻模的点云数据，与QP-123曲轴锻模三维设计模型进行尺寸比对检测，如图5.4所示。结果显示，模具局部强化区最大磨损深度为1.32 mm，而在型腔内部耐磨区磨损量在在0.5mm左右，局部强化区材料单件磨损量为2.3210-4mm，与设计的材料有所差距，耐磨区最大磨损量为0.58mm，材料单件磨损量为1.0210-4mm，同一种材料在不用环境作用下的不同磨损性能导致了这两个区域的寿命差距，若在理想的等寿命条件下，耐磨区的剩余寿命为4111件，可见材料的选择对于等寿命设计的效果有很大影响。

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材料满足s(300oC)690Mpa RMD142

s(300oC)1061MPa

重庆大学硕士学位论文 5 近等寿命模具生产试制与等寿命评估

图5.4 模具磨损对比图 Fig.5.4 Tool wear state

对于抗塑性变形区，材料性能远远高于所要求的性能，故没有出现塑性变形失效，基体部位出现了屈服强度下降的现象，但仍能够继续使用，该套模具若增加局部强化区制造工艺将能够进一步提高模具寿命，但制造工艺的增加也将会增加模具的成本。

5.3本章小结

本章利用前文中叙述的方法，指导制造了一套近等寿命模具进行生产试制，对模具的试制工艺进行了介绍，并对试制生产的模具进行了分析，将其与传统的均质模具以及理想的等寿命模具进行对比，对未失效的部分进行了简单的寿命预测，提出了改进方案。

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重庆大学硕士学位论文 6 总结与展望

6 总结与展望

6.1全文总结

本文针对模具制造成本高，材料利用率低，模具材料浪费严重的问题，为降低模具制造成本，达到对模具寿命的预定控制，引入了等寿命设计的概念，提出了针对热锻模的不同特征区域采用不同的材料来进行成型的模具制造方法，在模具制造工艺的设计中引入寿命计算的方法，通过对模具进行分区，对每个分区进行有针对性的寿命预定选材，使模具整体达到寿命趋于一致，提高模具材料的利用率，满足各种批次模具不同的生产要求。通过建立有限元模拟模型，结合工厂实际模具失效形式的调研分析，对某厂QP-123曲轴终锻模具进行了分区域等寿命设计，并通过生产试制得到了寿命高于传统均质模具的近等寿命锻模，为后续的等寿命模具设计研究提供了数据基础。本文的主要结论如下：

①针对目前模具制造成本高，模具材料利用率低的问题，提出将等寿命设计思想引入到热锻模结构设计中的思想，即把锻造模具视为不同区域构成的组合体，利用构件等寿命设计的思想针对不同的区域进行不同的设计，提出了基于等寿命思想设计的理想锻模结构。理想的等寿命锻模包括两个维度上的等寿命：模具型腔横向等寿命以及模具基体纵向的等寿命。

②针对某厂生产的QP-123锻模进行生产调研，利用有限元模拟软件DEFORM建立其3D以及2D有限元模型，利用实际结果对模拟的结果进行了检验，并根据其不同失效形式分布的位置以及不同位置受到的温度、应力作用，将模具划分为基体区，多重失效区，磨损区，塑性变形区以及易断裂区几个特征区域。具体方法为：分别根据模拟得到的温度场和应力场得到模具中的温度波动区和应力超载区，其中应力超载区的确定要首先预选一种基体材料，结合材料的屈服强度进行选择；两个区域经过热力交互作用的分析得到基体和工作区域的界限，在三维体中的形状采用二维切片得到轮廓最后扫掠而成；然后对工作区域进行细化，根据工作区域中温度波动的情况以及不同位置的失效形式将其分为三个区域，温度波动幅值ΔTi > 10℃的区域为多重失效区，10℃>ΔTi > 5℃的区域为磨损区，ΔTi < 5℃且属于工作区域的部分为塑性变形区，另外根据第一强度理论找出模具中断裂失效容易发生的部位，单独列为易断裂区。

③针对不同的分区进行等寿命设计选材，对应于有限元模拟中的多重失效区，磨损区，塑性变形区和易断裂区，在模具选材时这几个区域分别叫做局部强化区，耐磨区，抗变形区以及防断裂区。制定了首先满足不失效，其次考虑生产批次，最后结合制造工艺的选材原则，对几个区域分别进行了分析。其中局部强化区和

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重庆大学硕士学位论文 6 总结与展望

耐磨区位于模具表面，其最主要发生的失效为热磨损，寿命的预算主要依据材料的磨损性能决定，塑性变形区主要利用变形过程中的残余应力累积来确定多次循环后材料的寿命，易断裂区的选材与耐磨区的选材有一定联系，若耐磨区材料符合使用要求则不需要另外进行加工。

④根据得到的理论结果指导制造了一套近等寿命的模具，并且进行了生产试制，相比传统模具寿命提高了40%，但由于实际选材时的近似计算以及最大化设计，该套模具并不是真正意义上的等寿命模具，对于传统的均质模具，实际生产应用的近等寿命模具以及理想的等寿命模具进行了比较，并且分析了该套实际生产模具各个区域的使用情况，提出了改进的方案。

6.2研究展望

等寿命设计是一个十分复杂的过程，其中涉及到的最主要的内容就是寿命的计算预测问题以及寿命统一问题，作者提出了将等寿命思想应用于热锻模的结构设计中，通过将均质的模具分区，分别考虑寿命的方式来使材料的利用率提高，模具成本降低，并且针对某厂的曲轴终锻模具进行了初步的设计，阐明了设计思想。在理想情况下，采用等寿命设计的方法可以达到根据使用的要求量体裁衣，模具使用的材料以及制造工艺可以根据模具的服役状况生产批次反定制模具。要达到这一理想状态还需要很多技术的支持，针对本文的研究，也还有很多方面需要继续深入的研究：

①分区寿命预测研究，模具寿命预测是一项复杂的课题，本文中针对每个区域利用其最主要出现的失效形式来决定该区域的寿命，没有考虑各项失效之间的交互作用，若要做到对模具寿命的精确预测，还需要进行更加深入的模具寿命研究，包括磨损，塑性变形等失效机理的深入研究。

②模具分区选材系统，本文中模具材料的选择仅仅局限在热作模具钢中，但随着选材标准的精确化，可以使选材范围进一步扩展，研究模具分区选材系统，可以使得选材过程程序化，根据材料的性能作为指标来缩小选材的范围，在一定程度上还可以根据设计的需要自行设计所需要的材料。

③材料低周热循环性能研究，材料的热循环性能在模具服役过程中对模具的寿命有很大影响，已有研究表明，材料在瞬时低周热力循环状态下其屈服强度，硬度，抗拉强度等性能都会出现下降，但具体的原理与下降的规律仍不明确，本文中采用残余应力叠加的方式来表征材料的屈服强度的下降，引入了很大的误差，材料的低周循环性能对于模具寿命的精确预测有着十分重要的作用。

④模具分区连接性能研究，本文中试制的模具均采用堆焊的方式进行，对于堆焊层之间性能的改变与焊接过程对材料的影响忽略不计，模具分区域连接还可

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重庆大学硕士学位论文 6 总结与展望

以采用直接铸造或者镶块等方式，各个区域之间的连接性能对于模具寿命的影响还有待研究。

⑤模具分区域随形制造，模具分区是根据模具最终需要的形状进行的，但是在制造过程中还没有办法做到完全的随形制造，在每一层加工后都需要加入机械加工然后进入下一区域的制造，使得模具制造工艺过程复杂，模具制造成本提高，对于模具随形制造的研究可以解决这一问题。

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重庆大学硕士学位论文 致 谢

致 谢

三年的研究生生活即将结束，入学时的情景还历历在目，而随着本论文的完成，我也即将离开自己生活学习了七年的母校。研究生的三年时间，足以改变我对待世界的态度，学到了很多也懂得了很多。回顾过去的时光，首先要感谢我最最尊敬的周杰老师，不仅在学术上给予我指导，也让我感受到了一个热爱生活，热爱自己所从事的事业的人有着怎样的生活。周杰老师渊博的知识与强烈的个人魅力都让我叹服，在研究生期间老师给我们的各种机会以及教导都让我终身受益。也感谢研究所的徐戊矫、王梦寒、夏玉峰、温彤、权国政以及李俊超老师，各位老师与同学们亦师亦友，在学习和生活上都给予我了很大的帮助，他们永远是我可敬可爱的大哥哥大姐姐。

感谢已经离开实验室的汪丰林、向东、贾智、卢先正等师兄以及姬金金学姐在我研究生期间对我的各种帮助和鼓励，他们是我在学习的道路上永远的榜样；感谢即将毕业的卢顺师兄，他认真的学术态度以及坚韧的性格让我倍感尊敬；感谢与我同级的黎燕，冯可，李梦瑶，林磊，姜中原，黄治勇等各位小伙伴的陪伴，让我度过了快乐的研究生生活，更要感谢从大学一直走到现在的陈世，孙昌凯，潘成海好哥们，在我难过的时候给我鼓励，你们是我今生十分宝贵的财富。也要感谢实验室王珣、曾强、罗燕、齐文涛等师弟师妹们，在实验室一起度过的时光是一段美好的回忆。感谢所有曾经在我生命中出现过并且留下痕迹的人，你们的出现构成了我所有的生命，使我成为现在的自己。

感谢我的朋友们和亲人在这段时间给我的鼓励，特别将此论文献给我挚爱的父母与弟弟，感谢他们的付出、关心与理解，正是由于他们伟大的无私奉献才使我今天得以顺利完成学业，在此致上我最深的谢意。

感谢所有支持和帮助过我的人！

最后，对在百忙之中抽出时间评审论文的各位教授、专家表示感谢！

余盈燕

二O一四年四月

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重庆大学硕士学位论文 附 录

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

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[3] 余盈燕, 周杰, 李梦瑶, 高林. 热锻模表面喷丸及多元氮碳共渗复合强化工艺. 金属热处

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