温挤压模具冷热疲劳早期失效模拟分析与探讨*

栗育琴

(泸州职业技术学院机械工程系，四川泸州 646005)

从生产现场发现，挤压某壳体零件的凸模经常因在急冷急热的恶劣工况下工作而造成冷热疲劳失效，图1是实际拍到的冷热疲劳造成模具开裂失效的模具图片。本文借助有限元模拟软件DEFORM结合生产实际对温挤压过程进行模拟，得到相关数据，分析了此类模具冷热疲劳失效的成因，并且通过对比试验分析

表1 凸模在工作中不同时刻的温度值

得出最佳的模具预热温度和坯料加热温度范围［1］。

1 零件结构及模拟条件

1.1 零件结构

壳体零件如图2所示，内径为φ65 mm，外径为φ100.3 mm，孔深 185 mm，总高 363 mm，材料为30CrMnSiNi2A钢。

1.2 建模及模拟条件设定

考虑到模型的对称性，为节省模拟计算的时间，取1/4模型进行有限元模拟计算，有限元模型如图3所示。模拟初始条件为:①定义模具为刚性体，材料为3Cr2W8V钢，工件为塑性体，材料为30CrMnSiNi2A钢。②传热系数选择11，摩擦系数选择0.25。③工件网格单元数为18 149，凸模网格单元数为5 147，凹模网格单元数为11 806。④模具预热温度取150℃、200℃、250℃、300℃，挤压速度为10 mm/s。

2 模具冷热疲劳失效机理分析

利用DEFORM－3D里面点的追踪功能可捕捉到凸模最前端在不同时刻时的温度值，如表1所示。由这些数据得到温度随时间的变化曲线，如图4所示。

挤压的整个过程是:坯料加热后先与环境进行热交换10 s，然后与凹模进行热交换2 s，再在第12 s开始挤压，挤压结束后凸模在外加冷却水快速冷却5 s。由表1及图4可知，模具从第12 s挤压刚刚开始到第13 s，一秒钟的时间内温度由198℃急剧升高到610℃，随后直到第31 s挤压结束前温度还在逐渐上升，但上升幅度比较小。这是因为从12 s挤压刚刚开始时，200℃的模具和800℃的坯料温度相差较大，在接触的瞬间凸模的最前端就被急剧加热而温度升高，随后随着模具温度的升高坯料温度的降低，模具与坯料的温差逐渐减小，模具温度的增加就趋于缓慢。从第31 s开始模具温度开始下降，这是因为第31 s挤压结束后，模具被冷却水冷却而温度得到了下降。在冷却水的冷却过程中，温度的下降幅度很大，在5 s的时间内从802℃下降到335℃。这是挤压一个工件的一个循环过程。

冷热疲劳就是模具表面经受反复加热和冷却所产生的循环热应力的作用下所产生的疲劳裂纹或破坏的现象。

当低温模具与高温坯料接触时，坯料的一部分热量会传递给模具，同时坯料变形过程以及与模具表面摩擦所产生的一部分热量也会被模具吸收，这样模具表层温度急剧上升，表层金属膨胀。而膨胀的模具表层金属又会受到表层下面温度较低的内层金属的约束，因而在表面产生压应力。如果从表面到内部的温度梯度大，那么在给定的热膨胀系数下压应力可达到实际的屈服极限值，这在表层中产生塑性变形(压缩)［1－2］。

当模具在外加冷却水的快速冷却过程中，模具内层金属温度高于表层(见图5)。此时模具表层金属急剧收缩，但由于先前加热时的塑性变形和此刻较高温度内层的抗力，使表层的收缩过程困难，甚至完全不可能进行，从而表层产生拉应力，如图6所示。

模具表层中的循环热应力，是引起冷热疲劳的根本原因。循环热应力引起反复的塑性变形，如同在交变机械载荷作用下，使材料的塑性降低，形成了一些裂纹源，反复挤压使裂纹不断加深和扩展，最后在模具表面形成网状裂纹。尤其当模具表层温度超过材料A1温度，在随后冷却中，模具还会产生由于相变而引起的体积变化，从而加速了模具的冷热疲劳过程［1－2］。

图7为温挤压凸模头部的断面上所显示出的冷热疲劳裂纹。

此外，模具不预热或模具预热温度与压入的高温坯料间的温差愈大，模具表层的膨胀和收缩量也愈大，冷热疲劳裂纹的产生也就愈快［3］。冷热疲劳裂纹的形态与模具工作条件有关，在一定的模具预热温度下，急热的严重程度主要取决于模具在挤压结束后达到的最高温度，所以有必要研究影响模具最高温度的因素。

3 对比模拟分析

选择坯料温度500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃，模具预热温度150℃、200℃、250℃、300℃进行模拟，取得了凸模在一个挤压过程的最高温度数据，见表2所示。

表2 凸模最高温度 ℃

图8为凸模预热温度与其挤压过程中达到的最高温度的关系曲线，图9为坯料温度与凸模挤压过程中达到的最高温度的关系曲线。

图8所示每条曲线变化都比较平缓，这说明改变凸模预热温度，挤压结束时凸模达到的最高温度比较接近。图9可以看出坯料温度越高，挤压结束时凸模达到的最高温度越高。这两图说明影响凸模最高温度的主要因素是坯料温度，而模具预热温度对凸模的最高温度影响不大。

温挤压过程中，模具温度变化越大，冷热疲劳裂纹越容易产生。表3列出了挤压过程中凸模开始时温度与最后达到的最高温度差值即瞬间急热温度差值，表4列出了凸模冷却前后急冷温度差值。利用这些数据得到凸模预热温度与其急冷急热温度差值之间的关系曲线，如图10、图11所示。

表3 凸模急热温度差值 ℃

表4 凸模急冷温度差值 ℃

由图10可知当坯料温度为950℃，凸模预热温度为150℃时，其急热温度差达最高为766℃。当坯料温度为500℃，预热温度为300℃时，凸模急热温度差达最低为350℃。由图11可知当坯料温度为950℃时，预热温度为150℃时，凸模急冷温度差达最高为519℃。当坯料温度为500℃，模具预热温度为300℃时，急冷温度差达最低为364℃。所以从降低冷热疲劳失效方面考虑，选择坯料温度和凸模预热温度越接近越好。但考虑到预热温度过高又会使模具氧化严重，所以最佳预热温度为200～300℃。坯料温度的选择，由表2可知，当坯料温度大于800℃时模具的最高温度都已超过820℃，而模具材料3Cr2W8V钢的Ac1为820～830℃，而当模具表层加热到材料A1温度以上，随后进行冷却时，还会产生由于相变(如马氏体转变)而引起的体积变化，加速模具的热疲劳过程，所以坯料加热温度控制在800℃内为宜。

4 结语

(1)模具急热温度差在350～766℃之间，急冷温度差在364～519℃之间，模具在急冷急热的恶劣工况下工作，存在严重的冷热疲劳失效。

(2)影响凸模最高温度的主要因素是坯料温度，而模具预热温度对凸模的最高温度影响不大。

(3)从降低冷热疲劳失效方面考虑，选择坯料温度和凸模预热温度越接近越好。但考虑到预热温度过高又会使模具氧化严重，所以模具最佳预热温度为200～300℃。

(4)对于材料为3Cr2W8V钢的模具，为了减缓模具的冷热疲劳，挤压时坯料温度应控制在800℃内。

［1］蒋良.热处理工艺对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响［D］.南京:南京理工大学，2007.

［2］冯晓曾，何世禹，郭宝莲.(零件—1)模具的失效分析［M］.北京:机械工业出版社，1987.

［3］蔡美良，丁惠麟，孟沪龙.新编工模具钢金相热处理［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［4］庞祖高，苏广才，夏薇，等.温挤压模具的早期失效探讨及对策［J］.热加工工艺，2005(9):25－28.