7075铝合金锻件淬火过程分析

万俊，陈丁垚，沈培辉，刘凯，曹艺

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



7075铝合金锻件淬火过程分析

万俊，陈丁垚，沈培辉，刘凯，曹艺

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：基于计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)方法对某公司生产的锻件进行分析。根据锻件的基本尺寸，利用Solidworks软件对锻件进行三维建模，然后用HyperMesh模型进行有限元网格划分，再导入ABAQUS软件。采用模拟淬火方法对两种结构的淬火过程进行计算分析，结果表明改进结构明显改善了温度场分布和应力场分布，提高了生产的成品率。

关键词：铝合金；淬火；锻件；温度场；应力；有限元

0前言

7075铝合金是一种强度高的冷处理锻压合金，其材料在低于500℃时不发生相变，也是商用最强力合金之一。细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制与众不同，是许多公司青睐的对象。

铝合金材料因热处理而产生残余应力主要局限于少数几种高强铝合金。国外研究主要集中于航空航天用的几种高强铝合金材料如2024、7075、7050等。由于主要应用于航空航天等军工部门，对其淬火残余应力的研究结果报道，直到20世纪80年代以后国外才逐渐增多，而国内几乎见不到这样的研究报道。

1锻件模型的建立与分析

本文的研究对象为某公司生产的某种锻件，材料为7075铝，图1是该锻件的三维模型。该模型采用的热处理为460℃~465℃在30℃的水中淬火，在这个过程中会产生很大的残余应力，进而对后续加工产生不利影响，工件可能会出现裂纹、变形，甚至报废，对公司造成了巨大的经济损失。本文的研究目的是为了缩短该产品的研究周期，能够较快的投入市场，先通过有限元软件对其淬火过程进行分析，得到相关结果数据，研究其温度场的分布，应力的分布，为质监部门和工艺部门提供参考。

图1　锻件的三维模型

计算用的7075铝合金热处理工艺参数：水温为30℃，淬火温度为465℃，淬火用换热系数h如表1所示。

1) 7075铝合金的热换系数

表1　热交换系数

续表1

2) 热物性参数：

导热系数(w/m·k)：k=111+194×10-3T-210×10-6×T2+90×10-9T3

比热容(J/kg·k)：Cp=820+0.77T

线膨胀系数(1/℃)：α=(21.6+3.6×10-2T-3.4×10-6×T2+2.3×10-9T3)

密度(kg/m3)：p=2700

泊松比：V=0.27

3) 7075铝合金力学性能参数如表2所示。

表2　7075铝合金力学性能参数

此锻件是轴对称的，所以切除一半分析。在对此锻件有限元分析前，需对其网格划分，由于此锻件结构不规则，导入hyepermesh对其网格划分[1，2]。其结果如图2所示，之后进行网格质量关于指标warpage的检查，结果如图3所示。可以看出网格质量良好，符合要求。再将其导入abaqus中，采用顺序耦合热应力分析，此类分析中的应力应变场取决于温度场，但温度场不受应变场的影响。需要首先分析出温度场，然后以温度场为条件分析出应力应变场[3-6]。其分析结果如图4、图5、图6所示。

图2　锻件的网格模型

图3　关于指标warpage的网格质量检查

图4　锻件的正面温度场云图

图5　锻件背面温度场云图

图6　锻件表面应力最大时应力云图

从上面的云纹图可以明显的看出，在冷却到目前状态时，模型锻件的内部仍然没有冷却到水温，因为在整个过程中，热传递发生在锻件与水接触的表面，在很短的时间内，这个表面的温度就与水温基本相同了，而锻件内部的热量则需要一个比较长的过程才能传递出来，此结论与文献[7]相关结论类似。

在应力结果图中，很明显，表面应力最大的时候发生在中间的某个时刻，可以找到step time=10.49s时表面应力最大，出现的位置如图7、图8、图9所示。此点的应力随时间变化曲线如图10所示。

图7　局部放大图

图8　应力最大的点

图9　四个标记区域存在倒角

图10　锻件0到300秒内锻件应力变化图

由上可得到最大应力为σmax=348MPa；整个模型在应力最大的时间点，有六处地方应力较大，如图9所示的六处集中点；但是其中的四处因为会存在倒角，所以这四处不会有危险，如图10所示。但另外的两处地方没有倒角，所以这里会比较危险，如图11所示[8]。

图11　危险区域

2解决方案

根据上述问题，经研究与分析得出相应方法：

1) 局部加厚锻件，对应力最大、出现裂纹处加厚处理。以抵消大应力。如图12所示为原模型，图13为构想模型。

图12　原模型

图13　加厚模型

2) 通过设置斜面以减少应力集中，如图14为原模型，图15为改进模型

图14　原模型

图15　改进模型

3优化后锻件分析

优化后锻件分析方法与原锻件相同。结果如图16，图17所示：

图16　优化后锻件有限元网格

图17　网格质量检查

温度场云图如图18，图19所示：

图18　优化后锻件正面温度场云图

图19　优化后锻件背面温度场云图

优化锻件表面最大应力如图20：

图20　优化锻件最大应力图

分析比较锻件改进前后的应力图可见，本文中对该锻件的优化设计是可行的如图21至图24所示。

图21　应力最大位置

图22　优化后锻件0到300s内应力变化图

图23　优化锻件应力最大的五处

图24　优化前后锻件应力曲线比较图

4结语

应用有限元分析技术建立了7075铝合金为锻件的几何模型，按照此锻件在实际生产过程的淬火环节，采用实际生产过程中的数据，建立了相应的有限元分析模型，得到了锻件在淬火过程中的温度场云图和应力云图。研究云图发现结构存在问题，该问题可能导致产品在生产过程中断裂、降低产品合格率。针对此问题提出了相应的解决方案。为实际生产过程提供了质量保障，提高了生产效率，保证了产品合格率。同时为以后生产线上可能出现的问题提供了一个可行的解决方法。

参考文献:

[1] 李博. 基于HyperWorks的某雷达零部件的拓扑优化设计[D]. 合肥：合肥工业大学，2009，4.

[2] 熊珍兵，罗会信. 基于HyperMesh的有限元前处理技术.排灌机械[J]. 2006，6(24):35-38.

[3] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS[J]. American BookNews,Inc.2002.

[4] 庄茁, 等译.ABAQUS/standard有限元软件入门指南[M」. 北京:清华大学出版社，1998.

[5] ABAQUS.StandardUser,Manual[M]. Hibbitte Karlsson&Sorenson INC，2002.

[6] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M]. 北京:机械工业出版社，2006.

[7] 王华君，张亚南，王华昌，等. 基于DEFORM逆向运算的预锻件优化[J]. 热加工工艺，2009，4(10):6-8.

[8] 张雷顺，等. 弹性力学及有限单元法[M]. 郑州：黄河水利出版社，2005.

Quenching Process Analysis of 7075 Aluminium Alloy forgings

WAN Jun, CHEN Ding-Yao, SHEN Pei-hui, LIU Kai, ZHANG Xu

(Nanjing University of Science And Technology, Nanjing 210094,China)

Abstract:The thesis analyzes the pieces forged ly a company, based on computer-aided design (CAD) and computer-aided method engineering (CAE) method. According to the basic size of the forging Solidworks software is used to creat its three-dimensional model. Then the three-dimensional model is divided int finite element mesh and imported into its analysis software HyperMesh. and then the meshed model is imported into ABAQUS Software. The simulated guenching method is usedted to analyze two structures of the quenching process. The results show that the improved structure is of significant improvemet of the temperature and stress field distribution. This method is used to greatly raise up the production yield.

Keywords:aluminium alloy; quench; forgings; temperature field; stress; finite element

收稿日期：2014-10-25

中图分类号：TG316

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0071-05

作者简介：万俊(1989-)，男，江苏金坛人，硕士研究生，研究方向为火炮自动武器与弹药工程。