热锻模具高温磨损机理的分析与试验研究

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在我国,热锻模具高温磨损在实际生产中非常普遍,因磨损而失效率的模具在总的失效模具中占到近60%,因而提高模具寿命,减少模具磨损在当前已经成为重要的研究内容。然而,要提高热锻模具的寿命,其关键还在于掌握热锻模具高温磨损的机理。目前,国内外对热锻模具高温磨损的研究还比较少,对高温磨损的机理研究尚不够完善,也没有适用于热锻模具磨损预测的模型。本文的主旨就是通过系统地研究热作模具钢的材料特性、流动应力、温度、表面质量和变形力等因素对高温磨损的影响规律和作用机制,从而揭示热锻模具高温磨损的机理,提出适用于预测热锻模具高温磨损的计算式。  首先,本文基于Archard磨损模型,对离合器式螺旋压力机上的锻件套管叉在热成形过程中对模具的磨损进行了数值模拟分析和实验研究,分析和研究结果表明 Archard磨损理论和公式在低温(500℃以下)场合下进行定性研究具有一定的正确性,但是当用于热锻模具高温磨损的预测时存在不足,特别是该模型没有考虑温度的变化对模具磨损产生的影响,这与实际情况产生很大的偏差。  其次,本文以12种常用模具钢材料的硬度-温度曲线为基础,将曲线数据提取后重新进行绘图,发现常用模具钢的硬度在500℃之前是随温度呈缓慢下降趋势,但从500℃开始,模具钢的硬度呈现快速下降趋势。同时,对5CrNiMo和H13两种典型常用模具钢的硬度-温度曲线进行了回归拟合。回归公式表明,模具材料的硬度随温度变化的曲线方程属高次乘方方程。  第三,本文在分析模具温度对高温磨损的影响基础上,提出坯料的接触应力、接触应变以及模具接触面强度对模具型腔面高温磨损的影响较大。通过分析和研究热锻模具高温磨损产生的原因及机理,利用塑性成形的虚功率原理,提出了新的用于计算高温磨损的表达式,即JX高温磨损模型。  第四,本文基于JX高温磨损模型,重新对螺旋压力机上的锻件套管叉模具的磨损进行了数值仿真分析。分析结果表明,JX高温磨损模型能够很好地预测螺旋压力机上热锻模具的磨损情况,预测的模具寿命同模具的实际生产量很接近。说明JX高温磨损模型适用于螺旋压力机上的锻件套管叉热锻模具磨损的分析和对模具寿命的预测。  第五,基于JX高温磨损模型,对锤上锻件后轴颈热锻模具的磨损进行了模拟分析和试验研究。结果表明,磨损的模拟结果同试验结果基本吻合,说明JX磨损模型适用于锤上锻件后轴颈热锻模具磨损的计算分析和模具寿命预测。  第六,基于JX高温磨损模型,对锻压力机上的锻件MP5曲轴热锻模具的磨损行为进行了分析和试验研究,分析和研究结果表明,基于JX磨损模型计算所得到的MP5曲轴热锻模具磨损的模拟结果同实际试验模具磨损的情况相符。  第七,基于JX高温磨损模型,对大型水压机上的超硬铝合金锻件QLJ1飞机起落架横梁热锻模具的磨损行为进行了分析。分析结果表明,在热成形过程中,QLJ1预锻模具和终锻模具型腔的磨损都比较明显,预锻模具的平均线磨损率最大达到1.87×10-4mm/件,终锻模具的平均线磨损率最大达到2.80×10-4mm/件。说明,终锻模具较预锻模具在锻造过程中更容易产生磨损。
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