CN105512421A - 一种大型锻模的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型锻模的制造方法，其特征在于，在锻模制造前采用如下步骤设计锻模：a、建模；采集大型锻模的数据建立大型锻模的3D有限元模型和2D有限元模型；b、划定锻模的复合强化区；将温度变化量ΔT＞50℃的锻模区域划分为复合强化区；c、复合强化区的材料预选；选取屈服强度σs(Tmax1)满足σ(Tmax1)≤σs(Tmax1)-σn的材料作为复合强化区的预选材料，其中σn为锻打第n件锻件时模具上的累积应力；d、复合强化区的材料筛选；筛选出3～5种临界点Ac1接近H13钢的临界点Ac1的材料；e、确定复合强化区的材料；选取加工相对较容易的材料作为复合强化区的材料。本发明的大型锻模的制造方法具有设计科学，能够降低加工难度，有利于提高材料利用率，降低生产成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及模具设计加工领域，特别的涉及一种大型锻模的制造方法。
背景技术
世界上最大的大型模锻液压机(8万吨压机)已投产，其使用的大型锻模已广泛应用于航空、航天、核电、石化等领域的大型模锻件生产制造中，如大飞机机身框架、起落架、发动机涡轮盘等，这些锻件的锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等，均需要采用锻模来成形。为延长锻模的使用寿命，一般采用H13钢等较普通模具钢5CrNiMo等更优质材料来制备大型模锻液压机锻模，但是H13钢价格昂贵，锻坯材料和锻后热处理费用较普通工艺方法提高近1倍，锻模制造成本相当高。
另外，采用高温合金、钛合金等难变形材料制作的大型锻件所需的成形温度高，在锻造成形过程中锻件与模具接触时间长，模具承受压力高，型腔表层温升快，迅速升高至700℃以上，导致模具工作区域强度和硬度迅速降低，造成模具变形很大、磨损严重，模锻1-2件后模具变形高达10mm以上，降低了模具寿命，而模具的非型腔部位的性能基本没有变化。这样，模具型腔一旦失效，模具的非型腔部位也会随着整个模具一起报废，造成了模具材料的大量浪费，模具的材料利用率低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种设计科学，有利于提高模具材料的利用率，降低模具的制造成本的大型锻模的制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种大型锻模的制造方法，其特征在于，在锻模制造前采用如下步骤设计锻模：
a、建模；采集大型锻模的数据建立大型锻模的3D有限元模型和2D有限元模型，并在3D有限元模型和2D有限元模型中进行模拟锻造，将模拟锻造后得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸进行对比，若二者的相关尺寸不匹配，则通过调整3D有限元模型和2D有限元模型中的锻模与坯料之间的接触面传热系数、摩擦边界条件以及二者的相对位置，并重新进行模拟锻造，直到模拟锻造得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸相匹配；
b、划定锻模的复合强化区；从模具型腔表面沿模具厚度方向选取若干参考点，记录各参考点在模拟锻造前的初始温度Tmin，以及模拟锻造后的最终温度Tmax；然后计算各参考点的温度变化量ΔT＝Tmax-Tmin；将ΔT＞50℃的锻模区域划分为复合强化区；
c、复合强化区的材料预选；分析步骤b中位于复合强化区的参考点的应力叠积累加趋势，得到锻造后复合强化区的最大温度Tmax1时受到的最大应力σ(Tmax1)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax1)满足σ(Tmax1)≤σs(Tmax1)-σn的材料作为复合强化区的预选材料，其中σn为锻打第n件锻件时模具上的累积应力；
d、复合强化区的材料筛选；将步骤c中复合强化区的预选材料的临界点Ac1与H13钢的临界点Ac1比较，筛选出3～5种临界点Ac1接近H13钢的临界点Ac1的材料；
e、确定复合强化区的材料；根据步骤d中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为复合强化区的材料。
采用上述步骤进行设计，可以使复合强化区的材料即能够满足锻模的强度要求，又能降低复合强化区的加工难度，材料的临界点Ac1越高，其热疲劳倾向越低，其热导率越大，耐热性能越好，有利于节省锻模的制造成本。
作为优化，所述步骤b中还包括将50℃＞ΔT＞10℃的区域划分为耐磨区；还包括如下步骤；f1，获取耐磨区在最大温度Tmax2时的受到的最大应力σ(Tmax2)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax2)满足σs(Tmax2)>σ(Tmax2)的材料作为耐磨区预选材料；f2，在步骤f1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的复合强化区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为耐磨区的筛选材料；f3，根据步骤f2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为耐磨区的材料。
采用上述步骤，能够使耐磨区满足该区域的强度要求，同时，由于所选材料与复合强化区的材料的热膨胀率相近，锻造时，模具的温度变化不会因为膨胀率不一致造成复合强化区与耐磨区之间产生缝隙，有利于提高模具整体的强度。而且采用上述设计方法设计的模具更容易加工，有利于节省加工成本。另外，由于耐磨区所选用的材料的屈服强度只与耐磨区和复合强化区的寿命一致时所承受的最大应力相匹配，从而避免复合强化区失效时，耐磨区的材料还未失效而报废造成的材料浪费。这样，有利于提高材料的利用率。
作为进一步优化，所述步骤b中还包括将10℃＞ΔT＞5℃的工作区域划分为抗变形区；还包括如下步骤：g1，获取抗变形区在最大温度Tmax3时受到的最大应力σ(Tmax3)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax3)满足σs(Tmax3)>σ(Tmax3)+σn的材料作为抗变形区的预选材料；g2，在步骤g1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的耐磨区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为抗变形区的筛选材料；g3，根据步骤g2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为抗变形区的材料。
采用上述步骤，能够使抗变形区满足该区域的强度要求，同时，采用这种选材的方法可以避免抗变形区与耐磨区之间产生缝隙，提高二者之间的强度。而且能够降低加工难度，减少加工成本。有利于提高材料的利用率。
作为进一步优化，所述步骤b中还包括将ΔT＜5℃的锻模区域划分为基体区域；还包括如下步骤：h1，获取基体区域在最大温度Tmax4时受到的最大应力σ(Tmax4)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax4)满足σs(Tmax4)>σ(Tmax4)+σn的材料作为基体区域的预选材料；h2，在步骤h1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的抗变形区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为基体区域的筛选材料；h3，根据步骤h2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为基体区域的材料。
采用上述步骤，能够使基体区域满足该区域的强度要求，同时，采用这种选材的方法可以避免抗变形区与基体区域之间产生缝隙，提高二者之间的强度。而且能够降低加工难度，减少加工成本。有利于提高材料的利用率。
作为进一步优化，所述步骤b中还包括将所述耐磨区中最大拉应力σmax>σb的区域划分为防断裂区，其中σb为耐磨区所选定材料的高温抗拉强度；还包括如下步骤：f4，从步骤f1中的耐磨区预选材料中选取高温抗拉强度大于耐磨区中最大拉应力σmax的材料，然后根据选取的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为防断裂区的材料。
实际锻造时，由于锻件存在尖角等应力集中区，锻模在这些区域所承受的拉应力较大，耐磨区所选材料的高温抗拉强度可能小于该处的最大拉应力，为保证模具的强度，需要选用高温抗拉强度大于该处的最大拉应力的材料，同时该材料的屈服强度也需要保证耐磨区要求。因此，采用上述步骤能够简化设计过程。同时有利于提高材料的利用率。
综上所述，本发明的大型锻模的制造方法如下优点：
1、采用上述设计步骤，把锻模视为不同区域构成的组合体，针对不同区域的温度特点以及强度要求选择适配的材料。可以实现使锻模的各个区域的寿命接近。这样，能够降低大型锻模的制造成本，提高模具材料的利用率。
2、采用上述设计步骤可以达到根据大型锻模的使用要求量体裁衣，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，模具材料的选择不在仅仅局限在均质热作模具钢中，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。
3、本发明使低成本材料在大型锻模设计制造过程中得以利用，并实现资源的节约，符合国家和社会的可持续发展的要求；采用较廉价的材料作为模具基体材料，与原来均质材料新制模具相比，节省成本，基体材料利用率高，新制模具开发周期缩短，节省了时间成本。
附图说明
图1是模具型腔横向预定强度示意图。
图2为模具基体纵向预定强度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：如图1和图2所示，一种大型锻模的制造方法，在锻模制造前采用如下步骤设计锻模：
a、建模；采集大型锻模的数据建立大型锻模的3D有限元模型和2D有限元模型，并在3D有限元模型和2D有限元模型中进行模拟锻造，将模拟锻造后得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸进行对比，若二者的相关尺寸不匹配，则通过调整3D有限元模型和2D有限元模型中的锻模与坯料之间的接触面传热系数、摩擦边界条件以及二者的相对位置，并重新进行模拟锻造，直到模拟锻造得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸相匹配；针对大型锻模生产过程进行数值模拟，获得温度场和应力场分布特征；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，将大型锻模进行定量的区域划分。
b、划定锻模的复合强化区；从模具型腔表面沿模具厚度方向选取若干参考点，记录各参考点在模拟锻造前的初始温度Tmin，以及模拟锻造后的最终温度Tmax；然后计算各参考点的温度变化量ΔT＝Tmax-Tmin；将ΔT＞50℃的锻模区域划分为复合强化区；
c、复合强化区的材料预选；分析步骤b中位于复合强化区的参考点的应力叠积累加趋势，得到锻造后复合强化区的最大温度Tmax1时受到的最大应力σ(Tmax1)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax1)满足σ(Tmax1)≤σs(Tmax1)-σn的材料作为复合强化区的预选材料，其中σn为锻打第n件锻件时模具上的累积应力；
d、复合强化区的材料筛选；将步骤c中复合强化区的预选材料的临界点Ac1与H13钢的临界点Ac1比较，筛选出3～5种临界点Ac1接近H13钢的临界点Ac1的材料；
e、确定复合强化区的材料；根据步骤d中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为复合强化区的材料。
采用上述步骤进行设计，可以使复合强化区的材料即能够满足锻模的强度要求，又能降低复合强化区的加工难度，材料的临界点Ac1越高，其热疲劳倾向越低，其热导率越大，耐热性能越好，有利于节省锻模的制造成本。
具体实施时，所述步骤a中采用3D有限元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有限元模型选取3D有限元模型中应力最集中的部位进行多次循环锻打的模拟，观察其温度、应力的叠加作用；
其中，所述步骤b中还包括将50℃＞ΔT＞10℃的区域划分为耐磨区；还包括如下步骤；f1，获取耐磨区在最大温度Tmax2时的受到的最大应力σ(Tmax2)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax2)满足σs(Tmax2)>σ(Tmax2)的材料作为耐磨区预选材料；f2，在步骤f1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的复合强化区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为耐磨区的筛选材料；f3，根据步骤f2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为耐磨区的材料。
采用上述步骤，能够使耐磨区满足该区域的强度要求，同时，由于所选材料与复合强化区的材料的热膨胀率相近，锻造时，模具的温度变化不会因为膨胀率不一致造成复合强化区与耐磨区之间产生缝隙，有利于提高模具整体的强度。而且采用上述设计方法设计的模具更容易加工，有利于节省加工成本。另外，由于耐磨区所选用的材料的屈服强度只与耐磨区和复合强化区的寿命一致时所承受的最大应力相匹配，从而避免复合强化区失效时，耐磨区的材料还未失效而报废造成的材料浪费。这样，有利于提高材料的利用率。
具体确定耐磨区的范围时，首先需要确定模具的最大允许磨损量x，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，因此，耐磨区的深度应满足D≥x。
其中，所述步骤b中还包括将10℃＞ΔT＞5℃的工作区域划分为抗变形区；还包括如下步骤：g1，获取抗变形区在最大温度Tmax3时受到的最大应力σ(Tmax3)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax3)满足σs(Tmax3)>σ(Tmax3)+σn的材料作为抗变形区的预选材料；g2，在步骤g1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的耐磨区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为抗变形区的筛选材料；g3，根据步骤g2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为抗变形区的材料。
采用上述步骤，能够使抗变形区满足该区域的强度要求，同时，采用这种选材的方法可以避免抗变形区与耐磨区之间产生缝隙，提高二者之间的强度。而且能够降低加工难度，减少加工成本。有利于提高材料的利用率。
其中，所述步骤b中还包括将ΔT＜5℃的锻模区域划分为基体区域；还包括如下步骤：h1，获取基体区域在最大温度Tmax4时受到的最大应力σ(Tmax4)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax4)满足σs(Tmax4)>σ(Tmax4)+σn的材料作为基体区域的预选材料；h2，在步骤h1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的抗变形区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为基体区域的筛选材料；h3，根据步骤h2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为基体区域的材料。
采用上述步骤，能够使基体区域满足该区域的强度要求，同时，采用这种选材的方法可以避免抗变形区与基体区域之间产生缝隙，提高二者之间的强度。而且能够降低加工难度，减少加工成本。有利于提高材料的利用率。
其中，所述步骤b中还包括将所述耐磨区中最大拉应力σmax>σb的区域划分为防断裂区，其中σb为耐磨区所选定材料的高温抗拉强度；还包括如下步骤：f4，从步骤f1中的耐磨区预选材料中选取高温抗拉强度大于耐磨区中最大拉应力σmax的材料，然后根据选取的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为防断裂区的材料。
实际锻造时，由于锻件存在尖角等应力集中区，锻模在这些区域所承受的拉应力较大，耐磨区所选材料的高温抗拉强度可能小于该处的最大拉应力，为保证模具的强度，需要选用高温抗拉强度大于该处的最大拉应力的材料，同时该材料的屈服强度也需要保证耐磨区要求。因此，采用上述步骤能够简化设计过程。同时有利于提高材料的利用率。
具体实施时，将上述选定的材料进行锻模各个区域的随型堆焊，制造符合要求的锻模，并对生产试制后失效的锻模进行分析评估,提出改进的措施。
传统锻造行业目前主要以5CrNiMo、5CrMnMo、H13等作为模具钢，这些钢种具有一定的淬透性、高温强度和冲击韧性，但在高温高压状态下寿命很低且普遍价格较高，很难应用于难变形材料模锻用大型锻模。实际生产中，由于生产批次和数量的限制，模具大部分区域的寿命并不是越长越好，过剩寿命反而会加大模具的设计制造成本，本发明的这种选择模具材料的方法，可以把模具寿命控制在预定时间内，做到“物尽其用，用得其所”。提高模具材料利用率，从而大幅降低模具成本。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。
综上所述，本发明的大型锻模的制造方法如下优点：
1、采用上述设计步骤，把锻模视为不同区域构成的组合体，针对不同区域的温度特点以及强度要求选择适配的材料。可以实现使锻模的各个区域的寿命接近。这样，能够降低大型锻模的制造成本，提高模具材料的利用率。
2、采用上述设计步骤可以达到根据大型锻模的使用要求量体裁衣，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，模具材料的选择不在仅仅局限在均质热作模具钢中，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。
3、本发明使低成本材料在大型锻模设计制造过程中得以利用，并实现资源的节约，符合国家和社会的可持续发展的要求；采用较廉价的材料作为模具基体材料，与原来均质材料新制模具相比，节省成本，基体材料利用率高，新制模具开发周期缩短，节省了时间成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种大型锻模的制造方法，其特征在于，在锻模制造前采用如下步骤设计锻模：
a、建模；采集大型锻模的数据建立大型锻模的3D有限元模型和2D有限元模型，并在3D有限元模型和2D有限元模型中进行模拟锻造，将模拟锻造后得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸进行对比，若二者的相关尺寸不匹配，则通过调整3D有限元模型和2D有限元模型中的锻模与坯料之间的接触面传热系数、摩擦边界条件以及二者的相对位置，并重新进行模拟锻造，直到模拟锻造得到的锻件的尺寸与实际锻件的测量尺寸相匹配；
b、划定锻模的复合强化区；从模具型腔表面沿模具厚度方向选取若干参考点，记录各参考点在模拟锻造前的初始温度Tmin，以及模拟锻造后的最终温度Tmax；然后计算各参考点的温度变化量ΔT＝Tmax-Tmin；将ΔT＞50℃的锻模区域划分为复合强化区；
c、复合强化区的材料预选；分析步骤b中位于复合强化区的参考点的应力叠积累加趋势，得到锻造后复合强化区的最大温度Tmax1时受到的最大应力σ(Tmax1)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax1)满足σ(Tmax1)≤σs(Tmax1)-σn的材料作为复合强化区的预选材料，其中σn为锻打第n件锻件时模具上的累积应力；
d、复合强化区的材料筛选；将步骤c中复合强化区的预选材料的临界点Ac1与H13钢的临界点Ac1比较，筛选出3～5种临界点Ac1接近H13钢的临界点Ac1的材料；
e、确定复合强化区的材料；根据步骤d中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为复合强化区的材料。
2.如权利要求1所述的大型锻模的制造方法，其特征在于，所述步骤b中还包括将50℃＞ΔT＞10℃的区域划分为耐磨区；还包括如下步骤；f1，获取耐磨区在最大温度Tmax2时受到的最大应力σ(Tmax2)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax2)满足σs(Tmax2)>σ(Tmax2)的材料作为耐磨区预选材料；f2，在步骤f1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的复合强化区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为耐磨区的筛选材料；f3，根据步骤f2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为耐磨区的材料。
3.如权利要求2所述的大型锻模的制造方法，其特征在于，所述步骤b中还包括将10℃＞ΔT＞5℃的工作区域划分为抗变形区；还包括如下步骤：g1，获取抗变形区在最大温度Tmax3时受到的最大应力σ(Tmax3)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax3)满足σs(Tmax3)>σ(Tmax3)+σn的材料作为抗变形区的预选材料；g2，在步骤g1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的耐磨区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为抗变形区的筛选材料；g3，根据步骤g2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为抗变形区的材料。
4.如权利要求3所述的大型锻模的制造方法，其特征在于，所述步骤b中还包括将ΔT＜5℃的锻模区域划分为基体区域；还包括如下步骤：h1，获取基体区域在最大温度Tmax4时受到的最大应力σ(Tmax4)；选取在该温度时的屈服强度σs(Tmax4)满足σs(Tmax4)>σ(Tmax4)+σn的材料作为基体区域的预选材料；h2，在步骤h1获取的材料中选取3～5种热膨胀系数与选定的抗变形区的材料的热膨胀系数最接近的材料作为基体区域的筛选材料；h3，根据步骤h2中筛选出来的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为基体区域的材料。
5.如权利要求2所述的大型锻模的制造方法，其特征在于，所述步骤b中还包括将所述耐磨区中最大拉应力σmax>σb的区域划分为防断裂区，其中σb为耐磨区所选定材料的高温抗拉强度；还包括如下步骤：f4，从步骤f1中的耐磨区预选材料中选取高温抗拉强度大于耐磨区中最大拉应力σmax的材料，然后根据选取的材料的加工难易程度选取加工相对较容易的材料作为防断裂区的材料。
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