热作模具钢h13热处理工艺(h14热作模具钢)

摘要结合生产实际，对H13热作模具钢分流桥根部过早开裂现象进行了研究。采用DeForm-3D有限元仿真软件对分流器组合模具的挤压过程进行数值模拟。研究了模具不同工作带长度的影响。模具应力场和金属流动均匀性的影响。研究发现，当工作带长度为6 mm、焊室深度为12 mm时，分流桥根部等效应力最小且应力分布较均匀，流量下模工作带出口处的毛坯变形也比较均匀。研究成果为铝型材热挤压成型H13钢模具的合理设计提供有效的理论参数。关键词数值模拟；分流组合模头；挤压成型；模具参数； H13热作模具钢

0 前言

H13热作模具钢（成分4Cr5MoSiV1）是目前应用最广泛的热作模具钢之一。由于其具有强度高、韧性好、热疲劳性能好等优点，广泛应用于铝合金、镁合金等金属加工制造行业。它在[1-4]中得到广泛应用。

传统挤压工艺穿孔针法采用的模具结构简单，产品无焊缝，可减少粗晶环等缺陷，但需要频繁更换芯棒，管材前端偏心大。目前，分流组合模具[5,6]已逐渐取代穿孔针法。使用分流组合模具可以生产壁厚均匀、尺寸精度高的制品。它还具有设备操作简单、生产周期快、成本低等优点。但分流组合模具会因成型品形状复杂、挤压力过大、热疲劳等原因而导致开裂和失效。模具一旦出现裂纹、裂纹，就会失去使用功能而报废。为了保证产品成型质量和延长模具使用寿命，必须合理设计模具结构[7,8]。

于宝义等.文献[9]对模具的分流比和焊接角度进行了优化模拟，通过校核优化后的模具强度，得到了合理的模具结构参数。岳博文等. [10]分析了不同的裂孔。对模具深度进行模拟，分析平面分体组合模具分流孔深度对铝型材挤压成型的影响，得出最佳分流孔深度值。针对某汽车零部件分流组合模具分流桥早期失效的情况，开展了挤压过程的热耦合数值模拟。通过改进模具工作带长度等参数，为延长模具使用寿命提供了一定的理论依据。

1个分流器组合模具

1.1 分流组合模具工作原理及几何模型

分流组合模具的工作原理如图1所示。在挤压杆的挤压力作用下，坯料按图1中箭头所示方向运动。第一阶段，坯料被分割经分流桥分成四股金属流，然后沿着焊接室流经分流孔进入焊接室；第二阶段，金属在焊接室内缓慢流动并相互接触而焊接；第三阶段，金属焊接后在出料口处的工作带上成型。

图1 分流组合模具工作原理

工作区是模孔的一部分，决定挤压型材的形状、尺寸和表面质量。初始值为4 毫米。焊室深度为分流桥底部到模孔入口的垂直距离，为12毫米。图2为汽车零部件淬火和锯切后的轮廓。图3显示了模具分流桥开裂的根源，导致模具报废。

图2 汽车零部件剖面图

图3 模具分流桥根部裂纹

1.2 仿真条件设置

根据实际生产工艺参数，毛坯初始温度设定为510，直径为178mm；模具、挤压筒和挤压杆均假设为刚性，初始温度分别设置为480、440和20；挤出速度设定为3mm/s；坯料与模具挤压筒之间的摩擦系数设定为0.4；每个步长为1mm，模拟总步数为600；通过计算毛坯截面积和型材截面积，得出挤压比约为40.1。

分流组合模模口附近的坯料变形较大，容易造成网格畸变，因此需要对网格进行局部分割[10]。网格划分采用相对法。网格的基数为40,000，最小边缘尺寸为3.12毫米。当毛坯进入上模时，开始局部啮合，分度比为0.1；当毛坯进入下模时，也开始局部网格化。网格划分，划分比例为0.05；上模采用相对法划分网格，网格基数为40 000，最小边缘尺寸为1.99 mm，部分网格划分为分流桥部分，划分比例为0.1；下模也采用相对的方法来划分网格。网格的基数为40 000，最小边缘尺寸为2.13 mm。局部网格划分为焊接室和工作带，划分比例为0.1。挤压杆与挤压筒为轻度啮合。毛坯和模具材料性能如表1所示[9]。

表1 毛坯和模具材料性能

2 仿真结果与分析

以工作带长度L为研究对象，在不改变其他工艺参数的情况下，分析不同工作带长度下流动金属对模具的应力影响以及流出工作带的金属流动均匀性，减少模具分流桥。零件的等效应力延长了模具的使用寿命。

2.1 工作带长度对模具零件应力的影响

图4为焊室深度为12 mm、不同工作带长度时上模的等效应力分布。从图4可以看出，应力集中在并联桥处。当工作带长度为4、6、8 mm时，模芯附近分流桥处的等效应力分别为778、716、865 MPa。图5为不同工作带长度下分流桥同一点的等效应力值。从图5可以看出，不同质点下，6 mm工作带长度的等效应力值小于4、8 mm工作带长度的等效应力值，且梯度变化较为平缓，表明表明该工作带长度下上模分流桥处的应力分布更加均匀。当应力集中在模具的局部区域，并在循环载荷的反复作用下，首先会在此处产生裂纹。在连续使用过程中，裂纹会扩大，最终导致模具零件断裂。另外，如果工作带过长，也会造成金属流动不均匀。阳极氧化后，成型品表面两侧和中间部分色调会不均匀，壁厚也会有差异；如果工作带太短，则会降低产品的尺寸稳定性。会加深模具零件的磨损，缩短模具的使用寿命[11,12]。因此，在设计模具时，应合理设计工作带的长度。

图4 不同工作带长度下上模的等效应力

(a) 工作带长度为4 毫米(b) 工作带长度为6 毫米(c) 工作带长度为8 毫米

图5 不同工作带长度分流桥处的等效应力

图6为焊室深度为12 mm、不同工作带长度时下模的等效应力分布。从图6可以看出，工作带越长，下模最大等效应力越大。当工作带长度为4、6、8mm时，下模最大等效应力依次增大。如果工作带长度过长，金属流动过程中模芯可能会变形，影响成型件的表面质量。

图6 不同工作带长度下模等效应力

(a) L=4 毫米(b) L=6 毫米(c) L=8 毫米

2.2 模具出口处的流量分布

出口处金属流量不均匀会影响成形件的表面质量，因此必须调整工作带的长度，使从工作带流出的金属更加均匀。为了有效地表达金属流出模孔速度的均匀性，采用金属流出工作带时的流量分布系数来衡量[13-15]。计算公式如下：

(1) 式中：DMVi—— 工作带出口节点数的流量分配系数；图——指定平面上节点i的轴向流速，mm/s；图——指定了平面上所有节点的平均流速，mm/s。

在不同工作带长度的型材上取相同的8个点，利用DeForm-3D软件后处理中的点跟踪功能提取出这8个质点此时的流速。各点流量系数分布及流速分布曲线如图7所示。从图7可以看出不同工作带长度下的流量系数分布。当工作带长度为4、6、8mm时，可通过计算得到其极值。差异分别为0.061 33、0.008 14 和0.023 2。随着工作带长度的增加，工作带出口处的坯料流速变得更加均匀。但达到一定程度后，模具出口处的毛坯流速就会变得不均匀。当工作带长度为6mm时，流动系数波动最小，说明此时工作带长度下的金属流动较为均匀。

图7 流量系数分布及各点流速分布曲线

根据改进后的工艺参数设计模具，工作带长度为6mm进行试生产。改进前，模具生产约8103公斤后就报废。根据改进参数设计的模具生产出11.6103 kg。模具分流桥根部仍无明显裂纹，成型品质量符合要求。

3 结论

从仿真中可以看出，当工作带长度为6 mm时，与工作带长度为4、8 mm时相比，分流桥根部附近的等效应力最小，应力分布也相对均匀。利用点跟踪功能观察流速分布。当工作带长度为6 mm时，流动因子波动最小，表明该工作带长度下金属流动最均匀。采用改进工艺参数设计的工作带长度为6mm的模具进行实际生产。当铝型材挤压量达到11.6103公斤时，模具分流桥根部未出现明显裂纹，超过改进前的8103公斤产量。