英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
模具强度和工件强度对热锻模磨损的影响
B.S. Levy 和 C.J. Van Tyne
（2014年7月8日提交；修订于2014年10月9日；2014年11月19日在线发布。）
摘 要：使用从archard模型中提取的强度比对磨损的影响来描述热锻模中预期的磨损率。 在目前的研究中，强度比是热锻模模具强度对工件强度的比值。对三种热锻模具钢FX，2714和WF进行了评估。为了确定锻模的强度，开发了一个连续函数，用来描述三种模具钢温度从600到700℃和持续20个小时的屈服强度（即回火时间高达20小时）。 假定工件材料为AISI 1045。根据分析，WF的耐磨性应该更好，FX应该略好于2714。锻造温度的降低会增加强度比，因为模具表面强度的增加会快于AISI 1045流动强度的增强。强度比的增加表明预期磨损率的降低。
关键词：archard模型；锻模模具钢；强度比；磨损
1 引言
锻造模具可能需要高达热锻件生产成本的30%（参考文献1）。 由于腔体尺寸的变化，热锻模通常需要重新加工或更换，因此了解控制模具寿命的变量对于降低生产成本非常重要。 磨损是热锻模凹模几何形状变化的主要原因之一。 先前关于热锻模具磨损的研究（参考文献2-8）着重于力学分析，包括有限元分析（FEA），以及在某些情况下的实验测量磨损以验证预测。 相比之下，目前的研究主要集中在热锻条件下的冶金变量，即控制工作材料的强度和热锻模的表面强度。
-
- Archard方法
Archard（参考文献9）方法为热锻模的大多数磨损研究提供了基础。 原始的Archard分析基于在无限坚固的板上移动的球来量化磨损。 Archard考虑了两种磨损过程：一是原子层去除材料原子层，二是去除颗粒，其中颗粒的深度与球半径有关。 原始的Archard方法适用于粘合剂和磨料磨损。 粘着磨损可以描述为连续去除原子层，原子层粘附在工件材料上或至少暂时保留在模腔中。 磨粒磨损可以描述为粒子去除，其中粒子至少在磨损腔中。
Archard方程有多种形式，在所有情况下，磨损率增加与正常压力和滑动速度成正比，与模具或刀具硬度成反比。 由于并非所有金属与金属的接触都会导致磨损，因此Archard等式使用概率因子来说明磨损。
Archard模型的磨损率与接触表面和表面形貌的表面积无关。 对于许多变形过程，接触表面和表面形貌的真实面积可能很重要，但这些变量在热锻造过程中的影响有待确定。 Archard还指出（1）变形速率对工件材料强度的重要性;（2）表面特性对接触表面微焊接可能性的影响。
在热锻件上应用Archard方法比简单地应用Archard方法在一个无限厚的板上移动一个球要困难得多。尽管如此，Archard方法为分析热锻过程中的模具磨损提供了一个起点。
Shivpouri和Babu (参考文献2)修改了在热锻件中分析磨损的Archard方法。他们的方程是
， （公式1）
其中k为常数，pi为正压，vi为滑动速度，Hi为某一特定位置的硬度，t为时间。磨损是由从0到t的积分决定的，Shivpouri和Babu也表示随着时间的变化，模具硬度变化的重要性。
dahl等人（参考文献3）修改了Archard方法，为p，v和H添加了实验衍生的指数，这些指数对磨料和粘合剂磨损是不同的。dahl等人还区分磨料磨损和粘合剂磨损，磨料磨损使用模具硬度，粘合剂磨损使用工件材料硬度。在他们的研究中，模具和工件的强度都用于磨损分析。方程式是
（公式2）
其中m，n和a是实验确定的参数。Zhao等人(参考文献4)也使用了dahl型的磨损公式。
Behrens（参考文献5），Choi等人（参考文献6）和Kang等人 （参考文献7,8）已经使用了Archard方法的其他变体。Behrens的具体方法是
（公式3）
其中k为Archards概率因子，为正压，为相对速度，为热机械耦合有限元模拟中每增量的时间，H是模具硬度，它是时间和温度的函数。K需要定量分析，并且在Behrens的前提下，a必须通过实验来确定。
Behrens确定了k和a的光学测量方法，并对几种工业锻模进行了统计分析，其中k和a的值是迭代确定的。Kang等人在磁盘测试中使用了一个引脚来确定k。Choi等人使用FEA和测量热锻模的表面轮廓来确定k。
公式1-3包括模具的硬度，也必须考虑到模具的硬度作为时间和温度的函数。H随时间和温度的变化经常被描述为回火参数(TP)。TP也被称为Holloman-Jaffe (参考文献10)参数或Larson-Miller (参考文献11)参数。Behrens (参考文献5)，Choi等人(参考文献6)，Kang等人(参考文献7,8)和Kim等人(参考文献12)使用不同的实验数据来评估TP。Virtanen等人(Ref 13)已经开发了更完整的公式，用于测定当前研究中使用的热锻模锻钢的TP。从维Virtanen等人的方程出发，给出了在热锻过程中锻模硬度随时间的变化而变化的依据。
Kim等人（参考文献12）使用有限元分析评估了在200℃，300℃和400℃下锻造的主轴型零件。 他们研究得出的结论是：在阶梯拐角处发现高磨损区域，塑性变形比磨料磨损更重要，增加模具温度降低模具寿命，并且由于阶梯拐角处的接触时间缩短，提高成形速度会减少模具磨损。 他们的研究表明，过程变量可以在模具表面上变化。 台阶拐角磨损增加可能是由于接触压力较高造成的。 对复杂模具中高磨损局部区域的识别表明，利用冲压速度和周期时间的滑动距离和接触时间的推广可能过于简化。还考虑到，不考虑增加的成形速度对工件应变速率硬化的影响。
Stahlberg和Hallstron（参考文献14）使用两种磨损模型研究小齿轮部件的反吹锤锻造。模型1是Archard方法的变体。模型2取得了较好的结果，其中磨损量与单位面积损耗能量成正比。模型2中的关键变量是滑动距离、刀具接触面处的剪应力和接触压力。 他们的研究表明，当刀具压力很低时，摩擦剪切应力只受刀具压力的影响，他们说这是由Wanheim等人的工作验证的。（参考文献15）。
Burte等人（参考文献16）发现：（1）在一定的压力下，热传递系数比压力低于这个极限的时候高一级，（2）干燥和润滑的条件有不同的压力限制。 工件材料与模具之间的热传递是模具磨损的重要因素，因为在热锻造中，工件材料加热模具，这导致模具表面软化。他们还发现，在环形测试中，冷却效果可以忽略不计。模拟结果和验证实验结果表明，在具有相似几何条件和加工条件的热工过程分析中，热传递和摩擦可以解耦。
1.2 粘合剂和磨料磨损
Dahl等人（参考文献3），Behrens（参考文献5），Choi等人（参考文献6），Kang等人（参考文献7,8）和Kim等人（参考文献12）表明在热锻造过程中磨损会导致金属从模具中脱落。Kang等人 （参考文献8）提供了磨料磨损的唯一图示证据。 相反，Summerville等人（参考文献17）评估轮毂模具的磨损，发现塑性流动是磨损的主要原因，并且粘合剂磨损和磨料磨损并不重要。Summerville的结果表明，在模具负荷过重的情况下，塑性流动造成的磨损占主导地位，磨损和粘合剂磨损并不重要。
Heidenblut等人(参考文献18)使用扫描电子显微镜(SEM)，该扫描电子显微镜(SEM)具有足够大的室以容纳锻造冲模，该锻模被用于在1200c的锻造温度下在3.15 MN偏心压机中生产aisi1043斜齿轮，磨损集中在模具的齿上。使用能量分散光谱法的检验显示了粘合残留物的存在，但研究表明，粘合剂残余物是否有助于模具磨损或只是由于磨料磨损产生的残余物是不清楚的。
所引用的文献主要集中在力学和相关FEA方法分析热锻的磨损。鉴于这些论文的重点，低放大率观察或扫描电子显微镜的磨损表面是有限的。此外，被引文献并没有提供足够的信息来确定粘合磨损与磨料磨损的相对重要性。
1.3 工件强度
锻造条件下工件强度的特定数据是有限的。 在对锻造条件下的工件强度的一般参考中，Beyer等人（参考文献19）表明，动态恢复的特点是适度的初始应变硬化和显着的应变速率硬化。与动态再结晶相反，Beyer等人发现强度是由一个迭代过程决定的，其中由于位错密度增加和位错缠结而引起的显着应变硬化，随后由于再结晶而软化。Beyer等人也表明动态再结晶的应变速率硬化比动态回复更大。
AISI 1045工件材料的强度可以在Altan等(参考文献20)的作品中找到。如果忽略了小应变的变形，这些数据与通过应变速率影响的理想塑性应力-应变曲线模拟AISI 1045在热锻造条件下的变形是一致的。
1.4 实验方法
与热锻模具型腔几何形状变化有关的磨损可分为工艺变量和冶金变量，这两者都会影响模腔几何形状的变化。 基于Archard的磨损方法，工艺变量包括模具压力，接触时间以及模具表面上的相对金属速度，以及比例系数k。 关键的冶金变量是模具表面的强度和工件材料的强度。 由于Archard方法适用于粘合剂和磨料磨损，并且由于模具表面的强度和工件材料的强度都得到了评估，所以不区分粘合剂和磨料磨损。
由于当前研究的重点是冶金变量对模具磨损的影响，目前的研究使用恒定的工艺变量，以便更容易评估工件材料和模具表面的强度效应。 工件的强度很重要，因为对于恒定的工艺变量，模具上的正常压力取决于工件的强度。
本研究假设强度比，定义为模具的屈服强度与工件的流动强度之比，描述了冶金变量对磨损的影
响。随着强度比的增加，磨损率降低。本研究中所定义的强度比，是在Archard方法中应力比的倒数。
由于目前研究的目的是评估锻模的高磨损区域，因此常压应该足够高以使摩擦应力恒定，并且可以将其视为过程变量。摩擦的影响将成为一项独立研究的课题。
在热锻模具中，工件温度取决于预热温度，冷却同时工件在锻模上的压痕、模具的润滑剂喷涂、模具表面的冷却、与模具的接触时间以及在每次冲击时产生的变形热。由于工件的温度远高于模具表面的温度，工件的温度假定为比模具表面温度高500℃。
通过上述简化，使用三种热锻模具钢FX，2714和WF，以AISI 1045作为工件材料，评估了强度比对模具磨损的影响。由于磨损不是直接确定的，所以强度比被用作磨损的替代指标，并且是针对一系列工件温度和模具表面温度计算的。
2 实验过程
2.1 材料
本研究中使用的模具钢是FX，2714和WF，它们已在Virtanen等人（参考文献13）、Mencin等人（参考文献21）和Giskaas等人（参考文献22）的先前研究中使用过。先前研究的回火结果已纳入当前调查。表1列出了三种模具钢的标称组成。
初始材料被接收为具有50.8 mmtimes;44.5 mmtimes;12.7 mm尺寸的硬化块。这些块被分段制作25块钢样品块，尺寸为50.8 mmtimes;19.1 mm,times;12.7 mm。通过在实验室炉中对块体进行奥氏体化并在水中淬火来进行初始硬化。表2给出了初始化的硬度值。
钢样品块在不同的时间和温度下回火以产生不同的起始硬度值。试样块的硬度对应于热压缩测试之前的硬度。表3给出了三种钢回火后但在热压缩试验之前的试验硬度值。
2.2 热压缩试验
将每个钢化块加工成尺寸为高15.0mmtimes;12mm直径的三个圆柱形压缩试样。在液压试验框架中进行试验。将样品在附着于试验框架的蛤壳式熔炉中加热。与样品直接接触的压板由氮化硅制成。在测试之前，压缩样品的端部用DeltaForge 1105润滑，其是由Acheson制造的水基合成高温润滑剂。在压缩测试期间，润滑剂的润滑最小化了试样的条形。每种起始硬度值的试验温度为593,621,649,677和704℃。
在将翻盖式炉加热至试验温度之后，在压缩试验之前将样品置于底部压板的中心并保持15分钟。位移速率为0.5 mm / s，样品高度从15降低到7.5 mm。压缩应变速率从0.035到0.065 s^-1。一般来说，测试是一式三份，在5个测试温度下使用5个初始硬度值，结果是每钢75次。
以100hz的方式以数字方式采集数据。将数字荷载-位移数据转换为工程应力-应变曲线。基于工程应力-应变曲线从100 - 350mpa的0.2%偏置线，用于确定压缩屈服强度，该屈服强度是偏离线与工程应力-应变曲线的交点。对于FX、2714和WF的压缩屈服强度的一个标准偏差分别估计为3.1、3.7和4.1 MPa。
3 实验结果
3.1 AISI 1045在锻造温度下的强度
在典型的热锻和1100〜1200℃温度范围内的应变范围内，AISI 1045的强度可以用受应变速率硬化的理想塑性应力—应变曲线来描述。有效应力是
（公式4）
其中，C是强度系数，m是应变率硬化指数，是有效应变速率。C和m值取自Altan等人（参考文献20），用于本研究中锻造工件的AISI 1045钢。表4显示了对于0.2,0.3和0.4的有效应变以及1,10和100s^-1的应变速率，在1100和120
全文共9429字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9911]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
