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第一作者简介：曾珍珍（1999-），女，湖南邵阳人，大学本科。研究领域：机械与电气工程。 摘要：45#钢被广泛应用于生产制造。采用DEFORM-HT软件对45#钢在模具生产中热处理工艺过程进行详细地模拟分析。获得了模拟热处理过程中的硬度变化、温度云图、组织相变场的分布，对优化模具生产制造、改善模具使用性能有着指导性的作用。 关键词：DEFORM-HT；热处理；45#钢；模具；计算机模拟 0 引言 模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理影响[1]。本文将DEFORM-HT有限元模拟软件与塑料模具钢的热处理生产过程相结合，模拟并分析建立常用的塑料模具钢45#钢在热处理过程中其温度分布均匀度、硬度变化以及结构相变等数学模型，从而可靠地对采用45#钢的模具使用情况进行分析。 1 模具模型的参数设定及建模 1.1 几何模型的选取介绍 目前国内市场对中高档模具的需求量很大，其中家电、塑料等行业对模具需求最大。因此针对某工厂生产用于家电制造的模具，对其导柱部分进行建模，材料为45#钢材。选取模具生产中常用的带肩型油槽导柱，如图1、图2所示。 1.2 模具导柱生产的热处理工艺流程 45#钢为优质碳素结构用钢，被普遍用于塑料模具的生产制造，因此也叫塑料模具钢。45#钢其冷塑性能一般，但在进行退火、正火后其性能要较调质处理时好，具有较高的强度以及较好的切削加工性[2]。未经热处理时，其布氏硬度值不超过229；但采用不同的热处理时其性能也有差异：45#钢淬火后回火前其洛氏硬度要大于55， 且 最 高 可 达 洛 氏 硬 度62，但实际上应用的最高硬度常为HRC55，若为高频淬火则最高硬度为HRC58。热处理后进行淬火其洛氏硬度值可以达到42~46，这样不仅能够确保其优异的机械性能，又能达到表面硬度要求。 本文中通过有限元软件DEFORM_HT软件对模具导柱的生产过程进行模拟，初步热处理工艺流程[3]是：预热→淬火→空冷→回火→正火。其中，进行淬火处理时间 t= （2~2.5） α×d，α为保温系数，d为零件有效厚度。热处理工艺参数如表1所示。 在进行渗碳处理时，一般多采用气体渗碳，相较于其他渗透方式，气体渗透的渗透能力强、花费时间短、且渗透效果更好。在进行冷却时，为了确保冷却步骤与45#钢材良好的淬透性能够有效契合，因此我国大多数模具生产企业常选择机空冷却这种速度较快的方式进行冷却。能够进一步缩短模具成型的工艺周期。 2 DEFORM-HT仿真模拟前设置及参数设定 （1）利用软件对材料结构进行模拟分析前，要新建工程：Heat-Treatment格式的热处理，并将列表中的相关参数进行勾选，确保整个模拟系统是以DEFORM-HT进行运行。 （2） 选择 3D 绘图软件 Solidworks 2016 版，对模具导柱对象进行3D建模，并将其另存为STL格式，以便于DE⁃FORM-HT能够3D模型进行切片。将STL格式按照步骤导入到分析系统中，生成有限元分析网格。只有实现了网格生成，才能够确保进行下一步的有限元分析[4]。 （3）对模拟的零件的各项参数进行设定。有限元分析是指，将零件毛胚整体划分成多个极微小的块状网格，类似于数学中积分的方法。此次模拟中，将整个零件毛坯划分成非均匀网格数量30 000；结构化的表面网格中将层数设定为1；在进行厚度中整体尺寸比例的设定时，将每层层厚设定为0.005。 （4）在完成有限元参数的设定后，需要对材料参数进行设定。DEFORM软件的数据库中包含各种材料不同规格的各项参数，根据实验要求选择45#钢，并查找其相应的弹性参数、塑性参数等，将这些信息与其他信息进行对比后保存。通过分析45#钢材的特性，帮助工作人员进行直观的选择。 （5） 在完成零件所有参数的调节和设定后，借助DE⁃FORM-HT软件对其进行模拟运算以及后处理，对仿真结果进行分析。 3 仿真分析及结论 对模具导柱分析要考虑多个因素，在这里为了简化仿真结果，导柱的生产制造过程中不考虑对导柱进行研磨等工序的影响，仅对模具导柱在进行热处理过程中发生的变化进行分析，并将其衍射至模型上。为了方便仿真结果的 观 察 ， 在 分 析 过 程中，统一采取导柱中间面 作 为 实 验 数 据 的 结果。导柱中界面设置如图3所示。 3.1 温度均匀度分析 通过对导柱零件上不同追踪点处不同时间下温度的变化进行追踪分析，导柱零件在进行热处理时，零件的温度由外部逐渐向中心辐射，由于导柱零件较小，因此其温度曲线变化不明显。不同时刻温度场变化云图如图4所示。 3.2 硬度定点跟踪分析 硬度是选取模具钢材料的重要技术指标，模具在高应力的作用下要保持形状、尺寸不受影响，就要具有足够的硬度。通过DEFORM软件的应用，能够对进行热处理的材料的硬度变化值进行预测，从而方便工作人员对操作时间进行控制。 通过仿真可以看到，在导柱热处理的过程中，其硬度受温度影响，随着仿真步数逐渐增加，追踪点硬度变化云图如图5所示。 3.3 相的体积分数分析 相的体积分数分析即金相分析，可以进一步分析材料的组织结构的构成。模具导柱的主要材料是45#钢材，这种钢材的原始相包括铁素体以及少量的珠光体，当前常见的45#钢材，其中铁素体含量超过80%。因此，在对零件进行加热操作时，当温度升至930 ℃之后，钢材中少量的珠光体会向奥氏体开始转变，当温度达到900 ℃时，钢材中所有的铁素体都会转化为奥氏体[5-6]。在操作温度达到920~940 ℃时，对其表面进行渗碳处理，使得奥氏体区的碳浓度逐渐升高。而要实现奥氏体向珠光体、马氏体等的转变，首先要保证温度降至 600~650 ℃，当温度降至550 ℃时，基本上能够实现全部向奥氏体组织的转变[7-8]。总结来说，在整个零件冷却过程中，45#钢材金相组织的铁素体组织会持续受到表层高碳奥氏体区的压应力，因此零件出现变形的概率显著提升。材料组织场体积分数分布如图6所示。 4 结论 综上所述，利用45#钢材作为模具材料进行模具的制造，能够生产出硬度较强、渗碳能力好的导柱等零件。模具导柱在加工过程中的工艺性决定了模具的质量是好是坏的关键，也是整个模具制造过程中的重点。因此尤其是对于塑性结构相对较复杂，且厚度等分布不均，制造的过程极为困难的模具，更是需要质量极好的导柱。 本文通过应用DEFORM-HT有限元分析软件，结合了三维建模软件来实现对45#钢材作为材料基础的模具导柱热处理过程做了分析，帮助工作人员对整个操作过程中可能出现的问题提前进行准备，从而帮助工作人员进行工艺控制的改良。通过对模拟的分析结果可知： （1） 对45#钢进行合理的热处理加工能够提高零件的各项使用性能，满足不同生产情况下的使用要求。 （2）通过金属硬度断面图可以清楚地看到，零件外表面硬度最高，由外向里硬度逐渐降低，对于我国绝大多数的模具生产企业，45#钢材用于模具的生产中能够极大的降低生产成本，满足使用性能。 因此，合理使用45#塑性模具钢，不仅能满足对热锻模具的要求、性能，作为优质模具钢的替代，节省国家资源，降低模具制造成本，从而降低生产产品成本。能够节约机加工工时，缩短生产周期，提高劳动生产率。  文章来源：机电工程技术报 整 理：热家网 免责声明：“热家网”所推送的文章，本着传播知识、有益学习和研究的目的进行摘录，仅供读者参考交流。文中的文字、图片等信息，如涉及版权和其它问题，请与我们联系，我们将在第一时间确认并支付相应的稿酬。如果大家对文章的内容有疑问，可以在底部留言。 |
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