第1章绪论
1.1引言
锻造加工在金属学再结晶温度界限上将锻造生产分为热锻、冷锻、温锻和等温锻。在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺称为热锻;在室温下进行的锻造工艺称为冷锻;在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻;在锻造全过程中，温度保持恒定不变的锻造方法称为等温锻造。其中热锻因金属坯料具有较高的温度，从而改善了金属锻件的塑性，有利于提高锻件的内部组织性能和力学性能。热锻还可以减小金属锻件的变形抗力，有效降低设备吨位。因为热锻是在高温下进行的锻压，所以热锻模具在金属锻件的塑性成形过程中起着十分重要的作用。热模锻工艺为:首先将金属锻件加热到始锻温度，取出后放到装配好的模具上，再用锻压设备进行锻造，最后取出锻件切除飞边得到终锻件。
1.2热锻模寿命的研究现状
1.2.1热锻模的失效
热锻模具在连续锻压工作循环中既要承受模具型腔表面及近表层产生的热负荷又要承受锻压设备带来的机械负荷，两种负荷共同作用在热锻模具上，最终将导致模具表面因磨损、断裂、塑性变形、机械疲劳这四种主要失效形式而报废。因此，热负荷和机械载荷被视为影响锻模寿命的最根本因素。资料显示，在这四种失效形式中，磨损失效所占比例最大。热锻模具大约70%的失效都是由磨损导致的;其次为裂纹失效，约占总失效形式的20%;由塑性变形和疲劳导致的失效约占10%。在锻压生产过程中，由于模具的报废，热锻模具使用一段时间后就必须更换，模具的失效增大了经济成本，模具更换所消耗的装配时间降低了生产效率。因此，要想获得最大的利润，必须降低锻件成本中的模具费用。降低模具费用有两条途径:一方面是提高锻压过程中模具的使用寿命;另一方面是降低模具生产时的制造成本。
1.2.2热锻模寿命的研究进展
热锻模在工作过程中受到周期性热负荷及机械负荷的作用，导致其使用寿命普遍不高。若要行之有效提高锻模使用寿命，首先必须了解锻模在工作过程所受各种负荷的机理，只有这样才能有效防止锻模工作中不合理负荷对锻模造成的不良影响;其次就是通过修复失效模具或研发新型模具改变模具的结构和性能，以提高热锻模使用寿命。近年来，热锻模使用寿命问题受到锻压界人士的高度重视。在我国的锻压生产中，模具使用寿命平均只有3000一5000件，同国外发达国家相比还存在较大的差距。主要问题有:我国热锻模具生产成本高、制造技术落后;模具钢消耗量大、使用寿命低。金属锻压成形数值模拟专业软件的出现，如Deform、MSC.Marc/AutOForge•Q-Form、FoRoEZn/3D、Mse.superFo笔e等，给锻压界带来了变革。材料成形数值模拟软件的工程意义主要体现在辅助技术人员完成下述三个方面的工作:a.制定和优化材料成形方案与模具设计方案;b.解决模具调试或产品试成形过程中的技术问题;。.解决成形制品批量生产中的质量控制问题。把数值模拟技术同生产实践相结合，为改善热锻模使用寿命提供理论依据和方案，为锻压生产创造更大的价值。在金属锻压成形数值模拟方面，国内外的许多专家、学者做了大量的研究工作。
在国外，Kobayashi[9]对闭式模锻采用刚塑性有限元法进行了数值模拟，模拟结果与实验结果相吻合。Y00n和Yang应用有限元分析了三维齿轮的锻造过程。J.H.Kang等人改进了传统的Archard模型，在有限元模拟中导入新公式，预测仅考虑磨损时模具的使用寿命。D.H.Kim等人从磨损和塑性变形两方面着手预测热锻模的使用寿命，并考虑热锻过程中温度对模具材料的影响。从磨损方面，同样修正Archard磨损模型，将模具材料硬度与温度之间的关系考虑到计算公式中。从塑性变形方面，通过温度场与应力场推断模具所受负荷来预测模具使用寿命。shinichiroFujikawa采用“热力藕合法”应用Deform软件，模拟了挤压模型的模具温度场、应力场、应变场的分布。Painte:等人对热挤压过程中模具的磨损量进行模拟，最终完成了挤压模具型腔的优化。Lee和Jou选用有限元分析软件分析了模具的磨损，通过磨损试验与有限元模拟作对比发现，其磨损系数是与温度相关的函数，并得出结论:锻压过程中模具温度越高，磨损系数越大。E.summervilie和K.venLkatesan等人对失效热锻模的内部组织进行分析，得到模具报废的主要原因为模具型腔近表层所受磨损和疲劳。
第2章热锻过程币模具失效的因素分析
2.1影响模具失效的因素
同一模具的不同位置经常会出现许多种失效模式。因此，分辨各种失效模式的相关因素对修改和控制生产工艺、提高生产效率至关重要。它可以在工艺中利用分析软件或内部干涉程序等控制工具进行分辨。工Shikawa示意图是一种完全质量管理图解(TQM)工具，可以帮助鉴定、区分和显示所有可能与生产问题和质量性能有关的原因或因素。根据它的外形，这种示意图又被称为鱼骨图。一系列的工Shikawa图被用于鉴定在温热锻模环境中常出现的模具失效模式以及影响模具磨损的因素。
2.1.1建立1sh1kawa图
图2.1是在热锻过程中用来评价零件和模具失效过程的工Shikawa图，下面简要介绍建立工Shika\va图的流程:第一步:确定要分析的影响因素这个过程的目的就是找出零件在锻造过程中发生的问题，比如: 1)零件是否超过公差范围，2)连续工作一段时间后，零件精度是否达到要求，3)零件外观是否粗糙。出现上述问题的零件因不能满足使用要求，所以要被舍弃。因此，判断一个锻造过程中模具是否失效的标准也可以看其生产零件是否符合质量要求。第二步:确定主要的失效原因工Shikawa图主要标注导致模具失效的原因，以下列出了导致模具失效的主要原因(排名不分先后):模具磨损、热疲劳、塑性变形、模具断裂、缺陷。第三步:确定影响模具失效的每一个分支因素主要因素作为根，影响主要因素的相关条件作为根上分支被一一列出，这些分支有可能再产生分支。这样做的好处是使工程师能够集中于每个分支的具体领域，在每个分支的因素确定中问“为什么/什么”式的问题，不同类别的问题从不同的细节考虑。
第3章 热锻模表层温度场................... 35-48
3.1 引言................... 35
3.2 热锻模具的温度场.............. 35-41
3.3 热锻模具的应力场................... 41-45
3.4 有限元理论................... 45-47
3.4.1 刚塑性有限元理论 ...................45-46
3.4.2 弹塑性有限元理论 ...................46-47
3.5 本章小结................... 47-48
第4章 锻压过程中模具所受热力载荷分析................... 48-68
4.1 引言................... 48
4.2 模型的建立 ...................48-52
4.3 下模的温度场分析................... 52-57
4.4 下模的应力场分析 ...................57-66
4.5 本章小结................... 66-68
第5章 锻压设备对热锻模具热力载荷................... 68-90
5.1 引言................... 68
5.2 锻锤对模具热力载荷的影响分析................... 68-76
5.3 压力机对模具热力载荷的影响分析................... 76-83
5.4 液压机对模具热力载荷的影响分析................... 83-89
5.5 本章小结................... 89-90
结论
本文以汽车前轮轮毅终锻模为模型，以有限元分析软件DEFORM-ZD为工具，对热锻成形过程中模具型腔表面及近表层所受负荷进行了研究，得出以下结论:
1)、下模采用弹塑性材料本构关系进行有限元模拟，模具工况更接近实际生产的锻造情况。
2)、通过分析不同锻压速度下，模具在锻靠结束后温度场、热应力场、机械应力场、综合应力场的分布情况及变化规律。得出:a.不同的锻压速度会对模具的温度场产生影响;一般锻造过程中热影响区域仅在模具型腔表层以下2-3毫米的范围。b.模具热应力场随锻压速度的降低，模具型腔表面热应力值升高，型腔近表层热应力影响区域增大。c.模具机械应力场随锻压速度的降低，模具型腔表面机械应力值降低;整体机械应力场呈梯度分布。d.模具综合应力是热应力与机械应力按照各自应力的方向进行叠加的结果。
3)、按载荷加载方式的不同选取三大类锻压设备，三类设备一次锻靠结束后对模具所受负荷的影响表现为:锻锤以冲击载荷的方式施加在模具上，模具与锻件接触时间短，模具所受负荷大小主要由机械负荷决定;液压机以静载荷的方式施加在模具上，工件变形时间长，模具所受负荷大小主要由热负荷决定:机械压力机的载荷加载方式介于锻锤和液压机之间，但从模具所受负荷来看，也是机械负荷占主要地位。
4)、基于FGM结构金属热锻模的设计思路，构建多层金属热锻模有限元模型。温度场表明，与均质热锻模相比，多层金属热锻模能够降低锻压生产过程中模具表面的温度峰值，可以增加锻模型腔近表层的热渗透距离;应力场表明，与均质热锻模相比，多层金属热锻模可以有效降低锻压生产中模具的等效应力，从而提高锻模使用寿命。层间应力场分析表明，多层金属热锻模的复合层设计至关重要，否则，将会导致多层金属热锻模过早失效。
5)、最后对均质热锻模和多层金属热锻模进行了有限元磨损分析及模具磨损寿命的预测，结果表明多层金属热锻模的寿命可提高五倍。同时为多层金属热锻模的寿命评估提供了新的手段。
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