第一作者簡(jiǎn)介：曾珍珍（1999-），女，湖南邵陽(yáng)人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：機(jī)械與電氣工程。

摘要：45#鋼被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造。采用DEFORM-HT軟件對(duì)45#鋼在模具生產(chǎn)中熱處理工藝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)地模擬分析。獲得了模擬熱處理過(guò)程中的硬度變化、溫度云圖、組織相變場(chǎng)的分布，對(duì)優(yōu)化模具生產(chǎn)制造、改善模具使用性能有著指導(dǎo)性的作用。

關(guān)鍵詞：DEFORM-HT；熱處理；45#鋼；模具；計(jì)算機(jī)模擬

0 引言

模具是機(jī)械制造、無(wú)線電儀表、電機(jī)、電器等工業(yè)部門中制造零件的主要加工工具。模具的質(zhì)量直接影響著壓力加工工藝的質(zhì)量、產(chǎn)品的精度產(chǎn)量和生產(chǎn)成本，而模具的質(zhì)量與使用壽命除了靠合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工精度外，主要受模具材料和熱處理影響[1]。本文將DEFORM-HT有限元模擬軟件與塑料模具鋼的熱處理生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合，模擬并分析建立常用的塑料模具鋼45#鋼在熱處理過(guò)程中其溫度分布均勻度、硬度變化以及結(jié)構(gòu)相變等數(shù)學(xué)模型，從而可靠地對(duì)采用45#鋼的模具使用情況進(jìn)行分析。

1 模具模型的參數(shù)設(shè)定及建模

1.1 幾何模型的選取介紹

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)中高檔模具的需求量很大，其中家電、塑料等行業(yè)對(duì)模具需求最大。因此針對(duì)某工廠生產(chǎn)用于家電制造的模具，對(duì)其導(dǎo)柱部分進(jìn)行建模，材料為45#鋼材。選取模具生產(chǎn)中常用的帶肩型油槽導(dǎo)柱，如圖1、圖2所示。

1.2 模具導(dǎo)柱生產(chǎn)的熱處理工藝流程

45#鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，被普遍用于塑料模具的生產(chǎn)制造，因此也叫塑料模具鋼。45#鋼其冷塑性能一般，但在進(jìn)行退火、正火后其性能要較調(diào)質(zhì)處理時(shí)好，具有較高的強(qiáng)度以及較好的切削加工性[2]。未經(jīng)熱處理時(shí)，其布氏硬度值不超過(guò)229；但采用不同的熱處理時(shí)其性能也有差異：45#鋼淬火后回火前其洛氏硬度要大于55， 且 最 高 可 達(dá) 洛 氏 硬 度62，但實(shí)際上應(yīng)用的最高硬度常為HRC55，若為高頻淬火則最高硬度為HRC58。熱處理后進(jìn)行淬火其洛氏硬度值可以達(dá)到42~46，這樣不僅能夠確保其優(yōu)異的機(jī)械性能，又能達(dá)到表面硬度要求。

本文中通過(guò)有限元軟件DEFORM_HT軟件對(duì)模具導(dǎo)柱的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，初步熱處理工藝流程[3]是：預(yù)熱→淬火→空冷→回火→正火。其中，進(jìn)行淬火處理時(shí)間 t= （2~2.5） α×d，α為保溫系數(shù)，d為零件有效厚度。熱處理工藝參數(shù)如表1所示。

在進(jìn)行滲碳處理時(shí)，一般多采用氣體滲碳，相較于其他滲透方式，氣體滲透的滲透能力強(qiáng)、花費(fèi)時(shí)間短、且滲透效果更好。在進(jìn)行冷卻時(shí)，為了確保冷卻步驟與45#鋼材良好的淬透性能夠有效契合，因此我國(guó)大多數(shù)模具生產(chǎn)企業(yè)常選擇機(jī)空冷卻這種速度較快的方式進(jìn)行冷卻。能夠進(jìn)一步縮短模具成型的工藝周期。

2 DEFORM-HT仿真模擬前設(shè)置及參數(shù)設(shè)定

（1）利用軟件對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析前，要新建工程：Heat-Treatment格式的熱處理，并將列表中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行勾選，確保整個(gè)模擬系統(tǒng)是以DEFORM-HT進(jìn)行運(yùn)行。

（2） 選擇 3D 繪圖軟件 Solidworks 2016 版，對(duì)模具導(dǎo)柱對(duì)象進(jìn)行3D建模，并將其另存為STL格式，以便于DE?FORM-HT能夠3D模型進(jìn)行切片。將STL格式按照步驟導(dǎo)入到分析系統(tǒng)中，生成有限元分析網(wǎng)格。只有實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格生成，才能夠確保進(jìn)行下一步的有限元分析[4]。

（3）對(duì)模擬的零件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。有限元分析是指，將零件毛胚整體劃分成多個(gè)極微小的塊狀網(wǎng)格，類似于數(shù)學(xué)中積分的方法。此次模擬中，將整個(gè)零件毛坯劃分成非均勻網(wǎng)格數(shù)量30 000；結(jié)構(gòu)化的表面網(wǎng)格中將層數(shù)設(shè)定為1；在進(jìn)行厚度中整體尺寸比例的設(shè)定時(shí)，將每層層厚設(shè)定為0.005。

（4）在完成有限元參數(shù)的設(shè)定后，需要對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。DEFORM軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中包含各種材料不同規(guī)格的各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇45#鋼，并查找其相應(yīng)的彈性參數(shù)、塑性參數(shù)等，將這些信息與其他信息進(jìn)行對(duì)比后保存。通過(guò)分析45#鋼材的特性，幫助工作人員進(jìn)行直觀的選擇。

（5） 在完成零件所有參數(shù)的調(diào)節(jié)和設(shè)定后，借助DE?FORM-HT軟件對(duì)其進(jìn)行模擬運(yùn)算以及后處理，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3 仿真分析及結(jié)論

對(duì)模具導(dǎo)柱分析要考慮多個(gè)因素，在這里為了簡(jiǎn)化仿真結(jié)果，導(dǎo)柱的生產(chǎn)制造過(guò)程中不考慮對(duì)導(dǎo)柱進(jìn)行研磨等工序的影響，僅對(duì)模具導(dǎo)柱在進(jìn)行熱處理過(guò)程中發(fā)生的變化進(jìn)行分析，并將其衍射至模型上。為了方便仿真結(jié)果的 觀 察 ， 在 分 析 過(guò) 程中，統(tǒng)一采取導(dǎo)柱中間面 作 為 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 的 結(jié)果。導(dǎo)柱中界面設(shè)置如圖3所示。

3.1 溫度均勻度分析

通過(guò)對(duì)導(dǎo)柱零件上不同追蹤點(diǎn)處不同時(shí)間下溫度的變化進(jìn)行追蹤分析，導(dǎo)柱零件在進(jìn)行熱處理時(shí)，零件的溫度由外部逐漸向中心輻射，由于導(dǎo)柱零件較小，因此其溫度曲線變化不明顯。不同時(shí)刻溫度場(chǎng)變化云圖如圖4所示。

3.2 硬度定點(diǎn)跟蹤分析

硬度是選取模具鋼材料的重要技術(shù)指標(biāo)，模具在高應(yīng)力的作用下要保持形狀、尺寸不受影響，就要具有足夠的硬度。通過(guò)DEFORM軟件的應(yīng)用，能夠?qū)M(jìn)行熱處理的材料的硬度變化值進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而方便工作人員對(duì)操作時(shí)間進(jìn)行控制。

通過(guò)仿真可以看到，在導(dǎo)柱熱處理的過(guò)程中，其硬度受溫度影響，隨著仿真步數(shù)逐漸增加，追蹤點(diǎn)硬度變化云圖如圖5所示。

3.3 相的體積分?jǐn)?shù)分析

相的體積分?jǐn)?shù)分析即金相分析，可以進(jìn)一步分析材料的組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。模具導(dǎo)柱的主要材料是45#鋼材，這種鋼材的原始相包括鐵素體以及少量的珠光體，當(dāng)前常見(jiàn)的45#鋼材，其中鐵素體含量超過(guò)80%。因此，在對(duì)零件進(jìn)行加熱操作時(shí)，當(dāng)溫度升至930 ℃之后，鋼材中少量的珠光體會(huì)向奧氏體開始轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃時(shí)，鋼材中所有的鐵素體都會(huì)轉(zhuǎn)化為奧氏體[5-6]。在操作溫度達(dá)到920~940 ℃時(shí)，對(duì)其表面進(jìn)行滲碳處理，使得奧氏體區(qū)的碳濃度逐漸升高。而要實(shí)現(xiàn)奧氏體向珠光體、馬氏體等的轉(zhuǎn)變，首先要保證溫度降至 600~650 ℃，當(dāng)溫度降至550 ℃時(shí)，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)全部向奧氏體組織的轉(zhuǎn)變[7-8]?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，在整個(gè)零件冷卻過(guò)程中，45#鋼材金相組織的鐵素體組織會(huì)持續(xù)受到表層高碳奧氏體區(qū)的壓應(yīng)力，因此零件出現(xiàn)變形的概率顯著提升。材料組織場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)分布如圖6所示。

4 結(jié)論

綜上所述，利用45#鋼材作為模具材料進(jìn)行模具的制造，能夠生產(chǎn)出硬度較強(qiáng)、滲碳能力好的導(dǎo)柱等零件。模具導(dǎo)柱在加工過(guò)程中的工藝性決定了模具的質(zhì)量是好是壞的關(guān)鍵，也是整個(gè)模具制造過(guò)程中的重點(diǎn)。因此尤其是對(duì)于塑性結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，且厚度等分布不均，制造的過(guò)程極為困難的模具，更是需要質(zhì)量極好的導(dǎo)柱。

本文通過(guò)應(yīng)用DEFORM-HT有限元分析軟件，結(jié)合了三維建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)45#鋼材作為材料基礎(chǔ)的模具導(dǎo)柱熱處理過(guò)程做了分析，幫助工作人員對(duì)整個(gè)操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前進(jìn)行準(zhǔn)備，從而幫助工作人員進(jìn)行工藝控制的改良。通過(guò)對(duì)模擬的分析結(jié)果可知： 

（1） 對(duì)45#鋼進(jìn)行合理的熱處理加工能夠提高零件的各項(xiàng)使用性能，滿足不同生產(chǎn)情況下的使用要求。

（2）通過(guò)金屬硬度斷面圖可以清楚地看到，零件外表面硬度最高，由外向里硬度逐漸降低，對(duì)于我國(guó)絕大多數(shù)的模具生產(chǎn)企業(yè)，45#鋼材用于模具的生產(chǎn)中能夠極大的降低生產(chǎn)成本，滿足使用性能。

因此，合理使用45#塑性模具鋼，不僅能滿足對(duì)熱鍛模具的要求、性能，作為優(yōu)質(zhì)模具鋼的替代，節(jié)省國(guó)家資源，降低模具制造成本，從而降低生產(chǎn)產(chǎn)品成本。能夠節(jié)約機(jī)加工工時(shí)，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

文章來(lái)源：機(jī)電工程技術(shù)報(bào)

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