文档介绍：基于有限元模拟的焊后热处理曲轴热锻模磨损分析
 
 
马欣
Summary：基于Archard磨损模型建立曲轴成型的三维有限元模型，实现对曲轴热锻成形的热力耦合分析，预测不同回火热处理条件下热锻模续模拟。
2  有限元模型的建立
本文采用的分析模型是汽车曲轴模具，根据热锻过程的工艺特性，曲轴热锻成形工艺分为三步，分别为制坯、预锻和终锻，通过建立相应的三维有限元分析模型，模拟整个曲轴的热锻成形过程。相关设置如下：
①坯料规格为？准53mm×508mm的棒料，选取deform材料库中的AISI5140作为锻件的材料模型，模具堆焊层的材料模型由材料的应力-应变数值导入到软件中进行设定。
②材料的预锻温度为制坯后得到的每一阶段坯料温度，模具的初始温度设定为250℃，·mm·℃。
③定义上模的运动速度为280mm/s，并且设定上模是主运动对象。
④设置接触边界条件，，传热系数选择值11。
⑤模拟步长增量为1mm/步，设定停止条件，也就是不同工步时飞边的厚度。
⑥终锻时坯料设置为HRC20，模具测得的堆焊层硬度值进行设定。
⑦终锻成形时要考虑模具磨损，故采用Archard理论磨损模型预测并计算得到模具在成形过程中的磨损深度值，其数学表达式如下：
根据以上参数设置的热力耦合成形后的不同工步结果如图2所示。
3  曲轴锻模具有限元模拟结果分析
模拟参数优化
经过数值模拟可以对缺陷进行预测并且优化，从而为实际生产优质锻件提供可靠的依据，通过模拟发现主要存在的缺陷类型如下：①充不满：曲轴成形过程中充不满主要出现在平衡块处和连杆颈曲臂处。故需合理選择坯料尺寸，在预锻时，合理分配预锻储料，确保锻打时温度控制在1150℃及其以上。②折叠：在模拟过程中，折叠主要出现在曲轴的端面处。出现在小头端面处的折叠是因为在锻造过程中坯料表层金属变形快，而心部的金属流动慢致使变形慢，制坯后端面处会形成凹陷，从而出现折叠，当坯料内外温差相差较大时折叠会更加明显，对于此种情况，应将坯料凹陷区尽可能摆放在小头模膛外锻打。通过上述手段可以有效避免缺陷的产生。
曲轴成型过程中的热力耦合场量分布结果
温度在热锻过程不仅能保证金属有很好的可锻性，而且可获得较好的内部组织。本研究中坯料可锻温度范围在900～1200℃，此曲轴锻件的温度在1090～1200℃，曲轴轮廓的温度在1130℃左右，模具的初始温度是250℃，经过终锻后，模具的温度也有很大的提高，下模的温度在250～526℃，模具上的温度分布是：在曲轴型腔中的大端、小端以及平衡块处的温度较高。
下模在整个锻造过程中承受着上模的冲击载荷，下模的压力值最高可达到773MPa，且主要分布在曲轴型腔的拐角处，其次是位于主轴颈还有连杆颈桥接处。而小头端的压力值也可高达400MPa左右。
而速度场分布是从935～4790mm/sec，最高速度分布位于曲轴锻件的飞边边缘处，较低的速度是分布在曲轴轮廓处，这些地方受到模具型腔的阻挡，抑制了金属的流动状况。所以曲轴模具在桥部处的磨损是最为严重的。
磨损分析
本文通过对影响磨损的温度场、压力场、速度场进行分析，从而来分析堆焊层模具磨损。从磨损的有限元模拟结果看