文/朱國(guó)軍，李偉，楊冠南，黃 波·湖北三環(huán)車(chē)橋有限公司汽車(chē)技術(shù)部

汽車(chē)前軸熱處理有限元模擬

文/朱國(guó)軍，李偉，楊冠南，黃 波·湖北三環(huán)車(chē)橋有限公司汽車(chē)技術(shù)部

朱國(guó)軍，技術(shù)部部長(zhǎng)，工程師，主要從事塑性成形工藝?yán)碚撆c生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的研究，精于特種鍛造輥鍛成形工藝技術(shù)。參與編寫(xiě)國(guó)家級(jí)鍛壓教材《特種鍛造》第五分冊(cè)，擁有2項(xiàng)專(zhuān)利。

前軸有限元模擬可行性分析

使用Ansys、Abaqus等軟件對(duì)車(chē)橋進(jìn)行有限元分析，可以在一定程度上反映工件的實(shí)際溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。零件在鍛造與熱處理過(guò)程中經(jīng)歷了變形和溫度急劇變化的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中零件內(nèi)部溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化影響到最終的組織與性能，如果能夠模擬出鍛造、熱處理過(guò)程中零件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是如何分布與變化的，就能分析材料最終的變形、組織分布、性能等情況，也能夠以此來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝。

采用有限元軟件模擬，并不是只有考慮全部情況的模擬才是有價(jià)值的，有時(shí)候一些近似的模擬，也能夠起到一定作用，圖1所示為典型前軸類(lèi)零件。

零件材料為42CrMo，熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。材料密度為7.804g/cm3，臨界點(diǎn)溫度（近似值）：Ac1=730℃、Ac3=800℃、Ms=310℃。設(shè)定介質(zhì)溫度40℃、介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)1200W/（m2·℃）、材料線(xiàn)脹系數(shù)和彈性模里后，用Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行模擬，分析淬火時(shí)的溫度場(chǎng)變化。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到該工件在淬火30s時(shí)4個(gè)具有代表性的截面溫度分布情況如圖2所示。

圖1 前軸類(lèi)零件

表1 42CrMo熱物性參數(shù)

A截面在淬火100s時(shí)的溫度分布與截面不同位置的溫度—時(shí)間曲線(xiàn)如圖3所示。

C截面在淬火100s時(shí)的溫度分布與截面不同位置的溫度—時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示。

從該模擬結(jié)果，可以幫助我們做出以下判斷和預(yù)測(cè)：

⑴可以判斷C、D截面的中心溫度更高，該樣品A、B截面先達(dá)到Ms點(diǎn)溫度以下，為保證樣品完全淬透或保證一定淬透深度，需要更關(guān)注C、D截面的冷卻速度。

⑵通過(guò)工件不同位置的溫度—時(shí)間曲線(xiàn)，利用C曲線(xiàn)，可以判斷各個(gè)位置是否發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，也可以判斷在某一工藝參數(shù)下材料各位置的淬透層深度。

⑶42CrMo的Ms點(diǎn)約為310℃，工件冷卻到該溫度以下后應(yīng)從介質(zhì)中取出，避免繼續(xù)降溫引起的變形和淬裂。A截面溫度在100s時(shí)已經(jīng)全部降到310℃以下，然而E截面中心溫度依然有590℃，因此需要繼續(xù)冷卻等待中心溫度達(dá)到310℃以下。

⑷根據(jù)模擬的結(jié)果，可以預(yù)測(cè)合理的淬火時(shí)間，指導(dǎo)淬火介質(zhì)和濃度的選擇。

圖2 淬火30s時(shí)各個(gè)截面的溫度分布情況

圖3 A截面的溫度分布與溫度—時(shí)間曲線(xiàn)

圖4 C截面的溫度分布與溫度—時(shí)間曲線(xiàn)

⑸從模擬的結(jié)果可以預(yù)測(cè)，如果采用雙介質(zhì)淬火，先快冷后慢冷，有利于減少熱應(yīng)力變形。

Ansys分析淬火時(shí)的各種影響因素

淬火時(shí)表面對(duì)流換熱速度對(duì)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的影響

表面對(duì)流換熱速度（即外加冷卻速度）減小，會(huì)使熱應(yīng)力減小，變形里減小，而不利于馬氏體轉(zhuǎn)變。

A截面40℃水淬，介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)為1.2×103W/（m2·℃）。淬火100s時(shí)溫度分布和冷卻曲線(xiàn)如圖5所示。

對(duì)流換熱系數(shù)增加為100倍，1.2×105W/（m2·℃）。淬火30s時(shí)溫度分布和冷卻曲線(xiàn)如圖6所示。

通過(guò)以上分析結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

⑴冷速的降低使應(yīng)力下降，變形下降。

⑵工件中心溫度對(duì)冷速的反應(yīng)不如表面敏感，材料本身傳熱速度對(duì)中心冷速的影響更大。因此即使外界冷速很快，中心溫度下降依然需要一定時(shí)間。

圖5 對(duì)流換熱系數(shù)為1.2×103W/(m2·℃)時(shí)溫度分布和冷卻曲線(xiàn)

圖6 對(duì)流換熱系數(shù)為1.2×105W/(m2·℃)時(shí)溫度分布和冷卻曲線(xiàn)

⑶通過(guò)提高冷速來(lái)提高淬透性，不如通過(guò)調(diào)節(jié)成分來(lái)提高淬透性。

⑷對(duì)比冷卻曲線(xiàn)與C曲線(xiàn)，可以判斷零件發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的程度。

⑸通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的模擬，可以判斷材料淬火時(shí)應(yīng)選取多長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。

非均勻傳熱對(duì)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)和變形量的影響

C截面40℃水淬，介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)為1200W/（m2·℃）。淬火30s時(shí)溫度分布、應(yīng)力場(chǎng)如圖7所示。

將左側(cè)介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)改為800W/（m2·℃），淬火30s時(shí)溫度分布、應(yīng)力場(chǎng)如圖8所示。

對(duì)比圖7與圖8可見(jiàn)，溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏移，說(shuō)明了冷速不均會(huì)引起零件變形，工件會(huì)向冷卻更快的方向彎曲。

形狀的影響

即使工件受到很均勻的冷卻，而由于形狀問(wèn)題，工件依然會(huì)發(fā)生變形。

正方形梁模型，40℃水淬，介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)為1200W/（m2·℃）。淬火10s時(shí)溫度分布、應(yīng)力場(chǎng)如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)模型的四個(gè)角冷卻較快，溫度較低，因此收縮更劇烈。四個(gè)邊中心冷卻較慢，溫度較高，所以鼓出來(lái)。鋼材冷卻時(shí)，薄處先收縮，為避免這種變形帶來(lái)的不利影響，工件厚處先入介質(zhì)，對(duì)變形里的控制會(huì)起一定幫助。

圓截面直角梁，40℃水淬，介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)為1200W/（m2·℃）。淬火10s時(shí)的溫度分布、應(yīng)力場(chǎng)如圖10所示。

由于外角處冷卻更多，溫度更低，收縮更多，工件的角度在淬火后傾向于變大。因此實(shí)際設(shè)計(jì)模具時(shí)需要考慮到這方面的補(bǔ)償。

綜上所述，就利用有限元軟件模擬鍛造、熱處理過(guò)程中零件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布與變化總結(jié)如下：

⑴模擬參數(shù)。

模擬過(guò)程中的輸入里為載荷和傳熱，輸出為零件的溫度與應(yīng)力場(chǎng)。如果已知材料的密度，傳熱系數(shù)，C曲線(xiàn)以及鍛造熱處理時(shí)的載荷、溫度、換熱系數(shù)等參數(shù)，就能對(duì)零件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)做出預(yù)測(cè)。

⑵模擬誤差。

圖7對(duì)流換熱系數(shù)為1200W/(m2·℃)時(shí)溫度分布和應(yīng)力場(chǎng)

圖8 對(duì)流換熱系數(shù)為800W/(m2·℃)時(shí)溫度分布和應(yīng)力場(chǎng)

圖9 正方形梁溫度分布和應(yīng)力場(chǎng)

圖10 圓截面直角梁溫度分布和應(yīng)力場(chǎng)

模擬過(guò)程中的條件都是理想化的，比如我們默認(rèn)零件初始溫度是均勻的。實(shí)際中任何與理想中不符的條件都有可能成為影響因素，比如熱處理爐內(nèi)溫度不均、原材料成分不均、冷卻時(shí)換熱不均勻、操作時(shí)人為因素帶來(lái)的誤差等，均會(huì)使得實(shí)際結(jié)果與理論不符。另外模擬本身由于計(jì)算方法也會(huì)帶來(lái)數(shù)學(xué)上的誤差。

減小誤差的辦法無(wú)非兩種：一是使用更復(fù)雜的模擬過(guò)程來(lái)更真實(shí)反映實(shí)際情況，二是使實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

⑶模擬難點(diǎn)。

熱處理過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)是淬火，材料在淬火過(guò)程中將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。最終的應(yīng)力由相變應(yīng)力與熱應(yīng)力共同組成，最終的變形由相變變形與應(yīng)力變形共同組成。一旦引入相變，整個(gè)過(guò)程將變得很復(fù)雜，因?yàn)槲覀冸y以判斷材料某一點(diǎn)是否發(fā)生了相變，相變進(jìn)行的程度又有多大。

冷卻時(shí)，材料與介質(zhì)的對(duì)流傳熱速度、材料自身的傳熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)隨溫度變化而變化，這些因素如果不妥善考慮也會(huì)引起誤差。

鍛造時(shí)，工件經(jīng)歷多次變形，與模具接觸時(shí)冷卻不均勻，受力與傳熱情況都很復(fù)雜，工件本身復(fù)雜的形狀也會(huì)增加模擬的難度。把條件考慮得越精細(xì)，就能得出越精確的結(jié)果。模擬就能體現(xiàn)出更多的價(jià)值。

⑷模擬對(duì)于操作人員的要求。

精細(xì)的計(jì)算無(wú)法預(yù)測(cè)粗糙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，需要使實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化，使每一個(gè)工件經(jīng)歷相同的處理過(guò)程，減小成品的性能波動(dòng)。這包含到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的方方面面。在模擬方面，則需要有一個(gè)或一隊(duì)對(duì)模擬軟件和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程都很熟悉的操作人員。

結(jié)束語(yǔ)

利用Ansys分析工件的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)是一件復(fù)雜的工程。從簡(jiǎn)化的模擬結(jié)果可以看出模擬與實(shí)際是基本吻合的。從中可以發(fā)現(xiàn)大里的規(guī)律，而且方便快捷，這是實(shí)驗(yàn)難以做到的。文中列出的只是一些簡(jiǎn)化的模擬結(jié)果，但是已展現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。相信進(jìn)一步更深入的模擬可以揭示出更多、更有用的規(guī)律。