第一作者簡介：曾珍珍（1999-），女，湖南邵陽人，大學本科。研究領域：機械與電氣工程。
摘要：45#鋼被廣泛應用于生產(chǎn)制造。采用DEFORM-HT軟件對45#鋼在模具生產(chǎn)中熱處理工藝過程進行詳細地模擬分析。獲得了模擬熱處理過程中的硬度變化、溫度云圖、組織相變場的分布，對優(yōu)化模具生產(chǎn)制造、改善模具使用性能有著指導性的作用。
關鍵詞：DEFORM-HT；熱處理；45#鋼；模具；計算機模擬
0 引言
模具是機械制造、無線電儀表、電機、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)設計和加工精度外，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)學模型，從而可靠地對采用45#鋼的模具使用情況進行分析。
1 模具模型的參數(shù)設定及建模
1.1 幾何模型的選取介紹
目前國內(nèi)市場對中高檔模具的需求量很大，其中家電、塑料等行業(yè)對模具需求最大。因此針對某工廠生產(chǎn)用于家電制造的模具，對其導柱部分進行建模，材料為45#鋼材。選取模具生產(chǎn)中常用的帶肩型油槽導柱，如圖1、圖2所示。
1.2 模具導柱生產(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，但在進行退火、正火后其性能要較調(diào)質(zhì)處理時好，具有較高的強度以及較好的切削加工性[2]。未經(jīng)熱處理時，其布氏硬度值不超過229；但采用不同的熱處理時其性能也有差異：45#鋼淬火后回火前其洛氏硬度要大于55， 且 最 高 可 達 洛 氏 硬 度62，但實際上應用的最高硬度常為HRC55，若為高頻淬火則最高硬度為HRC58。熱處理后進行淬火其洛氏硬度值可以達到42~46，這樣不僅能夠確保其優(yōu)異的機械性能，又能達到表面硬度要求。
本文中通過有限元軟件DEFORM_HT軟件對模具導柱的生產(chǎn)過程進行模擬，初步熱處理工藝流程[3]是：預熱→淬火→空冷→回火→正火。其中，進行淬火處理時間 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。
在進行滲碳處理時，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、花費時間短、且滲透效果更好。在進行冷卻時，為了確保冷卻步驟與45#鋼材良好的淬透性能夠有效契合，因此我國大多數(shù)模具生產(chǎn)企業(yè)常選擇機空冷卻這種速度較快的方式進行冷卻。能夠進一步縮短模具成型的工藝周期。
2 DEFORM-HT仿真模擬前設置及參數(shù)設定
（1）利用軟件對材料結(jié)構(gòu)進行模擬分析前，要新建工程：Heat-Treatment格式的熱處理，并將列表中的相關參數(shù)進行勾選，確保整個模擬系統(tǒng)是以DEFORM-HT進行運行。
（2） 選擇 3D 繪圖軟件 Solidworks 2016 版，對模具導柱對象進行3D建模，并將其另存為STL格式，以便于DE?FORM-HT能夠3D模型進行切片。將STL格式按照步驟導入到分析系統(tǒng)中，生成有限元分析網(wǎng)格。只有實現(xiàn)了網(wǎng)格生成，才能夠確保進行下一步的有限元分析[4]。
（3）對模擬的零件的各項參數(shù)進行設定。有限元分析是指，將零件毛胚整體劃分成多個極微小的塊狀網(wǎng)格，類似于數(shù)學中積分的方法。此次模擬中，將整個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)設定為1；在進行厚度中整體尺寸比例的設定時，將每層層厚設定為0.005。
（4）在完成有限元參數(shù)的設定后，需要對材料參數(shù)進行設定。DEFORM軟件的數(shù)據(jù)庫中包含各種材料不同規(guī)格的各項參數(shù)，根據(jù)實驗要求選擇45#鋼，并查找其相應的彈性參數(shù)、塑性參數(shù)等，將這些信息與其他信息進行對比后保存。通過分析45#鋼材的特性，幫助工作人員進行直觀的選擇。
（5） 在完成零件所有參數(shù)的調(diào)節(jié)和設定后，借助DE?FORM-HT軟件對其進行模擬運算以及后處理，對仿真結(jié)果進行分析。
3 仿真分析及結(jié)論
對模具導柱分析要考慮多個因素，在這里為了簡化仿真結(jié)果，導柱的生產(chǎn)制造過程中不考慮對導柱進行研磨等工序的影響，僅對模具導柱在進行熱處理過程中發(fā)生的變化進行分析，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 程中，統(tǒng)一采取導柱中間面 作 為 實 驗 數(shù) 據(jù) 的 結(jié)果。導柱中界面設置如圖3所示。
3.1 溫度均勻度分析
通過對導柱零件上不同追蹤點處不同時間下溫度的變化進行追蹤分析，導柱零件在進行熱處理時，零件的溫度由外部逐漸向中心輻射，由于導柱零件較小，因此其溫度曲線變化不明顯。不同時刻溫度場變化云圖如圖4所示。
3.2 硬度定點跟蹤分析
硬度是選取模具鋼材料的重要技術(shù)指標，模具在高應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DEFORM軟件的應用，能夠?qū)M行熱處理的材料的硬度變化值進行預測，從而方便工作人員對操作時間進行控制。
通過仿真可以看到，在導柱熱處理的過程中，其硬度受溫度影響，隨著仿真步數(shù)逐漸增加，追蹤點硬度變化云圖如圖5所示。
3.3 相的體積分數(shù)分析
相的體積分數(shù)分析即金相分析，可以進一步分析材料的組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。模具導柱的主要材料是45#鋼材，這種鋼材的原始相包括鐵素體以及少量的珠光體，當前常見的45#鋼材，其中鐵素體含量超過80%。因此，在對零件進行加熱操作時，當溫度升至930 ℃之后，鋼材中少量的珠光體會向奧氏體開始轉(zhuǎn)變，當溫度達到900 ℃時，鋼材中所有的鐵素體都會轉(zhuǎn)化為奧氏體[5-6]。在操作溫度達到920~940 ℃時，對其表面進行滲碳處理，使得奧氏體區(qū)的碳濃度逐漸升高。而要實現(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 ℃，當溫度降至550 ℃時，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)來說，在整個零件冷卻過程中，45#鋼材金相組織的鐵素體組織會持續(xù)受到表層高碳奧氏體區(qū)的壓應力，因此零件出現(xiàn)變形的概率顯著提升。材料組織場體積分數(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行模具的制造，能夠生產(chǎn)出硬度較強、滲碳能力好的導柱等零件。模具導柱在加工過程中的工藝性決定了模具的質(zhì)量是好是壞的關鍵，也是整個模具制造過程中的重點。因此尤其是對于塑性結(jié)構(gòu)相對較復雜，且厚度等分布不均，制造的過程極為困難的模具，更是需要質(zhì)量極好的導柱。
本文通過應用DEFORM-HT有限元分析軟件，結(jié)合了三維建模軟件來實現(xiàn)對45#鋼材作為材料基礎的模具導柱熱處理過程做了分析，幫助工作人員對整個操作過程中可能出現(xiàn)的問題提前進行準備，從而幫助工作人員進行工藝控制的改良。通過對模擬的分析結(jié)果可知：
（1） 對45#鋼進行合理的熱處理加工能夠提高零件的各項使用性能，滿足不同生產(chǎn)情況下的使用要求。
（2）通過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，對于我國絕大多數(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)約機加工工時，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動生產(chǎn)率。
文章來源：機電工程技術(shù)報
整 理：熱家網(wǎng)
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