高速热模锻模具热疲劳裂纹萌生期预测

锻压技术 1997年 第5期 模具

高速热模锻模具热疲劳

裂纹萌生期预测*

上海交通大学(200030) 柳建韬 阮雪榆

上海大学 汪 黎 刘以宽

上海汽车锻造总厂 谭振华 陆文渊

摘要 在考虑高速热模锻凹模的材料性能和工况条件基础上,由Coffin M ansion公式导出了热疲劳裂纹萌生期预测公式,并采用这一公式对高速热模锻凹模进行了热疲劳裂纹萌生期的预测。通过试验发现预测结果与试验结果基本吻合。

关键词 高速热模锻 模具 热疲劳裂纹 萌生期

Prediction of thermal fatigue crack initiation

cycles of die for high speed hot die forging

Shang hai Jiaotong U niv ersity Liu Jiantao Ruan Xueyu

Shanghai U niv ersity Wang Li Liu Yikuan

Shanghai Automobile Forging Works Tan Zhenhua Lu Wenyuan

Abstract Based on taking material properties and wor king co ndition into account of die for high speed hot die forg ing,this paper deriv ed an equation used for thermal fatig ue crack initiation cycles from well known Coffin M ansion equation and predicted thermal fat igul crack initiation cycles of die for high speed hot die forg ing.T he prediction r esults tallied wit h exper imental results.

Keywords High speed hot die forging Die T hermal fatigue crack Initiation cycles

一、前 言

热疲劳是AM P50XL高速热模锻设备凹模的主要失效形式之一[1],预测热疲劳裂纹萌生期是最终预报模具热疲劳寿命的关键。

本文研究了AMP50XL高速热模锻设备凹模的工况条件,由Coffin M ansion公式导

* 本文为国家自然科学基金资助项目(59675049)

收稿日期:1996 11 22出了预测凹模热疲劳裂纹萌生期的公式,进而采用这一公式对凹模热疲劳裂纹萌生期进行了预测。预测结果与试验结果基本吻合。

二、高速热模锻凹模工况分析

AM P50XL高速热模锻设备有4个水平排列的工位(图1),成形工位凹模剖面示意图见图2。

设备生产率为60~100件/min;棒料加热

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图1

高速热模锻设备工位组成图

图2 高速热模锻凹模示意图

(a)预成形工位剖面图

(b)终成形工位剖面图

温度为1250!。经剪切后由夹钳迅速移至第一工位进行镦粗,然后经预成形、终成形和冲孔获得成品。两个成形工位均采用无飞边模锻方式成形。锻坯在每个成形工位的成形时间为0 2~0 3s,锻坯出模时,立即对凹模进行喷水冷却。虽然模具与每个锻坯接触时间较短,但接触频率很高,当凹模与锻坯接触时表面温度急剧升高,锻坯出模后,凹模在冷却水的作用下迅速降温,因此凹模工作于高频冷热循环条件下,成形工位凹模工作温度范围见表1。终成形工位凹模最高表面接触温度高于预成形

工位凹模最高表面接触温度。这可能是由于锻坯在终成形工位的变形量大于在预成形工位的变形量,而压缩变形量越大则锻坯与凹模接触界面上的热流密度也越大。凹模表面接触温度也会越高[2]。

表1 凹模工作温度范围

模具材料(工位)最高表面温度(!)最低表面温度(!)

QR080M (预成形)61750QR090(终成形)

640

50

三、凹模热疲劳裂纹萌生

期公式及预测

高速热模锻凹模的热疲劳寿命一般在105以下,属于低周热疲劳。Coffin 和Masion 在

试验的基础上提出了低周疲劳裂纹萌生期的计算公式如下:

2

= ∀f (2N f )c

(1)

式中

2 塑性应变幅 ∀f 疲劳塑性系数N f 疲劳裂纹萌生期

c 疲劳塑性指数,c #-0 5~

-0 7

∀

f

和单向拉伸断裂应变 f 之间的关系尚无一

致意见。一般认为 ∀

f =(0 35~1) f

[3]

。在

平面应力条件下,冷热循环塑性应变幅为[4]:

2=!(T 2-T 1)-(1-∀2)#2E 2-(1-∀1)#1E 1

(2)

式中 ! 热膨胀系数

T 1,T 2 分别为热循环下限和上限温度∀1,∀2 分别为热循环下限和上限温度的泊松比

#1,#2 分别为热循环下限和上限温度

的材料屈服应力

E 1,E 2 分别为热循环下限和上限温度

的弹性模量

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将式(2)代入(1)式:

N f=1

2

A f

!(T2-T1)-(1-∀2)#2

E2-

(1-∀1)#1

E1

1

B

(3)

式中 A常数,A=0 35~1

B常数,B=0 5~0 7

采用式(3)即可进行热疲劳裂纹萌生期预测。

用于高速热模锻凹模的两种新型热作模具材料为QR080M和QR090钢。它们的化学成分见表2。通过插值法算得冷热循环上、下限温度时模具材料性能常数见表3及表4。

表2 模具材料化学成分(%)

模具材料C Si M n Cr M o V

QR080M0 400 300 752 602 001 20

QR0900 380 300 752 602 250 90

表3 QR080M(预成形工位)凹模材料性能

(T1=50!,T2=617!)

E1 (GN/ m2)

E2

(GN/

m2)

#

1

(M N/

m2)

#

2

(M N/

m2)

!

(1/!)

∀

1

,∀2 f

193 5140 61095 7651 413 9∃10-60 30 77表4 QR090(终成形工位)凹模材料性能

(T1=50!,T2=640!)

E1 (GN/ m2)

E2

(GN/

m2)

#1

(M N/

m2)

#2

(M N/

m2)

!

(1/!)

∀1,∀2 f

200 7150 81097 0579 113 9∃10-60 30 78 根据式(3)预测的高速热模锻凹模热疲劳裂纹萌生期及试验结果见表5,常数A和B 的取值分别为0 7和0 6。

表5 凹模热疲劳裂纹萌生期预测及试验结果

模具材料(工位)试验结果(次)预测结果(次)

QR080M(预成形)~3500034413

QR090(终成形)~80007630

四、讨 论

从表5的结果可以看出,预测结果与试验结果基本吻合。文献[4]认为只有当冷热循环过程中的塑性应变幅大于弹性应变幅时,即

2

>

e

2

,才能采用(1)式进行热疲劳裂纹萌生期的预测,这似乎是不妥的;低周热疲劳的本质是塑性应变疲劳。疲劳裂纹萌生期主要受塑性应变幅的影响,只要塑性应变幅达到一个临界值就将导致低周热疲劳,即可采用(1)式来预测热疲劳裂纹的萌生期。本文的预测结果及文献[4]本身的部分预测结果均表明当

2达一定值时,即使

2<

e

2,采用(1)式及(1)式导出的(3)式来预测热疲劳裂纹的萌生期是合理的。

导致低周热疲劳的塑性应变幅临界值还有待进一步研究。但显然它与热循环温度范围及材料性能有关。因此在预测模具的低周热疲劳裂纹萌生期时应同时考虑上述两个因素才能取得比较满意的预测结果。

五、结 论

凹模低周热疲劳裂纹萌生期可采用下式预测:

N f=

1

2

A f

!(T2-T1)-(1-∀2)#2

E2

-

(1-∀1)#1

E1

1

B

对于高速热模锻凹模常数A和B分别为0 7和0 6。

参考文献

1 柳建韬 高速热模锻设备用模具国产化试验研究 上海大学硕士学位论文 1995

2 C A多夫拉尔 热模锻模具强化和破坏的热力学 北京:国防工业出版社,1988:34

3 赖祖涵 断裂力学原理 北京:冶金工业出版社 1990:165

4 S M alm and L-o A Nors tr%om.M aterial ralated model for thermal fatigue applied to tool steels in hot w ork applications. M etal Scien ce,1979,13(9):544~550

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