7075鋁合金鍛件淬火過程分析

萬俊，陳丁垚，沈培輝，劉凱，曹藝

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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7075鋁合金鍛件淬火過程分析

萬俊，陳丁垚，沈培輝，劉凱，曹藝

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：基于計算機輔助設(shè)計(CAD)與計算機輔助工程(CAE)方法對某公司生產(chǎn)的鍛件進(jìn)行分析。根據(jù)鍛件的基本尺寸，利用Solidworks軟件對鍛件進(jìn)行三維建模，然后用HyperMesh模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入ABAQUS軟件。采用模擬淬火方法對兩種結(jié)構(gòu)的淬火過程進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)明顯改善了溫度場分布和應(yīng)力場分布，提高了生產(chǎn)的成品率。

關(guān)鍵詞：鋁合金；淬火；鍛件；溫度場；應(yīng)力；有限元

0前言

7075鋁合金是一種強度高的冷處理鍛壓合金，其材料在低于500℃時不發(fā)生相變，也是商用最強力合金之一。細(xì)小晶粒使得深度鉆孔性能更好，工具耐磨性增強，螺紋滾制與眾不同，是許多公司青睞的對象。

鋁合金材料因熱處理而產(chǎn)生殘余應(yīng)力主要局限于少數(shù)幾種高強鋁合金。國外研究主要集中于航空航天用的幾種高強鋁合金材料如2024、7075、7050等。由于主要應(yīng)用于航空航天等軍工部門，對其淬火殘余應(yīng)力的研究結(jié)果報道，直到20世紀(jì)80年代以后國外才逐漸增多，而國內(nèi)幾乎見不到這樣的研究報道。

1鍛件模型的建立與分析

本文的研究對象為某公司生產(chǎn)的某種鍛件，材料為7075鋁，圖1是該鍛件的三維模型。該模型采用的熱處理為460℃~465℃在30℃的水中淬火，在這個過程中會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，進(jìn)而對后續(xù)加工產(chǎn)生不利影響，工件可能會出現(xiàn)裂紋、變形，甚至報廢，對公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文的研究目的是為了縮短該產(chǎn)品的研究周期，能夠較快的投入市場，先通過有限元軟件對其淬火過程進(jìn)行分析，得到相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)，研究其溫度場的分布，應(yīng)力的分布，為質(zhì)監(jiān)部門和工藝部門提供參考。

圖1　鍛件的三維模型

計算用的7075鋁合金熱處理工藝參數(shù)：水溫為30℃，淬火溫度為465℃，淬火用換熱系數(shù)h如表1所示。

1) 7075鋁合金的熱換系數(shù)

表1　熱交換系數(shù)

續(xù)表1

2) 熱物性參數(shù)：

導(dǎo)熱系數(shù)(w/m·k)：k=111+194×10-3T-210×10-6×T2+90×10-9T3

比熱容(J/kg·k)：Cp=820+0.77T

線膨脹系數(shù)(1/℃)：α=(21.6+3.6×10-2T-3.4×10-6×T2+2.3×10-9T3)

密度(kg/m3)：p=2700

泊松比：V=0.27

3) 7075鋁合金力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2　7075鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

此鍛件是軸對稱的，所以切除一半分析。在對此鍛件有限元分析前，需對其網(wǎng)格劃分，由于此鍛件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，導(dǎo)入hyepermesh對其網(wǎng)格劃分[1，2]。其結(jié)果如圖2所示，之后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)于指標(biāo)warpage的檢查，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鼍W(wǎng)格質(zhì)量良好，符合要求。再將其導(dǎo)入abaqus中，采用順序耦合熱應(yīng)力分析，此類分析中的應(yīng)力應(yīng)變場取決于溫度場，但溫度場不受應(yīng)變場的影響。需要首先分析出溫度場，然后以溫度場為條件分析出應(yīng)力應(yīng)變場[3-6]。其分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖2　鍛件的網(wǎng)格模型

圖3　關(guān)于指標(biāo)warpage的網(wǎng)格質(zhì)量檢查

圖4　鍛件的正面溫度場云圖

圖5　鍛件背面溫度場云圖

圖6　鍛件表面應(yīng)力最大時應(yīng)力云圖

從上面的云紋圖可以明顯的看出，在冷卻到目前狀態(tài)時，模型鍛件的內(nèi)部仍然沒有冷卻到水溫，因為在整個過程中，熱傳遞發(fā)生在鍛件與水接觸的表面，在很短的時間內(nèi)，這個表面的溫度就與水溫基本相同了，而鍛件內(nèi)部的熱量則需要一個比較長的過程才能傳遞出來，此結(jié)論與文獻(xiàn)[7]相關(guān)結(jié)論類似。

在應(yīng)力結(jié)果圖中，很明顯，表面應(yīng)力最大的時候發(fā)生在中間的某個時刻，可以找到step time=10.49s時表面應(yīng)力最大，出現(xiàn)的位置如圖7、圖8、圖9所示。此點的應(yīng)力隨時間變化曲線如圖10所示。

圖7　局部放大圖

圖8　應(yīng)力最大的點

圖9　四個標(biāo)記區(qū)域存在倒角

圖10　鍛件0到300秒內(nèi)鍛件應(yīng)力變化圖

由上可得到最大應(yīng)力為σmax=348MPa；整個模型在應(yīng)力最大的時間點，有六處地方應(yīng)力較大，如圖9所示的六處集中點；但是其中的四處因為會存在倒角，所以這四處不會有危險，如圖10所示。但另外的兩處地方?jīng)]有倒角，所以這里會比較危險，如圖11所示[8]。

圖11　危險區(qū)域

2解決方案

根據(jù)上述問題，經(jīng)研究與分析得出相應(yīng)方法：

1) 局部加厚鍛件，對應(yīng)力最大、出現(xiàn)裂紋處加厚處理。以抵消大應(yīng)力。如圖12所示為原模型，圖13為構(gòu)想模型。

圖12　原模型

圖13　加厚模型

2) 通過設(shè)置斜面以減少應(yīng)力集中，如圖14為原模型，圖15為改進(jìn)模型

圖14　原模型

圖15　改進(jìn)模型

3優(yōu)化后鍛件分析

優(yōu)化后鍛件分析方法與原鍛件相同。結(jié)果如圖16，圖17所示：

圖16　優(yōu)化后鍛件有限元網(wǎng)格

圖17　網(wǎng)格質(zhì)量檢查

溫度場云圖如圖18，圖19所示：

圖18　優(yōu)化后鍛件正面溫度場云圖

圖19　優(yōu)化后鍛件背面溫度場云圖

優(yōu)化鍛件表面最大應(yīng)力如圖20：

圖20　優(yōu)化鍛件最大應(yīng)力圖

分析比較鍛件改進(jìn)前后的應(yīng)力圖可見，本文中對該鍛件的優(yōu)化設(shè)計是可行的如圖21至圖24所示。

圖21　應(yīng)力最大位置

圖22　優(yōu)化后鍛件0到300s內(nèi)應(yīng)力變化圖

圖23　優(yōu)化鍛件應(yīng)力最大的五處

圖24　優(yōu)化前后鍛件應(yīng)力曲線比較圖

4結(jié)語

應(yīng)用有限元分析技術(shù)建立了7075鋁合金為鍛件的幾何模型，按照此鍛件在實際生產(chǎn)過程的淬火環(huán)節(jié)，采用實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，建立了相應(yīng)的有限元分析模型，得到了鍛件在淬火過程中的溫度場云圖和應(yīng)力云圖。研究云圖發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在問題，該問題可能導(dǎo)致產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中斷裂、降低產(chǎn)品合格率。針對此問題提出了相應(yīng)的解決方案。為實際生產(chǎn)過程提供了質(zhì)量保障，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品合格率。同時為以后生產(chǎn)線上可能出現(xiàn)的問題提供了一個可行的解決方法。

參考文獻(xiàn):

[1] 李博. 基于HyperWorks的某雷達(dá)零部件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009，4.

[2] 熊珍兵，羅會信. 基于HyperMesh的有限元前處理技術(shù).排灌機械[J]. 2006，6(24):35-38.

[3] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS[J]. American BookNews,Inc.2002.

[4] 莊茁, 等譯.ABAQUS/standard有限元軟件入門指南[M」. 北京:清華大學(xué)出版社，1998.

[5] ABAQUS.StandardUser,Manual[M]. Hibbitte Karlsson&Sorenson INC，2002.

[6] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[7] 王華君，張亞南，王華昌，等. 基于DEFORM逆向運算的預(yù)鍛件優(yōu)化[J]. 熱加工工藝，2009，4(10):6-8.

[8] 張雷順，等. 彈性力學(xué)及有限單元法[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2005.

Quenching Process Analysis of 7075 Aluminium Alloy forgings

WAN Jun, CHEN Ding-Yao, SHEN Pei-hui, LIU Kai, ZHANG Xu

(Nanjing University of Science And Technology, Nanjing 210094,China)

Abstract:The thesis analyzes the pieces forged ly a company, based on computer-aided design (CAD) and computer-aided method engineering (CAE) method. According to the basic size of the forging Solidworks software is used to creat its three-dimensional model. Then the three-dimensional model is divided int finite element mesh and imported into its analysis software HyperMesh. and then the meshed model is imported into ABAQUS Software. The simulated guenching method is usedted to analyze two structures of the quenching process. The results show that the improved structure is of significant improvemet of the temperature and stress field distribution. This method is used to greatly raise up the production yield.

Keywords:aluminium alloy; quench; forgings; temperature field; stress; finite element

收稿日期：2014-10-25

中圖分類號：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0071-05

作者簡介：萬俊(1989-)，男，江蘇金壇人，碩士研究生，研究方向為火炮自動武器與彈藥工程。