重型載貨汽車前軸鍛件熱處理工藝仿真分析

    陜汽重型載貨汽車前軸鍛件為我公司核心產(chǎn)品之一。因前軸為重型載貨汽車的核心部件，故對(duì)其性能要求很高(σb為924～1090MPa)，該要求對(duì)熱處理工藝要求也較為嚴(yán)格。通過(guò)運(yùn)用熱處理工藝仿真，在一定程度上模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品在生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，大大降低了產(chǎn)品在熱處理過(guò)程中出現(xiàn)不合格品的概率。

1.熱處理工藝方案分析

    (1)工藝流程如圖1所示，0420前軸鍛件工藝流程：下料-鍛造-熱處理-清理-無(wú)損檢測(cè)-檢驗(yàn)。

圖1 前軸熱處理工序設(shè)備

    (2)技術(shù)要求材料牌號(hào)為鋼42CrMo，硬度要求為283～333HBW(d=3.6～3.35mm)。

    (3)熱處理工藝參數(shù)淬火階段：保溫溫度為(850±10)℃；保溫時(shí)間150min；淬火冷卻介質(zhì)為PAG 3%～5%(≤60℃)或水(40～70℃)。回火階段：保溫溫度(600±20)℃；保溫時(shí)間180min；冷卻介質(zhì)為水。

    (4)其他因素由于回火對(duì)工件的變形影響不大，本次模擬不考慮。前軸鍛件熱處理工序變形主要為彎曲變形和扭曲變形。

2.熱處理有限元分析

    (1)分析方案模擬軟件利用法國(guó)FRAMASOFT+ESI公司開(kāi)發(fā)的有限元軟件SYSWELD，模擬分析鍛件在熱處理過(guò)程中的相變、工件變形及應(yīng)力應(yīng)變特征。前軸實(shí)體如圖2所示。

圖2 前軸實(shí)體

    由于前軸的外形特點(diǎn)，熱處理生產(chǎn)采用推桿爐，爐內(nèi)可容納16個(gè)料盤，推料周期為10min；熱處理過(guò)程中，將前軸平放于料架上加熱，冷卻入水時(shí)用淬火托架將前軸托起一起入水。這樣在軸向或徑向上的淬火應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形扭曲較大。本次模擬采用兩種淬火方式，一種為平放式（實(shí)際生產(chǎn)所采用的方式），另一種為垂直懸掛式（擬工藝優(yōu)化后所采用的淬火方式）。

    根據(jù)熱處理工藝設(shè)計(jì)的入水方式分別為水平入水和垂直入水。由于前軸為對(duì)稱工件，模擬過(guò)程為了減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化。據(jù)水平入水方式的特點(diǎn)，只需對(duì)整個(gè)前軸工件的1/4進(jìn)行模擬分析（見(jiàn)圖3、圖4）；據(jù)垂直入水方式的特點(diǎn)分析，只需對(duì)整個(gè)前軸工件的1/2進(jìn)行模擬分析（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖3 水平入水方式的入水點(diǎn)

圖4 前軸1/4實(shí)體（水平入水）

圖5 垂直入水方式的入水點(diǎn)

圖6 前軸1/2實(shí)體（垂直入水）

    (2)網(wǎng)格劃分模擬過(guò)程中選用全三角網(wǎng)格，對(duì)于1/4模型的2D單元數(shù)達(dá)到8800個(gè)，3D單元數(shù)達(dá)到48824個(gè)（見(jiàn)圖7）。

圖7 前軸1/4實(shí)體網(wǎng)格劃分

    1/2實(shí)體的網(wǎng)格劃分：3D網(wǎng)格為93904，2D網(wǎng)格為17316（見(jiàn)圖8）。

圖8 前軸1/2實(shí)體網(wǎng)格劃分

    由于SYSWELD軟件的材料庫(kù)中沒(méi)有42CrMo鋼的信息，模擬選擇與該材料近似的材料42CrM04鋼進(jìn)行代替。

    (3)模擬參數(shù)設(shè)置模擬過(guò)程設(shè)置三組工藝參數(shù)，分別為保溫溫度、保溫時(shí)間、淬火冷卻介質(zhì)。由于在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，保溫時(shí)間和淬火冷卻介質(zhì)在附表所列參數(shù)單一變量原則下對(duì)工件的影響較小，故本次產(chǎn)品模擬僅對(duì)不同入水方式和不同入水方式下的保溫溫度進(jìn)行模擬分析，將各模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選出最為合理的一組參數(shù)作為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的參考。

表1 參數(shù)設(shè)置表

    (4)模擬結(jié)果分析模擬分析工件在+X、+Y及-Z方向上的變形特點(diǎn)，其綜合表現(xiàn)為工件在實(shí)際熱處理生產(chǎn)中的翹曲、扭曲等變形特點(diǎn)。

    圖9為工件在不同的入水方式下，不同加熱溫度淬火后+X方向上的變形特點(diǎn)。從圖中可以看出，水平入水方式下，工件在兩端的變形呈相反態(tài)勢(shì)，且變形量基本相當(dāng)。860℃的最大變形量為8.18586mm，850℃的最大變形量為7.14752mm，840℃的最大變形量為7.12368mm；而對(duì)于垂直入水方式下的模擬結(jié)果顯示，工件在開(kāi)始入水端處的變形量最大，最后入水端的變形量最小，基本接近無(wú)變形狀態(tài)。隨溫度的升高，淬火后的變形量有增大的趨勢(shì)，860℃的最大變形量為14.53817mm，850℃的最大變形量為14.26377mm，840℃的最大變形量為14.19004mm。

圖9 工件不同入水方式不同溫度下+X方向的變形情況

    圖10為工件在不同的入水方式下，不同加熱溫度淬火后+Y方向上的變形特點(diǎn)。從圖中可以看出，水平入水方式與垂直入水方式下，工件在+Y方向上的變形量相差不大，水平入水方式下的+Y變形兩端對(duì)稱，垂直入水方式下的+Y變形，開(kāi)始入水端的變形量較大。

圖10 工件不同入水方式不同溫度下+Y方向的變形情況

    圖11為工件在不同的入水方式下，不同加熱溫度淬火后-Z方向上的變形特點(diǎn)。從圖中可以看出，水平入水方式與垂直入水方式下，工件在-Z方向上的變形量有所異同，水平入水方式下的-Z變形兩端對(duì)稱，垂直入水方式下的-Z變形，接近入水湍的變形量。

圖11 工件不同入水方式不同溫度下-Z方向的變形情況

3.擬采用的優(yōu)化工藝及達(dá)到的效果

    經(jīng)過(guò)兩種入水方式的對(duì)比，擬采用的垂直入水方式的模擬結(jié)果顯示出的總的變形規(guī)律較水平入水方式的變形相對(duì)較小，垂直方式的變形主要集中在先入水端，最后入水的端面基本無(wú)變形，這就使熱處理后的校正工序相對(duì)簡(jiǎn)化，即以最后入水端為基準(zhǔn)，將前軸放于檢測(cè)夾具上測(cè)出前軸的變形量后用壓力機(jī)校正前軸。而以水平方式入水的模擬結(jié)果，兩端的變形方向相反，校正起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。為達(dá)到較高的產(chǎn)品合格率，以及為校正工序減少較為冗繁的工作，擬采用前軸出爐后垂直懸掛式入水的方式進(jìn)行淬火。

4.結(jié)語(yǔ)

    SYSWELD軟件模擬后，可以預(yù)測(cè)工件在熱處理過(guò)程中的變形特點(diǎn)、相組成、應(yīng)力應(yīng)變等特征。經(jīng)過(guò)若干組工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果對(duì)比分析，選出對(duì)產(chǎn)品性能最有利，對(duì)檢測(cè)工件變形最簡(jiǎn)便，對(duì)后續(xù)校正工序操作最簡(jiǎn)單的一組工藝參數(shù)作為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的參考，從而實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。