重型載貨汽車前軸鍛件熱處理工藝仿真分析

■武絡(luò)，宮顯宇，韓海河，王文清，尚利平，胡小剛

重型載貨汽車前軸鍛件熱處理工藝仿真分析

■武絡(luò)，宮顯宇，韓海河，王文清，尚利平，胡小剛

前軸鍛件為重型載貨汽車核心零部件之一，因其位置的特殊性，對性能要求很高。通過運用熱處理工藝仿真，不斷優(yōu)化和改進(jìn)工藝方案，縮短工藝準(zhǔn)備周期，提高產(chǎn)品合格率。

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，故對其性能要求很高（σb為924～1090MPa），該要求對熱處理工藝要求也較為嚴(yán)格。通過運用熱處理工藝仿真，在一定程度上模擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境，提前預(yù)測產(chǎn)品在生產(chǎn)中遇到的問題，大大降低了產(chǎn)品在熱處理過程中出現(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→無損檢測→檢驗。

（2）技術(shù)要求 材料牌號為鋼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）℃；保溫時間180min；冷卻介質(zhì)為水。

（4）其他因素 由于回火對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

圖1　前軸熱處理工序設(shè)備

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

由于前軸的外形特點，熱處理生產(chǎn)采用推桿爐，爐內(nèi)可容納16個料盤，推料周期為10min；熱處理過程中，將前軸平放于料架上加熱，冷卻入水時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)計的入水方式分別為水平入水和垂直入水。由于前軸為對稱工件，模擬過程為了減少計算量，縮短計算時間，對模型進(jìn)行一定程度上的簡化。據(jù)水平入水方式的特點，只需對整個前軸工件的1/4進(jìn)行模擬分析（見圖3、圖4）；據(jù)垂直入水方式的特點分析，只需對整個前軸工件的1/2進(jìn)行模擬分析（見圖5、圖6）。

（2）網(wǎng)格劃分 模擬過程中選用全三角網(wǎng)格，對于1/4模型的2D單元數(shù)達(dá)到8800個，3D單元數(shù)達(dá)到48824個（見圖7）。

1/2實體的網(wǎng)格劃分：3D網(wǎng)格為93904，2D網(wǎng)格為17316（見圖8）。

由于SYSWELD軟件的材料庫中沒有42CrMo鋼的信息，模擬選擇與該材料近似的材料42CrMo4鋼進(jìn)行代替。

（3）模擬參數(shù)設(shè)置 模擬過程設(shè)置三組工藝參數(shù)，分別為保溫溫度、保溫時間、淬火冷卻介質(zhì)。由于在長期的生產(chǎn)實踐中，保溫時間和淬火冷卻介質(zhì)在附表所列參數(shù)單一變量原則下對工件的影響較小，故本次產(chǎn)品模擬僅對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)行對比分析，選出最為合理的一組參數(shù)作為指導(dǎo)實際生產(chǎn)的參考。

（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，其綜合表現(xiàn)為工件在實際熱處理生產(chǎn)中的翹曲、扭曲等變形特點。

圖2　前軸實體

圖3　水平入水方式的入水點

圖4　前軸1/4實體（水平入水）

圖5　垂直入水方式的入水點

參數(shù)設(shè)置表

圖6　前軸1/2實體（垂直入水）

圖7　前軸1/4實體網(wǎng)格劃分

圖8　前軸1/2實體網(wǎng)格劃分

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。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，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；而對于垂直入水方式下的模擬結(jié)果顯示，工件在開始入水端處的變形量最大，最后入水端的變形量最小，基本接近無變形狀態(tài)。隨溫度的升高，淬火后的變形量有增大的趨勢，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。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變形兩端對稱，垂直入水方式下的+Y變形，開始入水端的變形量較大 。

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　工件不同入水方式不同溫度下+Y方向的變形情況

圖11　工件不同入水方式不同溫度下-Z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。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變形兩端對稱，垂直入水方式下的-Z變形，接近入水端的變形量。

3. 擬采用的優(yōu)化工藝及達(dá)到的效果

經(jīng)過兩種入水方式的對比，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變形，這就使熱處理后的校正工序相對簡化，即以最后入水端為基準(zhǔn)，將前軸放于檢測夾具上測出前軸的變形量后用壓力機校正前軸。而以水平方式入水的模擬結(jié)果，兩端的變形方向相反，校正起來相對復(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

SYSWELD軟件模擬后，可以預(yù)測工件在熱處理過程中的變形特點、相組成、應(yīng)力應(yīng)變等特征。經(jīng)過若干組工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果對比分析，選出對產(chǎn)品性能最有利，對檢測工件變形最簡便，對后續(xù)校正工序操作最簡單的一組工藝參數(shù)作為指導(dǎo)實際生產(chǎn)的參考，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化。

對于前軸產(chǎn)品而言，由于其形狀特點，為了控制其在水平方向的翹曲及扭轉(zhuǎn)的嚴(yán)重性，選擇垂直懸掛式淬火方式可使其水平方向的受力有所減小，而軸向上的受力較水平方向受力簡單，容易控制。

武絡(luò)、宮顯宇、韓海河、王文清、尚利平、胡小剛，內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限責(zé)任公司。