大模塊淬火冷卻虛擬生產(chǎn)及智能化工藝裝備研究.pdf

1、對于大型預(yù)硬化塑料模具鋼，由于水的冷卻能力強(qiáng)，淬后截面硬度差大、棱角和表面易出現(xiàn)裂紋；而油的冷卻能力相對較弱，預(yù)硬化厚度較淺且存在油煙和火災(zāi)隱患；水淬+油冷可在一定程度上克服兩者的不足，但是工藝控制難度大，限制了預(yù)硬化深度；聚合物類水溶性介質(zhì)淬火冷卻能力介于水與油之間，但其低溫段的冷卻能力很高仍有開裂危險，且介質(zhì)成本高，自然降解緩慢，對環(huán)境有不利影響。顯然，理想的工藝應(yīng)當(dāng)是僅僅用水和空氣，通過嚴(yán)格控制水和空氣交替作用在工件上的時間，來實

2、現(xiàn)大模塊的控制冷卻獲得盡可能均勻的組織和性能。但要在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)，仍然面臨很多問題，其中工藝裝備將在很大程度上決定此理想方案的實現(xiàn)與否。本文針對工業(yè)化生產(chǎn)條件下，僅用水和空氣為介質(zhì)淬火冷卻塑料模具鋼大模塊的特點，討論了淬火冷卻技術(shù)及其計算機(jī)模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，及存在的問題。指出目前的熱處理數(shù)值模擬研究與應(yīng)用還處在初級階段，對熱處理數(shù)值模擬精度有重要影響的一些參數(shù)，尚缺乏可靠的數(shù)據(jù)來源，使得數(shù)值模擬的運(yùn)算結(jié)果對實際生產(chǎn)還只能起到輔助

3、的參考作用。但是，本文認(rèn)為熱處理過程的數(shù)值模擬提供了一個強(qiáng)大的虛擬生產(chǎn)試驗的工具，使人們得以在虛擬環(huán)境中演繹整個工藝過程，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，優(yōu)化熱處理工藝和開發(fā)熱處理新技術(shù)。與傳統(tǒng)的試驗相比，虛擬生產(chǎn)試驗更加靈活、快速，且經(jīng)濟(jì)。同時，應(yīng)當(dāng)正視其存在的問題，在深刻理解計算機(jī)模擬的局限性的前提下合理地充分發(fā)揮其積極作用，完全可以在實際工業(yè)生產(chǎn)中起到良好的甚至是巨大的作用。 ⑴對大型塑料模具鋼采用水和空氣作為淬火介質(zhì)的噴液、浸液、風(fēng)冷和

4、空冷的組合淬火，測量和計算了各種情況下的換熱系數(shù)。對換熱系數(shù)的計算方法(如反傳熱法、集中熱容法和大電流法等)進(jìn)行了討論。本文提出了改進(jìn)的集中熱容法，克服了原有的集中熱容法的缺點，使其適用范圍大為擴(kuò)展，從實際應(yīng)用效果看，對噴霧情況下仍能獲得相當(dāng)合理的結(jié)果，與反傳熱法的結(jié)果非常接近。在原理上，改進(jìn)的集中熱容法誤差要比集中熱容法小，并且受溫度采樣誤差的影響比反傳熱法小得多，計算穩(wěn)定性較好。從風(fēng)冷和噴霧冷的結(jié)果看，溫度采樣波動對改進(jìn)的集中熱容法

5、計算結(jié)果的影響比其它兩種方法小得多；但仍不適用于冷速很快時如水冷和噴水冷卻的情況。 ⑵設(shè)計了一套可以測量不同冷卻方式下試樣換熱系數(shù)的實驗裝置，測得了方板探頭在空冷、以及各種不同壓力下噴氣、噴霧和噴水的冷卻曲線；用反傳熱法、集中熱容法和改進(jìn)的集中熱容法計算得到了這些冷卻方式下的換熱系數(shù)。還設(shè)計了大電流方法測量裝置，測量了不同探頭形狀和不同探頭材料在不同風(fēng)速下的換熱系數(shù)。 ⑶在有限元法求解溫度場和組織轉(zhuǎn)變量等的基礎(chǔ)上，根據(jù)工

6、業(yè)上對大型P20和718塑料模具鋼使用要求，考慮到它們的相變特性，制定了復(fù)合冷卻條件下虛擬淬火的研究方案。對這兩種鋼不同尺寸的工件采用有限元法模擬了以水和空氣為介質(zhì)的復(fù)合冷卻條件下的溫度場和組織場，尋找滿足工業(yè)要求的工藝參數(shù)，結(jié)合物理模擬方法，制定了這兩種鋼不同尺寸工件的優(yōu)化淬火工藝。研究表明對＞600mm以上的718鋼件，由于經(jīng)過數(shù)小時的冷卻，近表面相當(dāng)厚的材料已經(jīng)完成了組織轉(zhuǎn)變，然后可以通過后期強(qiáng)冷加快心部冷卻，達(dá)到增加便化層深度和

7、縮短工藝時間的雙重效果。 ⑷針對高淬透性鋼，設(shè)計制作了一套端淬實驗裝置，使端淬試樣在淬火過程中近似符合一維傳熱?？梢杂枚舜阍嚇拥幕鼗鹪囼灤_定淬火態(tài)硬度、回火溫度、回火時間對回火后硬度的影響規(guī)律，可作為制定大模塊熱處理回火工藝的依據(jù)。端淬試樣的回火試驗結(jié)果表明，為使P20鋼和718鋼回火后硬度保持在33HRC左右，應(yīng)選擇600℃左右的回火溫度為宜。 ⑸分析討論了傳統(tǒng)工藝與裝備的缺陷，提出了開發(fā)智能化大型復(fù)合冷卻工藝裝備的設(shè)

8、計要求，思路與實施方案。實現(xiàn)了在單臺設(shè)備上組合浸液水淬、噴水、噴霧、風(fēng)冷和空冷等多項功能，裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了獨特的通過介質(zhì)快速注入與排放方法，實現(xiàn)了在不設(shè)置升降臺條件下的組合式淬火。PLC控制采用了模塊化PC控制模式的控制流程，以一種循環(huán)結(jié)構(gòu)米代替?zhèn)鹘y(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)，只需要很少的數(shù)據(jù)存儲空間就可以實現(xiàn)大量加工內(nèi)容的表示，提升了控制模式的靈活性和通用性，滿足了復(fù)雜工藝的需要，實現(xiàn)了計算機(jī)控制下的組合淬火(浸液水淬+噴水+噴霧+風(fēng)冷+空冷)。采