1、专题报道Features F o R M 理工艺设计中的应用 国家模具CAD工程研究中心 濮伸佳马月青董万鹏胡广洪 全 形与改性的生产方式，是从属于材料和制造两大工 业领域的交叉学科与技术。其中，金属材料的热处理工艺 是在固态条件下将金属或合金加热到一定的温度保持一 定的时间，然后用不同的冷却方法冷却下来。通过对加热 温度、保温时间、冷却速度3个主要因素的有机配合，使 其发生金属相的转变，形成各种各样的组织结构而获得 所需要的使用性能的一种热加工工艺。 为保证机械产品的质量和使用寿命，通常都要将重要 的机械零件进行热处理，例如机床制造业中有60 70的零件耍进行热处理，汽车和拖拉机制造业中有
2、7080的零件要进行热处理，工模具制造业中则 100要进行热处理。而旦，只要选择的金属材料合适， 热处理工艺得当，就能使机械零件的使用寿命成倍、甚至 十几倍地提高，收到事半功倍的效果。因此，热处理是机 械零件和工模具制造过程中的关键工序，电是机械工业的 一项重要基础技术，对于提高和控制材料的性能充分发 挥材料的性能潜力，节约材料，减少能耗并增加产品的可 靠性，延长产品的使用寿命，提高生产单位经济效益等都 具有十分重要的意义。因此，国际工业 界公认热处理技术的先进程度是保证 机械制造技术先进与否和保证产品质嚣 的最关键因素。 数值模拟技术 数值模拟技术的出现改变了我们传 艺设计方法，通过计算机软
3、件技 可以无需试模就能够预测工业实 中的金属流动情况，是降低制造 成本，缩短研发周期高效而实用的工具。通过在计算机上 模拟整个产品的加工过程，帮助工程师和设计人员： (1 j设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验 成本 (2)提高工模具设计效率，降低生产和材料成本 f 3 J缩短新产品的研究开发周期。 在众多的模拟软件中，由美国S FTC(Sclentc Forming Technologies Corporation)研发的Deform是一 套基于有限单元法的工艺仿真软件系统，用于分析金属成 形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。其中的热 处理模块(Heat Treatment)可以
4、模拟正火、退火、淬火、 回火、渗碳等工艺过程，能够预测硬度、晶粒组织成分、 扭曲和含碳量，并且有专门的材料模型用于蠕变、相变、 硬度和扩散分析 同时可以分析材料晶相，以及每种晶相 的弹-生、塑性、热和硬度属生等。 多年以来 由于热处理工艺的复杂性和对此认识的局 限，使得对于热处理的计算机模拟这一领域的研究一直都 是各国学者和专家们所致力的热点和重点。目前，Deform 对所能进行分析的材料和工艺类型见表1，其中绿色表示 此模型功能已实现，黄色代表该模型尚处在研发状态。 表1卜IT模块分析 维普资讯 气 t 芒 专题报道Features 工艺实例 为了更为形象地说明Deform软件在金属热处理工
5、艺 设计中的应用，本文以齿轮锻件的热处理工艺设计为例 进行阐述，其渗碳工艺方案如图1所示。 软件平台Deform 2DV81+HT 硬件平台-HP D330 系 统：Windows XP CHS SP2 图1热处理工艺示意图 模拟结果 一低碳钢锥齿轮渗碳后油冷 而后再进行调质处理。 图2的云图清晰地表明了经过调质处理后的锥齿轮的马氏 体含量由原来的80下降到现在的25左右，其综合机 械性能和疲劳强度都得到相应的提升，这和已有的实际经 验是完全一致构。 图3是对锥齿轮在调质前后其硬度的对比，通过计算 机模拟，我们可以清楚地知道通过调质处理，齿轮的耐磨 性得到了提升，径向应力也从原来的160ksi
6、降低到处理后 的130ksi。 Defo rm不仅仅是对应力应变以及金属相进行分析， 而且还能够对产品的机械性能进行预测和模拟。图4就显 示了经过调质处理后，产品的硬度变化情况。 结束语 数值模拟技术在中国的发展与应用已有二十多年了 58 经过无数学者和专家的努力，今天已成为了工厂产品设计 与开发的重要工具。由于我国的工业化起步较晚，发展水 平远远低于西方工业发达国家，在材料模型、设备模型、 数据挖掘等方面的技术积累明显不足，技术人员在发展高 科技，新工艺的同时也不能放松对材料成形工业的基础性 研究。 参考文献 1崔忠沂，刘北兴编金属学与热处理原理哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社1998 2谭家骏主编金属材料厦热处理专业知识解答北京 国防i业 版社1997 3樊东黎论我国热处理生产的技术改追金属热处 理I 998，(7)：2829 4 Kohayashi SOh S IAltan r Metal Forming and the Finite Elemellf Method New York：Oxford University Press， 1989：137f) 5顾剑峰潘健生等淬冷过程计算机模拟的若干进 展金属热处理，1998(1 2)3031 维普资讯
