文章来源：

　　　　张兴致(大连理工大学)

　　摘 要

　　在高温合金和钛合金的精密成形过程中，模具的升温引起的型面尺寸变动以及锻件冷却引起的尺寸收缩，对过程控制及模具设计、制造提出了更高要求。为提高成形精度和模具的寿命，就需要定量分析与控制成形过程中温度因素，锻件与模具间的接触换热系数作为影响温度分布的一个重要因素，日益受到关注。另外，随着计算机及数值计算方法的发展，以有限元为代表的数值模拟方法已广泛应用于金属塑性成形过程分析中，其准确的预测是建立在准确的材料物理参数基础上的，接触换热系数作为一个重要的参数，直接影响界面间热量的传递和温度的分布，但此方面数据极为缺乏。因此展开对接触换热的研究具有十分重要的意义。

　　接触换热问题由于其传热机理比较复杂，因此一直没有得到一个令人满意的解决方案，现有的理论模型及公式与实际工程的应用还存在很大的差距，因此最基本的还是通过试验手段进行测量。本文以常用高温合金和钛合金锻造过程中工件与模具间界面传热为研究对象，在试验研究的基础上，探讨工模具直接接触及带玻璃润滑剂时的界面接触换热系数产生机理以及影响因素。

　　本课题的主要工作和研究成果集中体现在以下几个方面：

　　(1)对界面温度在500-800 ℃范围内，工件和模具材料直接接触和带玻璃润滑剂的界面间接触换热进行了研究，考察了接触面温度、界面压力、玻璃润滑剂厚度、接触过程等因素对接触换热系数的影响。

　　(2)试验发现玻璃润滑剂的软化区间在620.740 ℃。玻璃润滑剂的导热系数对温度比较敏感，在510--636 ℃温度范围内玻璃润滑剂的导热系数随着温度的升高而增大，两者近似成指数关系。

　　(3)总结归纳了目前界面传热领域的一些基本观点、研究方法以及数学模型。参考已有的接触换热系数计算模型，结合传热学知识建立了带中间介质的界面传热一般模型。

　　关键词

　　接触换热系数 热传导 玻璃润滑剂 导热系数 试验研究

　　1 绪论

　　1.1 课题概述

　　1.1.1课题研究的背景

　　航空、航天、能源工业采用的锻件材料大多是高强度的合金钢和各种特殊合金。在航空、航天发动机和燃气轮机中大量使用了高温合金和钛合金，在新型歼击机上钛合金用量已增到40%。这些材料的大量应用对提高发动机的推重比，提高飞机的飞行速度和战斗特性都起到了特别重要的作用。然而，高温合金和钛合金都是价格昂贵的金属材料，又是属于难加工的材料类型。在这类合金的锻造过程中，由于变形抗力大，变形温度高，变形的温度范围狭窄，通常只能锻成粗锻件。造成大量金属的浪费，使毛坯价格很高。这些特殊合金的机械加工性能特别差，机;bn-v费用特别高，使成品零件的价格极其昂贵。因而钛合金和高温合金的精密锻造是其发展的必然趋势。以叶片为例，普通模锻叶片的材料利用率约为30%，精锻叶片的材料利用率则可提高到50%以上。精锻生产不仅能完整地保留锻件的金属流线，增强锻件的强度和承载能力，同时节约了昂贵的材料，并解决了难加工的问题。

　　大批量可重复地生产高精度的锻件是一项复杂的系统工程，工艺设计、实施的任一环节都可能影响到精度指标。温度作为基本工艺参数之一，直接影响到成形精度和模具寿命。高接触应力伴随循环热冲击可能造成模具磨损、塌陷、裂纹，是一般锻造工艺常见的模具失效形式。在精密成形过程中，模具的升温引起型面尺寸的变动，以及锻件冷却引起的尺寸收缩(通常是不均匀的)，对过程控制及模具设计、制造提出了更高的要求。因此定量地分析与控制成形过程中温度因素对工件、模具精度的影响，对于精锻工艺和模具的设计与优化，以及精锻技术的发展具有重要意义。锻件与模具间的接触换热系数作为影响温度分布的一个重要参数就显得尤为重要。

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