溫度和摩擦條件對(duì)不銹鋼管材擠壓過程的影響

劉曉芹 劉 穎 張紅穎

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457)

與其它成型工藝相比，熱擠壓時(shí)，除了變形材料晶粒方向趨于一致，形成結(jié)構(gòu)組織外，金屬材料中的硅酸鹽、碳化物等質(zhì)硬而脆的物質(zhì)在變形時(shí)被破碎，沿著主變形方向呈鏈狀分布;而硫化物等具有較好的塑性，沿主變形方向被拉長(zhǎng)連續(xù)分布，使擠壓件的金屬組織具有一定的方向性。擠壓工藝參數(shù)是擠壓生產(chǎn)成功與否的關(guān)鍵因素。其中，坯料的溫度狀態(tài)以及擠壓過程中的摩擦條件直接影響擠壓力、工件質(zhì)量和模具壽命。準(zhǔn)確測(cè)量擠壓過程中的擠壓力以及坯料的溫度狀態(tài)很困難，所以利用數(shù)值模擬技術(shù)來研究擠壓過程是非常必要的。

本文利用有限元數(shù)值模擬軟件，以316LN 不銹鋼管材擠壓件為例，開展了關(guān)于溫度和摩擦條件對(duì)擠壓過程影響規(guī)律的研究。分別采用0 s、45 s 和90 s 三種上料時(shí)間下的坯料溫度狀態(tài)，坯料與擠壓筒內(nèi)壁摩擦因子分別為0、0.1、0.2 和0.3，針對(duì)上述參數(shù)的正交組合進(jìn)行12 組擠壓過程數(shù)值模擬，獲得了不同溫度條件和摩擦條件下的模具載荷及擠壓完畢后材料的軸向位移量。

1 幾何模型和工藝參數(shù)

坯料為圓筒形不銹鋼，為便于研究，在坯料剖面上取了若干數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖1 所示。擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，三維數(shù)值分析模型采用1/4 建模。坯料初始溫度為1 150℃，擠壓速度為50 mm/s。

2 摩擦模型

在金屬塑性成形數(shù)值模擬中常用的兩種摩擦模型分別是庫(kù)侖摩擦模型和剪切摩擦模型。庫(kù)侖摩擦模型定義為:τ=μσn

圖1 不銹鋼管件擠壓用坯料Figure 1 Extrusion billet used for stainless steel pipe

圖2 不銹鋼管件擠壓用模具結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure drawing of extrusion die for stainless steel pipe

式中 μ——摩擦系數(shù);

σn——坯料和模具間的接觸法向應(yīng)力。

該模型用于接觸面間的壓力較低的情況，表示摩擦應(yīng)力達(dá)到接觸應(yīng)力的一定比例時(shí)，材料與模具間開始相對(duì)滑動(dòng)。

塑性剪切摩擦模型定義為:τ=mτyield

式中 m——摩擦因子;

τyield——材料的剪切屈服應(yīng)力。

該模型表示當(dāng)摩擦剪切應(yīng)力達(dá)到材料剪切屈服應(yīng)力的一定比例時(shí)，坯料開始滑動(dòng)。

不銹鋼管件擠壓過程中，坯料與模具間的接觸壓力很大，適合采用塑性剪切摩擦模型。為研究摩擦因子m 對(duì)擠壓過程的影響，本文分別采用了0、0.1、0.2 和0.3 四種摩擦因子進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3 模擬過程中工藝參數(shù)的不同組合

本文對(duì)所選模型在其他參數(shù)相同的情況下，采用不同溫度和摩擦因子進(jìn)行正交組合，共進(jìn)行了12 組熱擠壓過程的仿真試驗(yàn)。

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 上料時(shí)間對(duì)擠壓過程的影響

在擠壓生產(chǎn)中，由于與外界存在熱交換，坯料溫度從出爐到開始擠壓的上料過程中必然降低。坯料溫度的降低會(huì)造成材料的變形抗力增大，從而導(dǎo)致所需擠壓力增大，對(duì)擠壓機(jī)的工作能力提出更高的要求;同時(shí)，坯料表面金屬的溫度降低，塑性變差，表面縱向拉應(yīng)力較大，擠壓件冷卻后容易出現(xiàn)裂紋。

由圖3 可以看出，當(dāng)上料時(shí)間分別為0 s、45 s和90 s 時(shí)，坯料的最低表面溫度分別從1 150℃下降至982℃和937℃，同一坯料的內(nèi)外最大溫差分別為0℃、168℃、213℃，外表面溫降層(溫降達(dá)50℃以上)厚度分別約為0 mm、10 mm、20 mm。此外，坯料在出爐初期降溫明顯，后期降溫速度減慢。為保持坯料溫度及其內(nèi)外溫度的均勻性，一方面應(yīng)適當(dāng)縮短上料時(shí)間，同時(shí)應(yīng)盡量在出爐初期采取保溫措施，如噴涂保溫涂料等，以減小熱損失。

圖3 不同上料時(shí)間條件下坯料的溫度分布Figure 3 Temperature distributions of billet under various charging time conditions

4.2 上料時(shí)間和摩擦因子對(duì)載荷的影響

圖4 為四種摩擦條件下，不同上料時(shí)間對(duì)應(yīng)的模具載荷?？梢钥闯觯Σ翖l件相同時(shí)，隨著上料時(shí)間的增加，擠壓所需載荷亦增加。這是由于坯料與環(huán)境的熱傳遞導(dǎo)致表面金屬溫度下降，金屬原子間結(jié)合力加強(qiáng)，變形抗力增加。金屬變形所需的擠壓力取決于金屬的變形抗力和變形程度，當(dāng)坯料的變形程度相同時(shí)，變形抗力越大，則變形所需要的擠壓力越大。本研究中擠壓力由兩部分構(gòu)成:一是擠壓機(jī)施加的載荷，二是模具對(duì)坯料的摩擦阻力。摩擦阻力隨溫度降低而升高，為了得到更大的擠壓力，則需要擠壓機(jī)施加更大的載荷。

當(dāng)坯料與模具之間的摩擦因子m=0 時(shí)，上料時(shí)間從0 s 延長(zhǎng)至90 s，模具載荷增加了7×106N，上料時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)載荷的影響相對(duì)較小;隨著摩擦因子的增加，上料時(shí)間對(duì)模具載荷的影響亦隨之增大，當(dāng)摩擦因子m=0.3 時(shí)，模具載荷增加了13×106N，約為m=0 時(shí)載荷增加值的2倍。

在生產(chǎn)過程中，應(yīng)盡量縮短上料時(shí)間，以降低模具載荷，延長(zhǎng)模具和擠壓機(jī)的使用壽命，尤其當(dāng)坯料與模具之間的摩擦因子較大時(shí)，更應(yīng)注意。

圖4 不同上料時(shí)間條件下的模具載荷峰值Figure 4 Peak values of die load under various charging time conditions

本研究中坯料材質(zhì)相同，擠壓比相同，坯料的溫度情況相同時(shí)，其變形抗力相同，所需的擠壓力亦相同。擠壓筒施加的載荷促使坯料變形，而摩擦阻礙坯料變形，摩擦阻力越大，則擠壓所需的載荷越大。當(dāng)上料時(shí)間相同，坯料與模具之間的摩擦因子從0 增加至0.3 的過程中，模具載荷呈線性增加。且上料時(shí)間為0 時(shí)，摩擦條件對(duì)模具載荷的影響較小，隨著上料時(shí)間的延長(zhǎng)，坯料的溫度條件惡化，摩擦因子對(duì)載荷的影響亦隨之加大。

改變模具表面粗糙度或潤(rùn)滑狀態(tài)，可以顯著降低模具所承受的載荷，降低模具開裂和磨損等缺陷產(chǎn)生的機(jī)率，延長(zhǎng)模具壽命。

4.3 上料時(shí)間和摩擦因子對(duì)材料流動(dòng)情況的影響

擠壓筒內(nèi)金屬的變形和流動(dòng)不均勻，靠近內(nèi)壁的縱向流線在通過成形模時(shí)產(chǎn)生明顯彎曲。越接近成形模圓角，金屬流動(dòng)越困難。分別取原始位置相同的三個(gè)截面上各點(diǎn)變形后的軸向位移進(jìn)行對(duì)比，所取截面的高度位置分別為508 mm、358 mm 和208 mm，如圖1 所示。圖5 中各圖為擠壓后三個(gè)截面上各點(diǎn)軸向位移量的數(shù)值對(duì)比。從圖中可以看出，同高度各點(diǎn)的軸向位移量都是沿著軸線呈對(duì)稱分布，且隨著離心部距離的增加，其變形前后軸向位移值差逐漸增大。由此可知，擠壓過程中心處金屬變形程度最小，而接近擠壓筒內(nèi)壁金屬變形程度最大。

擠壓過程中的摩擦條件一定，影響材料流速的主要是材料本身的變形能力，在本研究中，主要為材料的溫度條件。縱向觀察圖5，坯料與模具之間的摩擦因子不變，隨著上料時(shí)間的增加，心部材料與邊緣材料的位移差基本保持不變。因此，上料時(shí)間對(duì)各部分材料的流動(dòng)均勻性影響較小。

橫向觀察圖5，擠壓過程中的上料時(shí)間相同，即坯料的溫度狀態(tài)相同，隨著摩擦因子的增加，邊緣材料的流速發(fā)生了明顯下降，心表材料的流動(dòng)均勻性下降，且摩擦因子較小時(shí)，產(chǎn)生的影響較小，摩擦因子較大時(shí)，其對(duì)邊緣材料的影響程度也較大。

圖5 不同上料時(shí)間和摩擦條件下材料的軸向位移值Figure 5 Axial displacement values of material under various charging time and friction terms

擠壓變形使坯料具有三向應(yīng)力狀態(tài)，但由于變形不均勻?qū)е陆饘傺嘏髁蠙M截面的流速差，會(huì)發(fā)生縱向拉應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)引起制品的表面裂紋。為保持制品的良好質(zhì)量，擠壓塑形變形區(qū)的溫度必須與金屬塑性最好的溫度范圍相匹配，且盡量減小坯料與擠壓筒之間的摩擦。

5 結(jié)論

(1)坯料表面在出爐初期降溫明顯，后期降溫速度減慢。當(dāng)上料時(shí)間分別為0 s、45 s 和90 s時(shí)，外表面溫降層(降溫達(dá)50℃)厚度分別約為0 mm、10 mm、20 mm。

(2)在摩擦條件相同時(shí)，隨著上料時(shí)間的增加，擠壓過程所需載荷亦隨之增加，且隨著摩擦因子的增加，上料時(shí)間對(duì)模具載荷的影響亦隨之增大。

(3)當(dāng)上料時(shí)間相同，坯料與模具之間的摩擦因子從0 增加至0.3 的過程中，模具載荷呈線性增加。且隨著上料時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦因子對(duì)載荷的影響隨之加大。

(4)上料時(shí)間對(duì)材料流動(dòng)均勻性的影響較小;坯料與擠壓筒之間摩擦因子增大，接近擠壓筒內(nèi)壁的材料流速明顯下降，材料流動(dòng)均勻性明顯下降，且摩擦因子較大時(shí)，影響較大。

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