冷軋工藝參數(shù)對(duì)TA18鈦合金管材金屬流動(dòng)及成形載荷的影響規(guī)律

劉江林，曾衛(wèi)東，杜子龍，陶 歡，席錦會(huì)，舒 瀅，楊建朝

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)(2.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

冷軋工藝參數(shù)對(duì)TA18鈦合金管材金屬流動(dòng)及成形載荷的影響規(guī)律

劉江林1，曾衛(wèi)東1，杜子龍1，陶 歡1，席錦會(huì)2，舒 瀅2，楊建朝2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)(2.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

管材周期式冷軋成形過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的減徑、減壁過(guò)程，由于軋輥孔型復(fù)雜，軋制過(guò)程中管坯的塑性變形也較復(fù)雜，各種成形工藝參數(shù)的選擇往往都是經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累得到的，對(duì)軋制過(guò)程缺乏規(guī)律性的認(rèn)識(shí)及定量的分析。本研究則借助三維有限元軟件DEFORM-3D再現(xiàn)了冷軋成形過(guò)程，對(duì)成形過(guò)程中金屬的流動(dòng)情況、管材的應(yīng)力應(yīng)變分布以及成形載荷進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：軋制速度和摩擦系數(shù)增大會(huì)引起徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變減小，送進(jìn)量增加則使得兩者均增大。此外，送進(jìn)量和摩擦系數(shù)增大會(huì)顯著增加成形載荷。

TA18鈦合金；管材；皮爾格軋制；有限元模擬

0 引 言

TA18鈦合金是從TC4鈦合金演變而來(lái)的低鋁當(dāng)量、近α型鈦合金，主要用于制造工作溫度達(dá)315 ℃，并要求具有一定強(qiáng)度和抗氧化性的航空部件，尤其是航空航天管路系統(tǒng)[1]。由于TA18鈦合金為密排六方(hcp)晶體結(jié)構(gòu)，其冷變形條件下滑移系較少，變形抗力大，加工硬化顯著。皮爾格周期式冷軋技術(shù)是一種綠色低耗的兩輥冷軋管成形技術(shù)，是生產(chǎn)難變形合金薄壁管的重要手段，因此，也是生產(chǎn)高精度TA18鈦合金管材的一種主要方法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已通過(guò)多種手段對(duì)皮爾格管材冷軋技術(shù)進(jìn)行了研究。Yoshida H等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，在管坯表面畫上網(wǎng)格，管坯經(jīng)過(guò)軋制后網(wǎng)格形狀發(fā)生改變，從而得出應(yīng)變值，并對(duì)軋制方向不同位置的正應(yīng)力、徑向力與軸向力進(jìn)行了測(cè)量。Furugen M和Hayashi C[3]首次將塑性變形理論應(yīng)用于皮爾格冷軋過(guò)程的分析中，并采用數(shù)值解析和試驗(yàn)方法對(duì)皮爾格冷軋過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了皮爾格冷軋加工性評(píng)價(jià)方法。有限元法(FEM)作為一種解決塑性加工成形問(wèn)題的重要手段，將其應(yīng)用于皮爾格冷軋成形規(guī)律分析經(jīng)歷了二維簡(jiǎn)化(Osika J等[4])到三維全面建模(Lodej B等[5]，黃亮等[6-7])的發(fā)展過(guò)程。Osika J等[4]對(duì)皮爾格冷軋過(guò)程進(jìn)行了2D-FEM分析，但因簡(jiǎn)化過(guò)多而產(chǎn)生了較大誤差；Lodej B等[5]采用Forge3軟件對(duì)周期式軋管的金屬變形過(guò)程進(jìn)行了仿真，材料為鋯涂層管材；黃亮等[6-7]在分析了皮爾格冷軋動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的前提下，使用Abaqus軟件對(duì)一組成形工藝條件下等效應(yīng)變及應(yīng)力等的變化情況進(jìn)行了分析。由于在反行程軋制過(guò)程中金屬只發(fā)生彈性變形，因此他們?cè)诮＿^(guò)程中只考慮了軋輥前進(jìn)的正行程。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的張士宏等人[8]應(yīng)用大型商用有限元軟件MSC.Marc對(duì)TA18鈦合金管坯三輥冷軋過(guò)程進(jìn)行了三維有限元模擬，獲得了三輥冷軋過(guò)程中瞬時(shí)變形區(qū)接觸規(guī)律、坯料質(zhì)點(diǎn)在軋制中的運(yùn)動(dòng)軌跡、摩擦力和剪應(yīng)力的周向分布以及金屬管坯從進(jìn)入變形區(qū)到出變形區(qū)各階段的變形規(guī)律。但是以上建模均主要是揭示皮爾格冷軋過(guò)程中金屬的變形規(guī)律，而對(duì)冷軋過(guò)程中關(guān)鍵工藝對(duì)成形的影響規(guī)律及定量分析缺乏深入研究。

本研究通過(guò)對(duì)皮爾格冷軋過(guò)程運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，基于DEFORM-3D建立TA18鈦合金管材皮爾格冷軋三維有限元模型，研究不同工藝參數(shù)對(duì)成形規(guī)律和載荷的影響，旨在為制定TA18鈦合金管材軋制工藝提供理論指導(dǎo)。

1 二輥皮爾格周期冷軋三維有限元模型

1.1 皮爾格冷軋過(guò)程分析

圖1為二輥皮爾格冷軋示意圖。軋管時(shí)，管坯套在一根擰在芯桿上且固定不動(dòng)的芯頭上，在由裝在軋輥切槽中的兩個(gè)變截面的圓形軋槽所組成的環(huán)形孔型中進(jìn)行軋制?？仔凸ぷ鞑糠质级酥睆较喈?dāng)于管坯直徑，末端直徑相當(dāng)于成品管直徑。當(dāng)工作機(jī)架處于原始位置時(shí)，借助送進(jìn)機(jī)構(gòu)將管坯向軋制方向送進(jìn)一段距離f(送進(jìn)量)。當(dāng)工作機(jī)架向前移動(dòng)時(shí)，軋輥也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，孔型半徑逐漸減小，使已送進(jìn)的管坯獲得減徑和減壁，管材的變形部分成為工作錐。在軋制過(guò)程中，管坯后端是被卡住的，不能發(fā)生軸向移動(dòng)。當(dāng)工作機(jī)架移至前極限位置Ⅱ-Ⅱ時(shí)，用專門的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將管料和芯棒同時(shí)回轉(zhuǎn)60°～90°。當(dāng)工作機(jī)架返回時(shí)，軋輥孔型可使已軋過(guò)部分的管材得到精整。此外，由于金屬橫向流動(dòng)的原因，會(huì)使管材和芯棒之間產(chǎn)生一定的間隙，這就為下次送料創(chuàng)造了條件。當(dāng)工作機(jī)架回到原始位置Ⅰ-Ⅰ時(shí)，則再送進(jìn)一段長(zhǎng)度為f的管料。如此反復(fù)直至全部管料軋完[9-10]。

圖1 二輥皮爾格冷軋示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-high cold pilgering

1.2 有限元模型建立

周期式冷軋管過(guò)程的周期性體現(xiàn)在工作機(jī)架在前后極限位置間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，任何一小段金屬管料從進(jìn)入變形區(qū)到出變形區(qū)都要經(jīng)過(guò)數(shù)十道次的輾軋。因此，無(wú)需對(duì)多個(gè)道次全部進(jìn)行分析，可以對(duì)有限元模型簡(jiǎn)化：①深究周期性和回程彈性變形的特點(diǎn)，只對(duì)正行程進(jìn)行建模； ②為了貼近實(shí)際軋制過(guò)程，預(yù)制變形過(guò)渡區(qū)后，給定送進(jìn)量進(jìn)行軋制仿真建模。

使用UG NX的造型功能建立復(fù)雜軋輥孔型、芯棒和管坯的幾何模型，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后獲得的*.STL 格式的模型文件導(dǎo)入到DEFORM-3D 中，隨后利用軟件的定位(Object Positioning)功能進(jìn)行裝配，以確定各零件間的初始相對(duì)位置關(guān)系。最后將管坯尾端加上軸向位移為0的邊界條件，建立如圖2所示的二輥皮爾格周期式管材冷軋三維有限元模型，并將壓縮試驗(yàn)得到的如圖3所示的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DEFORM-3D材料庫(kù)中。TA18鈦合金室溫下的泊松比為0.39，密度為4.47 g/cm3，彈性模量為96.3 GPa。當(dāng)新的材料庫(kù)生成后，將工件的材料設(shè)置保存為新創(chuàng)建的“TA18”。由于模具剛度較管坯的大，變形小，所以假設(shè)模具為剛性體，管坯離散為10萬(wàn)個(gè)四面體網(wǎng)格。選擇庫(kù)倫摩擦類型，管坯網(wǎng)格最小單元尺寸為1.552 mm，選取0.5 mm為增量步長(zhǎng)。為了揭示工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，選取合理的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 皮爾格管材冷軋三維有限元模型Fig.2 3D finite element model of the cold pilgering

圖3 TA18鈦合金室溫真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of TA18 alloy at room temperature

表1 不同工藝參數(shù)的模擬方案Table 1 Schemes of different process parameters

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 送進(jìn)量對(duì)周期式冷軋金屬流動(dòng)的影響

圖4為軋制速度80次 · min-1、摩擦系數(shù)0.1時(shí)不同送進(jìn)量(2、5、8 mm)條件下管材開口區(qū)的應(yīng)變分量變化情況。從圖4a可以看出，隨著送進(jìn)量的增加，徑向拉應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)送進(jìn)量為2 mm和5 mm時(shí)，徑向拉應(yīng)變?cè)跍p徑段和壁厚壓下段逐漸增大，定徑段則慢慢減小。原因是由于在減徑段，管材只與軋輥接觸，與芯棒存在間隙，此時(shí)的孔型開口度也較大，因此開口區(qū)產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)變較??；當(dāng)進(jìn)入到壁厚壓下段時(shí)，管材除了跟軋輥接觸，內(nèi)表面還與芯棒接觸，從而內(nèi)外表面均受到擠壓，此時(shí)孔型開口度也逐漸減小，金屬除了沿軋制方向流動(dòng)，還有一部分會(huì)流到開口區(qū)，因此徑向拉應(yīng)變逐漸增大[2-3]；而到了定徑段后，孔型開口度達(dá)到最小值，但此時(shí)管材已經(jīng)成形，尺寸變化很小，因此徑向拉應(yīng)變會(huì)逐漸降低。當(dāng)送進(jìn)量為8 mm時(shí)，徑向拉應(yīng)變?cè)谲堉坪笃谝廊恢饾u增大，這主要是因?yàn)樗瓦M(jìn)量過(guò)大，導(dǎo)致進(jìn)入到軋制后期時(shí)，管材尺寸大于成品管材所需尺寸，受模具限制，會(huì)產(chǎn)生較大變形，金屬會(huì)沿著輥縫溢出，導(dǎo)致開口區(qū)徑向拉應(yīng)變?cè)黾印?/p>

圖4 不同送進(jìn)量下應(yīng)變分量隨軋制進(jìn)程的變化曲線Fig.4 Variation curves of strain components with rolling process under different feed size

從圖4b可以看出，隨著送進(jìn)量的增加，環(huán)向壓應(yīng)變也呈增加趨勢(shì)，但當(dāng)送進(jìn)量增加到一定程度之后(送進(jìn)量大于5 mm)，在減徑段和壁厚壓下段，增加送進(jìn)量對(duì)環(huán)向壓應(yīng)變的影響效果不明顯；而當(dāng)送進(jìn)量增加到8 mm時(shí)，同樣出現(xiàn)了軋制進(jìn)程后期環(huán)向壓應(yīng)變依然增大的情況，這與徑向拉應(yīng)變類似，也是由于送進(jìn)量過(guò)大，導(dǎo)致軋制進(jìn)程后期管材尺寸大于成品管材所需尺寸，在軋輥和芯棒的限制作用下，輥縫處的管材出現(xiàn)內(nèi)壁收縮，因此環(huán)向壓應(yīng)變較大。

2.2 軋制速度對(duì)周期式冷軋金屬流動(dòng)的影響

周期式冷軋的軋輥不是只作單一的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，而是作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并且軋輥速度的選取關(guān)系到成品管材的表面質(zhì)量，合理的軋制速度可以有效避免成品管材外表面出現(xiàn)裂紋之類的缺陷，因此，研究軋制速度對(duì)冷軋成形過(guò)程的影響具有重要的意義。

圖5為送進(jìn)量5 mm、摩擦系數(shù)0.1時(shí)不同軋制速度條件下管材開口區(qū)的應(yīng)變分量變化情況。從圖5可以看出，隨著軋制速度增加，徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著軋制速度增加，軋輥與管材的接觸變形時(shí)間越來(lái)越短，導(dǎo)致金屬來(lái)不及沿輥縫兩側(cè)流動(dòng)，因此孔型開口處的壁厚增加很少，不管是徑向拉應(yīng)變還是環(huán)向壓應(yīng)變均逐漸減小。此外，在不同的軋制速度條件下，徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均是在軋制前期逐漸增大，到軋制中后期達(dá)到最大值，進(jìn)入軋制后期再逐漸減小。

圖5 不同軋制速度下應(yīng)變分量隨軋制進(jìn)程的變化曲線Fig.5 Variation curves of strain components with rolling process under different rolling speed

2.3 摩擦系數(shù)對(duì)周期式冷軋金屬流動(dòng)的影響

管材冷軋過(guò)程中金屬的變形是通過(guò)軋輥的壓力作用到管材上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故管坯與軋輥、芯棒之間的摩擦狀況對(duì)管材成形過(guò)程中金屬的流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)量的分布以及模具所承受的載荷有很大的影響。因此，研究摩擦對(duì)冷軋成形的影響規(guī)律十分必要。圖6為送進(jìn)量5 mm、軋制速度80次 · min-1時(shí)不同摩擦系數(shù)條件下管材開口區(qū)的應(yīng)變分量變化曲線。

圖6 不同摩擦系數(shù)下應(yīng)變分量隨軋制進(jìn)程的變化曲線Fig.6 Variation curves of strain components with rolling process under different friction coefficient

從圖6可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均逐漸減小。這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)的增加會(huì)阻止金屬流動(dòng)，金屬向側(cè)面開口區(qū)流動(dòng)變得困難，因此開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均減小。此外，在整個(gè)軋制進(jìn)程中，應(yīng)變分量也是呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，在軋制前期(軋制進(jìn)程40%以前)，三條曲線幾乎重疊，也就是說(shuō)在此階段應(yīng)變分量幾乎不受摩擦系數(shù)的影響，這是由于在減徑段管材不與內(nèi)部芯棒接觸造成的。

2.4 不同工藝參數(shù)對(duì)成形載荷的影響

圖7為不同工藝參數(shù)下，成形載荷隨軋制進(jìn)程的變化曲線。從圖7a可以看出，當(dāng)送進(jìn)量較小時(shí)(2 mm和5 mm)，冷軋過(guò)程中垂直分力變化規(guī)律基本一致，都是隨軋制進(jìn)程的增加，垂直分力逐漸增大， 進(jìn)程為30%時(shí)達(dá)到最大值，隨后垂直分力降低，符合周期式冷軋成形的一般規(guī)律[10]。這是因?yàn)楣懿牡闹髯冃伟l(fā)生在軋制前期，后期為減小變形的不均勻性，獲得形狀尺寸均勻的管材而壓下量較??；當(dāng)送進(jìn)量為8 mm時(shí)，軋制后期垂直分力有所增加，原因是過(guò)大的送進(jìn)量增加了定徑段的管材尺寸，在軋輥和芯棒的限制作用下，管材會(huì)產(chǎn)生一定的變形量來(lái)達(dá)到預(yù)定的軋成管材尺寸，因此垂直分力有所增加。增加送進(jìn)量會(huì)導(dǎo)致徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變?cè)黾?，同樣也?huì)增大成形載荷，導(dǎo)致模具壽命降低，但送進(jìn)量太小會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，當(dāng)送進(jìn)量為5 mm時(shí)，能夠兼顧成形時(shí)的應(yīng)變、載荷條件和軋制效率[10]。

圖7 不同工藝參數(shù)下成形載荷隨軋制進(jìn)程的變化曲線Fig.7 Variation curves of forming load with rolling process under different rolling parameters

從圖7b可以看出，隨著軋制速度增加，垂直方向的軋制分力逐漸減小，這同樣是由于軋制速度越快，金屬變形時(shí)間越短，金屬來(lái)不及流動(dòng)，因此變形抗力減小。從圖7c可以看出，隨著摩擦系數(shù)不斷增大，垂直分力大體上呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，且在軋制中后期非常明顯，而在軋制前期，由于管材不與內(nèi)部芯棒接觸，成形載荷受摩擦條件的影響較小，三條曲線十分接近。改善管材內(nèi)表面與芯棒之間的潤(rùn)滑條件，可以盡可能降低摩擦系數(shù)，從而減小冷軋過(guò)程中的成形載荷。但是與此同時(shí)，卻會(huì)增大開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變，不利于成形出內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)良的管材，尤其是冷軋厚壁管材時(shí)，減徑段金屬內(nèi)部出現(xiàn)較大的不均勻變形，管材內(nèi)表面很容易產(chǎn)生皺折和微裂紋，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大摩擦[9]。

3 結(jié) 論

研究了送進(jìn)量、軋制速度與摩擦系數(shù)對(duì)冷軋TA18鈦合金管材成形影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)隨著送進(jìn)量的增大，開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均增加，同時(shí)成形載荷會(huì)增大，導(dǎo)致模具壽命降低。送進(jìn)量過(guò)大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致金屬溢出輥縫，產(chǎn)生開裂或折疊。

(2)軋制速度增加，徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均減小，垂直分力也減小。

(3)摩擦系數(shù)增加，開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變減小，成形載荷增加。對(duì)于容易出現(xiàn)內(nèi)表面質(zhì)量問(wèn)題的厚壁管，建議適當(dāng)增加摩擦。

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The Influence Rule of Rolling Process Parameters on Metal Flow and Forming Load of TA18 Alloy Tube During Cold Rolling

Liu Jianglin1,Zeng Weidong1,Du Zilong1,Tao Huan1,Xi Jinhui2,Shu Ying2,Yang Jianchao2

( 1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China) (2.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China)

The cold rolling of tube is a complicated forming process that involves diameter and wall thickness reduction.The tube plastic deformation in the course of rolling process is also complicated due to the complex roll pass，so the basis of selection for rolling parameters is the long term practical experience rather than regularity results and quantitative analysis from the rolling process.This paper simulated the cold pilgering process by using the finite element software environment DEFORM-3D,then thoroughly analyzed the metal flow,strain distribution along the tube and forming load in the tube forming processes.The results show that radial tensile strain and circumferential compressive strain decrease with the increasing of rolling velocity and friction coefficient,while they both increase with the increasing of feed.What’s more,the increase of feed and friction coefficient result in the increasing of forming load.

TA18 titanium alloy; tube; pilgering rolling; finite element modeling

2015-01-13

教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”(NCET-07-0696)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012KTZB01-03)

劉江林(1984—)，男，博士研究生。