小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数

数

第17卷第2期 2010年4月 塑性工程学报

JOURNALOFPLASTICITYENGINEERING doi:—

小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数

(燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004)郭宝峰金淼.刘鑫刚别,振铎 (哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司,秦皇岛066004)路郅远

摘要:针对小规格TiNiNb管材反挤压成形试验的工艺参数确定和模具设计问题,采用有限元

热力耦合数值模拟和单因素轮换法,分析在满足制件成形质量(挤出温度低于共晶熔点)的前提下,挤压力与凹模模

角和定径带长度,凹模和挤压筒温度,毛坯初始温度,挤压速度及摩擦因子等工艺参数和模具结构参数之间的关

系,确定影响挤压力的主要工艺参数和模具结构参数分别为凹模模角,初始坯料温度,挤压速度和摩擦因子,并给

出上述参数的取值范围.通过基于数值模拟的正交试验方法,得到了主要工艺参数和模具结构参数的最佳组合,即

在保证润滑效果的前提下,取凹模模角110.,毛坯初始温度为950℃,挤压速度为50mm/s.利用铅和45号钢毛坯

在多向模锻挤压液压机上进行了验证实验. 关键词:反向挤压;管材;热力耦合;工艺优化;TiNiNb

中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007—2012(2010)02—0050—06 Researchonprocessparametersofsmallsize TiNiNbtubebackwardextrusion

(CollegeofMechanicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004China) LUZhi—yuan.

(HarbinElectricCorporation(Qhd)HeavyEquipmentCompanyLimited,Qinhuangdao066004China)

Abstract:Researchonbackwardextrusionof~—

,lengthofcalibratingland,dietemperature,containertemperature,initialtemperatureofbillet,

peratureofbillet, ,theoptimalsetofparam-

etersisobtainedasdieangle110.,initialtemperatureofbillet950~Candextrusionvelocity50mm/srespectivelyundertheeondi—

Keywords:backwardextrusion;tube;thermal-mechanicalcoupling;processoptimization;TiNiNb 引言

TiNi基合金具有特殊的形状记忆功能和超弹 性,比强度高,耐蚀性好,生物相容性好等特点, 在航空航天,仪器仪表,原子能,石油化工,电子 郭宝峰

作者简介:郭宝峰,男,1958年生,燕山大学,教授 收稿日期:2009—08—20;修订日期:2009—11—03 以及医疗器械等领域具有很好的应用前景,是迄今 为止应用效果最好的一种形状记忆合金L1q].十五以 来,我国科学研究和工业应用对TiNi合金的需求增 加,2007年的销量达到40t,较10年前增加了近4O

倍,而且近年的增幅均在25～3O以上[5].然 而,有研究表明,该合金的加工相对困难,加工成 本较高_6.].有关塑性成形技术方面的问题得不到解 决,将影响TiNi基合金的应用范围的拓展,进而影 响到TiNi基合金产业的发展_8].

TiNiNb合金是一种宽滞后型形状记忆合金.

第2期郭宝峰等:小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数51 与传统的TiNi二元合金相比,其相变滞后宽,加工 成形性能好,已成为航空航天管路连接系统中管接 头制造的首选材料[9].受应用研究的牵引,目前小 规格TiNiNb管材的制造工艺已开始得到关注,有 企业采用切削方法加工小规格的TiNiNb管材.但 由于TiNiNb合金塑性好,导热系数较小,所以采 用切削加工对刀具消耗严重,生产效率较低. 采用挤压的方式制备小规格TiNiNb管材,虽然 符合成形原理,铝,铜合金以及钢的热反挤压成形工 艺早已实现工业化[1,但是由于对TiNiNb合金挤 压成形方面的研究成果少,其热反挤压成形需要克服 的技术层面的问题尚不清楚,值得深入探索. 1反挤压成形过程的数值模拟模型 反挤压成形

试验拟定的热反挤压管材外径为44mm,壁厚 为,考虑到试验设备的空间尺寸,管材的

长度被限定在400mm之内.挤压成形工艺原理如 图1a所示.挤压毛坯如图1b所示,外径72mm, 公称内径23mm.挤压比按计算,毛坯高度取 llOmm.挤压凹模如图1c所示.在挤压过程中芯棒 与挤压轴保持同步运动. 挤压轴 凹模

挤压筒 毛坯 挤压垫 芯棒 盟 ! 0 iHI l b

图1反挤压原理及其毛坯,凹模 ,billetanddie 数值模拟模型

挤压毛坯材质为TiNiNb合金,材料的物理性 能和力学性能列于表1.其中力学性能参数是室温 状态下的数值,在不同应变速率和温度条件下的应 力应变曲线如图2所示.

表1TiNiNb合金的物理性能和力学性能

propertiesofTiNiNballoy

℃I热导率/l比热/l相变焓/r/(m?K)lkJ/(kg?K)lJ/mol J/ 相 (m 变

ol/K)l耋/性G模PaI/拉M强Pal/服M强Pal延伸率/?K)l量l度l度l一_r 重 垂 重

窆 R

图2应力一应变曲线

a)一一1;b)一一1;c):ls一1;d)一10s一

考虑到结构和载荷的对称性以及有限元分析的 预期目标,构建了1/4结构的三维有限元模型.毛 52塑性工程学报第17卷

坯的单元类型为四面体结构.图3为挤压成形过程 的有限元分析模型. 挤压筒 凹模 芯棒 挤压垫 毛坯

图3挤压过程的有限兀仿真模型

对于TiNiNb合金材料,由于已有的知识和生 产实践经验在挤压成形试验方案设计,模具设计和 工艺参数确定等方面都很缺乏,为揭示挤压成形工 艺参数与力能参数之问的关系,在满足管材成形(即 出口温度低于共晶熔点)的前提条件下,采用单因素 轮换法,通过热力耦合有限元逐一对凹模模角及其 定径带长度,凹模温度,挤压筒温度,芯棒温度, 毛坯初始温度,挤压速度以及摩擦因子等参数,与 挤压成形及其力能参数之间的关系进行了分析和研 究.被轮换的参数取值范围如表2所示,每个取值 范围内设5个水平值.未被轮换的参数值固定,取 定径带长度8mm,凹模模角120.,毛坯初始温度 950℃,凹模温度400℃,挤压筒温度400℃,芯棒

温度400℃,挤压速度30mm/s,摩擦因子为. 表2设定的工艺参数取值范围

定径带凹模凹模温挤压筒毛坯初始挤压速摩擦 长度/mm模角/.度/℃温度/℃温度/℃度/mm/s因子 2～3O～25O～35O～85O～lO～～

2工艺参数对挤压力的影响

挤压凹模的定径带长度与挤压力之间的关系如 图4所示.从图4中不难看出,由于管材直径较小, 定径带尺寸对挤压力的影响并不明显.定径带长度 由2ram增加至10mm,摩擦表面积即可增加4倍, 而挤压力则仅仅增加45kN,约.可见,对于

小规格管材反向挤压成形的情况,增加定径带长度 对挤压成形的力能参数的影响可以忽略不计. 凹模模角对挤压力的影响规律如图5所示,当 凹模模角从3O.增加至120.时,挤压力的增幅为 ;而当模角从120.增加至150.时,挤压力明 显增加,其增幅为16.由此可见,采用小模角对 降低挤压力有益.但是已有的研究结果表明,采用 蚤, 略

图4挤压力与定径带长度的关系

lengthofcalibratingstraight

小模角挤压成形时,不利于保持变形区内的润滑剂, 使润滑条件恶化,管材表面质量下降u].凹模模角 的取值范围在110.～130.为宜. , 幽

蟛

图5挤压力与凹模模角的关系

凹模温度,挤压筒温度与挤压力的关系分别如 图6和图7所示.凹模的加热温度在从250℃按每 5O℃的级差增加至450℃的进程中,挤压力的下降 值只有49kN,下降了约;挤压力在挤压筒的 加热温度从350℃分五级增加到550℃的进程中,也 只是减小了24kN,约.由此可见,凹模温

度,挤压筒温度对于小规格管材的热反挤压力能参 数影响并不重要. 五, 出 鞲 嚼

图6挤压力与凹模温度的关系

withdietemperature

第2期郭宝峰等:小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数53 蚤, 堪

图7挤压力与挤压筒温度的关系

containertemperature

图8是毛坯初始加热温度与挤压力的关系曲线. 从图8中可以看出,挤压力随毛坯初始加热温度的 变化趋势是,初始加热温度越高,挤压力越低,按 三次曲线函数变化,趋势函数可以描述为 Y一一.+一+120067 (1)

蚤, 出 斗< oo

坯料初始温厦/℃

图8挤压力与毛坯初始加热温度的关系

withbillettemperature

毛坯的初始加热温度由850℃升至1050℃,挤 压力减小了456kN,约为.因此,毛坯的初

始加热温度应该是小规格管材热反挤压成形时必须 考虑的参数.但是,对毛坯初始加热温度的上限值 应当严格控制.热力耦合有限元分析结果表明,在 挤压成形过程中,坯料的温度会有所升高,计算结 果表明,在毛坯温度为850℃,挤压速度为30mm/s 的情况下,坯料的温度将升高至1062℃,上升约 6.过高的成形温度将影响管材的表面质量. 因此,毛坯的初始加热温度应选择在850℃～950℃ 范围.

挤压速度与挤压力的关系曲线如图9所示.在 挤压成形过程中,速度对挤压力的影响总体上比较 明显.由图9可见,当挤压速度从10mm/s增加到 100mm/s,挤压力增加.但在低于50mm/s 阶段,挤压力随挤压速度的变化并不明显,从 10mm/s时的2095kN增加至50mm/s时的2153kN, 增幅不足3.而由50mm/s增加到100mm/s时, 挤压力增幅接近15,显然挤压速度是需要考虑的 重要参数之一.考虑到实验室设备的技术参数范围, 挤压实验的速度可以选择在30mm/s~5Omm/s范围. ,

出 斗< 略

图9挤压力与挤压速度的关系

摩擦因子与挤压力的关系如图10所示.从图中 可以看出,挤压力和摩擦因子制件具有很好的线性 关系,其趋势方程可以描述为 .y===1370x+1694(2)

在管材的反向挤压成形过程中,虽然摩擦对挤 压力的影响不如正向挤压时明显,但是摩擦状态对 于管材的热挤压还是非常重要的.在本文设定的范 围内,当摩擦因子从增大至时,挤压力增 加近30.所以,在反挤压实验时,需要采取有效 的润滑措施,以改善凹模表面和毛坯之间的摩擦 状态. , 出 斗< 嚼 摩擦因子

图10挤压力与摩擦因子的关系

withfrictionfactors 3最佳工艺参数确定

基于上述分析,在小规格TiNiNb管材的热反 挤压成形实验中,应当将凹模模角,毛坯初始加热 温度,挤压速度和摩擦因子作为对挤压过程力能参 数具有重要影响的参数.为获得这些参数的最佳组 合,本文利用正交试验并通过热力耦合数值模拟方

法,在满足挤出温度小于1150℃的前提条件下,寻 54塑性工程学报第17卷

求一种稳健的,使挤压力最小的工艺参数组合. 考虑到实验条件以及拟采取的润滑措施,在热 力耦合有限元数值模拟时,分别将定径带长度设定 为8ram,凹模和挤压筒的温度设定为400℃,摩擦 因子设定为.同时,将凹模模角,毛坯初始加 热温度,挤压速度的取值范围分别设定为110.～ 130.,850℃~950~C和30mm/s~5Omm/s.每一个参 数取5个水平,按照L25(56)安排模拟实验方案. 表3为正交试验方案及其数值模拟试验结果.从表 3可以看出,在所有的试验方案中,第5组参数不仅 能够满足凹模出口温度的要求,而且其挤压力最小. 依据正交试验结果可以认为,对于~44mm× 的小规格TiNiNb合金管材反向挤压工艺,表4所示 的一组参数,为具有稳健性的最佳工艺参数. 表3正交试验结果

试验凹模毛坯初始加挤压速挤压挤出温 方案模角/.热温度/℃度/mm/s力/kN度/℃ 111O6887 233 311O6948 411O4977

511O950502l3O1O12 61l30902 753 865 983 8998

2915 0943 4959 1412O4963 4i010 8933 696O 2973 l977 20033 2936 2222 2327 2441 25047

表4最佳工艺参数

凹模定径带模具预热摩擦毛坯初始加挤压速 模角/.长度/mm温度/℃系数热温度/℃度/mm/s

在表3的25组参数中,挤压力与之表4中参数 相差不超过5的共有8组,分别为第15,25,20, 4,24,9,10和第14组.可见,这些方案均可作 为候选方案供物理模拟实验采用并加以验证. 根据上述研究结果设计的反向挤压模具实验装 置如图lla所示,在燕山大学多向模锻挤

压液压机上,利用铅和45号钢毛坯进行了挤压成形 工艺参数的验证实验.挤压成形的钢管见图llb, 图中试件1是采用反向挤压实验成形的铅管,管坯 规格为~72mm××55mm,挤压比为,

铅管规格为~44mm×;试件2和试件3是 采用反向挤压得到的钢管,其挤压毛坯分别为 ~×55mm和~72mm×

110mm,挤压比均为,钢管规格为~44mmX .验证实验结果表明,针对~44mmX 小规格TiNiNb合金管材反向挤压成形提 出的这组参数,能够实现小规格管材的热反挤压成 形.但是,鉴于TiNiNb材质的热力学性能不同于 普通碳钢,因此对于TiNiNb合金管材的挤压成形 尚需在加热和润滑等方面进行进一步的实验研究. ab

图11反挤压实验装置及其制品

ofbackwardextrusion 4结论

对于小规格钢管反向挤压,在挤压凹模模角, 定径带长度,毛坯初始加热温度,挤压速度,摩擦 因子,凹模及挤压筒的预热温度等参数中,凹模模 角,毛坯初始加热温度,挤压速度和摩擦因子对挤 压过程的力能参数影响明显,是确定最佳成形工艺 参数需要着重考虑的因素.

针对~44mm×小规格TiNiNb管材反

挤压成形,采用基于数值模拟的正交实验方法得到

第2期郭宝峰等:小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数55 了,在满足挤出温度条件下,使挤压力最小的一组 工艺参数为,凹模模角11O.,定径带长度8mm,挤 压凹模和挤压筒预热温度400℃,摩擦系数,毛 坯初始加热温度950℃,挤压速度50mm/s.利用铅 和45号钢进行的参数验证实验结果表明,该组参数 能够实现小规格管材的热反挤压成形.但对于TiN—

iNb合金管材的挤压成形尚需进行进一步的实验验 证. [1] [2] [3] 参考文献

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