小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)

1、小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)第17卷第2期2010年4月理性工程學(xué)報(bào)JQURXALQFPLASTICITYENGINEERINGdoi:一小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)盛山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,秦皇島066004）郭寶峰金淼.劉鑫剛別，振鐸（哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司,秦皇島066004）蹈郅遠(yuǎn)摘要:針對(duì)小規(guī)格TiNiNb管材反擠壓成形試驗(yàn)的工藝參數(shù)確定和模具設(shè)計(jì)問題,采用有限元熱力耦合數(shù)值模擬和單因素輪換法，分析在滿足制件成形質(zhì)呈擠出溫度低于共晶熔點(diǎn)）的前提下，擠壓力與凹模模角和定徑帶長(zhǎng)度，凹模和擠壓筒溫度，毛坯初始溫度,擠壓速度及摩撩因子等工藝參數(shù)和模具結(jié)

2、構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，確定影響擠壓力的主要工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為凹模模角,初始坯料溫度，擠壓速度和摩擦因子，并給出上述參數(shù)的取值范圍.通過基于數(shù)值模擬的正交試驗(yàn)方法,得到了主要工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合，即在保證潤(rùn)滑效果的前提下，取凹模模角”0.，毛坯初始溫度為950,擠壓速度為50mm/s.利用鉛和45號(hào)鋼毛坯在多向模鍛擠壓液壓機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)臉.關(guān)鍵詞:反向擠壓;管材;熱力桐合工藝優(yōu)化;TiNiNb中囪分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10072012（2010）02005（1）6RcscarchonproccssparamctcrsofsmallsizcTiNiNbtubeback

3、wardextrusion（C）llcgrofMcchanicalEnginccring,YanshanUnivcrsit",Qinhiuuigda（）066004China）LUZhi-vuan.J（HarbinElcctricC（）rp（）rati（）n（Qhd）HcayEquipmciitC（）mpaiiyLimitcd,Qinhuangda（）066（H）4China）AbstracuRcscarchonbackwardcxtrusionopJcngthofcalibratinglaiid,dictcmpcraturc.conUiincrtcmpcraturcJnitialt

4、cmpcraturcofbillct,pcraturcofbillct,thcoptimalsct（）fjparam-ctcrsisobtaincdasdicanglcl10.3nitialtcmpcraturc（）fbillct950Candcxtrusi（）nvcl（）cit）r50mm/srcspcctivclvundcrthccondiKc（）rds:backwardcxtTusi（）n;tubc;thcrmal-mcchanicalc（）upling;pn）ccss）ptimizati（）n;TiNiNb引言TiNi基合金具有特殊的形狀記憶功能和超彈性，比強(qiáng)度高，耐蝕性好，生物相容性

5、好等特點(diǎn)，在航空航天，儀器儀表、原子能，石油化工，電子郭寶峰作者簡(jiǎn)介淳。寶峰，男,1958年生，燕山大學(xué)，教授收稿日期:20090820;修訂日期:2OO91103以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，是迄今為止應(yīng)用效果昊好的一種形狀記憶合金口。十五以來,我國(guó)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用對(duì)TNi合金的需求熠加,2007年的希呈達(dá)到401;較10年前增加了近4（）倍,而且近年的增幅均在25-30以上“然而，有研究表明，該合金的加工相對(duì)困難,加工成本較高_(dá)6.有關(guān)塑性成形技術(shù)方面的問題得不到解決,將影響TiNi基合金的應(yīng)用范圍的拓展,進(jìn)而影響到TiNi基合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展_8.TiNiNb合金是一種寬滯后型形狀

6、記憶合金.第2期郭寶峰等:小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)51與傳統(tǒng)的TiNi二元合金相比，其相變滯后寬，加工成形性能好，已成為航空航天管脂連接系統(tǒng)中管接頭制造的首選材料9.受應(yīng)用研究的牽引，目前小規(guī)格TiNiNb管材的制造工藝已開始得到關(guān)注，有企業(yè)采用切削方法加工小規(guī)格的TiNiNb管材.但由于TiNiNb合金塑性好，導(dǎo)熱系數(shù)較小,所以采用切削加工對(duì)刀具消耗嚴(yán)重，生產(chǎn)效率較低.采用擠壓的方式制備小規(guī)格TiNiNb管材，雖然符合成形原理，鋁，銅合金以反鋼的熱反擠壓成形工藝早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化1,但是由于對(duì)TiNiNb合金擠壓成形方面的研究成果少，其熱反擠壓成形需要克服的技術(shù)層面的問題尚不

7、清楚，值得深入探索.1反擠壓成形過程的數(shù)值模擬模型反擠壓成形試驗(yàn)擬定的熱反擠壓管材外徑為44mm，皇厚為，考慮到試驗(yàn)設(shè)得的空間尺寸,管材的長(zhǎng)度被限定在400mm之內(nèi).擠壓成形工藝原理如圖la所示.擠壓毛坯如圖1b所示，外徑72mm,公稱內(nèi)徑23mm.擠壓比按計(jì)算，毛坯高度取110mm.擠壓凹模如圖1c所示.在擠壓過程中芯棒與擠壓軸保持同步運(yùn)動(dòng).擠壓軸凹模擠壓筒毛坯擠壓墊芯棒盟!0iHl1b圖1反擠壓原理及其毛坯，凹模,billctanddic數(shù)值模擬模型擠壓毛坯材質(zhì)為TiNiNb合金,材料的物理性能和力學(xué)性能列于表1.其中力學(xué)性能參數(shù)是室溫狀態(tài)下的數(shù)直在不同應(yīng)變速率和溫度條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如

8、圖2所示.表ITiNiNb合金的物理性能和力學(xué)性能propcrticsofTiNiNballoySCI熱導(dǎo)率/I比熱/I相變始/r/(m?K)lkJ/(kg?K)lJ/mNJ/相(m變ol/K)l耋/性G模Pal/拉M強(qiáng)Pal/服M強(qiáng)Pal延伸率/?K)1量度1度1一重垂重R圖2應(yīng)力一應(yīng)變曲線a)l;b)1;c):ls一l;d)-10s-,考慮到結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性以及有限元分析的預(yù)期目標(biāo),構(gòu)建了1/4結(jié)構(gòu)的三維有限元模型.毛52塑性工程學(xué)報(bào)第17卷坯的單元類型為四面體結(jié)構(gòu).圖3為擠壓成形過程的有限元分析模型.擠壓筒凹模芯棒擠壓墊毛坯圖3擠壓過程的有限兀仿真模型對(duì)于TiNiNb合金材料,由于已有

9、的知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在擠壓成形試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)確定等方面都很缺乏，為揭示擠壓成形工藝參數(shù)與力能參數(shù)之問的關(guān)系，在滿足管材成形(即出口溫度低于共晶熔點(diǎn))的前提條件下，采用單因素輪換法，通過熱力耦合有限元逐一對(duì)凹模模角及其定徑帶長(zhǎng)度，凹模溫度，擠壓筒溫度，芯棒溫度，毛坯初始溫度，擠壓速度以及摩擦因子等參數(shù)，與擠壓成形及其力能參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析和研究.被輪換的參數(shù)取值范圍如表2所示，每個(gè)取值范圍內(nèi)設(shè)5個(gè)水平值.未被輪換的參數(shù)值固定，取定徑帶長(zhǎng)度8mm，凹模模角120,毛坯初始溫度950,凹模溫度400,擠壓筒溫度400,芯棒溫度400,擠壓速度30mm/s,摩擦因子為.表2設(shè)定

10、的工藝參數(shù)取值范圍定徑帶凹模凹模溫?cái)D壓筒毛坯初始擠壓速摩擦長(zhǎng)度/mm模角/.度/'C溫度/°C溫度/度/0101人因子23025035()85()1()2工藝參數(shù)對(duì)擠壓力的影晌擠壓凹模的定徑帶長(zhǎng)度與擠壓力之間的關(guān)系如圖4所示.從圖4中不難看出,由于管材直徑較小，定徑帶尺寸對(duì)擠壓力的影響并不明顯.定徑帶長(zhǎng)度由2ram增加至10mm,摩擦表面積即可增加4倍，而擠壓力則僅僅增加45kN,約可見，對(duì)于小規(guī)格管材反向擠壓成形的情況，增加定徑帶長(zhǎng)度對(duì)擠壓成形的力能參數(shù)的影響可以忽略不計(jì).凹模模角對(duì)擠壓力的影響規(guī)律如圖5所示，當(dāng)凹模模角從3。增加至120時(shí)，擠壓力的增幅為；而當(dāng)模角從120

11、.增加至150.時(shí)，擠壓力明顯增加，其增幅為16.由此可見,采用小模角對(duì)降低擠壓力有益.但是已有的研究結(jié)果表明，采用圣，略圖4擠壓力與定徑帶長(zhǎng)度的關(guān)系Iciigthofcalibratingstraight小模角擠壓成形時(shí)，不利于保持變形區(qū)內(nèi)的潤(rùn)滑劑,使?jié)櫥瑮l件惡化，管材表面質(zhì)量下降U.凹模模角的取值范圍在110.130.為宜.螃圖5擠壓力與凹模模角的關(guān)系凹模溫度,擠壓筒溫度與擠壓力的關(guān)系分別如圖6和圖7所示.凹模的加熱溫度在從250按每5()的級(jí)差增加至450的進(jìn)程中,擠壓力的下降值只有49kN,下降了約;擠壓力在擠壓筒的加熱溫度從350分五皴增加到550的進(jìn)程中，也只是減小了24kN,約由

12、此可見,凹模溫度，擠壓筒溫度對(duì)于小規(guī)格管材的熱反擠壓力能參數(shù)影響并不重要.五，出屬嚼圖6擠壓力與凹模溫度的關(guān)系withdictcmpcraturc第2期郭寶峰等:小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)53圣，堪圖7擠壓力與擠壓筒溫度的關(guān)系containertemperature圖8是毛坯初始加熱溫度與擠壓力的關(guān)系曲線.從圖8中可以看出，擠壓力隨毛坯初始加熱溫度的變化趨勢(shì)是，初始加熱溫度越高，擠壓力越低，按三次曲線函數(shù)變化，趨勢(shì)函數(shù)可以描述為Y.+120067圣，出斗<()0坯料初始溫居/圖8擠壓力與毛坯初始加熱溫度的關(guān)系Wthbillcttcmpcraturc毛坯的初始加熱

13、溫度由850升至1050,擠壓力減小了456kN,約為.因此，毛坯的初始加熱溫度應(yīng)該是小規(guī)格管材熱反擠壓成形時(shí)必須考慮的參數(shù).但是，對(duì)毛坯初始加熱溫度的上限值應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制.熱力耦合有限元分析結(jié)果表明，在擠壓成形過程中，坯料的溫度會(huì)有所升高,計(jì)算結(jié)果表明，在毛坯溫度為850,擠壓速度為30mm/s的情況下,坯料的溫度將升高至1062,上升約6.過高的成形溫度將影響管材的表面質(zhì)量.因此，毛坯的初始加熱溫度應(yīng)選擇在85()950范圍.擠壓速度與擠壓力的關(guān)系曲線如圖9所示.在擠壓成形過程中，速度對(duì)擠壓力的影響總體上比較明顯.由圖9可見,當(dāng)擠壓速度從10mm/s增加到100mm/s,擠壓力增加.但在低于

14、50mm/s階段,擠壓力隨擠壓速度的變化并不明顯，從lOmm/s時(shí)的2O95kN增力口至50mm/s時(shí)的2153kN,增幅不足3.而由50mm/s增加到100mm/s時(shí)，擠壓力增幅接近15,顯然擠壓速度是需要考慮的重要參數(shù)之一.考慮到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的技術(shù)參數(shù)范圍，擠壓實(shí)驗(yàn)的速度可以選擇在30mm/s5Qmm/s范圍.出斗<砧圖9擠壓力與擠壓速度的關(guān)系摩擦因子與擠壓力的關(guān)系如圖1。所示.從圖中可以看出，擠壓力和摩擦因于制件具有很好的線性關(guān)系，其趨勢(shì)方程可以描述為.y=1370x+1694(2)在管材的反向擠壓成形過程中,雖然摩擦對(duì)擠壓力的影響不如正向擠壓時(shí)明顯，但是摩擦狀態(tài)對(duì)于管材的熱

15、擠壓還是非常重要的.在本文設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)摩擦因子從增大至?xí)r，擠壓力增加近30.所以，在反擠壓實(shí)驗(yàn)時(shí),需要采取有效的潤(rùn)滑措施,以改善凹模表面和毛坯之間的摩擦狀態(tài).出斗<嚼摩擦因子圖10擠壓力與摩擦因子的關(guān)系wthfrictionfactors3最佳工藝參數(shù)確定基于上述分析，在小規(guī)格TiNiNb管材的熱反擠壓成形實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)將凹模模角,毛坯初始加熱溫度，擠壓速度和摩撩因于作為對(duì)擠壓過程力能參教具有重要影響的參數(shù).為獲得這些參數(shù)的星佳組合，本文利用正交試臉并通過熱力耦合數(shù)值模擬方法,在滿足擠出溫度小于1150的前提條件下，尋54塑性工程學(xué)報(bào)第17卷求一種穩(wěn)健的，使擠壓力晟小的工藝參數(shù)組

16、合.考慮到實(shí)驗(yàn)條件以及擬采取的潤(rùn)滑措施，在熱力耦合有限元數(shù)值模擬時(shí)，分別將定徑帶長(zhǎng)度設(shè)定為8ram,凹模和擠壓筒的溫度設(shè)定為400,摩撩因于設(shè)定為同時(shí)，將凹模模角，毛坯初始加熱溫度，擠壓速度的取值范圍分別設(shè)定為110.-130.,850eC-950-C和30mm/s5Qmm/s.每一個(gè)參數(shù)取5個(gè)水平，按照L25(56)安排模擬實(shí)驗(yàn)方案.表3為正交試驗(yàn)方案及其數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果.從表3可以看出,在所有的試驗(yàn)方案中，第5組參數(shù)不僅能夠滿足凹模出口溫度的要求,而且其擠壓力最小.依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，對(duì)于44mmX的小規(guī)梏TiNiNb臺(tái)金管材反向擠壓工藝，表4所示的一組參數(shù)，為具有穩(wěn)健性的晨佳工藝參

17、數(shù).表3正交試驗(yàn)結(jié)果試臉凹模毛坯初始加擠壓速擠壓擠出溫方案模角/.熱溫度/度/0101人力/kN度/111068872333110694841104977511095050213010126113090275386598389982915094349591412049634i0108933696()2973197720033293622222327244125047表4最佳工藝參數(shù)凹模定徑帶模具預(yù)熱摩擦毛坯初始加擠壓速模角/.長(zhǎng)度/mm溫度/'C系數(shù)熱溫度/度/mm/s在表3的25組參數(shù)中,擠壓力與之表4中參數(shù)相差不超過5的共有8組，分別為第15,25,20,4,24,9,10和第14

18、組.可見，這些方案均可作為候選方案供物理模擬實(shí)驗(yàn)采用并加以驗(yàn)證.根據(jù)上述研究結(jié)果設(shè)計(jì)的反向擠壓模具實(shí)驗(yàn)裝直如圖11a所示，在燕山大學(xué)多向模鍛擠壓液壓機(jī)上，利用鉛和45號(hào)鋼毛坯進(jìn)行了擠壓成形工藝參數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).擠壓成形的鋼管見圖Hb,圖中試件1是采用反向擠壓實(shí)驗(yàn)成形的鉛管，管坯規(guī)格為72mmXX55mm,擠壓比為，鉛管規(guī)格為44mmX試件2和試件3是采用反向擠壓得到的鋼管，其擠壓毛坯分別為X55mm和72mmX110mm,擠壓比均為,鋼管規(guī)格為44mmX.驗(yàn)證實(shí)臉結(jié)果表明，針對(duì)44mmX小規(guī)格TNiNb合金管材反向擠壓成形提出的這組參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小規(guī)格管材的熱反擠壓成形.但是，鑒于TiNiNb材

19、質(zhì)的熱力學(xué)性能不同于普通碳鋼，因此對(duì)于TiNiNb合金管材的擠壓成形尚需在加熱和潤(rùn)滑等方面進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.ab圖11反擠壓實(shí)驗(yàn)裝置及其制品ofbackwardcxtrusion4結(jié)論對(duì)于小規(guī)格鋼管反向擠壓，在擠壓凹模模角，定徑帶長(zhǎng)度，毛坯初始加熱溫度，擠壓速度，摩擦因于，凹模及擠壓筒的預(yù)熱溫度等參數(shù)中,凹模模角，毛坯初始加熱溫度，擠壓速度和摩擦因子對(duì)擠壓過程的力能參數(shù)影晌明顯,是確定臬佳成形工藝參數(shù)需要著重考慮的因素.針對(duì)44mmX小規(guī)格TiNiNb管材反擠壓成形，采用基于數(shù)值模擬的正交實(shí)驗(yàn)方法得到第2期郭寶峰等:小規(guī)格TiNiNb管材的反向擠壓成形工藝參數(shù)55了，在滿足擠出溫度條件下,使擠壓力最小的一組工藝參數(shù)為，凹模模角11。.，定徑帶長(zhǎng)度8mm，擠壓凹模和擠壓筒預(yù)熱溫度400,摩擦系數(shù)，毛坯初始加熱溫度950,擠壓速度50mm/s.利用鉛和45號(hào)鋼進(jìn)行的參數(shù)驗(yàn)證實(shí)臉結(jié)果表