316不銹鋼異形I截面型材擠壓成形過(guò)程有限元模擬

郭 偉 ，余心宏 ，蔣 鵬 ，宋德軍 ，李培躍 ，郁 炎 ，楊勝利 ，陶 歡 ，付 文

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng)471039；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安710072）

不銹鋼具有優(yōu)美的外觀、優(yōu)異的耐腐蝕性及良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、醫(yī)療器械、交通運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域[1]。與普通碳鋼不同的是，不銹鋼具有液體流動(dòng)性差、體積收縮大等特點(diǎn)，致使不銹鋼的鑄件利用率低，不銹鋼型材的擠壓技術(shù)已逐漸成為一些新型工業(yè)的主要要求[2-4]。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展迅速，數(shù)值模擬法既可以節(jié)約時(shí)間，又能獲得擠壓過(guò)程中金屬坯料的流動(dòng)規(guī)律，逐漸成為型材擠壓研究中不可或缺的研究方法[5-7]。本文以316不銹鋼非對(duì)稱I截面型材為研究對(duì)象，采用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)其擠壓成形過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，依據(jù)型材不同部位的流出速度差異調(diào)整模具工作帶長(zhǎng)度，獲得了較為理想的模具結(jié)構(gòu)，并基于成形過(guò)程中金屬流動(dòng)、出口溫度和應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，確定了其在熱擠壓過(guò)程中理想的工藝參數(shù)組合，為異形截面不銹鋼型材熱擠壓成形工藝提供了重要的參考依據(jù)。

1 有限元模型建立與模具設(shè)計(jì)

1.1 型材外形

圖1為316不銹鋼非對(duì)稱I截面型材的幾何形狀分布圖和主要尺寸，為方便確定凹模不同區(qū)域工作帶長(zhǎng)度，將其分為三個(gè)區(qū)段：F1、F2、F3。

圖1 型材截面尺寸

1.2 有限元模型建立

圖2 凹模有限元模型

采用CAD軟件進(jìn)行凸模、凹模和坯料的三維實(shí)體建模，導(dǎo)入到DEFORM-3D有限元軟件，采用系統(tǒng)自帶的單元?jiǎng)澐址椒?，離散成等參單元，凹模底部局部細(xì)化以保證?？趨^(qū)域計(jì)算的準(zhǔn)確性。圖2為凹模網(wǎng)格劃分示意圖，網(wǎng)格數(shù)為435601個(gè)。設(shè)置坯料和模具的材料類型、初始溫度、凸模移動(dòng)方向、速度值及模具與坯料間的摩擦系數(shù)等參數(shù)。在整個(gè)擠壓模擬過(guò)程中，摩擦和塑性變形產(chǎn)生的熱量在模具和坯料間傳遞，坯料和模具與外界存在熱交換。設(shè)置凸凹模為傳熱剛體，坯料為塑性體[8]。

1.3 模具設(shè)計(jì)方案

工作帶長(zhǎng)度h是模具設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。若工作帶長(zhǎng)度過(guò)短，模具磨損嚴(yán)重，會(huì)降低模具的使用壽命；過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加坯料與模具間的摩擦力，使擠壓力升高，易出現(xiàn)劃傷和毛刺等缺陷，不能保證制品的表面質(zhì)量。另一方面，工作帶長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，金屬流出模孔后冷卻收縮會(huì)使坯料脫離工作帶，不能有效控制制品形狀[9]。本試驗(yàn)選取h=5mm作為最小工作帶長(zhǎng)度，由于型材的橫截面形狀較復(fù)雜，尺寸對(duì)稱性差，擠壓時(shí)坯料各點(diǎn)的應(yīng)力分布和變形復(fù)雜，金屬流動(dòng)不均勻，因此在設(shè)計(jì)?？讜r(shí)，通常借助不同的工作帶長(zhǎng)度來(lái)控制金屬的流速。型材?？坠ぷ鲙чL(zhǎng)度計(jì)算表達(dá)式如下[10]：

式中：hF1、hF2——分別為F1、F2區(qū)段上工作帶的長(zhǎng)度；

SF1、SF2——分別為F1、F2區(qū)段上的型材周長(zhǎng)；

fF1、fF2——分別為 F1、F2區(qū)段上型材面積。

式中面積反映擠壓時(shí)流經(jīng)各區(qū)段金屬量的分配情況，周長(zhǎng)反映摩擦力的分布，以上方法就是根據(jù)金屬量的分配與摩擦阻力的大小來(lái)均衡金屬的流動(dòng)速度。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)最小工作帶長(zhǎng)度為hF1=5mm，由上式得：hF1：hF2：hF3=0.765：1：0.898，計(jì)算得：hF2=6.53mm，hF3=5.87mm。圖3和圖4分別為工作帶長(zhǎng)度未調(diào)整和調(diào)整之后金屬的流出情況，可以得到，工作帶長(zhǎng)度調(diào)整可有效改善金屬流出時(shí)的彎曲現(xiàn)象。

圖3 擠壓過(guò)程金屬流出示意圖（a）工作帶長(zhǎng)度未調(diào)整 （b）工作帶長(zhǎng)度調(diào)整后

1.4 擠壓模擬工藝參數(shù)

表1為擠壓模擬過(guò)程的工藝參數(shù)。坯料采用316不銹鋼，模具采用H13熱作模具鋼，擠壓比為9，模具溫度為450℃，擠壓速度為50～250mm/s，摩擦系數(shù)為 0.1～0.7，坯料預(yù)熱溫度為 650～1050℃。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 擠壓速度對(duì)擠壓成形的影響

不銹鋼加工硬化速率大，工業(yè)上要求較高的擠壓速度以保證制品質(zhì)量，但擠壓速度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致變形不均勻，變形抗力大，降低模具的使用壽命。擠壓速度選取50mm/s～250mm/s，摩擦系數(shù)0.3，坯料預(yù)熱溫度1050℃，其他模擬參數(shù)如表1所示。圖4為不同擠壓速度下坯料的等效應(yīng)力分布圖，隨著擠壓速度增大，與模具相接觸的變形區(qū)域內(nèi)應(yīng)力值不斷增大，且大應(yīng)力區(qū)域的范圍也逐漸增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中的趨勢(shì)增高。

表1 擠壓工藝參數(shù)

擠壓速度對(duì)坯料出口溫度和擠壓力也有很大影響，圖5為擠壓力及出口最高溫度隨擠壓速度的變化曲線。擠壓速度大小不會(huì)影響溫度分布的整體規(guī)律，溫度最大值分布在?？趨^(qū)域，且隨著擠壓速度增大，坯料最高溫度呈上升趨勢(shì)，在V=250mm/s時(shí)達(dá)到1440℃，過(guò)高的坯料出口溫度不符合生產(chǎn)要求。一般來(lái)說(shuō)，坯料溫度增加，金屬的變形抗力降低，擠壓力隨之減小，然而，擠壓速度增大時(shí)，相應(yīng)的變形量也隨之增大，產(chǎn)生的加工硬化又使變形抗力有增大的趨勢(shì)，導(dǎo)致擠壓力增大。本模擬中擠壓力隨著擠壓速度的增加而上升，這是溫度引起的軟化效果和加工硬化效果綜合作用的結(jié)果。為保證型材質(zhì)量、模具壽命及較高的生產(chǎn)效率，本文選取V=200mm/s。

2.2 摩擦系數(shù)對(duì)擠壓成形的影響

圖4 不同速度下等效應(yīng)力分布圖（a）V=50mm/s（b）V=100mm/s（c）V=150mm/s（d）V=200mm/s（e）V=250mm/s

圖5 擠壓力及出口最高溫度-擠壓速度變化曲線

摩擦系數(shù)μ是擠壓過(guò)程中十分重要的參數(shù)，直接影響型材溫度分布、應(yīng)力分布、擠壓力大小、尺寸精度以及模具使用壽命。本文選取摩擦系數(shù)0.1～0.7，擠壓速度200mm/s，坯料預(yù)熱溫度1050℃，其他模擬參數(shù)如表1所示。圖6為μ=0.1與0.5時(shí)擠壓件的等效應(yīng)力分布圖。隨著表面潤(rùn)滑條件變差，材料流動(dòng)性下降，擠壓變形大部分由坯料內(nèi)部的金屬流動(dòng)補(bǔ)充來(lái)完成，因此μ增大時(shí)與模具接觸的變形區(qū)域應(yīng)力范圍逐漸擴(kuò)大。

圖7為擠壓力及出口最高溫度隨摩擦系數(shù)的變化曲線。μ=0.1時(shí)，擠壓力為8110kN，坯料最高溫度為1170℃，比初始溫度高120℃；當(dāng)μ增大到0.7時(shí)，模具與坯料產(chǎn)生劇烈摩擦，擠壓力明顯增大，達(dá)到9880kN，溫度達(dá)到1440℃，比初始溫度高390℃。隨著摩擦系數(shù)增大，摩擦成為產(chǎn)熱的主要因素，加上金屬的塑形變形，兩者相互作用產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致溫升較大。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中摩擦系數(shù)過(guò)大會(huì)使工作帶溫度過(guò)高，擠壓力明顯增大，型材的形狀及性能不能得到有效控制，為保證模具壽命及型材質(zhì)量，本文選取μ=0.3。模擬結(jié)果還得到，坯料的質(zhì)點(diǎn)速度隨摩擦系數(shù)的增加而降低，可通過(guò)改變模具粗糙度調(diào)整不同部位金屬的流速，以保證型材端面齊整和減小內(nèi)應(yīng)力[11]。

2.3 坯料預(yù)熱溫度對(duì)擠壓成形的影響

圖6 不同摩擦系數(shù)下等效應(yīng)力分布圖（a）μ=0.1；（b）μ=0.5

圖7 擠壓力及出口最高溫度-摩擦系數(shù)變化曲線

金屬預(yù)熱是熱擠壓過(guò)程中的重要工序之一。坯料溫度越高，其變形抗力越小，越容易轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的擠壓件；但加熱溫度過(guò)高，又會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱和過(guò)燒現(xiàn)象，降低模具的使用壽命。因此需將坯料預(yù)熱溫度控制在一定范圍內(nèi)，才能有利于毛坯成形，提高經(jīng)濟(jì)效益。選取坯料預(yù)熱溫度為650℃～1050℃，擠壓速度200mm/s，摩擦系數(shù)0.3，其他模擬參數(shù)如表1所示。圖8為坯料在不同預(yù)熱溫度下的等效應(yīng)力分布圖，隨著坯料預(yù)熱溫度升高，坯料整體的等效應(yīng)力分布規(guī)律一致，最大值均出現(xiàn)在?？诓糠?，但數(shù)值上呈降低趨勢(shì)。預(yù)熱溫度在650℃時(shí)，最大等效應(yīng)力值為669MPa，預(yù)熱溫度上升到1050℃后，坯料的最大等效應(yīng)力明顯減小，為397MPa。研究表明，坯料預(yù)熱溫度在1050℃時(shí)，應(yīng)力值、擠壓力和由于變形引起的溫升較小，金屬流動(dòng)狀況良好，可延長(zhǎng)模具壽命。本文選取坯料預(yù)熱溫度為1050℃。

3 擠壓力理論計(jì)算結(jié)果與模擬值對(duì)比

主應(yīng)力法是目前計(jì)算管材、型材擠壓力的常用方法，經(jīng)生產(chǎn)中反復(fù)驗(yàn)證該計(jì)算值接近實(shí)際值。擠壓力的計(jì)算公式如下[12]：

式中：

σs——擠壓坯料的變形抗力，其值取決于坯料的性質(zhì)、擠壓溫度、變形速度和變形程度；

α——死區(qū)角度（死區(qū)與變形區(qū)分界線同擠壓筒中心線夾角），平模擠壓時(shí)取α=60°，錐模擠壓時(shí)，如無(wú)死區(qū)，則α即為模角；

λ——擠壓系數(shù)（擠壓比）；

Dt——擠壓筒內(nèi)徑；

d1——?？字睆?；

l1——工作帶長(zhǎng)度；

l2——變形區(qū)長(zhǎng)度；

l3——未變形區(qū)部分錠坯的長(zhǎng)度；

l0——錠坯的長(zhǎng)度；

∑Z——制品的周邊長(zhǎng)度總和；

∑F——制品的斷面積總和；

表2為不同坯料預(yù)熱溫度下理論計(jì)算結(jié)果和模擬值，二者相差不大，誤差在7%以內(nèi)。

圖8 不同坯料預(yù)熱溫度下等效應(yīng)力分布圖（a）650℃；（b）750℃；（c）850℃；（d）950℃；（e）1050℃

表2 擠壓力理論值與模擬值對(duì)比

4 結(jié)論

（1）采用有限元計(jì)算法模擬非對(duì)稱I截面不銹鋼型材擠壓過(guò)程，通過(guò)調(diào)整不同工作帶長(zhǎng)度來(lái)控制金屬的流速，獲得均勻、平直的擠壓件；

（2）隨著擠壓速度、摩擦系數(shù)的增大，擠壓力和坯料出口最高溫度逐漸增加；坯料預(yù)熱溫度對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律影響不大，但對(duì)擠壓力影響較大，升高坯料預(yù)熱溫度可有效減小擠壓力；

（3）當(dāng)擠壓比為9、擠壓速度為200mm/s、摩擦因子為0.3、模具預(yù)熱溫度為450℃、坯料預(yù)熱溫度為1050℃時(shí)，金屬流動(dòng)狀況良好，應(yīng)力應(yīng)變分布均勻，擠壓力較低，可有效提高模具的使用壽命；

（4）采用主應(yīng)力法計(jì)算了不同坯料預(yù)熱溫度下擠壓力的理論值，與模擬值吻合良好，驗(yàn)證了模擬的正確性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。

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