小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数Word文件下载.docx
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etersisobtainedasdieangle110.,initialtemperatureofbillet950~Candextrusionvelocity50mm/srespectivelyundertheeondi—
Keywords:
backwardextrusion;
tube;
thermal-mechanicalcoupling;
processoptimization;
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
!
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
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.
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
小规格TiNiNb管材的反向挤压成形工艺参数53
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)
斗&
lt;
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.
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.
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
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.
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