D0I:10.13374/i.i8sm1001063.2010.08.018 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vol 32 No 9 2010年9月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijng Sep 2010 Hastelboy G3管材热挤压模具磨损有限元分析 王宝顺林奔张麦仓董建新 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要基于修正的A rchard磨损模型，利用DE℉ORM-2D有限元软件分析了镍基耐蚀合金(Hastelloy G3)管材热挤压成形时 挤压工艺参数对模具磨损的影响规律。结果表明，挤压模具的磨损主要集中在锥模出口处：模具最大磨损深度随着挤压速 度，坯料预热温度的升高而降低，随摩擦因数的增大而升高·模具表面磨损深度随着模角的增大而升高·最佳热挤压工艺参 数是：挤压速度200mm·s,坯料预热温度1180℃，摩擦因数0.05界面换热系数5Nmm.s1.℃-.此时，模具最大磨损 深度为0.0515mm,模具可重复使用20次. 关键词镍基合金：挤压：挤压模具；磨损：有限元法 分类号TG375+.4℃133+.4 F in ite-elem ent ana lyses of die wear during hot extrusion of Hastelloy G3 tubes WANG Bao-shun LN Ben ZHANG Mai-cang DONG Jian xin School ofMaterials Seience and Engineering University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT Based on a modified A rchand wear model the effects of process variables such as ram speed mnitial billet tempera" ture friction factor and die angle on the die wear during hot extnusion of cormosion"resistant nickel alloy (Hastelloy G3)tubes were mn- vestigated by using DEFORM 2D software The results show that the wear concentrates on the die exit The maximum wear depth of dies decreases with increasing ram velocity and billet tem perature but it increases w ith increasing friction factor The wear depth on he die surace increaseswith increasing die angle Under the optinal extnusion pmcess variables of the m velocity of 200mm the initial billet tempeue of118C.the friction factor of.05 and the heat transfer coefficient of5N.mm the maxi mum wear depth of dies was 0.0515mm and the die can be reused 20 ties KEY W ORDS nickel alloys extnusion:extnuision dies weas finite elementmethod Haste lloy G3合金是美国Haynes公司发明的 压及高酸性油气田，井中含有强腐蚀性介质，如 一种含CuMo的NiCr-Fe系镍基耐蚀合金，其化 CO2、H2S其开采环境相当恶劣，常用的不锈钢油 学成分如表1所示，该合金主要应用于酸性油气 井管材己无法满足开采需求，因此，镍基耐蚀合金 开采和磷酸生产蒸汽发生器中，20世纪90年代 (如Hastelloy G3合金)油井管逐渐用于高酸性油 中期以来，在我国川渝地区陆续发现一批高温、高 气田的开采山. 表1 Haste lboy G3合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chem ical camposition of Hastelloy G3 alloy % Cr Fe Mo Cu W Co Nb十Ta Ni <0.015 21.023.518.021.06.0-8.0 1.52.5 1.5 5.0 <0.5 Bal 管材热挤压成形（图1）具有生产效率高、成本 但是，热挤压工艺中模具除了承受高温、高应力外， 低等特点，在国民经济建设中占有十分重要的地位， 还有大量的材料流经模具表面，使得模具的工作环 收稿日期：2009-10-19 基金项目：国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目(N。50831008) 作者简介：王宝顺(1982)男，博士研究生：董建新(1965)男，教授，博士生导师，E mail jdonge mater ust山cd:cm
第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2010 ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3管材热挤压模具磨损有限元分析 王宝顺 林 奔 张麦仓 董建新 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 摘 要 基于修正的 Ａｒｃｈａｒｄ磨损模型利用 ＤＥＦＯＲＭ--2Ｄ有限元软件分析了镍基耐蚀合金 （ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3）管材热挤压成形时 挤压工艺参数对模具磨损的影响规律．结果表明挤压模具的磨损主要集中在锥模出口处．模具最大磨损深度随着挤压速 度、坯料预热温度的升高而降低随摩擦因数的增大而升高．模具表面磨损深度随着模角的增大而升高．最佳热挤压工艺参 数是：挤压速度 200ｍｍ·ｓ －1坯料预热温度 1180℃摩擦因数 0∙05界面换热系数 5Ｎ·ｍｍ －1·ｓ －1·℃ －1．此时模具最大磨损 深度为 0∙0515ｍｍ模具可重复使用 20次． 关键词 镍基合金；挤压；挤压模具；磨损；有限元法 分类号 ＴＧ375 ＋∙4；ＴＧ133 ＋∙4 Ｆｉｎｉｔｅ-ｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｅｓｏｆｄｉｅｗｅａｒｄｕｒｉｎｇｈｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3ｔｕｂｅｓ ＷＡＮＧＢａｏ-ｓｈｕｎＬＩＮＢｅｎＺＨＡＮＧＭａｉ-ｃａｎｇＤＯＮＧＪｉａｎ-ｘｉｎ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＢａｓｅｄｏｎａｍｏｄｉｆｉｅｄＡｒｃｈａｒｄｗｅａｒｍｏｄｅｌｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓｖａｒｉａｂｌｅｓｓｕｃｈａｓｒａｍｓｐｅｅｄｉｎｉｔｉａｌｂｉｌｌｅｔｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒａｎｄｄｉｅａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｄｉｅｗｅａｒｄｕｒｉｎｇｈｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔｎｉｃｋｅｌａｌｌｏｙ（ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3） ｔｕｂｅｓｗｅｒｅｉｎ- ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＤＥＦＯＲＭ-2Ｄｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｅａｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｏｎｔｈｅｄｉｅｅｘｉｔ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｆ ｄｉｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒａｍｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｂｉｌｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｕｔｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ．Ｔｈｅｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｎ ｔｈｅｄｉｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｉｅａｎｇｌｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆｔｈｅｒａｍｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆ200ｍｍ·ｓ －1 ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｂｉｌｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ1180℃ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｏｆ0∙05ａｎｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ5Ｎ·ｍｍ －1·ｓ －1·℃ －1ｔｈｅｍａｘｉ- ｍｕｍｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｆｄｉｅｓｗａｓ0∙0515ｍｍａｎｄｔｈｅｄｉｅｃａｎｂｅｒｅｕｓｅｄ20ｔｉｍｅｓ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｎｉｃｋｅｌａｌｌｏｙｓ；ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｓ；ｗｅａｒ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ 收稿日期：2009--10--19 基金项目：国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目 （Ｎｏ．50831008） 作者简介：王宝顺 （1982－ ）男博士研究生；董建新 （1965－ ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｊｘｄｏｎｇ＠ｍａｔｅｒ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3合金是美国 Ｈａｙｎｅｓ公司发明的 一种含 Ｃｕ、Ｍｏ的 Ｎｉ--Ｃｒ--Ｆｅ系镍基耐蚀合金其化 学成分如表 1所示．该合金主要应用于酸性油气 开采和磷酸生产蒸汽发生器中．20世纪 90年代 中期以来在我国川渝地区陆续发现一批高温、高 压及高酸性油气田井中含有强腐蚀性介质如 ＣＯ2、Ｈ2Ｓ其开采环境相当恶劣常用的不锈钢油 井管材已无法满足开采需求．因此镍基耐蚀合金 （如 ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3合金 ）油井管逐渐用于高酸性油 气田的开采 ［1］． 表 1 ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3合金的化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3ａｌｌｏｙ ％ Ｃ Ｃｒ Ｆｅ Ｍｏ Ｃｕ Ｗ Ｃｏ Ｎｂ＋Ｔａ Ｎｉ ＜0∙015 21∙0～23∙5 18∙0～21∙0 6∙0～8∙0 1∙5～2∙5 ＜1∙5 ＜5∙0 ＜0∙5 Ｂａｌ． 管材热挤压成形 （图 1）具有生产效率高、成本 低等特点在国民经济建设中占有十分重要的地位． 但是热挤压工艺中模具除了承受高温、高应力外 还有大量的材料流经模具表面使得模具的工作环 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．09．018
,1210, 北京科技大学学报 第32卷 境变得相当复杂，模具的使用寿命很短.据资料统 金管材的需求也长期依赖进口，因此，本文采用 计，模具失效原因主要有机械性疲劳、塑性变形和磨 DEFORM-2D有限元软件对Hastelloy G3镍基耐蚀 损等，其中模具因磨损而失效的情况超过70%， 合金管材高速热挤压成形中工艺参数（挤压速度、 模具磨损不仅对产品尺寸、表面质量和力学性能造 坯料预热温度、摩擦因数和模角)及多道次成形对 成不良的影响，而且浪费大量的物力和财力，因此， H13钢模具磨损的影响规律进行了分析， 如何降低磨损，提高热挤压模具的使用寿命成为人 1磨损计算模型 们最为关心的问题之一， 早期热挤压成形工艺中模具磨损有限元计算通 常采用Ahad模型[a),模具磨损深度与磨损系 数、模具表面正压力、工件与模具间的相对滑动距离 和模具硬度之间的关系可以用下式表达： h=出 (1) 式中，h为一次挤压成形后，模具的磨损深度，mmk 1一挤压筒2一模具3一坯料一挤压杆一挤压垫 60- 为模具磨损系数（量纲1的参数）：L为工件相对模 挤出管材7一芯棒A一模具定经带B一模具工作表面C一 具的滑动距离，mm;P为模具表面正压力，MPH为 模具入口处 模具维氏硬度，该模型中假定磨损系数、硬度为常 图1管材热挤压工艺装配示意图 数.然而，在金属热成形工艺中，当温度高于400℃ Fig 1 Schematic illustration of tube fom ing process using hot extm- 时，材料特性和接触条件随温度变化而变化，可 sion 见用上述A心had磨损方程并不能准确地反映热挤 金属热塑性成形时，由于过程复杂，难以进行充 压模具的磨损规律.Lee等假定A rchand磨损模型 分的数学模拟，采用实际过程的试验法来研究模具 仍然适用于温锻、热挤压等热成形工艺，但是模具钢 磨损规律也难以实施)，因此研究人员主要采用物 (H13钢)的磨损系数、硬度随温度变化，从而提出 理模拟和数值模拟方法来分析模具磨损规律-). 了修正的Ahad磨损计算模型山.该模型逐渐被 如早在1989年Dag用低变形抗力模型蜡制作工 人们所采用，并可用下式表示： 件，借助模型模具，采用物理模拟方法模拟了汽车车 (2) 轴法兰在热锻成形过程时模具的磨损特性，并用于 s()=T品 优化成形工艺，此后，Tulsyan和Shivpuri用DE- 式中，k(T)、h(T)可通过高温磨损、高温硬度试验进 行测定 FORM有限元软件对汽车排气阀锻造热挤压成形 k(T)=(29.29nT-168.73)×10- 中的工艺参数，如成形速度、坯料和模具预热温度对 H(T)=9216.4T0.505 (3) 模具的磨损规律进行了分析.Panter等[门用试验法 有限元分析时，模具表面温度、压力和坯料的速 和有限元方法对Nmonic8OA排气阀锻造热挤压 度均随时间、位置的变化而变化，因此任意时刻、任 成形中的两种不同模具(SN陶瓷，H13钢)的磨损 意节点的磨损深度可以用下式表示： 规律进行了分析，有限元分析结果表明，锥模出口 LiPi 附近是模具的主要磨损区域，与试验法测得的磨损 △=k(TH,(T) (4) 结果吻合.此外，Lee和n采用有限元法对镦锻- 式中，△h为模具第i个节点在第j时刻的磨损深 挤压成形中模具的磨损和应力状态进行了分析，认 度；P为法向应力；T为温度；L为模具节点处坯 为磨损和应力集中造成的塑性变形是模具失效的两 料相对模具的滑动距离，且 个主要原因， L与=At (5) 镍基耐蚀合金由于含有大量的合金化元素，其 式中，为模具节点处附近坯料相对模具的平均 管材热挤压工艺具有变形抗力大、热加工温度范围 滑动速度，△为有限元中相邻步骤的时间差， 窄以及热加工塑性低等特点，同时，热挤压模具磨 有限元分析中可得到P和T因此，模具第 损严重，使用寿命短，但是，国内对于镍基耐蚀合金 个节点在一次热挤压成形中的磨损深度为： (如Hastelloy G3 Inconel690)管材的热挤压成形理 LPa (6) 论和挤压模具磨损的研究几乎空白，对镍基耐蚀合
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 境变得相当复杂模具的使用寿命很短．据资料统 计模具失效原因主要有机械性疲劳、塑性变形和磨 损等其中模具因磨损而失效的情况超过 70％ ［2］． 模具磨损不仅对产品尺寸、表面质量和力学性能造 成不良的影响而且浪费大量的物力和财力．因此 如何降低磨损提高热挤压模具的使用寿命成为人 们最为关心的问题之一． 1－挤压筒 2－模具 3－坯料 4－挤压杆 5－挤压垫 6－ 挤出管材 7－芯棒 Ａ－模具定经带 Ｂ－模具工作表面 Ｃ－ 模具入口处 图 1 管材热挤压工艺装配示意图 Ｆｉｇ．1 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｕｂｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｈｏｔｅｘｔｒｕ- ｓｉｏｎ 金属热塑性成形时由于过程复杂难以进行充 分的数学模拟采用实际过程的试验法来研究模具 磨损规律也难以实施 ［3］因此研究人员主要采用物 理模拟和数值模拟方法来分析模具磨损规律 ［4--5］． 如早在 1989年 Ｄａｇ ［4］用低变形抗力模型蜡制作工 件借助模型模具采用物理模拟方法模拟了汽车车 轴法兰在热锻成形过程时模具的磨损特性并用于 优化成形工艺．此后Ｔｕｌｓｙａｎ和 Ｓｈｉｖｐｕｒｉ ［6］用 ＤＥ- ＦＯＲＭ有限元软件对汽车排气阀锻造--热挤压成形 中的工艺参数如成形速度、坯料和模具预热温度对 模具的磨损规律进行了分析．Ｐａｎｔｅｒ等 ［7］用试验法 和有限元方法对 Ｎｉｍｏｎｉｃ80Ａ排气阀锻造--热挤压 成形中的两种不同模具 （Ｓｉ3Ｎ4陶瓷Ｈ13钢 ）的磨损 规律进行了分析．有限元分析结果表明锥模出口 附近是模具的主要磨损区域与试验法测得的磨损 结果吻合．此外Ｌｅｅ和 Ｉｍ ［8］采用有限元法对镦锻-- 挤压成形中模具的磨损和应力状态进行了分析认 为磨损和应力集中造成的塑性变形是模具失效的两 个主要原因． 镍基耐蚀合金由于含有大量的合金化元素其 管材热挤压工艺具有变形抗力大、热加工温度范围 窄以及热加工塑性低等特点．同时热挤压模具磨 损严重使用寿命短．但是国内对于镍基耐蚀合金 （如 ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3、Ｉｎｃｏｎｅｌ690）管材的热挤压成形理 论和挤压模具磨损的研究几乎空白对镍基耐蚀合 金管材的需求也长期依赖进口．因此本文采用 ＤＥＦＯＲＭ--2Ｄ有限元软件对 ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3镍基耐蚀 合金管材高速热挤压成形中工艺参数 （挤压速度、 坯料预热温度、摩擦因数和模角 ）及多道次成形对 Ｈ13钢模具磨损的影响规律进行了分析． 1 磨损计算模型 早期热挤压成形工艺中模具磨损有限元计算通 常采用 Ａｒｃｈａｒｄ模型 ［4--9］模具磨损深度与磨损系 数、模具表面正压力、工件与模具间的相对滑动距离 和模具硬度之间的关系可以用下式表达： ｈ＝ｋ ＬＰ Ｈ （1） 式中ｈ为一次挤压成形后模具的磨损深度ｍｍ；ｋ 为模具磨损系数 （量纲 1的参数 ）；Ｌ为工件相对模 具的滑动距离ｍｍ；Ｐ为模具表面正压力ＭＰａ；Ｈ为 模具维氏硬度．该模型中假定磨损系数、硬度为常 数．然而在金属热成形工艺中当温度高于 400℃ 时材料特性和接触条件随温度变化而变化 ［10］可 见用上述 Ａｒｃｈａｒｄ磨损方程并不能准确地反映热挤 压模具的磨损规律．Ｌｅｅ等假定 Ａｒｃｈａｒｄ磨损模型 仍然适用于温锻、热挤压等热成形工艺但是模具钢 （Ｈ13钢 ）的磨损系数、硬度随温度变化从而提出 了修正的 Ａｒｃｈａｒｄ磨损计算模型 ［11］．该模型逐渐被 人们所采用 ［11］并可用下式表示： ｈ（Ｔ）＝ｋ（Ｔ） ＬＰ Ｈ（Ｔ） （2） 式中ｋ（Ｔ）、ｈ（Ｔ）可通过高温磨损、高温硬度试验进 行测定： ｋ（Ｔ）＝（29∙29ｌｎＴ－168∙73）×10 －6 Ｈ（Ｔ）＝9216∙4Ｔ －0∙505 （3） 有限元分析时模具表面温度、压力和坯料的速 度均随时间、位置的变化而变化因此任意时刻、任 意节点的磨损深度可以用下式表示： Δｈｉｊ＝ｋｉｊ（Ｔ） ＬｉｊＰｉｊ Ｈｉｊ（Ｔ） （4） 式中Δｈｉｊ为模具第 ｉ个节点在第 ｊ时刻的磨损深 度；Ｐｉｊ为法向应力；Ｔｉｊ为温度；Ｌｉｊ为模具节点 ｉ处坯 料相对模具的滑动距离且 Ｌｉｊ＝ｖｉｊΔｔ （5） 式中ｖｉｊ为模具节点 ｉ处附近坯料相对模具的平均 滑动速度Δｔ为有限元中相邻步骤的时间差． 有限元分析中可得到 Ｐｉｊ、ｖｉｊ和 Ｔｉｊ．因此模具第 ｉ个节点在一次热挤压成形中的磨损深度为： ｈｉ＝∑ ｊ＝ｎ ｊ＝1 ｋｉｊ（Ｔ） ＬｉｊＰｉｊ Ｈｉｊ（Ｔ） （6） ·1210·
第9期 王宝顺等：Hastelby G3管材热挤压模具磨损有限元分析 .1211. 式中，n为有限元模拟中总的模拟步数，通过式 分布，结合图1图2可以看出，模具表面的磨损分 (6),可以计算出模具一次成形中任意节点的磨损 布可以分为三个区域，锥模工作表面(B区)磨损深 深度.对模具表面所有节点的磨损深度进行分析， 度较高，磨损深度沿着挤压方向而增加，且在锥模出 就可以得到整个模具表面的磨损分布状态，模具磨 口附近（节点8达到最大值.模具定径带(A区）和 损有限元计算步骤为：①有限元分析得到某个时间 锥模入口(C区)附近的磨损深度很低，此外，从图 段模具表面各个节点的速度场、温度场和压力场；② 2(a)中还可以看出，随着挤压速度的提高，模具工 通过硬度、磨损系数式(3)计算该时间段对应的磨 作表面的磨损深度逐渐降低，坯料预热温度对模具 损系数和硬度；③从各个模拟时间段节点的速度场 工作表面的磨损深度也有类似的影响规律，相反， 计算相对滑动距离L,④通过式(4)计算节点在每 模具工作表面的磨损深度随着模角（锥模工作表面 个模拟阶段的磨损深度；⑤通过式(6)计算节点在 与径向的夹角，平模时模角为0°)的增大而增加，如 次热挤压成形模拟过程的磨损总深度， 图2(b)所示，但是，模具定径带和锥模入口区的磨 2结果与讨论 损深度对挤压速度、坯料预热温度、摩擦因数和模角 都不太敏感. 2.1挤压工艺参数对模具磨损的影响 图3是挤压工艺参数（挤压速度、坯料预热温 图2是挤压速度和模角对模具表面的磨损深度 度、摩擦因数和模角)对锥模工作表面（区）最大 0.10m (a) -4-100mm-g↓ 014间 -a-30° --150mms- 0.12 -g-40° 0.08 -4-200mmg- -4-50° --250mms1 0.10 =0-60° -o-300mm.8- 挤压方向 0.06 挤压方向 目0.0R 0.06 0.02 0.02 C A B -0.022 上。--“：”-t 4101622 28 -0.022 410162228 模具表面节点号 模具表面节点号 图2挤压工艺参数对模具磨损分布、(a)挤压速度；(b)模角 Fig 2 W ear pmofiles on the die surface vs pmocess variables (a)ram vebcity (b)die angle 磨损深度的影响.从图3(a)中可以看出，随着挤压 滑良好)，此时模具最大磨损深度为0.0515mm- 速度的提高，最大磨损深度逐渐降低，坯料预热温度 2.2多道次成形对模具磨损的影响 对模具最大磨损深度也有类似的规律，如图3(b)所 热挤压成形是先进的金属压力加工方法之一， 示，相反，随着摩擦因数的增大，模具的最大磨损深 热挤压连续多次成形时，模具磨损变得更为严重， 度逐渐增加，如图3(c)所示.但是，模角对模具最 为了模拟热挤压连续生产时模具的磨损状态，分析 大磨损深度的影响没有规律性，呈波动状态，如图3 了挤压成形次数对模具磨损的影响规律，图4是挤 (d)所示.当模角为3040时，模具形状比较扁 压成形次数对模具最大磨损深度的影响，从图中可 平，模具工作表面磨损深度较低，如图2(b),这与 以看出，随着挤压次数从第1次增加到第15次，模 Eriksen的研究结果比较吻合，Erksen还认为锥 具最大磨损深度从0.104mm上升到0.116mm,增 模表面改为扁平状椭圆形的弧形模时，不仅能降低 加了约12%. 模具工作表面的磨损值，还能降低模具的最大磨损 2.3讨论 值.由此可见，对模具型腔进行合理的设计，是降低 热挤压成形工艺中，沿着挤压方向，由于模具横 模具磨损深度，提高模具的使用寿命的方法之一· 截面积逐渐降低，流动速度大大增加，在定径带附近 同时，根据计算结果发现，最佳的挤压工艺参数为挤 达到峰值.当热挤压速度为100mm·s时，定径带 压速度200mm·s、坯料预热温度1180℃、摩擦因 上的金属流动速度高达770mm·s.模具温度也沿 数0.05以及界面换热系数5Nmm1.s1.℃-1（润 挤压方向逐渐升高，在锥模出口附近达到峰值，而模
第 9期 王宝顺等： ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3管材热挤压模具磨损有限元分析 式中ｎ为有限元模拟中总的模拟步数．通过式 （6）可以计算出模具一次成形中任意节点的磨损 深度．对模具表面所有节点的磨损深度进行分析 就可以得到整个模具表面的磨损分布状态．模具磨 损有限元计算步骤为：①有限元分析得到某个时间 段模具表面各个节点的速度场、温度场和压力场；② 通过硬度、磨损系数式 （3）计算该时间段对应的磨 损系数和硬度；③从各个模拟时间段节点的速度场 计算相对滑动距离 Ｌｉｊ；④通过式 （4）计算节点在每 个模拟阶段的磨损深度；⑤通过式 （6）计算节点在 一次热挤压成形模拟过程的磨损总深度． 2 结果与讨论 2∙1 挤压工艺参数对模具磨损的影响 图 2是挤压速度和模角对模具表面的磨损深度 分布．结合图 1、图 2可以看出模具表面的磨损分 布可以分为三个区域锥模工作表面 （Ｂ区 ）磨损深 度较高磨损深度沿着挤压方向而增加且在锥模出 口附近 （节点 8）达到最大值．模具定径带 （Ａ区 ）和 锥模入口 （Ｃ区 ）附近的磨损深度很低．此外从图 2（ａ）中还可以看出随着挤压速度的提高模具工 作表面的磨损深度逐渐降低．坯料预热温度对模具 工作表面的磨损深度也有类似的影响规律．相反 模具工作表面的磨损深度随着模角 （锥模工作表面 与径向的夹角平模时模角为 0°）的增大而增加如 图 2（ｂ）所示．但是模具定径带和锥模入口区的磨 损深度对挤压速度、坯料预热温度、摩擦因数和模角 都不太敏感． 图 3是挤压工艺参数 （挤压速度、坯料预热温 度、摩擦因数和模角 ）对锥模工作表面 （Ｂ区 ）最大 图 2 挤压工艺参数对模具磨损分布．（ａ） 挤压速度；（ｂ） 模角 Ｆｉｇ．2 Ｗｅａｒｐｒｏｆｉｌｅｓｏｎｔｈｅｄｉｅｓｕｒｆａｃｅｖｓ．ｐｒｏｃｅｓｓｖａｒｉａｂｌｅｓ：（ａ） ｒａｍｖｅｌｏｃｉｔｙ；（ｂ） ｄｉｅａｎｇｌｅ 磨损深度的影响．从图 3（ａ）中可以看出随着挤压 速度的提高最大磨损深度逐渐降低坯料预热温度 对模具最大磨损深度也有类似的规律如图 3（ｂ）所 示．相反随着摩擦因数的增大模具的最大磨损深 度逐渐增加如图 3（ｃ）所示．但是模角对模具最 大磨损深度的影响没有规律性呈波动状态如图 3 （ｄ）所示．当模角为 30～40°时模具形状比较扁 平模具工作表面磨损深度较低如图 2（ｂ）这与 Ｅｒｉｋｓｅｎ ［14］的研究结果比较吻合．Ｅｒｉｋｓｅｎ还认为锥 模表面改为扁平状椭圆形的弧形模时不仅能降低 模具工作表面的磨损值还能降低模具的最大磨损 值．由此可见对模具型腔进行合理的设计是降低 模具磨损深度提高模具的使用寿命的方法之一． 同时根据计算结果发现最佳的挤压工艺参数为挤 压速度 200ｍｍ·ｓ －1、坯料预热温度 1180℃、摩擦因 数 0∙05以及界面换热系数 5Ｎ·ｍｍ －1·ｓ －1·℃ －1 （润 滑良好 ）此时模具最大磨损深度为 0∙0515ｍｍ． 2∙2 多道次成形对模具磨损的影响 热挤压成形是先进的金属压力加工方法之一 热挤压连续多次成形时模具磨损变得更为严重． 为了模拟热挤压连续生产时模具的磨损状态分析 了挤压成形次数对模具磨损的影响规律．图 4是挤 压成形次数对模具最大磨损深度的影响．从图中可 以看出随着挤压次数从第 1次增加到第 15次模 具最大磨损深度从 0∙104ｍｍ上升到 0∙116ｍｍ增 加了约 12％． 2∙3 讨论 热挤压成形工艺中沿着挤压方向由于模具横 截面积逐渐降低流动速度大大增加在定径带附近 达到峰值．当热挤压速度为 100ｍｍ·ｓ －1时定径带 上的金属流动速度高达 770ｍｍ·ｓ －1．模具温度也沿 挤压方向逐渐升高在锥模出口附近达到峰值而模 ·1211·
,1212. 北京科技大学学报 第32卷 0.100 0.09 (a) 目0.096 008 0.088 0.08 80 0.04 120160200240280320 08011101140117012001230 挤压速度mm.s) 坯料预热温度℃ 0.070 0.20 目0.065 三0.15 量oa 0.055 ￥0.050 0.045L 0.030.060.090.120.150.18021 20 30 40506070 摩擦因子 模角) 图3挤压工艺参数对最大磨损深度的影响.(a)挤压速度：(b)坯料温度；(c)摩擦因数；(d)模角 Fig 3 Maxmu wear depth of the die vs process variables (a)ra vebcity (b)initial billet temperatuin (e)friction factor (d)die angl 0.120 1.2 挤压方向 -o-V/Von 1.0 --T/T 0.116 赵0.112 0.6 0.4 0.2 0.104 B 0.1006 810121416 1016 22 28 挤压次数 模具表面节点号 图4挤压成形次数对模具最大磨损深度的影响 图5温度(T)、压力(P)和速度(V)沿模具表面节点分布图 Fig 4 Effect of press cycles on the maxinum wear depth of the die Fig 5 Variation of temperatum pressure and vebcity with node number abng the edge of the die 具受到的正压力沿挤压方向逐渐降低，在定径带区 域模具受到的正压力几乎降为零，如图5所示.因 摩擦系数高低有关，而G3合金热挤压成形时接触 此，结合式(1)可以计算出，模具最大磨损深度在锥 界面间的摩擦既不同于普通物理学中的干摩擦，也 模出口附近，定径带和锥模入口附近的磨损深度则 不同于机械传动中的流体摩擦，而是介于两者之间 较低，如图2所示. 的边界摩擦，界面之间的摩擦模型采用塑性剪切摩 摩擦磨损是一个复杂的系统工程，受多种因素 擦模型，即 (摩擦副的材质、接触面的状态和工况等)的影响， t=mk (7) 从式(1)、式(5)中发现，模具磨损的各种影响因素 k=0.577g 可以归结为模具温度、压力、和坯料与模具之间的相 式中，m为摩擦因数，o为材料的剪切屈服强度，该 对滑动速度，这三个影响因素最终决定模具表面的 模型表示当摩擦剪切应力达到材料剪切屈服强度的 磨损程度 一 定比例时，坯料开始滑动.m=0表示纯滑动状 从式(2)和式(3)中可以看出，模具温度升高 态，m=1表示纯黏着状态.坯料与模具之间的热交 时，不仅模具磨损系数增大，模具软化（硬度降低） 换则取决于变形功、接触时间和界面换热系数 也十分严重，因此模具温度的高低显著影响模具磨 当热挤压速度从100mm·s增加到300mm 损程度，模具温度升高的热源主要是摩擦热和坯料 s时，模具和坯料之间的接触时间缩短一半以上， 与模具之间的热交换]，摩擦热的多少则和界面 坯料内部产生大量的变形热来不及向模具扩散，两
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 3 挤压工艺参数对最大磨损深度的影响．（ａ） 挤压速度；（ｂ） 坯料温度；（ｃ） 摩擦因数；（ｄ） 模角 Ｆｉｇ．3 Ｍａｘｉｍｕｍｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｄｉｅｖｓ．ｐｒｏｃｅｓｓｖａｒｉａｂｌｅｓ：（ａ） ｒａｍｖｅｌｏｃｉｔｙ；（ｂ） ｉｎｉｔｉａｌｂｉｌｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；（ｃ） ｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ；（ｄ） ｄｉｅａｎｇｌｅ 图 4 挤压成形次数对模具最大磨损深度的影响 Ｆｉｇ．4 Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｓｓｃｙｃｌｅｓｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｄｉｅ 具受到的正压力沿挤压方向逐渐降低在定径带区 域模具受到的正压力几乎降为零如图 5所示．因 此结合式 （1）可以计算出模具最大磨损深度在锥 模出口附近定径带和锥模入口附近的磨损深度则 较低如图 2所示． 摩擦磨损是一个复杂的系统工程受多种因素 （摩擦副的材质、接触面的状态和工况等 ）的影响． 从式 （1）、式 （5）中发现模具磨损的各种影响因素 可以归结为模具温度、压力、和坯料与模具之间的相 对滑动速度这三个影响因素最终决定模具表面的 磨损程度． 从式 （2）和式 （3）中可以看出模具温度升高 时不仅模具磨损系数增大模具软化 （硬度降低 ） 也十分严重．因此模具温度的高低显著影响模具磨 损程度．模具温度升高的热源主要是摩擦热和坯料 与模具之间的热交换 ［15］．摩擦热的多少则和界面 图 5 温度 （Ｔ）、压力 （Ｐ）和速度 （Ｖ）沿模具表面节点分布图 Ｆｉｇ．5 Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｎｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒａｌｏｎｇｔｈｅｅｄｇｅｏｆｔｈｅｄｉｅ 摩擦系数高低有关而 Ｇ3合金热挤压成形时接触 界面间的摩擦既不同于普通物理学中的干摩擦也 不同于机械传动中的流体摩擦而是介于两者之间 的边界摩擦．界面之间的摩擦模型采用塑性剪切摩 擦模型 ［16］即 τ＝ｍｋ ｋ＝0∙577σ （7） 式中ｍ为摩擦因数σ为材料的剪切屈服强度．该 模型表示当摩擦剪切应力达到材料剪切屈服强度的 一定比例时坯料开始滑动．ｍ＝0表示纯滑动状 态ｍ＝1表示纯黏着状态．坯料与模具之间的热交 换则取决于变形功、接触时间和界面换热系数． 当热挤压速度从 100ｍｍ·ｓ －1增加到 300ｍｍ· ｓ －1时模具和坯料之间的接触时间缩短一半以上 坯料内部产生大量的变形热来不及向模具扩散两 ·1212·
第9期 王宝顺等：Hastelby G3管材热挤压模具磨损有限元分析 .1213. 者之间的热交换大大降低，因此模具的温升随着 200mm·s1下进行拉伸试验，发现温度在1050~ 挤压速度的提高反而降低，如图6(a)所示，抗磨损 1220℃时，合金的断面收缩率在50%以上，表现出 能力增强，模具最大磨损逐渐降低，如图3(a)所示. 较好的高温热塑性，因此，当坯料预热温度从1 随着摩擦因数的提高，接触界面之间的摩擦热逐渐 100℃上升到1200C时，金属坯料的流动性能大大 提高，导致模具温升逐渐增大，如图6(b)所示，模具 提高，变形抗力逐渐下降，锥模表面受到的正压力逐 磨损深度逐渐增大（图3（©）)坯料预热温度对模 渐下降.此外，随着金属流动性的增强，所需的变形 具磨损的影响主要通过合金的热塑性而体现，苏玉 功逐渐下降，因此坯料变形区的温升逐渐降低，导致 华等的研究结果表明，随着坯料预热温度从 坯料与锥模表面之间的热交换量变少，模具温升也 1080℃提高到1240℃时，G3合金的流变应力从 变小.所以，模具的最大磨损深度随着坯料预热温 250MPa左右逐渐下降到143MPa左右，在速率为 度的升高而逐渐下降 500 700 (a) 650 450 &6m0 ◇ 350 450 400 30 50100150200250300350 35000.040.080120160.200.24 挤压速度mms 摩擦因子 图6挤压速度(a)和摩擦因数(b)对模具最大温升的影响 Fig 6 Effect of nam velocity (a)and friction factor (b)on the maxinum temperature rise of the di 综上所述，温度对模具磨损影响最为显著，坯料 是提高模具耐磨性能的一个途径.当模具型腔形状 流动速度和模具表面正压力次之，因此，如何降低 一定，润滑剂也一定时，还可以对挤压工艺参数（挤 模具的温升，是降低模具磨损的一个关键所在，首 压速度、坯料温度、模具温度等)进行优化设计，以 先，采用合理的润滑剂对模具工作表面进行润滑，降 达到降低磨损、提高模具使用寿命之目的 低模具与坯料之间的摩擦因数，防止模具过热，是降 多道次成形时，模具将承受反复性的高温工件 低模具磨损的一个重要途径，玻璃态物质（如玻璃、 接触瞬间温升、摩擦温升及润滑剂喷涂时瞬间温降， 搪瓷)在和热坯料接触时，从固态逐渐变为胶黏态、 此时模具承受较高的周期性温度变化，从而形成热 能较好的黏附在热金属表面，在热挤压温度下具有 应力的变化，使模具产生热疲劳裂纹，造成热疲劳磨 足够的黏度以保证润滑剂本身在高压下而不迅速流 损，模具产生热疲劳磨损时，表面一般会产生小碎 失.另外，玻璃态物质热扩散系数很低(2×10-7~ 片剥落与裂纹扩展现象，前者会加速模具磨损，而后 5×10-m2.s1),是一个良好的隔热体，能显著降 者则会造成模具破裂，导致模具更严重的磨损， 低热坯料和冷模具之间的热交换系数，从而达到隔 在最佳的热挤压工艺下（速度为200mm·s、 热、减摩和降磨效果，提高模具使用寿命町.其次， 坯料预热温度为1180℃、摩擦因数为0.05以及界 钢在热挤压中，采用高速挤压成形(150~400mm· 面换热系数为5Nmm.s.℃-时，润滑良好)， 。,是铝挤压速度的5~15倍)，以缩短热坯料和模 模具的最大磨损深度为0.0515mm,如图3(c)中磨 具之间的接触时间，防止坯料温降和模具温升，模具 损最小点所示；假设模具最大许可磨损深度为1 磨损可以得到减轻，再次，提高钢坯的预热温度，以 mm,且每次挤压后模具充分冷却，则模具的使用寿 提高坯料流变性能，降低模具表面压力达到降磨效 命可达20次.若在较差的挤压工艺制度下（挤速度 果，如不锈钢的热挤压温度为1175士25℃，镍基合 为200mm·s、坯料预热温度为1200℃、摩擦因数 金热挤压温度则为1150士25℃[0.最后，从模角对 为0.15以及界面换热系数为20Nmm1.s1.℃1 模具磨损的结果可以看出，模具的形状也会影响模 时，润滑效果差)，第1道次的最大磨损深度为 具磨损特点，因此，对模具型腔进行合理的设计，也 0.104mm;如果每次挤压后，模具没有充分冷却（只
第 9期 王宝顺等： ＨａｓｔｅｌｌｏｙＧ3管材热挤压模具磨损有限元分析 者之间的热交换大大降低 ［14］因此模具的温升随着 挤压速度的提高反而降低如图 6（ａ）所示抗磨损 能力增强模具最大磨损逐渐降低如图 3（ａ）所示． 随着摩擦因数的提高接触界面之间的摩擦热逐渐 提高导致模具温升逐渐增大如图 6（ｂ）所示模具 磨损深度逐渐增大 （图 3（ｃ））．坯料预热温度对模 具磨损的影响主要通过合金的热塑性而体现．苏玉 华等 ［18］的研究结果表明随着坯料预热温度从 1080℃提高到 1240℃时Ｇ3合金的流变应力从 250ＭＰａ左右逐渐下降到 143ＭＰａ左右．在速率为 200ｍｍ·ｓ －1下进行拉伸试验发现温度在 1050～ 1220℃时合金的断面收缩率在 50％以上表现出 较好的高温热塑性．因此当坯料预热温度从 1 100℃上升到 1200℃时金属坯料的流动性能大大 提高变形抗力逐渐下降锥模表面受到的正压力逐 渐下降．此外随着金属流动性的增强所需的变形 功逐渐下降因此坯料变形区的温升逐渐降低导致 坯料与锥模表面之间的热交换量变少模具温升也 变小．所以模具的最大磨损深度随着坯料预热温 度的升高而逐渐下降 ［15］． 图 6 挤压速度 （ａ）和摩擦因数 （ｂ）对模具最大温升的影响 Ｆｉｇ．6 Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒａｍｖｅｌｏｃｉｔｙ（ａ） ａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ（ｂ） ｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｔｈｅｄｉｅ 综上所述温度对模具磨损影响最为显著坯料 流动速度和模具表面正压力次之．因此如何降低 模具的温升是降低模具磨损的一个关键所在．首 先采用合理的润滑剂对模具工作表面进行润滑降 低模具与坯料之间的摩擦因数防止模具过热是降 低模具磨损的一个重要途径．玻璃态物质 （如玻璃、 搪瓷 ）在和热坯料接触时从固态逐渐变为胶黏态、 能较好的黏附在热金属表面在热挤压温度下具有 足够的黏度以保证润滑剂本身在高压下而不迅速流 失．另外玻璃态物质热扩散系数很低 （2×10 －7 ～ 5×10 －7ｍ 2·ｓ －1 ）是一个良好的隔热体能显著降 低热坯料和冷模具之间的热交换系数从而达到隔 热、减摩和降磨效果提高模具使用寿命 ［19］．其次 钢在热挤压中采用高速挤压成形 （150～400ｍｍ· ｓ －1是铝挤压速度的 5～15倍 ）以缩短热坯料和模 具之间的接触时间防止坯料温降和模具温升模具 磨损可以得到减轻．再次提高钢坯的预热温度以 提高坯料流变性能降低模具表面压力达到降磨效 果．如不锈钢的热挤压温度为 1175±25℃镍基合 金热挤压温度则为 1150±25℃ ［20］．最后从模角对 模具磨损的结果可以看出模具的形状也会影响模 具磨损特点．因此对模具型腔进行合理的设计也 是提高模具耐磨性能的一个途径．当模具型腔形状 一定润滑剂也一定时还可以对挤压工艺参数 （挤 压速度、坯料温度、模具温度等 ）进行优化设计以 达到降低磨损、提高模具使用寿命之目的． 多道次成形时模具将承受反复性的高温工件 接触瞬间温升、摩擦温升及润滑剂喷涂时瞬间温降 此时模具承受较高的周期性温度变化从而形成热 应力的变化使模具产生热疲劳裂纹造成热疲劳磨 损．模具产生热疲劳磨损时表面一般会产生小碎 片剥落与裂纹扩展现象前者会加速模具磨损而后 者则会造成模具破裂导致模具更严重的磨损． 在最佳的热挤压工艺下 （速度为 200ｍｍ·ｓ －1、 坯料预热温度为 1180℃、摩擦因数为 0∙05以及界 面换热系数为 5Ｎ·ｍｍ －1·ｓ －1·℃ －1时润滑良好 ） 模具的最大磨损深度为 0∙0515ｍｍ如图 3（ｃ）中磨 损最小点所示；假设模具最大许可磨损深度为 1 ｍｍ且每次挤压后模具充分冷却则模具的使用寿 命可达 20次．若在较差的挤压工艺制度下 （挤速度 为 200ｍｍ·ｓ －1、坯料预热温度为 1200℃、摩擦因数 为 0∙15以及界面换热系数为 20Ｎ·ｍｍ －1·ｓ －1·℃ －1 时润滑效果差 ）第 1道次的最大磨损深度为 0∙104ｍｍ；如果每次挤压后模具没有充分冷却 （只 ·1213·