D01:10.13374/i.issn1001t63x.2010.01.007 第32卷第1期 北京科技大学学报 Vol 32 No 1 2010年1月 Journal of Un iversity of Science and Techno logy Beijing Jan 2010 GH4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 王 珏)董建新)张麦仓)郑磊)信继军) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中油吉林化建工程股份有限公司，吉林132021 摘要结合GH4169在不同温度、应变速率下的真应力应变曲线，应用Ms0 Superfom有限元软件对GH4169合金管材正 挤压进行了数值模拟，系统分析讨论不同挤压参数对挤压过程的影响·结果表明：GH4169合金管材可以通过热正挤压成形， 当挤压速度为100mm·s和300mm·s.模角为20~30°，坯料预热温度为1040~1050℃时，以及在良好的润滑条件下可以 获得优化可控的挤压工艺· 关键词高温合金：热挤压：管材：数值模拟 分类号1TG376.9 Num erical sim ulation for optim ization of the extrusion process of GH4169 tubes WANG Jue.DONG Jianxin,ZHANG Maicang),ZHENG Le),XIN Ji-jun?) 1)School ofMaterials Seience and Engineerng University of Seience and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)China Petmlum Jiln Chen ical Engneering Constmction Co L,Jiln 132021.China ABSTRACT The hot extnuision process ofGH4169 superalboy tubes was siulated by using M se Superfom software with the tme flow stress-tme strain curves ofGH4169 alloy at different temnperatures and strain rates The effects of technical parmeters on the extnusion processing were systematically analyzed to optin ize the extnusion process The results show that high quality products can be expected using forwan extnusion The optial parmeters are the extnusion speed of 100 and 300mm*s,the die angle of 20 to 30 the billet preheating temperature of 1040 to 1050C and a better lubrication condition KEY W ORDS high-teperature alboys hot extmusion:tubes numnerical smulation GH4169高温合金以较高的强度、韧性和优异 的综合性能，广泛应用于航空、航天、能源和电力等 1实验材料及研究方法 领域-)，尤其是该合金管材的需求量正逐年增大， 1.1数值模拟中GH4169合金的材料参数 无缝管材的生产多采用热挤压的方式，高温合金变 本文中管坯材料为高温合金GH4169,其主要 形抗力大、可变形温度窄等特点导致其挤压过程中 成分如表1所示，GH4169合金的热变形行为通过 温度和速度的选择与传统的软合金、轻合金有明显 恒温单向压缩实验获得：将锻态GH4169合金加工 的不同，往往采用高温并配合大的挤压速度，对金 成中8mm×l2mm的圆柱试样，压缩实验在 属热挤压的研究多采用挤压实验与数值模拟相结合 G leeb lel500试验机上进行，变形温度为900950 的方式，近年来，国外对热挤压过程中的模具优化 990和1040℃，应变速率为0.11和20s,实验获 和挤压过程中玻璃润滑剂性质等相关问题进行了深 得的真应力应变曲线如图1所示，结合真应力应变 入的研究3)，得到了针对不同断面型材挤压时模 曲线，采用线性回归的方法以及相关计算得到该材 具的优化方法，我国对热挤压的研究主要针对铝、 料的本构关系方程： 镁等轻合金)，对高温合金管材挤压的研究较少， e=4.51×105[sinh(0.0024o)].s. 各种挤压参数并没有标准的配置方式 exp(一413118RT) 收稿日期：2009-08-03 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：王珏(1985)男，硕士研究生，Email wangjue-soP126cm:董建新(1965)男，教授，博士生导师
第 32卷 第 1期 2010年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．1 Ｊａｎ．2010 ＧＨ4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 王 珏 1） 董建新 1） 张麦仓 1） 郑 磊 1） 信继军 2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2） 中油吉林化建工程股份有限公司吉林 132021 摘 要 结合 ＧＨ4169在不同温度、应变速率下的真应力 －应变曲线应用 Ｍｓｃ．Ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ有限元软件对 ＧＨ4169合金管材正 挤压进行了数值模拟系统分析讨论不同挤压参数对挤压过程的影响．结果表明：ＧＨ4169合金管材可以通过热正挤压成形 当挤压速度为 100ｍｍ·ｓ －1和 300ｍｍ·ｓ －1模角为 20～30°坯料预热温度为 1040～1050℃时以及在良好的润滑条件下可以 获得优化可控的挤压工艺． 关键词 高温合金；热挤压；管材；数值模拟 分类号 ＴＧ376∙9 ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＧＨ4169ｔｕｂｅｓ ＷＡＮＧＪｕｅ 1）ＤＯＮＧＪｉａｎ-ｘｉｎ 1）ＺＨＡＮＧＭａｉ-ｃａｎｇ 1）ＺＨＥＮＧＬｅｉ 1）ＸＩＮＪｉ-ｊｕｎ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＪｉｌｉｎＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．Ｊｉｌｉｎ132021Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｈｅｈｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＧＨ4169ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｔｕｂｅｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭｓｃ．Ｓｕｐｅｒｆｏｒｍｓｏｆｔｗａｒｅｗｉｔｈｔｈｅｔｒｕｅｆｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ-ｔｒｕｅｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＧＨ4169ａｌｌｏｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｐｒｏｄｕｃｔｓｃａｎｂｅｅｘｐｅｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇｆｏｒｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆ100ａｎｄ300ｍｍ·ｓ －1ｔｈｅｄｉｅａｎｇｌｅｏｆ20ｔｏ30°ｔｈｅｂｉｌｌｅｔ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ1040ｔｏ1050℃ ａｎｄａｂｅｔｔｅｒｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｌｏｙｓ；ｈｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｔｕｂｅｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：2009--08--03 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 珏 （1985－ ）男硕士研究生Ｅ-ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｕｅ－ｓｏｒ＠126．ｃｏｍ；董建新 （1965－ ）男教授博士生导师 ＧＨ4169高温合金以较高的强度、韧性和优异 的综合性能广泛应用于航空、航天、能源和电力等 领域 ［1--2］尤其是该合金管材的需求量正逐年增大． 无缝管材的生产多采用热挤压的方式高温合金变 形抗力大、可变形温度窄等特点导致其挤压过程中 温度和速度的选择与传统的软合金、轻合金有明显 的不同往往采用高温并配合大的挤压速度．对金 属热挤压的研究多采用挤压实验与数值模拟相结合 的方式．近年来国外对热挤压过程中的模具优化 和挤压过程中玻璃润滑剂性质等相关问题进行了深 入的研究 ［3--4］得到了针对不同断面型材挤压时模 具的优化方法．我国对热挤压的研究主要针对铝、 镁等轻合金 ［5］对高温合金管材挤压的研究较少 各种挤压参数并没有标准的配置方式． 1 实验材料及研究方法 1∙1 数值模拟中 ＧＨ4169合金的材料参数 本文中管坯材料为高温合金 ＧＨ4169其主要 成分如表 1所示．ＧＨ4169合金的热变形行为通过 恒温单向压缩实验获得：将锻态 ＧＨ4169合金加工 成 ●8ｍｍ ×12ｍｍ 的 圆 柱 试 样压 缩 实 验 在 Ｇｌｅｅｂｌｅ1500试验机上进行变形温度为 900950 990和 1040℃应变速率为 0∙11和 20ｓ －1实验获 得的真应力应变曲线如图 1所示．结合真应力应变 曲线采用线性回归的方法以及相关计算得到该材 料的本构关系方程： ε · ＝4∙51×10 16 ［ｓｉｎｈ（0∙0024σ） ］ 5∙05· ｅｘｐ（－413118／ＲＴ）． DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．01．007
,84. 北京科技大学学报 第32卷 式中，e为应变速率，σ为峰值应力，R为气体常数， T为变形温度， 表1GH4169合金化学成分（质量分数） Table 1 Chemn ical composition ofGH4169 alby % C Si Mn Cr B AI Mo Fe Ti Nb Ni 0.05 0.30 0.20 19.0 0.006 0.5 3.0 18.0 1.0 5.3 其余 500 a 900℃ 0.181 1.0s1 400 =70% 600 990℃ E-70% 950℃ 500 950℃ 300 990℃ m 990℃ 1040℃ 200 300 1040℃ 200 100 100 0.3 0.6 0.9 1.2 0.3 0.6 0.9 1.2 真应变 真应变 700 (c) 900℃ 20g 6o0- 70% 950℃ 500 990气 1040℃ 200 100 0.3 0.6 0.9 1.2 真应变 图1不同应变速率下GH4169合金应力应变曲线.(a)0.1:(b)1.01;(c)201 Fig 1 Tme stress stran curves ofGH4169 alloy at different stmain mates (a)0.1s;(b)1.0s;(c)20s 整个模具系统采用H13热作模具钢.由于模具 材料参数如表2所示.模拟中的管坯尺寸为：外径 被看作刚性体，所以其弹性模量、泊松比和热膨胀系 217mm,内径82mm,长度200mm;挤压后的管材尺 数不予考虑，管坯和模具在数值模拟过程中采用的 寸为：外径108mm,内径82mm 表2管坯与模具的材料参数 Table 2 Panmeters of billets and the die 弹性模 密度/ 热导率/ 比热容/ 对流换热系数/接触热传导系数/线膨胀 参数 材料 泊松比 量GPa (kgm-3)(Wm1.K-1)(5kg1.K1)(wm2K1)(wm-2.K-1)系数k 坯料 GH4169 202.7 0.37 8.24×103 27.6 704 200 2.5×10 1.86X105 模具 H13 7.8×103 28.4 560 200 2.0×10 1.2模拟过程挤压参数 本次模拟所采用的挤压参数为：挤压速度100 挤压简 150,200250和300mm·s,模具模角20°，25°， 模具 30和45°摩擦因数0.05,0.10.15和0.2，坯料预 定径带 坯料 热温度10401050,1060,1070和1080℃；坯料端部 穿孔针 圆角半径Q15,20和30mm 图2数值模拟的挤压模型 1.3数值模拟模型 Fig 2 Extmuision process model in nmerical smnulation 图2为本实验中采用的基本模型.挤压力由水 对称的方式，模型中坯料、挤压筒、模具和穿孔针均 压机提供，坯料由右向左运动，通过锥模，由模孔经 进行离散化处理，统一采用四边形节点单元，由于 定径带挤出.由于几何上的对称性，本模型采用轴 变形过程中存在模具与管坯之间的热交换以及热功
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 式中ε · 为应变速率σ为峰值应力Ｒ为气体常数 Ｔ为变形温度． 表 1 ＧＨ4169合金化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＧＨ4169ａｌｌｏｙ ％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｂ Ａｌ Ｍｏ Ｆｅ Ｔｉ Ｎｂ Ｎｉ 0∙05 0∙30 0∙20 19∙0 0∙006 0∙5 3∙0 18∙0 1∙0 5∙3 其余 图 1 不同应变速率下 ＧＨ4169合金应力应变曲线．（ａ）0∙1ｓ－1；（ｂ）1∙0ｓ－1；（ｃ）20ｓ－1 Ｆｉｇ．1 Ｔｒｕｅｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＧＨ4169ａｌｌｏｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ：（ａ）0∙1ｓ－1；（ｂ）1∙0ｓ－1；（ｃ）20ｓ－1 整个模具系统采用 Ｈ13热作模具钢．由于模具 被看作刚性体所以其弹性模量、泊松比和热膨胀系 数不予考虑．管坯和模具在数值模拟过程中采用的 材料参数如表 2所示．模拟中的管坯尺寸为：外径 217ｍｍ内径 82ｍｍ长度 200ｍｍ；挤压后的管材尺 寸为：外径 108ｍｍ内径 82ｍｍ． 表 2 管坯与模具的材料参数 Ｔａｂｌｅ2 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｉｌｌｅｔｓａｎｄｔｈｅｄｉｅ 参数 材料 弹性模 量／ＧＰａ 泊松比 密度／ （ｋｇ·ｍ－3） 热导率／ （Ｗ·ｍ－1·Ｋ－1） 比热容／ （Ｊ·ｋｇ－1·Ｋ－1） 对流换热系数／ （Ｗ·ｍ－2·Ｋ－1） 接触热传导系数／ （Ｗ·ｍ－2·Ｋ－1） 线膨胀 系数／Ｋ－1 坯料 ＧＨ4169 202∙7 0∙37 8∙24×103 27∙6 704 200 2∙5×104 1∙86×10－5 模具 Ｈ13 － － 7∙8×103 28∙4 560 200 2∙0×104 － 1∙2 模拟过程挤压参数 本次模拟所采用的挤压参数为：挤压速度 100 150200250和 300ｍｍ·ｓ －1；模具模角 20°25° 30°和 45°；摩擦因数 0∙050∙10∙15和 0∙2；坯料预 热温度1040105010601070和1080℃；坯料端部 圆角半径 01520和 30ｍｍ． 1∙3 数值模拟模型 图 2为本实验中采用的基本模型．挤压力由水 压机提供坯料由右向左运动通过锥模由模孔经 定径带挤出．由于几何上的对称性本模型采用轴 图 2 数值模拟的挤压模型 Ｆｉｇ．2 Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｍｏｄｅｌｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 对称的方式．模型中坯料、挤压筒、模具和穿孔针均 进行离散化处理统一采用四边形节点单元．由于 变形过程中存在模具与管坯之间的热交换以及热功 ·84·
第1期 王珏等：GH4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 ,85. 转换等过程，所以采用热力耦合的分析方法，挤压筒 和模具设置为具有热传递性质的刚性体. 55 2结果分析 ÷50 本文分别对挤压速度、模具角度、摩擦因数、坯 料预热温度和坯料端部圆角半径等挤压参数进行调 404 整，分析各种参数的改变对挤压过程的影响，并分析 100 150200250300 了模具装配不当给挤压过程带来的危害 挤压速度(mms) 2.1挤压速度 图4最大挤压力与挤压速度的关系 GH4169合金作为典型的高温合金其可变形温 Fig 4 Relationsh ip be tween extmusion speed and maxinu extnusion 度的范围很窄)，这就要求较高的挤压速度，以免 force 压速度的升高，最高温升从110℃升高到130℃.另 挤压后期由于温度过低而不适于变形：但高速挤压 外，管材的头部应变小于其他部分，这部分管材会保 可能会带来变形抗力大，形变不均匀，加剧模具磨损 等问题[).本文结合不锈钢、镍基合金等其他材料 持一定的原始组织导致性能变差， 的挤压速度经验[7-)，选取挤压速度为100~ 1.170x10 L.123×10 局部升温 300mm·s.为了研究挤压速度对挤压过程的影响， 1.076x10P 1.029x10 特将其他参数定为：模角25°、摩擦因数0.05坯料 9.820x102 9.350x10 预热温度1040℃、坯料端部圆角半径30mm,并在 8.880x10 8.410x10P 调整挤压速度时保持不变 7.940x10P 挤压力是管材挤压生产的重要指标之一·图3 7.470x10㎡ 7.000x10P 为300mm·s速度下挤压时的挤压力变化规律.挤 图5坯料温度分布图 压力在挤压开始阶段迅速上升，然后稳定在35~45 Fig 5 Tempemtum distribution of a billet MN.不同挤压速度下的挤压力变化规律相似，但挤 130 压力大小明显不同，图4为挤压过程中最大挤压力 女12s 随挤压速度的变化曲线，当挤压速度为100150 200,250和300mm·s时对应的最大挤压力分别为 47.4,46.3,54.856.0和49.7MN,即随着挤压速度 的提高，挤压过程中的最大挤压力出现了波动.这 110 是由加工硬化效果、再结晶软化效果、温度起伏所引 100150200250300 挤压速度mm.s 起的硬化或软化效果综合作用的结果 图6坯料最高升温与挤压速度的关系 50 300 mm.s Fig 6 Relationship beteen extnusion speed and maxinum temper 40 tre rise of billets 30 2.2模具角度 20 模角是指模具轴心线与模具工作端面所构成的 10 夹角，模角是影响挤压过程的重要因素，高温合金 挤压所采用的模角在15与60之间).本实验中 00 50100150200 采用20°，25,30和45四种不同的模角.为了研究 凸模坐标/mm 模角对挤压过程的影响，特将其他参数定为：挤压速 图3挤压过程中的挤压力变化规律 度300mm·s,摩擦因数0.05，坯料预热温度 Fig 3 Relationship beteen punch position and extmusion fore 1040℃，坯料端部圆角半径30mm,并在调整模角 挤压过程中的摩擦作用和热功转化会导致坯料 时保持不变，模角的增大对挤压力起到相反的两种 在靠近模孔附近的大变形区产生较大的温升 作用：一方面使金属流入流出模孔时附加弯曲变形 (图5)，甚至出现过烧现象，导致塑性大幅降低，挤 增加，导致变形所需的挤压力分量R,增大；另一方 压速度对坯料最高温升的影响如图6所示，随着挤 面坯料与模具接触面积的减小，使挤压过程中克服
第 1期 王 珏等： ＧＨ4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 转换等过程所以采用热力耦合的分析方法挤压筒 和模具设置为具有热传递性质的刚性体． 2 结果分析 本文分别对挤压速度、模具角度、摩擦因数、坯 料预热温度和坯料端部圆角半径等挤压参数进行调 整分析各种参数的改变对挤压过程的影响并分析 了模具装配不当给挤压过程带来的危害． 2∙1 挤压速度 ＧＨ4169合金作为典型的高温合金其可变形温 度的范围很窄 ［2］这就要求较高的挤压速度以免 挤压后期由于温度过低而不适于变形；但高速挤压 可能会带来变形抗力大形变不均匀加剧模具磨损 等问题 ［6］．本文结合不锈钢、镍基合金等其他材料 的挤 压 速 度 经 验 ［7--8］选 取 挤 压 速 度 为 100～ 300ｍｍ·ｓ －1．为了研究挤压速度对挤压过程的影响 特将其他参数定为：模角 25°、摩擦因数 0∙05、坯料 预热温度1040℃、坯料端部圆角半径 30ｍｍ并在 调整挤压速度时保持不变． 挤压力是管材挤压生产的重要指标之一．图 3 为 300ｍｍ·ｓ －1速度下挤压时的挤压力变化规律．挤 压力在挤压开始阶段迅速上升然后稳定在 35～45 ＭＮ．不同挤压速度下的挤压力变化规律相似但挤 压力大小明显不同．图 4为挤压过程中最大挤压力 随挤压速度的变化曲线．当挤压速度为 100150 200250和 300ｍｍ·ｓ －1时对应的最大挤压力分别为 47∙446∙354∙856∙0和 49∙7ＭＮ即随着挤压速度 的提高挤压过程中的最大挤压力出现了波动．这 是由加工硬化效果、再结晶软化效果、温度起伏所引 起的硬化或软化效果综合作用的结果． 图 3 挤压过程中的挤压力变化规律 Ｆｉｇ．3 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｕｎｃｈｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｃｅ 挤压过程中的摩擦作用和热功转化会导致坯料 在 靠 近 模 孔 附 近 的 大 变 形 区 产 生 较 大 的 温 升 （图 5）甚至出现过烧现象导致塑性大幅降低．挤 压速度对坯料最高温升的影响如图 6所示．随着挤 图 4 最大挤压力与挤压速度的关系 Ｆｉｇ．4 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｍａｘｉｍｕｍｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ 压速度的升高最高温升从 110℃升高到 130℃．另 外管材的头部应变小于其他部分这部分管材会保 持一定的原始组织导致性能变差． Ｆｉｇ．5 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｂｉｌｌｅｔ 图 6 坯料最高升温与挤压速度的关系 Ｆｉｇ．6 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｂｉｌｌｅｔｓ 2∙2 模具角度 模角是指模具轴心线与模具工作端面所构成的 夹角．模角是影响挤压过程的重要因素高温合金 挤压所采用的模角在 15°与 60°之间 ［9］．本实验中 采用 20°25°30°和 45°四种不同的模角．为了研究 模角对挤压过程的影响特将其他参数定为：挤压速 度 300ｍｍ·ｓ －1摩 擦 因 数 0∙05坯 料 预 热 温 度 1040℃坯料端部圆角半径 30ｍｍ并在调整模角 时保持不变．模角的增大对挤压力起到相反的两种 作用：一方面使金属流入流出模孔时附加弯曲变形 增加导致变形所需的挤压力分量 ＲＭ 增大；另一方 面坯料与模具接触面积的减小使挤压过程中克服 ·85·
,86 北京科技大学学报 第32卷 摩擦阻力的挤压力分量T,减少.图7为最大挤压 170 力随模角变化曲线.在本节所设定的挤压参数下， 16s 最大挤压力随着模角增大而增大，四种模角20°， 160 15 25°，30和45°对应的最大挤压力分别为42.1 49.7,54.7和56.5MN.这是因为实验中设定的润 5 爵140 滑条件良好，所以克服金属变形所需要的挤压力分 135 量R起主要作用，而克服摩擦阻力所需要的挤压 130 125 力分量T起次要作用，随着模角增大，R,的增大 0.05 0.100.15 0.20 摩擦因数 幅度大于T的减小幅度，整体挤压力表现出增大 图8局部升温与摩擦因数关系 的趋势，另外，不同模角下坯料在挤压过程中的最 Fig 8 Relationship beteen friction coefficient and the maxium 高温升均在120~130℃，模角变化对最高温升幅度 temperature rise of billets 的影响不大，所以当润滑条件较好时，挤压过程中 80 建议采用20°~25糢角. 55 45 45L 40 0.05 0.100.15 0.20 摩擦因数 35 202530354045 图9最大挤压力与摩擦因数的关系 模角) Fig9 Relationship be teen friction coefficient and maxium extm 图7最大挤压力与模角的关系 sion fore Fig 7 Relationship beween maxmum extmusion force and die angle 2.4坯料预热温度 2.3摩擦因数 坯料在挤压前进行预热以保证变形时材料的组 润滑条件是挤压工艺中的重要参数，因为其直 织为奥氏体和一次碳化物，同时预热会使材料的屈 接影响挤压过程中应力场、温度场及挤压力的分布， 服极限降低，从而降低挤压力，所以升高预热温度可 在数值模拟中润滑条件的不同表现为摩擦因数的变 以改善加工工艺，本文选取五种坯料预热温度 化，本实验中采用0.05、0.100.15和0.20四种摩 1040,1050,1060,1070和1080℃.为了研究坯料 擦因数，为了研究摩擦因数对挤压过程的影响，特 预热温度对挤压过程的影响，特将其他参数定为：挤 将其他参数定为：挤压速度300mm·s,模角25， 压速度300mms,摩擦因数0.05模角25，坯料 坯料预热温度1040℃，坯料端部圆角半径30mm, 端部圆角半径30mm,并在调整坯料预热温度时保 并在调整摩擦因数时保持不变，从模拟结果可以看 持不变.从模拟结果看出，随着坯料预热温度的升 出，增大摩擦因数会导致整个坯料在挤压过程中升 高，挤压力有下降的趋势，由温度升高所引起的软化 温更加剧烈，特别是局部最高温度随着摩擦因数的 作用明显，然而从坯料最高温升看出，五种预热温 增大而明显升高（图8），当摩擦因数为0.20时，最 度对应的最高温升分别为132,134147,157和162 高局部温度可达1208℃，有可能导致局部过烧[0. ℃，过高的温度将引起局部过烧。由以上两方面综 随着摩擦因数的增大，挤压力水平明显升高（图9）， 合考虑，坯料预热温度取1040和1050℃为宜，值 采用四种摩擦因数挤压时的最大挤压力分别为 得注意的是，挤压前坯料和模具的预热往往由感应 49.7、60.2、63.8和77.2MN.挤压力大幅升高的原 加热来实现，模具的预热温度为400℃，远低于坯料 因为：摩擦因数的增大不但会使坯料与模具接触的 的预热温度，如此大的预热温差实现起来是比较困 摩擦阻力增大，还会使金属流动的均匀程度下降，共 难的山，所以实际中通过提高坯料预热温度来降低 同导致挤压力上升，变形困难，另外，摩擦因数增大 挤压力的可调整范围不大， 还会使产品的应变分布不均匀性增加，因此实际生 2.5坯料端部圆角半径 产中应改善润滑条件，降低摩擦因数 实际生产中坯料在预热结束后并不直接挤压
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 摩擦阻力的挤压力分量 ＴＭ 减少．图 7为最大挤压 力随模角变化曲线．在本节所设定的挤压参数下 最大挤压力随着模角增大而增大四种模角 20° 25°30°和 45°对应的最大挤压力分别为 42∙1 49∙754∙7和 56∙5ＭＮ．这是因为实验中设定的润 滑条件良好所以克服金属变形所需要的挤压力分 量 ＲＭ 起主要作用而克服摩擦阻力所需要的挤压 力分量 ＴＭ 起次要作用．随着模角增大ＲＭ 的增大 幅度大于 ＴＭ 的减小幅度整体挤压力表现出增大 的趋势．另外不同模角下坯料在挤压过程中的最 高温升均在120～130℃模角变化对最高温升幅度 的影响不大．所以当润滑条件较好时挤压过程中 建议采用 20°～25°模角． 图 7 最大挤压力与模角的关系 Ｆｉｇ．7 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｘｉｍｕｍｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｃｅａｎｄｄｉｅａｎｇｌｅ 2∙3 摩擦因数 润滑条件是挤压工艺中的重要参数因为其直 接影响挤压过程中应力场、温度场及挤压力的分布． 在数值模拟中润滑条件的不同表现为摩擦因数的变 化本实验中采用 0∙05、0∙10、0∙15和 0∙20四种摩 擦因数．为了研究摩擦因数对挤压过程的影响特 将其他参数定为：挤压速度 300ｍｍ·ｓ －1模角 25° 坯料预热温度 1040℃坯料端部圆角半径 30ｍｍ 并在调整摩擦因数时保持不变．从模拟结果可以看 出增大摩擦因数会导致整个坯料在挤压过程中升 温更加剧烈特别是局部最高温度随着摩擦因数的 增大而明显升高 （图 8）当摩擦因数为 0∙20时最 高局部温度可达 1208℃有可能导致局部过烧 ［10］． 随着摩擦因数的增大挤压力水平明显升高 （图 9） 采用四种摩擦因数挤压时的最大挤压力分别为 49∙7、60∙2、63∙8和 77∙2ＭＮ．挤压力大幅升高的原 因为：摩擦因数的增大不但会使坯料与模具接触的 摩擦阻力增大还会使金属流动的均匀程度下降共 同导致挤压力上升变形困难．另外摩擦因数增大 还会使产品的应变分布不均匀性增加因此实际生 产中应改善润滑条件降低摩擦因数． 图 8 局部升温与摩擦因数关系 Ｆｉｇ．8 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｂｉｌｌｅｔｓ 图 9 最大挤压力与摩擦因数的关系 Ｆｉｇ．9 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｍａｘｉｍｕｍｅｘｔｒｕ- ｓｉｏｎｆｏｒｃｅ 2∙4 坯料预热温度 坯料在挤压前进行预热以保证变形时材料的组 织为奥氏体和一次碳化物同时预热会使材料的屈 服极限降低从而降低挤压力所以升高预热温度可 以改善加工工艺．本文选取五种坯料预热温度 1040105010601070和1080℃．为了研究坯料 预热温度对挤压过程的影响特将其他参数定为：挤 压速度 300ｍｍ·ｓ －1摩擦因数 0∙05模角 25°坯料 端部圆角半径 30ｍｍ并在调整坯料预热温度时保 持不变．从模拟结果看出随着坯料预热温度的升 高挤压力有下降的趋势由温度升高所引起的软化 作用明显．然而从坯料最高温升看出五种预热温 度对应的最高温升分别为 132134147157和 162 ℃过高的温度将引起局部过烧．由以上两方面综 合考虑坯料预热温度取 1040和 1050℃为宜．值 得注意的是挤压前坯料和模具的预热往往由感应 加热来实现模具的预热温度为 400℃远低于坯料 的预热温度如此大的预热温差实现起来是比较困 难的 ［11］所以实际中通过提高坯料预热温度来降低 挤压力的可调整范围不大． 2∙5 坯料端部圆角半径 实际生产中坯料在预热结束后并不直接挤压 ·86·
第1期 王珏等：GH4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 87. 而是会在挤压筒内停留一段时间.在这段时间内坯 免这种情况的发生或减少此种程度 料的温度分布会发生变化，坯料外围局部和尖角区 2.206x10P 域出现的降温会使坯料的变形抗力增大甚至出现组 1.985x10 1.765×10 平台结构.死区 织变化，局部温度变化的程度与坯料和环境的热交 1544×10 1324×10 换有关，也与坯料自身的几何形状有关.为了分析 1.103×10 8.824×10 坯料端部圆角大小对挤压过程的影响，设定预热结 6.618x102 4.412×103 束时，坯料在挤压筒内停留5s考察坯料端部在挤 2.206×109 压前的温度分布及其对挤压力的影响.坯料端部的 -0 mm.s 圆角半径共四种，分别为Q1520和30mm,图10 图11模具装配不当时的速度分布 为坯料端部外围尖角处平均温度与圆角半径的关 Fig 11 Speed distribution of extrusion pmocess 系，当坯料端部无圆角时，挤压前尖角处温度会降 至970℃；当端部圆角半径为30mm时，温度达到 60 一正常模具 …装配不当 990℃，散热明显降低，四种不同坯料端部圆角半径 下，挤压过程中平均挤压力分别为43.241.5,40.6 40叶 和38.1MN,即随着坯料头部圆角半径增大平均挤 304 压力降低，所以增大坯料圆角半径可以改善加工的 10 工艺 0 50100150 200 995 凸模坐标mm 990 图12挤压力变化规律与模具形状的关系 985 Fig 12 Conparison of extnusion force beween different shape dies 980 975升 3讨论 970 由模拟结果可知，挤压过程中坯料会在模孔附 965L 0 51015202530 近出现局部剧烈升温，不同挤压参数下的升温幅度 圆角半径/mm 不同，其中当摩擦因数为0.2时，局部温度最高达到 图10坯料尖角处温度与圆角半径的关系 1208℃以上.由Themo-calci热力学软件计算可知， Fig 10 Relationsh ip between billet radus and average iemperatre 标准成分下GH4169合金初熔点为1210℃，即坯料 2.6模具装配不当对挤压过程的影响 的局部温度已经接近合金的初熔点，进一步计算表 挤压筒和模具之间靠配合与密封连接).在实 明，如果合金在冶炼过程中出现成分波动，合金初熔 际生产中，当组装模具和挤压筒时，由于尺寸误差和 点会随之改变.如图13所示，随着TiA1含量的小 人为操作等因素，容易在挤压筒和模具接触处出现 幅升高，合金的初熔点降低，最低会降至1199℃， 平台结构（图11），即改变了纯锥模的原始模具结 即如果合金成分中A1T的质量分数出现波动，则 构，本文针对实际中出现的问题进行了有限元模 挤压过程中坯料的局部温度完全有可能会达到初 拟，分析模具装配不当对挤压过程的影响.从速度 熔点以上，那么管坯的心部会出现局部熔化，液相 1235 分布图可以看出，模具装配不当会造成金属流动不 --行 1230 --A1 均匀程度增加，在模具与挤压筒接触处坯料的速度 1225 为零，即出现挤压“死区”（图11），此种现象在平模 挤压中较为常见，模具装配不当时，挤压过程中的 1210 挤压力平均达到45MN以上，整体挤压力水平高于 1205 正常值（图12）产生此变化的原因为：“死区”内、 1200 0.20.40.60.81.01.21.41.6 外部的金属流动速度差很大，正常流动的金属对 元素质量分数% 死区”内金属产生大的压应力，造成应力集中导致 图13GH4169合金初熔点与元素质量分数的关系 变形困难，即装配过程中出现的细小改变会导致挤 Fig 13 Effect of chem ical composition on the melting point of 压过程的剧烈变化，所以在实际生产中应该尽量避 GH4169 alby
第 1期 王 珏等： ＧＨ4169合金管材正挤压工艺优化的数值模拟 而是会在挤压筒内停留一段时间．在这段时间内坯 料的温度分布会发生变化坯料外围局部和尖角区 域出现的降温会使坯料的变形抗力增大甚至出现组 织变化．局部温度变化的程度与坯料和环境的热交 换有关也与坯料自身的几何形状有关．为了分析 坯料端部圆角大小对挤压过程的影响设定预热结 束时坯料在挤压筒内停留 5ｓ考察坯料端部在挤 压前的温度分布及其对挤压力的影响．坯料端部的 圆角半径共四种分别为 01520和 30ｍｍ．图 10 为坯料端部外围尖角处平均温度与圆角半径的关 系．当坯料端部无圆角时挤压前尖角处温度会降 至 970℃；当端部圆角半径为 30ｍｍ时温度达到 990℃散热明显降低．四种不同坯料端部圆角半径 下挤压过程中平均挤压力分别为 43∙241∙540∙6 和 38∙1ＭＮ即随着坯料头部圆角半径增大平均挤 压力降低所以增大坯料圆角半径可以改善加工的 工艺． 图 10 坯料尖角处温度与圆角半径的关系 Ｆｉｇ．10 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂｉｌｌｅｔｒａｄｉｕｓａｎｄａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 2∙6 模具装配不当对挤压过程的影响 挤压筒和模具之间靠配合与密封连接 ［3］．在实 际生产中当组装模具和挤压筒时由于尺寸误差和 人为操作等因素容易在挤压筒和模具接触处出现 平台结构 （图 11）即改变了纯锥模的原始模具结 构．本文针对实际中出现的问题进行了有限元模 拟分析模具装配不当对挤压过程的影响．从速度 分布图可以看出模具装配不当会造成金属流动不 均匀程度增加在模具与挤压筒接触处坯料的速度 为零即出现挤压 “死区 ” （图 11）此种现象在平模 挤压中较为常见．模具装配不当时挤压过程中的 挤压力平均达到 45ＭＮ以上整体挤压力水平高于 正常值 （图 12）．产生此变化的原因为：“死区 ”内、 外部的金属流动速度差很大正常流动的金属对 “死区 ”内金属产生大的压应力造成应力集中导致 变形困难即装配过程中出现的细小改变会导致挤 压过程的剧烈变化所以在实际生产中应该尽量避 免这种情况的发生或减少此种程度． 图 11 模具装配不当时的速度分布 Ｆｉｇ．11 Ｓｐｅｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ 图 12 挤压力变化规律与模具形状的关系 Ｆｉｇ．12 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈａｐｅｄｉｅｓ 图 13 ＧＨ4169合金初熔点与元素质量分数的关系 Ｆｉｇ．13 Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆ ＧＨ4169ａｌｌｏｙ 3 讨论 由模拟结果可知挤压过程中坯料会在模孔附 近出现局部剧烈升温不同挤压参数下的升温幅度 不同其中当摩擦因数为 0∙2时局部温度最高达到 1208℃以上．由 Ｔｈｅｒｍｏ-ｃａｌｃ热力学软件计算可知 标准成分下 ＧＨ4169合金初熔点为 1210℃即坯料 的局部温度已经接近合金的初熔点．进一步计算表 明如果合金在冶炼过程中出现成分波动合金初熔 点会随之改变．如图 13所示随着 Ｔｉ、Ａｌ含量的小 幅升高合金的初熔点降低最低会降至 1199℃ 即如果合金成分中 Ａｌ、Ｔｉ的质量分数出现波动则 挤压过程中坯料的局部温度完全有可能会达到初 熔点以上那么管坯的心部会出现局部熔化液相 ·87·