引言

鈦及鈦合金管具有比強度高、 耐高溫及耐腐蝕 等優點, 已經被廣泛應用于航空航天、 石油化工和海 洋工程等領域[1-2]。 鈦及鈦合金具有滑移系少和 熱傳導系數小等特點, 因此鈦及鈦合金管在塑性變 形過 程中更容易產生尺寸不均勻和表面質量差等缺陷。 目前, 鈦及鈦合金管的制造工藝主要有軋制[3]、 拉拔[4]、 擠壓[5]和旋壓[6] 等。 軋制工藝生產效率高, 但是容易造成管坯變形不均勻, 多用于鈦管的開坯。 拉拔和擠壓工藝生產流程簡單, 但生產道次多, 能量消耗大。 旋壓工藝具有加工精度 高、力學性能好等優點, 但效率較低。

目前, 國內外學者在鈦及鈦合金管材的制備工藝、 過程仿真及質量控制等方面開展了許多研究工作。 尹業宏等[7]研究了軋輥輥形和軋制工藝對成形 鈦管表面質量的影響規律, 進行了軋輥輥形和工藝參數合 理設計。 周大地等[8] 研究了穿孔過程中管坯 中心孔腔形成機理和應力應變場分布, 在兩輥斜軋穿孔機 上穿軋出Ti80鈦合金無縫管。 ZHANGZ等[9]采用旋轉穿孔工藝研究了鈦合金厚壁管塑性成 形工藝, 基于控制變量法解決了旋轉穿孔過程中軋 卡和溫升嚴重兩個關鍵問題。 謝林均等[10] 研究了擠壓速度對熱擠壓成形TA16鈦合金管材組織、 力學 性能、 壁厚偏差及表面質量的影響, 發現擠壓速度 降低使得管材成形質量得到改善。 DAMODARAND等[11]利用有限元法模擬了鈦合金熱擠壓變形全過 程, 分析了擠壓速度、 初始溫度和模具結構對鈦合 金擠壓變形過程的影響。 EBRAHIMIM 等[12]研究了進給速度、 主軸轉速和減薄率對旋壓成形純鈦無縫 薄壁管表面質量和幾何精度的影響。 對于鈦合金管 材成形的新工藝, 于輝等[13-14]提出了管坯擠軋成形 工藝, 研究了小型管坯擠軋成形裝置和成形方法。

對于鈦合金管材成形的新工藝, 本課題組提出 了管坯擠軋成形工藝, 研究了小型管坯擠軋成形裝 置和 成形方法[13-14], 該工藝綜合了三輥斜軋成形和 旋壓成形的優點, 本文以TA2鈦管為研究對象, 探 究管 坯在擠軋成形中的變形過程以及軋輥送進角、軋輥公轉速度和管坯前進速度對擠軋成形后管坯尺 寸精度的 影響規律, 獲得TA2鈦管擠軋成形的優化 工藝, 并進行試驗驗證。

1、管材擠軋成形有限元模型建立

1.1幾何模型建立

本文采用 ABAQUS 有限元仿真軟件建立TA2鈦管擠軋成形有限元仿真模型, 如圖 1 所示。 圖 1a 為 管材擠軋成形的幾何模型, 主要由軋輥、 芯棒、 鈦管和推桿組成,TA2鈦管毛坯尺寸為 Ф12mm×2mm× 70mm (直徑×壁厚×長度)。 軋輥輥形由入口錐、均整段和出口錐組成, 入口錐和出口錐處存在入口錐成形 角 β1 和出口錐成形角 β2 , 軋輥輥形如圖 1b所示。 3 個軋輥圍繞軋制中心線按 120°均勻分布,軋輥 軸與軋制中心線之間存在送進角 α。 芯棒在變 形區內固定不變, 對管坯內壁起約束作用。 為了與 實際 擠軋成形過程中軋輥和推桿運動情況相一致,分別設定了軋輥公轉速度和推桿速度, 軋輥繞軋制 中心線公轉 , 推桿推動管坯前進。 管坯被推桿送進 變形區后, 由于軋輥與管坯接觸過程的摩檫力作用,軋輥做自轉運 動, 軋輥每繞軋制線轉動一次, 管坯 在前進過程中被加工一次。 

在擠軋成形過程中, 管坯發生塑性變形, 定義為可變形實體, 選用C3D8RT三維熱力耦合分析單元, 并采用任意拉格朗日歐拉 (Arbitrary Lagrangian Eulerian, ALE) 自適應網格進行網格劃分, 防止管坯 在變形過程中發生網格畸變影響模擬計算。 軋輥、芯棒和推桿在成形過程中幾乎不發生變形, 因此 定義為 剛體, 劃分剛體單元R3D4。 為了保證鈦管擠軋成形有限元模型的準確 性, 管坯劃分為43200個單元 , 軋輥劃分為11408 個單元, 芯棒 劃分為 6611個單元, 推桿劃分為 1224 個單元。

1.2　 工藝參數設定

在鈦管擠軋成形過程中,TA2鈦管的材料本構方程和熱物理性能參數見文獻 [15] 和文獻 [16]。在鈦 管擠軋成形過程中, 表面的相互作用類型選用罰接觸, 管坯與軋輥、 芯棒以及環境發生熱傳遞。 TA2鈦管 擠軋成形的工藝參數如表1所示。

2、仿真結果和分析

2.1　 管坯變形過程分析

對TA2鈦管擠軋成形有限元模擬結果進行塑 性應變分析, 研究管坯的同一軸向截面在擠軋變 形區內 不同階段的徑向應變、 圓周應變以及軸向 應變的變化情況, 從而探究鈦管在擠軋工藝中的變形過程。

圖 2 為管坯不同階段的徑向應變變化情況。 由 圖 2a 可知, 入口階段的管坯進入擠軋變形區, 管坯 在徑向方向上受壓縮, 在 3 個軋輥作用下, 管坯的徑向應變呈明顯三角分布, 最大的徑向應變出現在軋 輥與管坯接觸部分。 由圖 2b 可知, 管坯進入軋輥 均整段, 徑向應變隨著擠軋過程的進行逐步增大并由 管坯外表面向管坯內表面滲透, 徑向應變變化趨于穩定, 徑向應變由外向內呈階梯分布。 由圖2c可知, 管坯脫離軋輥完成擠軋, 管坯徑向變形整體為 壓縮變形, 徑向變形量由外壁向內壁逐漸減小。

圖 3 為管坯不同階段的圓周應變變化情況。 由 圖 3a 可知, 管坯進入擠軋變形區, 圓周應變呈明顯 三角分布, 最大圓周應變出現在外表面, 圓周應變 基本為正值。 由圖 3b 可知, 管坯在軋輥均整段作用 下均整壁厚, 隨著管坯在擠軋變形區內變形, 圓周 應變的三角分布效應逐漸減小, 圓周應變變化趨于 穩定 , 圓周應變基本由外向內呈階梯分布。 由圖 3c可知, 管坯脫離軋輥完成擠軋, 管坯圓周變形整體 為拉伸 變形, 圓周變形量由管坯的外壁向內壁逐漸 減小。

圖 4 為管坯不同階段的軸向應變變化情況。 由圖4a可知, 管坯進入擠軋變形區, 軸向應變基本為 正值, 表明管坯截面受徑向壓縮的影響在軸向上呈 現拉應力狀態, 管坯伸長。 由圖 b可知, 管坯在軋 輥均整段作用下均整壁厚, 軸向應變變化趨于穩定。

由圖 4c 可知, 管坯脫離軋輥完成擠軋, 管坯軸向變形整體為拉伸變形且呈三角形分布。

2.2　 送進角對管坯尺寸精度的影響

為了研究管坯的尺寸精度, 對擠軋成形有限元 模型的管坯節點進行預處理, 如圖 5 所示。 徑向截 面 定義示意圖如圖 5a 所示, 在網格中將需要進行 對比研究的節點定義為內部集合, 內部集合依次 分為擠軋 初始變形區、 擠軋穩定變形區和未擠軋 成形區, 在穩定擠軋變形區依次定義 125 個間隔 相等的截面。 第 i 截面的周向節點示意圖如圖 5b 所 示, 在管坯截面外表面和內表面各選取 20 個節點,分別定義為節 點集合 tw i 和 tn i。 編號 1~20 為管坯外 表面半徑測量點, 點到軋制線距離為管坯軸向某一截面外表 面半徑值; 同理, 編號 21 ~ 40 為內表面半 徑測量點, 點到軋制線距離為管坯軸向某一截面內 表面半徑 值。

由此得到的管坯外表面平均半徑計算公式, 如 式 (1) 所示。 

式中: Rij 為管坯第 i 個截面第 j 節點外表面半徑,i = 1, 2, 3……125; j = 1, 2, 3……20。

同理得到管坯內表面平均半徑計算公式, 如式(2) 所示。

式中: rij 為管坯第 i 個截面第 j 節點內表面半徑。

管筒形工件成形質量主要通過內外表面半徑、壁厚、 壁厚偏差、 橢圓度及擴徑量進行評價, 管坯壁 厚偏差為壁厚最大值減去壁厚最小值, 是對管坯 壁厚均勻性的反映; 橢圓度為管坯外表面半徑最大值減去 半徑最小值, 是對管坯外表面成形質量的反 映; 擴徑量為管坯內表面半徑平均值與工件內表面理論半徑 之差,是對管坯內表面成形質量的反映[17-18]。

在管坯擠軋成形過程中, 送進角對管坯表面質 量有著重要影響, 送進角選取不當, 會對管坯成形 表面 造成不同形式損傷。 在分析送進角 α 對管坯成 形質量影響時, 軋輥公轉速度 W = 200r·min-1, 管 坯 前進速度 V = 4mm·s^-1, 對不同水平送進角 α (0°、 1°、 2°、 3°、 4°、 5°、 6° 、 7°、 8°和 9°) 進行 模擬仿真。

不同送進角下管坯尺寸精度變化情況如圖 6 所 示。 由圖 6a 和圖 6b 可知, 管坯外表面半徑與內表 面半徑隨送進角增大呈現先減小后增大趨勢, 送進 角為 6°時的管坯外表面半徑最小, 送進角為 4°時的 管坯內表面半徑最小, 內外表面半徑基本大于理想 值。 由圖 6c 可知, 管坯壁厚隨送進角增大呈現先增 大后減小再增大趨勢, 當送進角為 6° 時, 壁厚最 小, 壁厚均小于理想值。 由圖 6d 可知, 管坯壁厚偏 差隨送進角增大呈現先減小后增大再減小趨勢, 管 坯橢圓度與擴徑量隨送進角增大呈現先減小后增大 趨勢 , 當送進角為 4°時, 管坯的壁厚偏差、 橢圓度 和擴徑量達到最小值。 這是因為送進角直接影響軋 輥與 管坯接觸區的相對速度矢量和接觸面積, 從而 影響管坯在擠軋過程中的金屬流動。 送進角過大會 造成管 坯金屬材料過度變形, 降低擠軋過程穩定性,降低管坯尺寸精度; 送進角過小會使軋輥與管坯變形區接觸長 度過大, 阻礙管坯變形區金屬軸向流動。

采用合適的送進角才可以使得管坯變形金屬流動均 勻, 管坯內外表面半徑趨于理想值, 管坯壁厚偏差 、橢圓度和擴徑量減小。

2.3　軋輥公轉速度對管坯尺寸精度的影響

不同軋輥公轉速度對擠軋成形管坯表面質量有 著不同影響, 合適的轉速可以改善管坯表面質量。

分析軋輥公轉速度 W 對管坯成形影響時, 選取送進 角 α= 5°, 管坯前進速度 V = 4mm·s^{- 1}, 對不同軋 輥公轉速度 W ( 100、 150、 200、 250、 300、 350、 400 和 450r·min-1) 進行 模擬仿真。

不同軋輥公轉速度下管坯尺寸精度變化如圖 7所示。 由圖 7a 可知, 管坯外表面半徑隨軋輥公轉速 度 增大而減小, 最小值為 5.435mm。 由圖 7b 可知,管坯內表面半徑隨軋輥公轉速度增大先減小后增大,當軋 輥公轉速度為 150r·min^-1 時, 管坯內表面半 徑最小為 4.035mm, 內表面半徑基本大于理想 值。

由圖 7c 可知, 管坯壁厚隨軋輥公轉速度增大而減 小, 最小值為 1.28mm, 管坯壁厚基本小于理想值 。

由圖 7d 可知, 管坯壁厚偏差、 擴徑量和橢圓度整體 上隨軋輥公轉速度增大逐漸增大。 這是因為軋 輥公 轉速度直接影響軋輥與管坯接觸區的相對速度矢量,進而影響擠軋過程中材料流動。 合適的軋輥公轉 速 度會使管坯表面成形質量得到提高, 有效限制管坯 周向流動, 減小擴徑現象。 但軋輥公轉速度過大時, 軋輥和管坯接觸區的相對速度矢量過大使得材料塑 性變形能力降低, 管坯變形不穩定, 尺寸精度降低。

2.4　 管坯前進速度對管坯尺寸精度的影響

管坯前進速度不僅直接影響擠軋生產加工效率,而且與管坯尺寸精度、 表面光潔度有密切關系。 分析 管坯前進速度 V 對管坯擠軋成形影響時, 選取送進角α= 5°, 軋輥公轉速度 W = 200r·min-1, 對不同管 坯 前進速度 V (1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8 和 9mm·s^-1)進行模擬仿真。

不同管坯前進速度下管坯尺寸精度變化如圖 8所示。 由圖 8a 和圖 8b 可知, 管坯前進速度增大使 得 管坯外表面半徑和內表面半徑先減小后增大, 管 坯外表面半徑和內表面半徑最小值分別在管坯前進 速度為 3 和 4mm·s^-1 時。 由圖 8c 可知, 隨著管坯 前進速度增大, 管坯壁厚先增大后減小, 當管 坯前 進速度為 5mm·s^-1 時, 管坯壁厚最大。 由圖 8d 可 知, 當管坯前進速度大于 3mm·s^-1 時, 管坯壁厚 偏差和橢圓度變化趨于平穩, 管坯擴徑量先減小后 增大。 管坯前進 速度過小不僅會使擠軋生產效率低,而且會導致管坯在單位時間內受到軋輥更多軋制,管坯成形質量變差。 管坯前進速度過大會使管坯在 軋輥均整段不能得到充分擠軋均整壁厚, 管坯壁厚 不均勻, 擴徑量增大。

2.5　 擠軋成形工藝優化

TA2鈦管擠軋完成后的管坯外表面半徑、 內表面 半徑和壁厚的目標值分別為 5.5、 4 和 1.5mm。 根據 本文 2.2 節~2.4 節單個工藝因素對TA2鈦管擠軋成 形影響分析, 選用合適的工藝參數進行正交 試驗, 得 出最優工藝, 正交模擬試驗參數如表 2 所示。

第 9 組正交模擬試驗管坯擠軋發生嚴重扭轉變 形, 對剩下 15 組模擬結果進行管坯表面尺寸精度分 析, 得到管坯穩態擠軋區內的管坯尺寸質量如圖 9所示。

通過對圖 9 分析可得, 第 4 組模擬結果與目標值 最為接近, 外表面半徑相對誤差為 0.61%, 內表面 半 徑相對誤差為 1.20%, 壁厚相對誤差為 0.96%, 而且 橢圓度為 0.0585mm, 擴徑量為 0.0478mm。

因此, 通過正交試驗優化得到擠軋成形的工藝 參數分別為軋輥公轉速度 W = 150r·min^{- 1}, 管坯前 進速度 V = 5mm·s^-1, 軋輥送進角 α= 6°。

3、試驗驗證

采用上文優化得到的工藝參數在擠軋成形設備 上進行擠軋成形試驗, 對擠軋成功后的TA2鈦管進 行 尺寸精度測試和分析, 驗證有限元模型的準確性 和鈦管擠軋成形的可行性。 本試驗采用寶雞泰諾達金屬材 料有限公司拉拔退火生產的TA2鈦管, 管坯 規格 ( 直 徑 × 壁 厚 × 長 度) 為 Ф12mm × 2mm × 70mm。TA2鈦管擠軋成形有限元模擬中管坯初始 溫度設為 850℃ , 但實際擠軋過程中需要耗費一定 時間 把管坯從加熱爐搬運到擠軋成形設備上, 導致 管坯擠軋初始溫度有所下降, 所以將管坯加熱爐以 50℃·min-1 加熱到 870℃ 后保溫 40min。TA2鈦管擠軋試驗在自主研發設計的擠軋成形設備上完成,管 坯加熱完成后送入擠軋成形設備導向筒, 液壓推 桿推動管坯與軋輥和芯棒接觸進行擠軋成形。 截取 管坯 穩定擠軋段如圖 10 所示, 在高溫下TA2鈦管與空氣接觸發生氧化反應, 在管坯表面形成白色氧 化物, 擠 軋后的管坯表面質量良好, 壁厚均勻。 

分別測量成品管穩定擠軋段頭部、 中部和尾部尺 寸, 如表 3 所示。 由表 3 可知, 擠軋得到的TA2 鈦管 外徑偏差為 0.12mm, 內徑偏差為 0.06mm, 壁厚 偏差為 0.05mm, 滿足標準 GB / T3624—2010 [19] 中 相應尺寸允許偏差, 證明了所建立的TA2鈦管擠軋 成形有限元仿真模型的準確性。 為分析擠軋 成形后 管坯壁厚的均勻性, 測量擠軋成形后管坯環向一 周和同一母線處的壁厚, 如圖11所示。 由圖11可 知, 管坯環向一周壁厚的最大差值為 0.8mm, 管坯 同一母線處壁厚的最大差值為 0.06mm, 證明了擠 軋 成形后管坯壁厚的均勻性。

4、結論

(1) 在擠軋變形開始階段, 管坯的徑向應變、周向應變以及軸向應變呈明顯三角分布。 隨著擠 軋變形 進行, 徑向應變、 圓周應變以及軸向應變 逐步增大并由管坯外表面向管坯內表面滲透, 徑 向應變和圓周 應變的三角分布效應逐漸減小, 管 坯在軋輥均整段的徑向應變和圓周應變由外向內 呈階梯分布。 (2) 送 進角有利于管坯擠軋過程的金屬流動,但送進角過大會造成管坯金屬材料過度變形, 降低 管坯的表面質量。 當軋輥公轉速度過大時, 軋輥和 管坯接觸區的相對速度矢量過大使得材料塑性變形 能力降低, 尺寸精度降 低。 管坯前進速度過小會導 致管坯在單位時間內受到軋輥更多軋制, 管坯成形 質量變差, 管坯前進速度 過大會使管坯壁厚不均勻 和擴徑量增大。 (3) 對TA2鈦管擠軋成形的正交模擬試驗結果進行管坯尺寸精 度分析, 優化得到一組工藝參數W= 150r·min^-1, V = 5mm·s^-1, α = 6°。 通 過優化 的工藝參數進行擠軋試驗, 擠軋得到的TA2鈦管外 徑偏差為 0.12mm, 內徑偏差為 0.06mm, 壁 厚偏 差為 0.05mm, 管坯表面質量良好。

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