304不銹鋼管材擠壓金屬損傷規(guī)律仿真研究分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在304不銹鋼管材擠壓成形中，合理、有效調(diào)節(jié)擠壓速度，進(jìn)而降低坯料金屬損傷對于提高管材表面質(zhì)量和抗應(yīng)力腐蝕能力有極為重要意義。基于DEFORM-2D軟件，研究了準(zhǔn)40mm×6mm規(guī)格304不銹鋼管材擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律和擠壓速度影響規(guī)律。結(jié)果表明，坯料損傷較大值主要集中在成形管材外側(cè)，厚度約1.3mm；隨著擠壓速度增大，坯料損傷較大值厚度保持不變，坯料金屬損傷峰值不斷下降；當(dāng)擠壓速度大于150mm/s之后，坯料金屬損傷峰值下降明顯減慢。

 304不銹鋼管材因具有優(yōu)異的耐酸性、抗氧化性以及優(yōu)良的高溫和低溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力交通、海洋工程、能源國防等現(xiàn)代化社會的各個領(lǐng)域。隨著國防工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對于高強(qiáng)度等級、高精度、高抗腐蝕性能的304不銹鋼鋼管的需求日益迫切而廣泛，因此，研究提高304不銹鋼管材性能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。擠壓工藝使材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高材料塑性變形能力且產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為高質(zhì)量、高性能304不銹鋼管材生產(chǎn)不可替代的塑性成形工藝。擠壓過程中，坯料金屬損傷值越小，則材料開裂傾向越小，成形管材表面質(zhì)量越高。因此，降低擠壓過程中坯料損傷值尤其是峰值對于提高管材內(nèi)外表層質(zhì)量，防止表層裂紋的產(chǎn)生、提高管材抗應(yīng)力腐蝕能力有著十分重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用有限元法對體積塑性成形過程中坯料金屬的變形行為進(jìn)行數(shù)值模擬，已經(jīng)成為塑性成形領(lǐng)域研究不可替代的強(qiáng)有力手段，可以比理論和實(shí)驗(yàn)方法做得更全面、更深刻、更細(xì)致?；谏鲜霰尘?，本文旨在采用有限元法對重油燃油爐內(nèi)用的304不銹鋼管材(準(zhǔn)40mm×6mm)擠壓工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以揭示擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律以及溫度、擠壓速度等因素對其影響規(guī)律，為合理制定304不銹鋼管材擠壓工藝，提高管材表層質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)管材抗應(yīng)力腐蝕能力提供理論依據(jù)。

一、有限元模型的建立

304不銹鋼管材擠壓幾何模型主要包括穿孔針和擠壓墊、擠壓筒和擠壓凹模(由于穿孔針、擠壓墊和擠壓桿之間，擠壓筒和擠壓凹模之間均沒有相對移動，故分別簡化為同一幾何部件—擠壓桿和模具)。擠壓方式采用無穿孔工序的穿孔針擠壓，筒坯為準(zhǔn)100mm×40mm、長度100mm的304不銹鋼鍛坯；凹模角為60°；定徑帶長度為10mm。304不銹鋼管材擠壓的幾何裝配模型如圖所示。精確可靠的材料模型是影響有限元模擬計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。坯料金屬材料模型采用軟件庫自帶304不銹鋼材料模型，同時為了準(zhǔn)確描述擠壓管材開裂趨勢的大小，在材料模型中嵌入開裂準(zhǔn)則，有限元計(jì)算精度和效率與單元幾何形態(tài)和單元劃分密度之間存在著密切關(guān)系。坯料采用四邊形單元格式，相對網(wǎng)格劃分形式，對坯料及模具進(jìn)行網(wǎng)格離散，并采用了自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)。設(shè)定金屬坯料與環(huán)境的對流系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃)，與模具接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為11N/(s·mm·℃)，模具預(yù)熱溫度為500℃，采用剪切摩擦模型[7]，摩擦因子為0.35。為研究擠壓速度對坯料金屬損傷的影響，分別設(shè)定擠壓速度為75、100、125、150、175mm/s。

二、結(jié)果與討論

 1. 成形管材損傷分布特征

  圖給出了擠壓速度75mm/s時，304不銹鋼管材擠壓過程中坯料損傷分布?？梢钥闯觯髁辖饘偻黄乒ぷ鲙Ш?，在擠壓墊的巨大壓力和擠壓筒、模具的幾何約束作用，坯料金屬塑性變形主要集中在成型管材外側(cè)、擠壓模具出口處，坯料損傷值較大值主要集中在這一區(qū)域，說明成形管材外側(cè)最容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，這是因?yàn)楣懿谋韺咏饘僭诹鹘?jīng)工作帶時，由于受到擠壓模具工作端面的摩擦作用，切應(yīng)力狀態(tài)對該處坯料金屬的影響最顯著。坯料金屬損傷最大值約為0.22，損傷值較大的金屬厚度約為1.3mm。

 2. 擠壓速度影響

 圖給出了不同擠壓速度下成形管材金屬損傷分布。可以看出，在不同擠壓速度下金屬損傷的分布規(guī)律大體相同；隨著擠壓速度的增大，坯料金屬損傷整體上不斷下降，損傷較大值厚度保持基本不變；當(dāng)擠壓速度為75、100、125、150、175mm/s時，對應(yīng)的坯料金屬損傷峰值為0.223、0.208、0.197、0.157、0.153；當(dāng)擠壓速度增大到150mm/s之后，坯料金屬峰值的增大趨勢明顯減慢。這是因?yàn)閿D壓速度的增大，一方面坯料金屬塑性變形速率不斷提高，坯料金屬溫度快速上升，增強(qiáng)了坯料金屬的塑性變形能力；

另一方面，擠壓速度的增大增強(qiáng)了模具工作端面對坯料金屬的軸向約束作用越加顯著，有利于提高三向壓應(yīng)力效果，從而降低成形管材損傷峰值。

三、結(jié)論

  通過DEFPRM軟件對304不銹鋼管材(準(zhǔn)40mm×6mm)擠壓有限元模擬，研究揭示了該管材擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律以及擠壓速度對其影響規(guī)律。

  a. 坯料金屬突破工作帶后，坯料損傷較大值主要集中在成形管材外側(cè)、擠壓模具出口處，厚度均勻，約為壁厚的2/9，即1.3mm。

  b. 隨著擠壓速度的增大，金屬損傷的分布規(guī)律大體相同，整體上不斷下降，損傷較大值厚度保持基本不變。

  c. 當(dāng)擠壓速度75、100、125、150、175mm/s時，對應(yīng)的坯料金屬損傷峰值分別為0.223、0.208、0.197、0.157、0.153；當(dāng)擠壓速度增大到150mm/s之后，坯料金屬峰值的增大趨勢明顯減慢。