大型厚壁管热挤压成形工艺参数优化

大型厚壁管热挤压成形工艺参数优化
第一章：引言
1.1 研究背景和意义
1.2 研究现状及缺陷
1.3 研究目的和意义
1.4 研究方法和步骤
第二章：理论分析
2.1 厚壁管热挤压成形工艺原理和流程分析
2.2 影响热挤压成形质量的因素分析
2.3 数值模拟和实验验证
第三章：工艺参数优化设计
3.1 设计思路和方法
3.2 工艺参数优化模型建立
3.3 热挤压成形工艺参数优化设计流程
3.4 优化结果分析和优化方法评价
第四章：实验研究
4.1 实验材料和设备
4.2 实验工艺参数设计和技术路线
4.3 实验结果分析和对比
4.4 实验数据统计和分析
第五章：结论与展望
5.1 工艺参数优化设计的成果和优劣分析
5.2 热挤压成形工艺参数优化的局限性和未来研究方向
5.3 工艺应用前景以及对行业的意义和影响第一章：引言
1.1 研究背景和意义
厚壁管是一种具有广泛应用前景的重要材料，被广泛应用于化工、核电、石油等领域。

然而，厚壁管制造技术与国际先进水平还存在差距，特别是在工艺参数优化和成形质量控制方面。

因此，如何提高厚壁管的制造工艺，保证成形质量是一个亟待解决的问题。

1.2 研究现状及缺陷
目前，传统的厚壁管成形工艺主要是采用锻造和轧制等方法，但这些方法的缺点是浪费大量的原材料和能源，并且制造出的厚壁管中金属晶粒的布局难以控制。

近年来，热挤压成形技术作为一种新兴技术被广泛采用。

热挤压成形具有优异的成形性能，可以制造超大尺寸、超厚壁的园柱形件和复杂型材。

然而，在热挤压成形过程中，往往会出现成形不良的问题，例如表面粗糙度高、壁厚分布不均、内部气泡等。

因此，需要对热挤压成形的工艺参数进行优化，以得到高质量的厚壁管产品。

1.3 研究目的和意义
基于热挤压的成形工艺参数优化可以提高材料的性能，并减少材料的浪费。

本研究的目的是利用数值模拟和实验研究的方法，优化厚壁管热挤压成形的工艺参数，并探讨不同工艺参数对成形质量的影响，为厚壁管的制造提供有效的技术支持。

1.4 研究方法和步骤
本研究采用数值分析和实验验证相结合的方法，首先通过建立数值模型，模拟不同工艺参数下的厚壁管热挤压成形过程，探究各工艺参数对成形质量的影响，并分析优化结果。

随后，利用优化后的工艺参数进行厚壁管的实验制造，以验证优化后的工艺参数的正确性和有效性。

第二章：理论分析
2.1 厚壁管热挤压成形工艺原理和流程分析
厚壁管热挤压成形工艺是将金属材料在高温下经过一定形状放大后，通过沿纵轴方向施加压力，使金属坯料发生塑性变形，最终得到成形产品的过程。

该工艺可以分为预加热、装料、挤压和冷却四个步骤。

预加热：该步骤是将厚壁管的钢管坯料加热到一定温度，以降低材料的流动应力和提高材料的可塑性。

装料：将预加热的钢管坯料垂直放置在热挤压设备的上模中，使钢管坯料与设备内侧壁紧密贴合，以保证成形质量。

挤压：该步骤是施加沿纵轴方向的挤压力，使钢管坯料发生塑性变形，成为热挤压后的筒状形成品。

冷却：在挤压过程中，钢管坯料因受到高温和高压的作用而变
形，需要经过一定的冷却时间，温度下降到室温以下，使材料的晶粒得以重新排列。

2.2 影响热挤压成形质量的因素分析
热挤压成形工艺中的各项参数，例如温度、应力、应变速率、塑性应力等，均对厚壁管成形质量产生影响。

下面将简要分析热挤压成形工艺中的几个关键参数：
温度：温度是影响成形质量的重要因素。

温度过低会导致材料的粘度增加，影响钢管坯料的流动性和可塑性；当温度过高时，容易形成气泡，导致冷却后的成形产品产生裂纹。

应力：应力大小与材料的流动性还有挤压力有关。

应力过小不利于材料的流动，应力过大则会引发材料的分裂。

挤压速度：挤压速度直接影响变形度和成形质量。

过快的挤压速度将使材料变形过多，形变刚度变大，导致产品硬度和圆度降低。

塑性应力：塑性应力的大小直接影响材料的成形性能。

应变速率越高，塑性应力也就越大，从而材料的塑性变形能力越强，塑性应力过小则不利于塑性变形。

2.3 数值模拟和实验验证
热挤压成形工艺是一个复杂的物理过程，在实际生产中难以对各种参数进行独立控制。

因此，采用数值模拟的方法可以在最
短时间内模拟出更多的工艺参数组合，从而寻找出最优的工艺参数组合。

数值模拟使用有限元方法进行模拟，根据物理模型设置钢管坯料的特性参数和过程参数，模拟出不同工艺参数下的厚壁管热挤压成形过程。

随后，利用实验验证，对模拟结果进行验证。

数值模拟和实验验证互相补充，可以对热挤压工艺的优化具有重要的参考价值。

第三章：工艺参数优化设计
3.1 设计思路和方法
热挤压成形工艺参数优化设计是指在满足各类要求和条件的基础上，利用一定的优化算法和方法，确定出一组最为优秀的工艺参数，以达到最优的生产效果。

本文采用响应面分析法进行工艺参数优化设计。

3.2 工艺参数优化模型建立
响应面分析法是一种简单有效的工艺参数优化方法。

该方法可以建立几何模型和有限元模型，通过随机组合工艺参数，以响应面为标准对成形质量进行优化，最终得到最优的工艺参数组合。

3.3 热挤压成形工艺参数优化设计流程
流程如下所示：
(1) 定义相关的概念和符号，建立厚壁管热挤压成形数学模型。

(2) 采样数据，分别采集不同温度、不同挤压速度和不同应力
水平下的成形数据，并进行响应面分析，得出各项参数对成形质量的影响系数。

(3) 构建数学模型，根据工艺参数及其影响因素，建立响应面
模型，寻找最优工艺参数组合。

(4) 验证模型的正确性和可靠性，对比模拟结果和实验数据。

3.4 优化结果分析和优化方法评价
优化结果分析主要是对响应面模型进行分析，寻找出最优工艺参数组合，以及对模型可靠性、精确性和稳健性进行评价。

同时，评价优化方法的优缺点，分析优化结果与实际生产的适应性和可行性。

第四章：数值模拟分析
4.1 数值模拟建模
利用有限元软件（ABAQUS）对厚壁管进行数值模拟分析。

首先，构建热挤压数值模型，如图4.1所示。

钢管坯料采用直
径为30cm，厚度为5cm的钢管坯料，设定挤压速度为5mm/s，挤压温度为1100℃，预压力为50MPa，总挤压力为500MN。

在建立数值模型的过程中，需要注意对材料的力学特性进行设定，包括材料的模量、泊松比、流变应力和塑性应变等参数。

钢管坯料材料采用耐热铸造合金钢GCr15SiMn，力学特性参
数如表4.1所示。

表4.1 耐热铸造合金钢GCr15SiMn力学特性参数
参数数值
弹性模量（GPa）210
泊松比0.28
流变应力（MPa）750
断裂应变0.8
4.2 数值模拟结果分析
通过ABAQUS建立的有限元模型进行数值模拟，得到了未优
化和优化后两组工艺参数下的厚壁管热挤压成形过程。

如图
4.2所示，未优化前的厚壁管成形质量较差，表面粗糙度高、
裂纹明显；而在优化后的模拟结果中，复合工艺参数的优化大幅提高了厚壁管成形的质量，没有产生明显的裂纹和缺陷。

4.3 工艺参数优化分析
在未优化前，热挤压的速度、温度和压力等工艺参数都未优化，因此成形效果较差。

而经过数值模拟和响应面分析后，得到了一组优化后的工艺参数组合：挤压速度为3mm/s，温度为1200℃，挤压压力为480MN，预压力为40MPa。

图4.4中仅展示了数值模拟结果中的压力图，通过该图可以发现，在优化后的工艺参数下，对于压力的控制和分布更加均匀，
压力在钢管坯料上的分布更加合理。

此外，优化后的工艺参数还极大地降低了钢管坯料产生裂纹的风险。

第五章：实验验证和结果分析
5.1 实验设备及材料
本研究使用的实验设备主要包括一台液压热挤压机和一台恒温恒湿试验箱。

本实验所用的材料为耐热铸造合金钢
GCr15SiMn。

5.2 实验方法
实验过程中，首先设置实验参数，包括温度、挤压速度、挤压压力等参数。

在完成实验后，使用光学显微镜检验实验样品的表面粗糙度，采取金相技术对实验样品的厚壁管断面进行分析来确定样品的内部结构和晶粒细度。

5.3 实验结果分析
通过实验分析，得出不同工艺参数对于厚壁管成形质量的影响，其中挤压速度和挤压压力对成形质量的影响较大，温度对成形质量的影响相对较小。

同时，在实验过程中发现，采用优化后的工艺参数，厚壁管的成形质量得到了极大提高，表面平整度明显增加、裂纹缺陷减少。

5.4 实验结果的验证和分析
本研究对尺寸达到550mm×40mm，壁厚达到10mm的厚壁管
进行热挤压实验，并采用了优化后的工艺参数。

实验结果表明，在优化后的工艺参数下，厚壁管成形质量有了显著提升，表面平整度得到了大幅提高，同时裂纹缺陷得到了有效抑制。

同时，在实验过程中也发现，优化后的工艺参数可以有效减少厚壁管表面的气泡和麻点，并且获得了更均匀的壁厚分布。

与数值模拟结果分析一致，优化后的工艺参数更适用于厚壁管制造，这也为厚壁管的实际生产提供了技术支持。

总结
本研究通过数值模拟和实验分析，研究了热挤压成形技术在厚壁管制造上的应用。

通过响应面分析法优化热挤压成形工艺参数，提高了厚壁管的成形质量，并得到了有效的实验验证。

此外，本研究还分析了热挤压成形工艺中的关键参数，对其进行了参数设置，并采用ABAQUS软件建立了数值模拟模型来
探究其成形质量。

本研究结果表明，优化后的工艺参数更为合适，将会大幅提高厚壁管的成形质量和生产效率。