钛合金热挤压的有限元模拟

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度为 :8&H%&$&20本研究所采用的合金相转变温度 为 :9B26#70对相变温度附近不同变形条件下的六个挤 压 变 形 !表 %所 示’过 程 进 行 模 拟 分 析"同 时 测 定 相 应 实 际 变 形 过 程 的 挤 压 力"并 和 模 拟 计 算 结 果 进 行 了 比 较0模具采用平面模"模具材料为 w+%7钢0除了能模
0U@1AF?(%xyz{y|}~*x!3)*#..x$3"*!*yzz.z)z!y3~*)}.#y*x!
钛合金的挤压制品通常采用正挤压法生产"其变形 圆环压缩法研究了它的高温润滑性能0不同温度下的
一 般 在 36 45 4相 变 温 度 附 近 进 行"挤 压 过 程 中 一 般 摩擦因子如表 %所示0
/ 结果与讨论
图 .为挤压过程中两个不同阶段工件的等效应变 的 分 布 *可 看 出 !变 形 集 中 在 模 口 附 近 的 较 小 区 域 *比 较 图 .012可 以 看 出!等 效 应 变 的 分 布 随 变 形 过 程 的 进 行 而 改 变 !变 形 区 随 着 变 形 的 进 行 而 扩 大 *在 用 上 限 法 分 析 塑 性 变 形 过 程 时!对 稳 态 变 形 过 程 如 挤 压1轧 制 1拉 拔 等 !变 形 区 被 认 为 在 变 形 过 程 中 保 持 不 变 * 但 是!在 实 际 加 工 过 程 中 变 形 区 的 大 小 和 形 状 是 不 可 能 保持恒定的*变形死区的高度和深度都随变形过程的 进行而减小*
式中(@为万摩擦方剪数切据应力3A为材料的等效流变应力0 2 收稿日期($&&$+&B+&:
在实际挤压过 程 中"-B玻 璃 被 用 作 润 滑 剂0 并 用 作者简介(娄燕!%:8%+’"女"湖南浏阳人"讲师"硕士0
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拟 材 料 的 变 形 外!本 研 究 所 采 用 的 "#$%&’(’ )" 软 件还能进行温度耦合计算*工件和模具材料的热参数 采 用 手 册 提 供 的 数 据 +,-*在 实 际 生 产 过 程 中 !由 于 工 件 暴 露 在 空 气 中 的 时 间 很 短!所 以 辐 射 热 在 计 算 中 被 忽 略*表 .中工艺 )的模拟结果将在下文中作为代表详 细讨论*
r热加工工艺s tuuv年第 p期
工艺技术
qp
析的结果有足够的精度应用于指导实际生产!从图 " 中 还 可 看 出#当 变 形 在 $% &相 区 进 行 时#计 算 值 大 于 实测值#而在 &相区时情况正好相反!这一结果主要是 由模拟计算中所采用的摩擦因子与实际有误差引起
的!报导 指 ’"( 出#)*玻璃作润滑剂时#+*,-以下#温度 为摩擦因子 . 的 主要影 响因 素#. 随 温 度的 升 高 而减 小! 在 模 拟 计 算 时#. 被 设 定 为 挤 压 开 始 时 的 温 度 值 /表 01!但是#如上所述#挤压过程中会有显著的温升# 所以实际变形过程中的摩擦因子会小于设定值!这也 是挤压力的计算值大于实测值原因!在 +*,-以上时# 由 于 润 滑 剂 的 粘 度 下 降#润 滑 剂 不 能 完 全 将 工 件 和 模 具 分 开 #边 界 接 触 面 增 加 ! 所 以 #实 际 过 程 中 的 摩 擦 因 子 会 大 于 用 圆 环 压 缩 实 验 的 测 量 值 /试 样 两 端 带 槽 #防 止 润 滑 剂 流 失 1! 从 而 使 挤 压 力 的 计 算 值 小 于 实 测 值 !
工艺号 铸锭温度模具温度铸锭直径铸锭长度 挤压比 摩擦因子
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分 和 晶 粒 大 小 0但 是 "通 过 实 验 的 方 法 很 难 获 得 变 形 参 数 的 演 变 情 况"而 有 限 元 法 提 供 了 分 析 金 属 加 工 过 程 参数演变的强有力手段6%70自从 8zz和 9x&#$#~%*6$7成
/31在 变 形 过 程 中 #变 形 区 的 大 小 随 挤 压 过 程 的 进 行 而 扩 大 !同 时 #变 形 区 的 等 效 应 力 也 随 挤 压 过 程 的 进 行而减小!这些现象的出现是由变形过程中的温升引 起的!
/91通 过 挤 压 力 计 算 值 和 实 测 值 的 比 较 可 以 看 出 # 二者的误差小于 0,:!说明有限元模拟分析可以应用 于指导制订实际生产工艺!
了比较0
$ 挤压过程模拟
% 高温变形下的摩擦条件
)*+,-.+#/ 合金为两相钛合金"其 36454相变温
摩 擦 在 金 属 加 工 过 程 中 有 着 相 当 重 要 的 作 用"严 重 的 摩 擦 会 导 致 摩 擦 热 的 产 生1变 形 不 均 匀 和 模 具 的 磨损0本模拟研究采用库仑摩擦模型"摩擦因子 b!&= b= %’表 示 为 (
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功 地 将有限元法 !:;<’引入塑性 加 工领 域 以 来"该 技 术被广泛地应用于分析材料变形过程中参数的变化0 然而很少有用有限元法分析钛合金挤压加工的报
挤 压 速 度 ? 9&))D~ 铸锭材料的热容 ? 6B7 75:,FD2G)) 模具材料的热容 ? 6B7 #597FD2G))
导 0 677 本文采用有限元软件分析计算了 )*+,-.+#/ 合 铸锭材料的热传导系数 ? 6B7 %B599#FD2G~
金 棒 材 挤 压 成 型 过 程"并 将 分 析 结 果 与 实 验 结 果 进 行 工件和模具之间的热传递系数 ? 6B7 $5%99FD2G~
较小#温升和变形区的扩展不如在 $%&相区变 形时 厉 害!
4 结论
/01562")7248 合金挤压变形过程中温升显著!温 度 的 升 高 主 要 集 中 在 挤 压 变 形 的 开 始 阶 段#最 大 的 温 升出现在模口附近工件2模具的接触面上!在工艺 3的 变形条件下#最高温升达 0",-!
; <=>?@ABCA=DE=F>GHABAIJHKL;MKNO PGHBQ<HR>MS=HABSB?DETUFHRUB=
VWX YZ[
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中"由变形而引起的温升显著"最高可达 %,&20温升主要集中在挤压过程的前期阶段0由于温升引起流变应力下降"从
而导致变形区的扩展0
关 键 词 ( 热 挤 压 3钛 合 金 3有 限 元 3模 拟
中图分类号()4%#,5$6 73)478,5$
文 献 标 识 码 (-
文 章 编 号 (%&&%+79%#!$&&7’&%+&&7:+&7
K热加工工艺L MNNJ年第 C期
工艺技术
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钛合金热挤压的有限元模拟
娄燕
!南华大学 机械工程学院"湖南 衡阳 #$%&&%’
摘 要(采用有限元模拟技术研究了 )*+,-.+#/ 合金热挤压变形过程"并将所得的结果与实验结果进行了比较0通
过 模 拟 计 算 获 得 了 在 不 同 挤 压 变 形 条 件 下 "变 形 区 的 应 力 1应 变 和 温 度 的 分 布 规 律 0结 果 表 明 "在 钛 合 金 的 挤 压 变 形 过 程
图 /为 工 件 的 温 度 3最 高 点4随 挤 压 行 程 的 变 化*
可 看 出 !温万升方主数要 集据中 在 变 形 的 开 始 阶 段 !随 着 变 形 过
图 / 变形区最高温度随挤压行程的变化3工艺 )4
图 : 不同变形阶段下等效应力的分布3工艺 )4
挤 压 力;行 程 曲 线 如 图 ,所 示!在 挤 压 的 开 始 阶 段!挤 压 力 很 快 上 升 至 峰 值!接 着 快 速 下 降 到 一 定 值 后 !趋 于 平 稳 *挤 压 力 在 挤 压 初 始 阶 段 的 快 速 下 降 是 由 这一阶段剧烈的温升引起的*图 5所示为在不同的挤 压变形条件下挤压力的计算值和实测值比较*在所有 变形条 件下二者 之间的 误差都 小于 .6<!说 明模 拟 分
图 . 不同变形阶段下等效应变的分布3工艺 )4
变形区的扩大可以归结为变形过程中温升的结
果*图 )为相应于图 .的变形条件下工件的温度的分 布 与 变 化!可 看 出 变 形 过 程 中 有 显 著 的 温 升* 比 较 图 )012可 看出!变 形区中的 温度 分布也 随变 形 过 程而 变 化 *变 形 区 中 的 温 度 升 高 导 致 流 变 应 力 下 降 !使 得 最 初 没 有 发 生 变 形 的 区 域 的 材 料 发 生 屈 服 变 形!从 而 导 致 变形区的扩大*
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采用玻璃作润滑剂0
表 C JHKL;MKNO合金挤压变形工艺参数
通 常 情 况 下"期 望 产 品 能 获 得 预 计 的 显 微 组 织 和 力 学 性 能 "所 以 加 工 过 程 必 需 通 过 工 艺 参 数 加 以 控 制 0 变 形 过 程 中 温 度 的 演 变 决 定 产 品 的 显 微 组 织"如 相 组
一 般 说 来 !温 升 主 要 由 变 形 和 摩 擦 引 起 *钛 合 金 的 高流变应力和大挤压比导致了本研究中的显著温升* 从 图 )中 可 看 出!模 具 和 工 件 的 接 触 处 温 升 可 达 .567 * 另 外 !玻 璃 润 滑 剂 的 绝 热 作 用 也 是 温 升 的 一 个 重要原因*所以玻璃润滑剂在钛合金挤压过程中的作 用 是 两 方 面 的!一 方 面 能 够 减 小 摩 擦!防 止 模 具 过 热8 另 一 方 面 它 阻 止 工 件 和 模 具 之 间 的 热 传 递!从 而 使 工 件 的 内 外 层 温 度 梯 度 增 加 !影 响 产 品 的 组 织 性 能 *
HIJKILMNOPQRSTOIUIPV W==XYIZ[
图 ) 不同变形阶段下温度的分布3工艺 )4
程 的 进 行 !温 度 趋 于 平 稳 *出 现 这 种 现 象 的 原 因 主 要 有 两 个 9首 先 !随 着 挤 压 变 形 过 程 的 进 行 !挤 压 力 减 小 !变 形 热 也 会 减 小8其 次!随 挤 压 变 形 过 程 的 进 行!铸 锭 长 度 减 小 从 而 使 摩Leabharlann Baidu擦 热 减 小 *另 外 !制 品 被 挤 出 模 口 后 会 带走部分热量*图 :为变形过程中工件的等效应力的 分 布!可 以 看 出!由 于 温 升 使 工 件 材 料 的 流 变 应 力 减 小!从 而 使 变 形 区 中 的 等 效 应 力 随 挤 压 过 程 的 进 行 而 减小*