（材料加工工程专业论文）复杂不锈钢零件精密挤压过程模拟及工艺优化.pdf

独创性声明 1 irllllh rlrltrrllrlilt；lllllr r r l l l i i f l r l l 朋 y 210 016 4 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：毖日期：盈! 丕：2 - 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：乡够 导师( 签名) ：兰锈日期加厂、7 - r 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着制造业的迅速发展及人民生活质量的提高，不锈钢材料由于其优良的 耐蚀性、优越的成形性、优美的外观以及良好的力学性能等诱人的综合性能被 广泛地应用于各种领域，其中应用较为广泛的有3 0 4 奥氏体不锈钢，然而由于 3 0 4 不锈钢材料加工硬化速率快，而且在成形时还必须维持其固有的耐腐蚀性 能，因此3 0 4 不锈钢零件的成形大多是采用铸造工艺，但是不锈钢材料在进行 铸造工艺时容易产生多种铸造缺陷，特别是对于复杂异形不锈钢零件，其铸造 成形难度更大很容易造成废件，而且铸件的材料利用率较低，随着不锈钢材料 价格日益上涨，采用铸造成形工艺已严重的影响不锈钢产品的质量和企业的经 济效益，面对如此高昂并且不断上涨的材料价格和必须使用的情况，工程行业 不得不考虑采用更加高效的成形工艺来制造不锈钢零件。 本文就复杂不锈钢零件精密挤压成形工艺进行了研究，采用数值模拟研究 与实验研究相结合的方法，分别对坯料挤压初始状态、挤压成形过程和挤压工 艺参数等方面进行了模拟及优化研究，研究方法涉及到单因素实验设计方法、 正交试验设计方法和对比实验等。研究目的是为了探寻复杂不锈钢零件挤压成 形规律，完善优化该类零件的挤压成形工艺，为实际生产工艺的设计提供指导。 首先，通过对比实验，对3 0 4 奥氏体不锈钢的固溶软化处理工艺进行了研 究，随后通过挤压成形过程模拟，研究了目标零件的挤压成形规律，并采用单 因素实验方法对零件尺寸参数、模具参数、压力机参数以及板料参数对挤压件 质量的影响规律进行了研究，最后通过正交试验方法对其挤压成形工艺参数进 行优化。研究表明当固溶处理方案为l 1 0 0 。c ，保温3 0 分钟，随后采用食盐水 溶液进行搅拌冷却时，坯料初始硬度达到最低。当挤压速度为8m m s 、摩擦系 数为o 2 5 、坯料板厚为1 6 m m 、零件外壁厚度为4 m m 、凸模圆角半径按顺序分 别为l m m 、0 8 m m 以及3 3 m m 和凸模外壁凸台结构高度为2 0 m m 时，该挤压 件成形质量最好。最后，根据制定的固溶处理软化方案以及挤压成形工艺参数 的优化结果，设计制造了模具，调整并试模得到质量较优的挤压件，对研究结 果进行了实验验证。 关键词：复杂不锈钢零件；挤压成形；固溶软化处理；数值模拟：工艺优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n ga n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e q u a l i t yo fl i f e ，s t a i n l e s ss t e e li sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sd u et ot h ea t t r a c t i v e p r o p e r t i e s o fe x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e x c e l l e n t f o r m a b i l i t y , b e a u t i f u l a p p e a r a n c ea n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li st h e o n ew h i c hi sw i d e l yu s e d ，b u ti t sw o r kh a r d e n i n gr a t ei sh i g h e ra n dt h ef o r m i n go f p a r t sa r em o s t l yb a s e do nt h ec a s t i n gp r o c e s s b u td u r i n gt h ec a s t i n gp r o c e s s ，i t p r o n et oav a r i e t yo fc a s t i n gd e f e c t s ，e s p e c i a l l yf o rc o m p l e x s h a p e ds t a i n l e s ss t e e l p a r t sa n dt h ec a s t i n gp r o c e s si sm o r ed i f f i c u l ta n di sl i k e l yt or e s u l ts c r a pa n dt h e m a t e r i a lu t i l i z a t i o no ft h ec a s t i n gi sl o w w i t ht h er i s i n gp r i c e so fs t a i n l e s ss t e e l ，t h e c a s t i n gp r o c e s ss e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h es t a i n l e s ss t e e lp r o d u c tq u a l i t ya n de c o n o m i c e f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s s oe n g i n e e r i n gi n d u s t r yh a v et oc o n s i d e rt h eu s eo fm o r e e f f i c i e n tf o r m i n gp r o c e s st om a n u f a c t u r et h es t a i n l e s ss t e e lp a r t s i nt h i sp a p e r , t h ep r e c i s i o ne x t r u s i o nf o r m i n gp r o c e s so f c o m p l e xs t a i n l e s ss t e e l p a r t sh a sb e e ns t u d i e d ，u s i n gc o m b i n a t i o nm e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d y s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n td e s i g n , o r t h o g o n a ld e s i g na n dt e c h n i c s e x p e r i m e n tw e r ea p p l i e dt os i m u l a t ea n do p t i m i z et h ei n i t i a ls t a t ea n df o r m i n g p r o c e s so fe x t r u s i o n , t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fe x t r u s i o na n do t h e ra s p e c t s t h e p u r p o s eo f t h i ss t u d yi st oe x p l o r et h ee x t r u s i o nl a wo fc o m p l e xs t a i n l e s ss t e e lp a r t s ， t oi m p r o v et h eo p t i m i z a t i o no ft h ee x t r u s i o np r o c e s so fs u c hp a r t sa n dt op r o v i d et h e g u i d a n c ef o r t h ed e s i g no ff o r m i n gp r o c e s si na c t u a lp r o d u c t i o n f i r s t , t h es o l u t i o ns o f t e n i n gt r e a t m e n tp r o c e s so f3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l h a sb e e ns t u d i e d ，u s i n gc o m p a r i n ge x p e r i m e n t t h e ni tr e v e a lt h ee x t r u s i o nl a wo f t h ep a r t ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no fe x t r u s i o na n das i n g l ef a c t o rm e t h o dw a s a p p l i e dt os t u d yt h el a w b e t w e e nf o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo f e x t r u s i o n a n dt h ee x t r u s i o nf o r m i n gp r o c e s so ft h ep a r tw a so p t i m i z e du s i n g o r t h o g o n a ld e s i g n s t u d i e ss h o wt 1 1 a tt h ei n i t i a lh a r d n e s so fb l a n kw i l lm e e tt h e m i n i n l u n lw h e nt h es o l u t i o ns o f t e n i n gt r e a t m e n tp r o c e s sf o rh e a t i n ga tll0 0 * cf o r3 0 m i n u t e s ，f o l l o w e db ys t i r r i n gc o o l i n gi ns a l ts o l u t i o n a n dt h ee x t r u s i o nw i l lg e tt h e i i l 武汉理工大学硕士学位论文 b e s tq u a l i t yw h e np u n c hs p e e di s8 m m s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s0 2 5 ，t h et h i c k n e s so f b l a n ki s16 r a m ，t h et h i c k n e s so fo u t s i d ew a l lo ft h ep a r ti s4 m m , p u n c hr a d i u sa r e l m m ，0 8 m ma n d3 3 m mi no r d e ra n dt h eh e i g h to f t h eb o s so f o u t e rw a l lo f p u n c hi s 2 0 r a m f i n a l l y , d i e sw e r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt ot h es o l u t i o n s o f t e n i n gt r e a t m e n tp r o c e s sa n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，a d j u s t i n ga n dt e s t i n gm o d e a tl a s t , b e t t e rq u a l i t ye x t r u s i o nh a sb e e ng o ta n di ti st ov e r i f yt h es t u d yr e s u l t s k e y w o r d s ：c o m p l e xs t a i n l e s ss t e e lp a r t s ；e x t r u s i o nf o r m i n g ；s o l u t i o ns o f t e n i n g t r e a t m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n 1 i i i - - 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 目录 第1 章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2 课题相关发展研究现状2 1 2 1 精密塑性成形技术现状2 1 2 2 挤压成形工艺发展现状2 1 2 3 不锈钢挤压成形研究现状5 1 3 本课题主要研究内容6 第2 章复杂不锈钢零件挤压工艺初步分析8 2 1 挤压成形工艺性分析8 2 2 挤压成形工艺的初步制定1 0 2 3 不锈钢件挤压成形特点1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章3 0 4 不锈钢软化处理工艺1 4 3 1 实验材料准备1 4 3 2 软化方案的制定及分析1 5 3 2 1 固溶处理温度的确定1 6 3 2 2 固溶处理时间的确定1 9 3 2 3 冷却方法的选择2 1 3 3 软化机理探讨2 4 3 3 1 金相试样制备及组织观察2 4 3 3 2 晶粒度及晶体成分的测定一3 2 3 4 本章小结3 9 第4 章不锈钢零件挤压成形过程模拟4 0 4 1 有限元模型建立4 0 4 2 挤压成形规律分析4 4 4 2 1 成形过程中金属流动速度场。4 4 i v 一 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 2 成形过程中等效应变场4 6 4 2 3 成形过程中等效应力场一4 8 4 2 4 成形过程中平均应力场4 8 4 3 挤压成形过程可能影响因素分析4 9 4 3 1 挤压件其余尺寸参数的影响4 9 4 3 2 毛坯尺寸的影响5 0 4 3 3 模具圆角半径的影响5 0 4 3 4 摩擦的影响5 0 4 3 5 挤压速度的影响5 l 4 4 本章小结5l 第5 章不锈钢零件挤压成形工艺优化5 2 5 1 影响因素及优化目标5 2 5 2 单因素影响规律分析5 3 5 2 1 模具参数对挤压成形的影响5 3 5 2 2 零件尺寸参数对挤压成形的影响6 2 5 2 3 压力机参数对挤压成形的影响6 4 ，5 2 4 板料参数对挤压成形的影响6 6 5 3 多因素正交试验优化6 8 5 3 1 正交试验设计。6 8 5 3 2 正交试验结果及分析6 9 5 4 工艺优化结果验证7 2 5 5 本章小结7 3 第6 章不锈钢零件挤压成形工艺试验研究7 4 6 1 坯料的准备7 4 6 2 挤压模具设计7 5 6 2 1 模具组成7 5 6 2 2 挤压模具工作部分设计。7 6 6 3 试验结果7 7 6 4 本章小结8 0 第7 章总结与展望8 l 7 1 本文总结8l 7 2 研究展望8 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 致谢8 3 参考文献8 4 附录攻读硕士学位期间发表的论文8 7 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着制造业的迅速发展及人民生活质量的提高，符合人类可持续 发展要求的绿色环保材料不锈钢，由于其优良的耐蚀性、优越的成形性、优美 的外观以及良好的力学性能等诱人的综合性能被广泛地应用于建筑业、汽车运 输业、机械制造业和环保等与国计民生相关的领域，不锈钢的生产和使用日益 增长【l 】。 随着消费市场快速增长，中国不锈钢的消费市场已进入大幅度增长时期。 据估算，我国在2 0 2 0 年前，将成为世界上不锈钢材料产量和使用量第一的国家。 不锈钢的种类有很多，其中奥氏体不锈钢是应用最广泛的一种钢类，其生产和 使用的总量占不锈钢使用量的7 0 ，该种材料具有很好的耐腐蚀性，而且它的 力学性能也很好，具有较好的塑性，冷热加工性能均良好，此外它还具有无磁 性。奥氏体不锈钢具有多种牌号，其中本文研究的3 0 4 不锈钢材料就是其中应 用较为广泛的一种。3 0 4 不锈钢是铬镍合金奥氏体不锈钢，由于材料中含有c r 、 n i 元素，使得材料具有较高的耐腐蚀性和耐酸性能，而且能在常温下保持单一 的奥氏体组织，使得其综合力学性能也较好 2 1 。这些优良的性能也使得其广泛 应用与多种行业中，卫浴产品、食品生产设备、化工设备、海洋工程、医用设 备等方面均应用较多。 然而由于3 0 4 不锈钢材料成形过程完全不同于低合金钢和普通碳钢，其材 料加工硬化速率更快，而且在成形时还必须维持其固有的耐腐蚀性能，因此3 0 4 不锈钢零件的成形大多是采用铸造工艺，但是由于不锈钢材料在进行铸造工艺 时材料液态流动性差、体积收缩大、加热温度高等特点，致使不锈钢铸件容易 产生多种铸造缺陷，特别是对于复杂异形不锈钢零件，其铸造成形难度更大很 容易造成废件，而且不锈钢材料价格日益上涨，然而铸件的材料利用率较低， 采用铸造工艺成形不锈钢零件已严重的影响产品的质量和企业的经济效益，面 对如此高昂并且不断上涨的材料价格和必须使用的情况，工程行业不得不考虑 如何能够更为经济实用地使用这种材料。随着工业的发展，人们也逐渐采用更 加经济高效的成形工艺去加工不锈钢零件，例如挤压工艺。但是由于3 0 4 不锈 武汉理工大学硕士学位论文 钢挤压成形工艺研究并不系统完善，而且在经过挤压变形后加工硬化现象较为 明显，造成了挤压模具寿命降低，因此如何降低加工硬化明显的现象并为3 0 4 不锈钢制品制定较好的挤压成形工艺成为了提高3 0 4 不锈钢制品质量、降低材 料利用率以及提高实际生产经济效益迫切需要解决的问题。 1 2 课题相关发展研究现状 1 2 1 精密塑性成形技术现状 精密塑性成形技术是近几年发展起来的以成形后的制件尺寸接近或达到成 形件尺寸与形状，而后续少加工或无加工的一种新型成形技术，例如：精密模 锻、挤压、精冲等。这些工艺的共同点就是节约了材料与能源、提高了生产时 效性与经济效益，而且通过精密成形技术还能使制品的质量得到提高。精密塑 性成形技术发展至今已经得到了广泛的应用，而且随着吸收改进结合一些其它 的技术，精密成形技术逐步的得到了完善，精密塑性成形技术已逐渐成为现在 成形技术的发展趋势1 3 ，4 1 。 通过精密塑性成形技术得到的制件往往形状尺寸精度较高，而随着汽车、 电子、航天等主要行业的发展，作为可以提供高精度产品的精密塑性成形工艺 也得到了迅猛的发展，目前精密塑性成形技术主要是应用于以下领域中： ( 1 ) 在一些汽车、摩托车等制造行业中，一些需要进行大批量生产的复杂 形状零件； ( 2 ) 在一些精密仪器或机械等制造业中，一些需要特定较高精度的零件； ( 3 ) 在航天、航空等特殊领域中，一些特殊材料( 例如：钛、锆、钼、铌 等合金高价专用材料) 的复杂形状零件等f 5 】。 1 2 2 挤压成形工艺发展现状 挤压成形工艺作为精密塑性成形技术中的一种，它的最主要的特点就是其 制件少切屑甚至无切削，一般情况下得到的制件的产品精度较高而且成形工序 少。挤压成形工艺是对放在模具模腔( 或挤压筒) 内的金属坯料施加外力，迫 使金属对模腔进行填充，而获得所需截面形状、外形尺寸并具有一定力学性能 的挤压制件的塑性加工方法 6 1 。挤压成形工艺按照金属的流动方向可以分为正 挤压、反挤压以及复合挤压，如图1 1 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ! i ( a ) 正挤压 件 i i 嘞反挤压 图1 - 1 挤压成形类型 件 毛坯 挤压错 汇 | 叫 匪 蚕 纩 i l ( c ) 复合挤压 图1 1 ( a ) 示意图可以看出，在正挤压情况下，金属材料的流向是与挤压凸 模的运动方向一致的，金属材料是在凸模挤压力的作用下，与凸模作同向运动 对凹模型腔进行填充，一般正挤压工艺是用于成形一些实心件、空心件，如芯 轴、螺钉、顶杆、管子、支架、套管、衬套、弹壳等。对比正挤压工艺，图1 1 ( b ) 中反挤压工艺则是金属的流向与挤压凸模的运动方向相反，金属的填充区域 反而是远离凹模的，反挤压工艺一般是用于成形各种端面的杯形空心件，如外 壳、罩壳、套筒等。图1 1 ( c ) 中复合挤压则是金属在成形过程中存在与凸模运 动方向相同以及相反的流向，一般复合挤压成形工艺是用于成形各种双杯类零 件，如汽车活销，以及杯杆类零件，如缝纫机梭芯等【刀。 挤压成形按照成形时坯料加热温度来分又可以分为冷挤压、温挤压以及热 挤压。热挤压成形是指让金属坯料在材料的再结晶温度以上进行挤压成形的方 法，在热挤压成形过程中，材料也是处于三向受压状态下进行变形【羽。热成形 的主要优点有： ( 1 ) 变形抗力小，塑性好，允许每次变形程度较大； ( 2 ) 生产周期短，效率高，成品率高，所需设备少，成本较低； ( 3 ) 品种，规格范围广，可生产复杂断面的异形管和变断面管； ( 4 ) 可生产各种合金的阶段变断面和逐渐变断面管材。 但是由于热挤压是在金属坯料的再结晶温度以上进行的，因此它也存在着 许多的缺点，主要在于： ( 1 ) 产品表面粗糙度高； 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 尺寸准确度较低； ( 3 ) 表面质量差，氧化严重； ( 4 ) 生产条件恶劣，模具寿命低。 冷挤压成形技术就是指成形温度是在室温下进行的，它最主要的优点就在 于其制件的形状尺寸精度高，近成形性好。由于它的这一大优点，现在国内j l - 对它有着相当多的研究，由于其制件的材料利用率高、工序少生产效率高、形 状尺寸精度高以及其机械性能好，在工业行业中各个领域都得到了广泛的应用。 它的主要优缺点可以如下评价： ( 1 ) 制件材料的的变形能力得到了提升，由于在冷挤压下金属应力状态是 处于强烈的三向压应力状态，因此其塑性得到了大大的提高，使得其制件能获 得较大的变形量。 ( 2 ) 挤压件的尺寸精度高、表面质量好，由于冷挤压成形是属于少、无切 削加工，其制件往往不需要再经过后续的机械加工，因此它大大的节约了原材 料的使用。 ( 3 ) 挤压制件的综合性能得到了改善，挤压变形的特点使得其制件的材料 组织性能得到了改善，力学性能得到了很好的提高。能够得到强度及刚性好而 重量小的制件。 ( 4 ) 制件的产品范围很广，通过挤压成形工艺可以生产多种简单或复杂端 面的零件，许多其它塑性加工方法无法成形的复杂端面零件，也可以通过挤压 成形工艺来完成。 ( 5 ) 生产效率高，冷挤压成形用的模具很多部分可以通用，一般在实际生 产中只要更换模具工作部分就可以在同一台设备上进行其它零件的生产，冷挤 压成形装配简单，工人易操作。 冷挤压虽然有以上的多种优点，但是由于是在室温下进行，金属在塑性变 形后往往会发生加工硬化现象，因此在成形大变形产品时，其变形抗力较大， 因此限制了一些难变形材料的成形。 温挤压成形技术是指坯料成形前，将其温度加热到室温以上、完全结晶温 度以下温度范围再进行挤压成形的一种成形工艺。但是这个温度范围针对不同 的材料又不都是一样的，一般对于黑色金属一般是2 0 0 。c 8 5 0 1 2 ；对于奥氏体不 锈钢则一般就是采用2 0 0 * ( 2 - 4 0 0 * ( 2 ；对于有色金属铝及其合金则是室温到2 5 0 * ( 2 ； 铜及其合金则是室温到3 5 0 。可以看出对于温变形的判定没有明显的区分， 总的来说是处于金属不完全冷变形到不完全热变形之间的成形工艺。它的主要 4 武汉理工大学硕士学位论文 优缺点可以作如下评价： ( 1 ) 由于对坯料进行了预先加热，因此坯料得到了软化，在成形时其变形 抗力比冷挤压成形时效，对于压力机吨位的选择要求也就相应得到降低。 ( 2 ) 虽然对毛坯进行了加热，但相对热挤压成形温度低，因此其氧化、脱 氧的现象也大大降低。因此相对热挤压成形其制件的精度又得到了提高。而且 在这较低的加热温度下，挤压件的力学性能与冷挤压成形件相当。 ( 3 ) 由于对坯料进行了加热处理，所以减少了冷挤压成形工艺前对材料进 行退火软化的工序，使得自动化连续生产可行性提高。 虽然温挤压成形工艺有许多的优点，但是其在实际生产中，也显现了许多 的缺点，首先由于对于不同的挤压材料，其温成形温度都不是一定的，因此在 工艺前需要对材料的温变形温度进行试验确认，这样就大大的延迟了生产的进 度与计划。此外对于不同材料制件的温挤压成形，其成形工艺中需要确定的变 形程度、变形力、润滑剂的选择以及合理的模具结构与材料，最重要的是制件 所能达到的产品精度，这些问题现在都还只是处于针对性的单一的研究状况， 而没能形成系统全面的研究【9 1 1 1 。 1 2 3 不锈钢挤压成形研究现状 结合挤压成形工艺的优点，为了提高不锈钢制件的生产效益，现在越来越 多的学者对不锈钢的挤压成形工艺进行了相关研究，都取得了一定的研究成果， b e n y o u n g ，j u c h e n 等人通过研究绘出了不锈钢材料屈服强度、弹性模量、应变 和极限强度与热膨胀系数等材料性能参数与温度之间的关系1 1 2 1 。l i ng a n g 等人 则分析了影响不锈钢热塑性的因素以及影响的规律【1 3 】。r a s m u s s e n 基于 r a m b e r g o s g o o d 公式提出了拟合表达式能够完整拟合不锈钢的应变一应力关系 曲线，由于该表达式在进行拟合时需要材料的应变和极限抗拉强度，因此虽然 它能够较准确地拟合不锈钢本构关系，但不适用于材料受压情况，具有一定的 范围局限性1 1 4 1 。为了确保表达式能够同时适用于受压和受拉两种情况，n e r t h e o t 和g a r d n e r 对不锈钢材料的本构关系进行了较为深入的研究，同时还考虑了角 部材料强度的增强效应【l5 1 。为了适应分析在规则或不规则循环载荷作用下的奥 氏体不锈钢的应变一应力情况，h i r o s h is h i b a m o t o 、y u k i ot a k a h a s h i 等人则提出 一种可以同时包含有温度及载荷持续时间的变化对不锈钢材料性能影响的本构 关系模型，并且通过实验验证了该模型能够在不同温度及载荷持续时间下准确 5 武汉理工大学硕士学位论文 地拟合其变形程度【1 6 j 。不锈钢的热处理工艺也有人进行了相关研究，b a l b i 等人 则就针对固溶退火和时效两种温度，研究了不锈钢的微裂纹扩展规律并且分析 出了其抗疲劳能力的变化情况【1 7 1 。唐纳德、m a g n i n t 、j e o m - y o n g c 等都针对 不锈钢成形加工硬化及微裂纹与位错关系进行了研究【l 睨。c r u i s e 和g a r d n e r 则针对不锈钢残余应力进行了分析，分析了残余应力在成形构件截面上的分布 与大小状况，并通过试验数据建立起了估算冷挤压成形等工艺的残余应力的数 学模型 2 2 1 。国内学者也进行了这方面的研究，但是研究没有系统性，章争荣， 胡建国等对不锈钢管接头挤压成形进行了模拟及实验研究团l 。周遐余分析了不 锈钢薄壁三通管件冷挤压成形工艺【2 4 1 ，傅尹坤，庄志宇则对1 0 i n 不锈钢肘管冷 成形模具及工艺分析瞄j 。余竞成和郭明康则针对不锈钢表壳冷挤压成形所采用 的模具钢的选择进行了研究【2 6 】。韩飞、陆世英则对针对3 0 4 奥氏体不锈钢的冷 加工硬化现象以及加工后的退火软化工艺进行了研究 2 7 , 2 8 】。石德柯对奥氏体不 锈钢的形变特点进行了研究 2 9 1 。田兴、周维贤等也对不锈钢挤压成形加工硬化 特点及硬化曲线的描述进行了研究【3 0 3 1 l 。董红亮则重点分析了变形量对3 0 4 奥 氏体不锈钢微观金相组织和材料力学性能的影响1 3 2 1 。同时为了适应形状越来越 复杂的零件的成形，复合成形技术逐渐发展起来，它是精密成形快速发展的一 个领域，这种技术将不同的塑性成形方法有机的复合起来，实现节能、节材、 降耗，大幅度提高经济效益与技术水平的综合目标。不锈钢挤压工艺在塑性成 形各方法内部进行有机的复合，已经产生了诸多新的成形工艺，如冷温复合挤 压、冷挤压复合热成形与冷成形在复杂精密轴类件成形上的有机复合等，现阶 段国内外许多的学者也都对这些进行了一些研究，魏鹏、苏珊对不锈钢复杂零 件的复合挤压技术进行了研究 3 3 , 3 4 】。 这些研究结果都表明针对不锈钢复杂零件的精密冷挤压工艺的研究对提高 生产力，增强产品竞争力有着很大的推动作用。但是我国不锈钢挤压工艺与相 关产业缺乏协调，使的很多工艺并不完善，虽然这些研究成果对不锈钢零件精 密冷挤压成形提供了理论依据和设计方法，但是这些研究并不全面，系统。 1 3 本课题主要研究内容 本课题来源于自然科学基金：复杂金属箔板件精密成形机理与技术基础研 究( 项目编号：5 11 7 5 3 9 1 ) 。主要进行了以下几个方面的工作： 1 ) 首先初步分析了复杂不锈钢件挤压成形工艺性，并初步确定了其挤压成 6 武汉理工大学硕士学位论文 形方案及工艺流程，还分析了其挤压成形特点，为后续研究做出理论分析准备。 2 ) 随后通过多种实验手段确定了3 0 4 奥氏体不锈钢的最佳软化方案，并且 还分析了其软化机理，为实际成产工艺的坯料软化优化提供了有力的依据。 3 ) 应用有限元数值模拟技术，在d e f o r m 3 d 软件中建立了不锈钢复杂杯 形件挤压成形模型，并且通过模拟技术分析了不锈钢复杂杯形件挤压成形过程 中金属的流动规律以及应力、应变规律等，并提出了可能影响其挤压成形件质 量的因素，为工艺的制定与优化提供了详细的理论基础。 4 ) 采用模拟技术对成形工艺进行优化，针对优化目标对不锈钢复杂杯形件 挤压成形过程中的多种影响因素进行单因素影响规律分析，最后进行了多因素 正交试验，对影响因素主次顺序进行了排列，并得到了最优参数组合，综合前 面所得的影响规律进行综合分析调整，提出了一组较优的工艺参数组合。为实 际生产工艺的制定与优化提供了有利的理论依据。 5 ) 根据模拟结果设计工艺及模具结构，进行不锈钢复杂杯形件挤压成形工 艺试验。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章复杂不锈钢零件挤压工艺初步分析 某产品零件的挤压件如图所示，该产品材料是3 0 4 不锈钢，其形状特征是 底部为球形，中间带方形内台的杯形件，零件的形状复杂。由于该零件除了底 部为固定弧度的球形外，其形状尺寸要求杯形件的外壁与中间的方形内台之间 的高度差为9 r a m ，且零件的直径为4 5 5 m m ，总高为3 4 m m ，而方形内台的边 长为1 4 2 m m 。 u r v 铽q 补 l lr 汐、 零 形 f | j 丛j ， i 、：一 l “仅矗 n 图2 - 1 零件图 2 1 挤压成形工艺性分析 由于这几个尺寸要求的精度较高，这使得该零件的成形性复杂，生产加工 不易进行，该产品以前均是靠铸造加机械加工而制成的。本文则提出精密挤压 成形的新工艺来生产该零件，但是由于该产品的材料为3 0 4 不锈钢，该不锈钢 材料在进行挤压成形时加工硬化的现象比较严重，对应变十分敏感，通常较小 的变形就会导致样件硬度大大的提高。显而易见的是，如果在进行挤压成形的 时候，坯料加工硬化严重则就会导致成形工艺所需的挤压力大大提高，而且也 会导致模具的磨损或者断裂的倾向越来越大 6 1 。因此这也就导致了本产品进行 挤压加工的困难性，为了保证工艺的实用性，保证模具的寿命，首先必须要对 该产品的挤压成形工艺性、模具结构设计的强度及刚度等方面都要有足够的了 解。该产品挤压成形的工艺性就应当包括对材料的挤压成形性能、挤压成形工 艺方案以及挤压成形特点。本文是研究3 0 4 奥氏体不锈钢复杂杯形件的精密挤 8 武汉理工大学硕士学位论文 压成形工艺的，因此本文重点首先对3 0 4 不锈钢的材料性能特别是力学性能有 针对性地进行分析。 金属材料在进行挤压成形加工过程中，应变与应力状态决定了材料加工成 形时的流动状态，而且进行挤压成形时所需要的成形载荷大小以及需要的成形 能量也均是由流变应力大小所决定。而且在金属挤压成形工艺中，加工所需的 成形变形力的参数大小、具体设备大小以及对成形工艺方案的制定与选择均受 到也是通过流变应力大小来进行判定与选择的，因此金属材料的流变应力大小 对挤压成形工艺有着十分重要的意义【3 5 】。所以，在挤压成形工艺中材料的性能 最主要的就是研究其挤压成形性能及挤压变形条件对材料的影响规律，挤压变 形条件主要就包括变形的温度、变形速率即变形快慢以及变形量的大小，因此 本文分析了3 0 4 不锈钢的变形流动应力应变关系，为后面挤压成形工艺的选择 以及计算机模拟材料挤压流动过程，优化挤压成形工艺方案提供了必要的前期 理论准备。如图所示，图2 2 中表示的曲线分别表示的是3 0 4 不锈钢在不同温 度及变形率下的流动应力应变曲线，通过图我们可以大致的看出3 0 4 不锈钢在 不同温度以及不同应变速率下的流动应力应变关系。 1 2 0 0 1 0 0 0 r 8 0 0 鬈6 0 0 壤4 0 0 2 0 0 0 图2 23 0 4 不锈钢流动应力应变曲线 由图2 2 可以看出，3 0 4 不锈钢在变形时具有以下特点： ( 1 ) 很明显可以看出，在相同的变形温度与变形速率下，随着变形量的增 大，材料的变形抗力明显急剧加大直到某一值，这说明3 0 4 不锈钢的加工硬化 特点显著。但是可以看出随着变形温度的增加这种现象逐渐减弱，当温度达到 8 0 0 后，材料的加工硬化得到大幅度的改善。 ( 2 ) 在应变速率相同的情况下，随着温度的提高材料的变形抗力发生了明 显的变化，变形抗力明显下降，这说明温度是影响3 0 4 不锈钢变形的一个重要 9 武汉理工大学硕士学位论文 的因素。 ( 3 ) 在应变温度相同的情况下，随着应变速率的加大，可以看出材料的变 形抗力明显加大，这说明该材料具有对应变速率较为敏感的特点，但是可以看 出当应变温度在1 0 0 1 0 0 时，材料对应变速率的敏感性明显下降。 可以看出3 0 4 不锈钢的塑性成形性能较好，具有较好的高温与低温成形性 能，因此可以通过挤压成形来完成本文零件的成形过程。但是由于其在进行变 形加工时，加工硬化显著，因此在其成形工艺方案的制定及参数的选择以及模 具结构设计时均应当注意【3 6 】。 2 2 挤压成形工艺的初步制定 前文已经对挤压成形工艺进行了初步的介绍，结合零件的特点，由于零件 变形量较大而且其形状属于杯形件，按照其金属流动方向与其挤压运动方向的 关系，应该可以选用反挤压成形工艺。对于杯形件反挤压时，杯形件壁部金属 与挤压下行凸模之间运动速度相反，因此它们之间产生的摩擦力相对较小，可 施行大变形量，而且金属材料流动较均匀，挤压件废料少，成品率高。可见， 反挤压适用于各种杯形零件【_ 7 1 。因此适合选用反挤压成形工艺方案，而且可以 通过一次成形完成。在保证该零件的关键尺寸精度的要求下，本文设计了两种 成形方案，该工艺方案图如图2 - 3 所示，两种方案均是将毛坯直接放入凹模中， 凹模设计成零件杯底的球形形状，而第一种方案的凸模底端设计成与凹模弧度 相同的球形状，而第二种方案的凸模底端则是平底状，其它部分均与零件形状 相似，为了减少挤压成形载荷保证模具的寿命，因此模具设计为不封闭的结构。 当挤压成形过程进行时，随着凸模向下运动，金属材料分别流向凹模与凸模中， 当凸模运动一定行程后，零件尺寸最终达到所要求尺寸。零件经过一次冷挤压 成形，耗时少，工序简单，挤压件质量好，无需再进行后续加工。但挤压力相 对较大，模具寿命也会降低，该挤压件的内外壁高度差难以控制等缺陷。图2 3 所示的也是当凸模行程相同的情况下，经过两种成形方案得到的挤压件图。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 方案一 方案二 图2 - 3 挤压成形工艺方案图 挤 压 不 饱 满 由图2 3 可以看出，当挤压凸模行程相同时，由球形底部凸模挤压成形得 到的样件的外壁比内壁要高，而由平底底部凸模挤压成形得到的样件的外壁反 而比内壁要低。可以说当采用球形底部凸模进行挤压成形时，外壁金属向上的 流动速度应比内壁金属向上的流动速度大；而当采用平底底部凸模进行挤压成 形时，外壁金属向上的流动速度反而要比内壁金属向上的流动速度小或者相同。 由于本文零件要求外壁高度应比内壁高度要高出一定值，因此本文应当选择第 一种成形方案。 而且通过方案图可以看出，当挤压凸模行程相同时，第一种方案得到的挤 压件形状饱满，而且还可以进行挤压，内外壁高度仍然可以继续升高，但是可 以看出第二种方案的挤压件形状已经出现了不饱满的现象，如果再进行挤压则 局部材料会出现较大程度的不饱满的缺陷。而且由于凸模是与凹模相同的球形 弧度构成，因此通过第一种工艺方案得到的挤压件下端的材料的厚度均匀，相 反由第二种方案得到的挤压件下端材料厚度是沿着凹模的球形面改变的。当两 种方案挤压高度相同时，可以说第二种方案得到的挤压件重量将比第一种方案 的重，也就是说第二种方案需要的坯料重量要大。另外，第一种方案利用凸模 下端与凹模球形面平行的特点使得挤压成形过程得到了可靠的定位，有效地防 止了挤压凸模在挤压过程中产生偏心载荷而使模具工作环境更加恶劣，又有效 地降低了挤压杯形件产生局部壁厚分布不均匀的现象。但是可以看出第二种方 案由于凸模端面是平整的，因此在挤压开始时，第二种方案挤压更平稳。图2 - 4 搿；，秀。滋 一 一 矽。；。荔。；匕 武汉理t 大学硕