基于deform-3d的难变形合金大型厚壁挤压管数值模拟

基于deform-3d的难变形合金大型厚壁挤压管数值模拟

col625纳米是一种用亚洲固溶而成的纳米纳米颗粒。它具有高强度、高耐性、良好的抗疲劳性能和抗氯离子侵蚀能力。该合金是为了满足高强度主蒸汽管道的需求而设计的,并以大型厚壁管材的形式广泛应用于核电煤电、航空航天、石油化工等领域。大型厚壁管材的成形通常采用轧制和穿孔热挤压两种方式,而管材挤压成形金属在三向压应力状态下变形,变形量较大,组织更加致密细小,性能更好,所以热挤压是高温合金大型厚壁管材制坯技术的重要发展趋势。大型厚壁钢管挤压原理如图1示。在管材挤压成形中设备挤压力容限不足容易导致闷车,模口管材温度峰值太高容易产生粗晶或表面裂纹等缺陷,所以挤压力峰值和模口管材温度峰值这2个指标对设备的选择,合理工艺参数的制定和模具结构的设计具有重要意义。挤压力可以通过理论解析模型快速地计算出来,但是管材的温度场分布通过解析法是难以确定的,其主要原因在于摩擦热、变形热、热传导和变形条件之间存在复杂的交互作用,而有限元法是一个强有力的手段。挤压力峰值和模口管材温度峰值与变形条件之间的关系可以通过热挤压极限图反映出来,并且热挤压极限图也是设备能力、生产效率和产品质量的综合反映。建立一系列精确的挤压极限图,对于快速制定工艺和实现人工智能控制下的自动化生产是非常有必要的。热挤压极限图的建立可采用有限元法(FEM),理论分析和实际试验3种方法,通过FEM建立热挤压极限图不仅经济高效而且有较好的精度。王新采用FEM建立了AZ31B镁合金管材挤压极限图;孙振铎采用FEM建立了TiNiNb合金管材反挤压极限图;Liu通过FEM建立了AZ31镁合金型材挤压极限图;R.Y.Lapovok采用FEM建立了AZ31镁合金挤压极限图。以上学者所建立的热挤压极限图是在挤压比、模具结构几何参数和摩擦因子不变的条件下建立的,但实际上根据生产的需要,凹模结构几何参数以及挤压比并非固定不变,并且不同玻璃润滑剂的润滑效果也不同。同时由于工艺参数和模具结构几何参数对挤压力峰值和模口管材温度峰值的影响相互制约,难以确定同时满足挤压力峰值小于挤压机额定挤压力和模口管材温度峰值小于管材出现缺陷温度的工艺参数组合,所以建立多因素条件下的挤压极限图对快速确定合理的参数组合更具有指导意义。镍基合金管材挤压工艺参数取值范围的确定通常采用单因素法。由于金属热变形过程中存在热机耦合效应,工艺参数和模具结构几何参数对挤压力峰值和模口管材温度峰值的影响相互制约,采用单因素法确定合理的工艺参数范围,因一个因素的合理取值范围会受到其他因素的影响,故有一定的局限性。而精确的数学模型能够准确地描述所有自变量和因变量之间的变化关系,可以实现工艺参数的精细化控制。所以,本文首先通过虚拟正交与回归分析确定对挤压力峰值和模口管材温度峰值影响显著的工艺参数和模具结构几何参数,并建立能够准确描述挤压力峰值和模口管材温度峰值与多个影响显著参数之间变化关系的回归数学模型,然后通过筛选程序,利用回归数学模型确定满足约束条件的合理参数组合,同时确定合理的挤压工艺参数范围,并建立多个影响显著参数下的挤压极限图,为实际生产提供合理的参考依据。1有限模型1.1材料结构模型本构方程反映的是材料的流变应力与变形条件之间的关系,难变形合金INCONEL625本构方程如式(1)所示:1.2模具结构简化管材的穿孔针挤压属于轴对称变形,所以采用二维轴对称模型进行分析。根据图1所示的大型无缝管材挤压原理,本文将变形区的模具结构简化为如图2所示的形式。凹模锥角β=30°~60°;定径带长度L=25~100mm;凹模圆角R1和R2选取原则为R1+R2<K/2,以避免凹模半角特征被消除,其中K是凹模锥台面的母线长度。1.3金热压缩器的库伦因子模具预热温度选在M=300~450℃,挤压速度选在V=100~300mm/s,镍基高温合金的预热温度可选在P=1000~1250℃,挤压比选在λ=4~9,坯料和模具之间的热交换系数N1=1.0N/mm·s·℃,管材和空气之间的热交换系数N2=0.02N/mm·s·℃,根据文献[16-19],钢管挤压所采用的玻璃润滑剂的库伦摩擦因子选在F=0.01~0.06。1.4变形条件及变形参数通过DEFORM-2D前处理,对管材挤压几何模型划分网格,并赋予边界条件。为了提高计算精度,在变形区对坯料和凹模进行网格细化,有限元模型如图3所示。本文通过比较挤压力的理论解析值和有限元值来验证模型的可靠性,管材穿孔针挤压力的解析模型如式(2)和(3)所示:式中:m—变形区金属与凹模锥面及穿孔针之间的摩擦系数;mt—挤压筒内金属与挤压筒及穿孔针之间的摩擦系数;md—模孔出金属与穿孔针之间的摩擦系数;β—凹模半角;Rt—挤压筒半径;Rz=rz—穿孔针半径;rd—管材外半径;tt—坯料厚度;td—管材厚度;λ—挤压比;Lt—坯料和挤压筒接触长度;ld—工作带长度;σk—在特定温度和应变速率下金属的流变应力;P—挤压垫单位面积的挤压力;F—总计压力;q—穿孔针运动状态因子(q=Vz/Vj;Vz—穿孔针移动速度;Vj—挤压速度;固定针q=0,随动针q=1);SA—挤压垫面积。图4是在变形条件为β=45°;λ=4.5;F=0.05;V=200mm/s;T=1200℃;M=450℃;N1=1.0N/mm·s·℃;N2=0.02N/mm·s·℃的挤压力理论解析值与数值模拟值的对比曲线,最大误差在7.2%以内,这表明所建立的有限元模型有足够的精度和可靠性。2结果与讨论2.1参数组合和回归模型的建立根据1.2节和1.3节对模具结构几何参数和工艺参数的取值分析,参数影响显著性分析参数数值的选取如表1所示。通过SPSS软件进行正交设计,共得到12组参数组合。通过上节所建立的有限元模型,求得每组参数所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值,并通过正交回归分析法确定工艺参数和模具结构几何参数对挤压力峰值和模口管材温度峰值的影响显著性。图5和图6纵坐标是采用线性回归所得到的各个参数所对应的回归系数值。系数绝对值越大,代表对因变量的影响越显著。可以看出P,F,V,β和λ5个参数对挤压力峰值和模口管材温度峰值影响较为显著。2.2挤压力峰值和模口管线温度峰值回归模型根据以上分析可知,P,F,V,λ和β5个参数对挤压力峰值和模口管材温度峰值的影响较为显著,所以本节通过逐步回归法建立挤压力峰值和模口管材温度峰值与5个影响显著参数之间的回归模型。根据1.2节和1.3节的分析,影响显著参数数值选取如表2所示。通过SPSS软件进行正交设计共得到49组参数组合,并通过有限元模型计算出49组参数组合所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值。采用如式(4)所示的二次多项式通过正交回归法建立挤压力峰值和模口管材温度峰值与影响显著参数之间的回归模型。在进行回归之前要将参数的实取值按照式(5)进行标准化处理,式中Ai(i=1~5)分别代表P,F,V,β,λ5个参数所取的真实值,Ai-MIN(i=1~5)和Ai-MAX(i=1~5)分别是每个参数所取真实值的最小值和最大值。通过逐步回归法得到挤压力峰值和模口管材温度峰值的回归模型如式(6)所示。式中x1,x2,x3,x4,x5分别代表P,F,V,β,λ5个影响显著参数通过式(5)转化后的标准值。图7和图8分别是采用回归数据点以外的数据点对挤压力峰值回归模型和模口管材温度峰值回归模型的预测能力的检验。可以看出,挤压力峰值回归模型和模口管材温度峰值回归模型都有较好的预测能力,所以所得回归模型能够准确地反映挤压力峰值和模口管材温度峰值与5个影响显著参数之间的变化关系。因此通过回归模型可以确定可靠的参数取值范围。2.3确定工艺参数的范围并调整弯曲极限图2.3.1约束条件的参数优化本文以额定挤压力200MN为限;而对于INCONEL625难变形合金,当温度高于1250℃时易产生粗晶。所以本节以式(7)所示为约束条件,利用回归模型确定满足约束条件的影响显著参数的合理取值范围。确定方法是将影响显著参数的标准值在[–1,1]内等间隔选取11个值(取值越多,所得范围越精确),可得115组[x1,x2,x3,x4,x5]参数组合,然后通过筛选程序从115组参数组合中筛选出满足约束条件(7)的所有组合。在所有满足约束条件的参数组合中选取出每个参数所对应的最大值max-xi(i=1~5)和最小值min-xi(i=1~5),将每个参数所对应的最大值max-xi(i=1~5)和最小值min-xi(i=1~5)通过式(4)反求出所对应的真实值即为该参数合理的取值范围。利用回归模型,通过上述方法可得到影响显著参数的标准值的合理取值范围为:x1=[–1,0];x2=[–1,1];x3=[–1,0.2];x4=[–0.8,0.2];x5=[–1,–0.2]。通过式(5)将标准值转化为真实值,可得影响显著参数的合理取值范围为:V=[100,200]mm/s;P=[1000,1250]℃;β=[35°,50°];λ=[4.5,7];F=[0.01,0.02]。2.3.2参数组合挤压极限图的应用挤压极限图描述的是挤压力峰值和模口管材温度峰值与变形条件之间的关系。通过挤压极限图可以快速地确定合理的挤压工艺。在上节所确定的合理工艺参数范围内,并非所有的组合都能满足约束条件(7),但可以通过挤压极限图确定满足约束条件的合理参数组合。将上节所筛选出的多组合理的参数组合,以挤压速度和坯料预热温度为基准通过图形的形式表达出来,便于工程应用。挤压极限图的建立方法是以坯料预热温度P的合理取值为X轴坐标,以挤压速度V的合理取值为Y轴坐标,以摩擦因子F,凹模半角β和挤压比λ的合理取值为ZF,Zβ,Zλ轴坐标,绘制出(X,Y,ZF),(X,Y,Zβ),(X,Y,Zλ)3个曲面所对应的等高线图。图9a,图9b和图9c分别是3个曲面所对应的等高线图。按照同样的方法,图9d和图9e分别是以坯料预热温度P的合理取值为X轴坐标,以挤压速度V的合理取值为Y轴坐标,以合理的参数组合所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值为ZLoad和ZTemp轴坐标的曲面所对应的(X,Y,ZLoad)和(X,Y,ZTemp)2个曲面的等高线图。图9即为所得到的挤压极限图。通过图9a,图9b和图9c可以确定合理参数组合,通过图9d和图9e可以预知参数组合所对应的挤压力峰值和模具出口管材温度峰值。本文以图9中的A,B,C,D4点为例,介绍挤压极限图的应用并验证挤压极限图的可靠性。首先,确定挤压速度V和坯料预热温度P,即确定纵坐标和横坐标,然后以纵坐标和横坐标为基准,在图9a,图9b和图9c中确定摩擦因子F,凹模半角β和挤压比λ。然后通过图9d和图9e可以预知所选取的参数组合所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值。图9中A,B,C,D4点,所对应的挤压速度V和坯料预热温度P分别为:(V,P)=[(160,1100);(140,1200);(120,1100);(180,1200)],根据图9a,图9b和图9c可得A,B,C,D4点所对应的摩擦系数F,凹模半角β和挤压比λ分别为:(F,β,λ)=[(0.0106,44.5,5.45);(0.011,46.3,6.1);(0.0122,45.8,5.48);(0.0105,45.3,6.17)]。通过图9d和图9e得4组参数组合所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值分别为[154.8;136.9;141.4;154.5]MN和[1152;1160;1131;1175]℃。然后通过数值模拟计算得到以上所选取的4组参数组合所对应的挤压力峰值和模口管材温度峰值分别为[145.1;124.2;143;138.2]MN和[1142;1152;1178;1213]℃。图9f是4组参数组合挤压力峰值和模口管材温度峰值(温度值缩小10倍)的图解值和数值模拟值的比较。可以看出,通过所建立的挤压极限图可以确定合理的参数组合。3热挤压极限图的建立1)通过正交回归分析得到坯