赵乙丞等：基于圆环压缩和挤压-模拟法的Z-4合金塑性成形摩擦因子测定 213· 3D中进行模拟挤压，有限元模型如图7所示.剪 本文认为产生这种情况的原因有两点： 切摩擦因子仍使用0.35，其他参数设置与棒材模 (1)圆环压缩和挤压成形时坯料表面的剪切 拟挤压相似，得到图8所示的位移-载荷曲线.可 速率差异较大， 以看出，模拟载荷值与实测值基本吻合，再次验证 高浓度的固体悬浮液通常为膨胀性流体，其 了Zr-4合金挤压时的平均摩擦因子近似为0.35 黏度会随着剪切速率的增大而增大本文中的 润滑剂在高温情况下，石墨、二硫化钼悬浮于熔融 玻璃中，可以看作膨胀性流体.当静止时，颗粒间 的空隙最小，液体（熔融玻璃）刚好充满这些空隙， 21 在低剪切速率范围内液体对颗粒之间的相对运动 起润滑作用，所需的剪切应力较小，表观黏度等于 液体的黏度一牛顿黏度.在剪切速率增大时，石 墨、二硫化钼颗粒破碎，空间增多，在新的结构中 没有足够的液体来润滑颗粒间的相对运动，因此 图6Zr4型材横断面尺寸 所用的剪切应力必须大得多，使表观黏度增大，表 Fig.6 Cross section dimensions of Zr-4 profiles 现膨胀性流动 实际上，棒材挤压过程中的挤压速度远大于 坯料 圆环压缩时的压缩速度.图9是在Deform后处理 挤压针 中得到的棒材挤压与圆环压缩过程中坯料流动示 意图.在摩擦力较大时，圆环压缩会产生一个分流 垫片 面，沿分流面一部分金属向圆环中心流动，另一部 分金属向外流动.挤压棒材时挤压筒附近坯料的 挤压筒 流动速度均匀，而从模面入口到出口流动速度逐 模具 渐增大. 图7Z4型材挤压有限元模型 在挤压过程中，同一位置点的坯料流动速度 Fig.7 Finite-element model of Zr-4 profile extrusion 并不会有太大的变化，故可取挤压行程中某一瞬 时进行分析.按图9所示在圆环与坯料表面标记， 将A到B处等分为三点，分别编号1,2,3：B到 C处等分为7点，编号4~10，在Deform后处理中 可以得到这些编号点的瞬时流动速度，图10是圆 环压缩实验与棒材挤压行程在4mm时坯料表面 各点与模具的相对运动速度.可以看出，压缩时圆 环与模具间的相对运动速度从分流面到两侧逐渐 增大，在0.01~0.2mms之间，而棒材挤压时坯料 一工厂实测值 -·一摩擦因子0.35 与模具间的相对运动速度从垫片到出模口逐渐增 10 20304050 60 大，在6~90mms1之间，较圆环压缩高出两个数 位移mm 量级.因此棒材挤压时润滑剂产生的剪切速率远 图8Z红4型材挤压载荷-位移曲线 大于圆环压缩时润滑剂的剪切速率，这导致了润 Fig.8 Extrusion load-displacement curve of Zr-4 profile 滑剂黏度的升高，降低了润滑效果 3讨论 (2)圆环压缩和挤压成形时坯料表面的压应 力差异较大 根据圆环压缩实验测试结果，在模具表面光 挤压速度越高，坯料的变形抗力就越大，所受 滑(Ra=0.6um)的情况下，Zr-4合金在750℃时测 的压应力就越大，而压应力的升高会导致润滑剂 得摩擦因子约为0.22，而采用计算机仿真模拟与 黏度升高，从而降低润滑效果，最终表现为摩擦因 实际锆合金现场挤压相对比的方法得到的Zr4合 子升高.图11是挤压时随着行程的增加圆环与坯 金挤压平均摩擦因子为0.35，两者存在较大差异. 料表面的压应力值对比，横坐标上轴表示挤压棒3D 中进行模拟挤压，有限元模型如图 7 所示. 剪 切摩擦因子仍使用 0.35，其他参数设置与棒材模 拟挤压相似，得到图 8 所示的位移–载荷曲线. 可 以看出，模拟载荷值与实测值基本吻合，再次验证 了 Zr-4 合金挤压时的平均摩擦因子近似为 0.35. 3    讨论 根据圆环压缩实验测试结果，在模具表面光 滑（Ra = 0.6 μm）的情况下，Zr-4 合金在 750 ℃ 时测 得摩擦因子约为 0.22，而采用计算机仿真模拟与 实际锆合金现场挤压相对比的方法得到的 Zr-4 合 金挤压平均摩擦因子为 0.35，两者存在较大差异. 本文认为产生这种情况的原因有两点： （1）圆环压缩和挤压成形时坯料表面的剪切 速率差异较大. 高浓度的固体悬浮液通常为膨胀性流体，其 黏度会随着剪切速率的增大而增大[16] . 本文中的 润滑剂在高温情况下，石墨、二硫化钼悬浮于熔融 玻璃中，可以看作膨胀性流体. 当静止时，颗粒间 的空隙最小，液体（熔融玻璃）刚好充满这些空隙， 在低剪切速率范围内液体对颗粒之间的相对运动 起润滑作用，所需的剪切应力较小，表观黏度等于 液体的黏度—牛顿黏度. 在剪切速率增大时，石 墨、二硫化钼颗粒破碎，空间增多，在新的结构中 没有足够的液体来润滑颗粒间的相对运动，因此 所用的剪切应力必须大得多，使表观黏度增大，表 现膨胀性流动. 实际上，棒材挤压过程中的挤压速度远大于 圆环压缩时的压缩速度. 图 9 是在 Deform 后处理 中得到的棒材挤压与圆环压缩过程中坯料流动示 意图. 在摩擦力较大时，圆环压缩会产生一个分流 面，沿分流面一部分金属向圆环中心流动，另一部 分金属向外流动. 挤压棒材时挤压筒附近坯料的 流动速度均匀，而从模面入口到出口流动速度逐 渐增大. 在挤压过程中，同一位置点的坯料流动速度 并不会有太大的变化，故可取挤压行程中某一瞬 时进行分析. 按图 9 所示在圆环与坯料表面标记， 将 A 到 B 处等分为三点 ，分别编 号 1， 2， 3； B 到 C 处等分为 7 点，编号 4～10，在 Deform 后处理中 可以得到这些编号点的瞬时流动速度，图 10 是圆 环压缩实验与棒材挤压行程在 4 mm 时坯料表面 各点与模具的相对运动速度. 可以看出，压缩时圆 环与模具间的相对运动速度从分流面到两侧逐渐 增大，在 0.01～0.2 mm·s−1 之间，而棒材挤压时坯料 与模具间的相对运动速度从垫片到出模口逐渐增 大，在 6～90 mm·s−1 之间，较圆环压缩高出两个数 量级. 因此棒材挤压时润滑剂产生的剪切速率远 大于圆环压缩时润滑剂的剪切速率，这导致了润 滑剂黏度的升高，降低了润滑效果. （2）圆环压缩和挤压成形时坯料表面的压应 力差异较大. 挤压速度越高，坯料的变形抗力就越大，所受 的压应力就越大，而压应力的升高会导致润滑剂 黏度升高，从而降低润滑效果，最终表现为摩擦因 子升高. 图 11 是挤压时随着行程的增加圆环与坯 料表面的压应力值对比，横坐标上轴表示挤压棒 36 36 ϕ21 图 6    Zr-4 型材横断面尺寸 Fig.6    Cross section dimensions of Zr-4 profiles 垫片 坯料 挤压筒 模具 挤压针 图 7    Zr-4 型材挤压有限元模型 Fig.7    Finite-element model of Zr-4 profile extrusion 0 10 20 30 40 50 60 载荷/MN 位移/mm 工厂实测值 摩擦因子 0.35 0 2 4 6 图 8    Zr-4 型材挤压载荷–位移曲线 Fig.8    Extrusion load–displacement curve of Zr-4 profile 赵乙丞等： 基于圆环压缩和挤压–模拟法的 Zr-4 合金塑性成形摩擦因子测定 · 213 ·