第11期 毕重武等：NT合金线材无模拉拔加工过程热力耦合数值模拟 .1251. 距，h为冷却水系数，入是流体在定性温度T:下的 形力学行为 热导率. NTi合金的热膨胀系数和热导率受温度的影 对狭缝形喷嘴： 响较大，通过在WCP一1微机差热膨胀仪上分析近 Nu 3.06 Pr0.42 r/d+H/d+2.78 Re" (5) 等原子比NiTi合金的热膨胀系数，获得了NiTi合 金在温度20~1000℃范围内的热膨胀系数曲线，如 式中， 图2所示 m=0.695-{2 H 0.33 +3.06 (6) 15 在实际设备上，在冷却水环的喷嘴狭缝宽度及 喷嘴与被加工线材的表面间距不变的情况下，对流 换热系数与冷却水的流量有关，由式(4)计算出不同 12 冷却水流量下所对应的对流换热系数，如表1所示， 表1不同冷却水流量的对流换热系数 100 200 4006008001000 Table 1 Convection coefficients of different cooling water flow rates 温度/℃ 冷却水流 对流换热系数/ 冷却水流 对流换热系数/ 图2NTi合金热膨胀系数随温度变化曲线 量/(Lh-(kwm2.℃- 量/(Lh-)(kwm2.℃- Fig-2 Thermal expansion coefficient curve of the NiTi alloy at dif- 20 14.099 40 21.510 ferent temperat ures 25 16.013 48 24.251 通过查阅手册和在Netzsch LFA427型激光导 30 17.991 64 28.864 热仪上进行实测的方法，得到近等原子比NTi合金 热导率随温度的变化曲线，如图3所示， 3计算参数 26 3.1工艺参数 24 影响NTi合金线材无模拉拔加工过程成品质 量的主要参数有冷却水流量、冷热源距离、拉拔速度 及进料速度等。根据预备实验和查阅参考文献的结 果，制定模拟研究中选用的工艺参数为：加热区温度 2 900℃、冷却水流量20~64Lh-1、冷热源距离 200 400 600 800 10~25mm、拉拔速度0.91mms以及进料速度 温度/℃ 0.50mms-1. 3.2NiTi合金材料性质 图3NTi合金热导率随温度的变化曲线 Fig.3 Thermal conductivity of NiTi alloy at different temperatures 在DEFORM-2D有限元软件材料性质数据库 中，无NTi合金材料性质的相关数据，为此有必要 通过查阅资料和实验的方法确定NTi合金材料 4结果与分析 数据 4.1温度场对无模拉拔加工过程应力场的影响 通过在Gleeble-?l500热模拟试验机上采用圆柱 在拉拔速度0.91mm·s1、进料速度 体高温压缩实验，获得了NTi合金在应变速率为 0.50mms、加热区温度900℃、冷却水流量 0.001~10s1、变形温度为700~900℃条件下的真 64Lh-和冷热源距离为10mm的条件下，模拟得 应力一真应变曲线.采用DEFORM-2D软件中的 到NTi合金线材无模拉拔加工过程稳定变形时线 =σ(，，T)方程，即将流动应力定义为应变、应 材轴对称截面上的等效应力分布，如图4所示，由 变速率、变形温度的函数，用列表的方式将所得实测 图可知，在无模拉拔加工过程中，拉拔线材内的等效 数据输入，建立了NTi合金高温塑性变形的本构关 应力分布是不均匀的 系，这种直接输入实测数据的建模方式跟其他采用 在线材即将进入加热区的断面上，等效应力值 数学拟合方式得到材料的本构关系相比，没有经过 从表面到心部逐渐增大，如图5所示，相反，在线材 数学简化，可以更加真实地反映材料的高温塑性变 即将进入冷却区的断面上，等效应力值从表面到心距‚h 为冷却水系数‚λf 是流体在定性温度 Tf 下的 热导率． 对狭缝形喷嘴： Nu Pr 0∙42＝ 3∙06 r／d＋ H／d＋2∙78 Re m （5） 式中‚ m＝0∙695－ r 2d ＋ H 2d 0∙33 ＋3∙06 －1 （6） 在实际设备上‚在冷却水环的喷嘴狭缝宽度及 喷嘴与被加工线材的表面间距不变的情况下‚对流 换热系数与冷却水的流量有关‚由式（4）计算出不同 冷却水流量下所对应的对流换热系数‚如表1所示． 表1 不同冷却水流量的对流换热系数 Table1 Convection coefficients of different cooling water flow-rates 冷却水流 量／（L·h －1） 对流换热系数／ （kW·m －2·℃－1） 20 14∙099 25 16∙013 30 17∙991 冷却水流 量／（L·h －1） 对流换热系数／ （kW·m －2·℃－1） 40 21∙510 48 24∙251 64 28∙864 3 计算参数 3∙1 工艺参数 影响 NiTi 合金线材无模拉拔加工过程成品质 量的主要参数有冷却水流量、冷热源距离、拉拔速度 及进料速度等．根据预备实验和查阅参考文献的结 果‚制定模拟研究中选用的工艺参数为：加热区温度 900℃、冷却水流量20～64L·h －1、冷热源距离 10～25mm、拉拔速度0∙91mm·s －1以及进料速度 0∙50mm·s －1． 3∙2 NiTi 合金材料性质 在DEFORM-2D 有限元软件材料性质数据库 中‚无 NiTi 合金材料性质的相关数据‚为此有必要 通过查阅资料和实验的方法确定 NiTi 合金材料 数据． 通过在 Gleeble-1500热模拟试验机上采用圆柱 体高温压缩实验‚获得了 NiTi 合金在应变速率为 0∙001～10s －1、变形温度为700～900℃条件下的真 应力－真应变曲线．采用 DEFORM-2D 软件中的 σ＝σ（ε‚ε ·‚T ）方程‚即将流动应力定义为应变、应 变速率、变形温度的函数‚用列表的方式将所得实测 数据输入‚建立了 NiTi 合金高温塑性变形的本构关 系．这种直接输入实测数据的建模方式跟其他采用 数学拟合方式得到材料的本构关系相比‚没有经过 数学简化‚可以更加真实地反映材料的高温塑性变 形力学行为． NiTi 合金的热膨胀系数和热导率受温度的影 响较大‚通过在 WCP－1微机差热膨胀仪上分析近 等原子比 NiTi 合金的热膨胀系数‚获得了 NiTi 合 金在温度20～1000℃范围内的热膨胀系数曲线‚如 图2所示． 图2 NiTi 合金热膨胀系数随温度变化曲线 Fig．2 Thermal expansion coefficient curve of the NiTi alloy at dif￾ferent temperatures 通过查阅手册和在 Netzsch LFA427型激光导 热仪上进行实测的方法‚得到近等原子比 NiTi 合金 热导率随温度的变化曲线‚如图3所示． 图3 NiTi 合金热导率随温度的变化曲线 Fig．3 Thermal conductivity of NiTi alloy at different temperatures 4 结果与分析 4∙1 温度场对无模拉拔加工过程应力场的影响 在 拉 拔 速 度 0∙91 mm ·s －1、进 料 速 度 0∙50mm·s －1、加 热 区 温 度 900 ℃、冷 却 水 流 量 64L·h －1和冷热源距离为10mm的条件下‚模拟得 到 NiTi 合金线材无模拉拔加工过程稳定变形时线 材轴对称截面上的等效应力分布‚如图4所示．由 图可知‚在无模拉拔加工过程中‚拉拔线材内的等效 应力分布是不均匀的． 在线材即将进入加热区的断面上‚等效应力值 从表面到心部逐渐增大‚如图5所示．相反‚在线材 即将进入冷却区的断面上‚等效应力值从表面到心 第11期 毕重武等： NiTi 合金线材无模拉拔加工过程热力耦合数值模拟 ·1251·