。1484 北京科技大学学报 第32卷 对于给定挤压筒和模具，当坯料预热温度和挤 挤压简 压速度控制不恰当时，模孔出口处的温度可能会超 挤压垫 过材料的熔点，产生表面缺陷.增大产品的废品率. 芯棒 国内外学者对挤压过程温度变化做了许多有意义的 坯料 工作仁”.L等利用三维有限元仿真方法预测了 7075铝合金不同挤压速度下的温度变化：L等？ 模具 利用有限元仿真方法预测了A31镁合金矩形断面 型材挤压过程的温度变化，得到了温度随挤压速度 变化的函数，并且通过了实验验证.Yan等研究 图】钢管热挤压的有限元模型 Fg 1 Finie elementmodel of hot extrusion of a steel tbe 了大型铝管挤压过程坯料预热温度和挤压速度对等 温挤压的影响，基本实现了铝管的等温挤压.但是， 1.3模拟工艺参数及边界条件 关于挤压过程的温度变化研究大部分针对铝、镁等 为防止坯料装入挤压筒后温度过于下降，必须 轻合金，而高温合金挤压过程的温度场研究则很少， 对工模具进行预热，模拟中的工模具预热温度均取 本文基于宝钢特钢引进的60M大型卧式挤压机采 自生产经验值.挤压过程中，玻璃润滑剂润滑的区 用DERORM-2D有限元软件模拟690合金管的 域金属流动性良好，摩擦因数在此接触界面取系数 热挤压过程，分析了690合金挤压过程的温度变 为003而在挤压垫和坯料之间的摩擦因数取为 化特点，在此基础上研究不同坯料预热温度、挤压速 0.35辐射换热和界面传热系数分别设置为 度和摩擦因数对出口温度变化的影响. 0.02Wm2。℃-和11wm2.℃.典型挤压 工艺参数如表1所示. 1690合金管材热挤压有限元建模 表1典型挤压工艺参数 1.1690合金的热成形本构模型 Table Typical extrussion process parame ters 本文采用DEFORM-一2D对690合金管材热 坯料 挤压简 挤压垫速度/ 挤压垫 模具 芯棒 挤压过程进行建模.材料本构模型的准确性直接决 预热 初始 (mm s1) 温度 温度 温度 定了模拟结果的准确性.由于软件自带的材料库中 温度 温度 200 1100 450 100 350 200 没有690合金材料，因此采用G1e©bl1e-1500热力 学模拟试验机对不同温度和应变速率下的690合 实际生产中，挤压垫速度、坯料预热温度和玻璃 金热变形行为进行了实验研究，得到在温度为1000 润滑剂的润滑条件是挤压过程能否顺利进行以及挤 ~1200℃应变速率为001~10s'条件下等温压 出管材质量好坏的关键因素.为了研究它们对挤压 缩试验的真应力一应变曲线，并基于Sels和Te 过程温度变化的影响，保持其他条件不变的情况下， gar双曲正弦模型倒拟合得到了所研究合金的本构 分别改变挤压垫速度，坯料预热温度和摩擦因数，如 模型，进而导入到DEREM一2D软件材料模型中. 表2所示. 其他工模具均根据生产经验采用H3 表2模拟工艺参数取值范围 (4C5MSM)模具钢. Tab le2 Ranges of smulted process pa rme ters 1.2典型钢管热挤压过程的数值计算模型 挤压垫速度/ 坯料预热 摩擦因数 图1为建模的某典型尺寸的690合金管热挤 (mm s1) 温度℃ (玻璃润滑剂使用区) 压数值计算模型.挤压力由挤压轴提供，坯料由上 50-400 1100-1250 0.01-01 向下运动，通过平锥模，由模孔经定径带挤出.考虑 几何和加载及边界的对称性，本文进行了轴对称特 14模拟结果验证 征建模.相关参数均来自宝钢60M挤压机的实际 采用经验公式计算！与模型计算的挤压力进 尺寸，并作适当简化.在挤压过程中存在坯料与工 行对比，如图2所示.经验公式计算值为30.3My 模具的热交换和热功转换，所以采用热机耦合分析 模型计算得到的峰值挤压力为289My相对误差 的方法，并且忽略弹性变形，采取刚塑性有限元模 为462%.可以得出模拟得到的挤压力值与经验公 型.坯料设为塑性，其他工模具均设置为具有传热 式计算得到的结果吻合较好，说明本文建立的有限 性质的刚体， 元模型较真实地再现了实际690合金的挤压北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 对于给定挤压筒和模具 ,当坯料预热温度和挤 压速度控制不恰当时, 模孔出口处的温度可能会超 过材料的熔点, 产生表面缺陷, 增大产品的废品率 . 国内外学者对挤压过程温度变化做了许多有意义的 工作 [ 4 -7] .Li等 [ 4]利用三维有限元仿真方法预测了 7075铝合金不同挤压速度下的温度变化;Liu等 [ 5] 利用有限元仿真方法预测了 AZ31镁合金矩形断面 型材挤压过程的温度变化 , 得到了温度随挤压速度 变化的函数, 并且通过了实验验证.Yang等 [ 6] 研究 了大型铝管挤压过程坯料预热温度和挤压速度对等 温挤压的影响,基本实现了铝管的等温挤压.但是 , 关于挤压过程的温度变化研究大部分针对铝 、镁等 轻合金 ,而高温合金挤压过程的温度场研究则很少 . 本文基于宝钢特钢引进的 60MN大型卧式挤压机采 用 DEFORM-2D有限元软件模拟 IN690合金管的 热挤压过程 ,分析了 IN690合金挤压过程的温度变 化特点 ,在此基础上研究不同坯料预热温度、挤压速 度和摩擦因数对出口温度变化的影响 . 1 IN690合金管材热挤压有限元建模 1.1 IN690合金的热成形本构模型 本文采用 DEFORM-2D对 IN690合金管材热 挤压过程进行建模.材料本构模型的准确性直接决 定了模拟结果的准确性.由于软件自带的材料库中 没有 IN690合金材料, 因此采用 Gleeble-1500热力 学模拟试验机对不同温度和应变速率下的 IN690合 金热变形行为进行了实验研究, 得到在温度为 1 000 ～ 1 200 ℃、应变速率为 0.01 ～ 10 s -1条件下等温压 缩试验的真应力 -应变曲线, 并基于 Sellars和 Te￾gart双曲正弦模型 [ 8]拟合得到了所研究合金的本构 模型, 进而导入到 DEFOEM-2D软件材料模型中. 其 他 工 模 具 均 根 据 生 产 经 验 采 用 H13 (4Cr5MoSiV1)模具钢. 1.2 典型钢管热挤压过程的数值计算模型 图 1为建模的某典型尺寸的 IN690合金管热挤 压数值计算模型.挤压力由挤压轴提供 ,坯料由上 向下运动,通过平锥模 ,由模孔经定径带挤出 .考虑 几何和加载及边界的对称性 ,本文进行了轴对称特 征建模 .相关参数均来自宝钢 60 MN挤压机的实际 尺寸, 并作适当简化.在挤压过程中存在坯料与工 模具的热交换和热功转换 , 所以采用热机耦合分析 的方法 ,并且忽略弹性变形, 采取刚塑性有限元模 型 .坯料设为塑性 , 其他工模具均设置为具有传热 性质的刚体 . 图 1 钢管热挤压的有限元模型 Fig.1 Finiteelementmodelofhotextrusionofasteeltube 1.3 模拟工艺参数及边界条件 为防止坯料装入挤压筒后温度过于下降, 必须 对工模具进行预热 ,模拟中的工模具预热温度均取 自生产经验值 .挤压过程中, 玻璃润滑剂润滑的区 域, 金属流动性良好 ,摩擦因数在此接触界面取系数 为 0.03, 而在挤压垫和坯料之间的摩擦因数取为 0.35.辐射 换 热和 界面 传 热 系数 分 别设 置 为 0.02 kW·m -2 ·℃ -1和 11 kW·m -2 ·℃ -1 .典型挤压 工艺参数如表 1所示. 表 1 典型挤压工艺参数 Table1 Typicalextrusionprocessparameters ℃ 挤压垫速度 / (mm·s-1) 坯料 预热 温度 挤压筒 初始 温度 挤压垫 温度 模具 温度 芯棒 温度 200 1 100 450 100 350 200 实际生产中,挤压垫速度 、坯料预热温度和玻璃 润滑剂的润滑条件是挤压过程能否顺利进行以及挤 出管材质量好坏的关键因素.为了研究它们对挤压 过程温度变化的影响,保持其他条件不变的情况下, 分别改变挤压垫速度、坯料预热温度和摩擦因数 ,如 表 2所示 . 表 2 模拟工艺参数取值范围 Table2 Rangesofsimulatedprocessparameters 挤压垫速度 / (mm·s-1) 坯料预热 温度 /℃ 摩擦因数 (玻璃润滑剂使用区) 50 ～ 400 1 100 ～ 1 250 0.01 ～ 0.1 1.4 模拟结果验证 采用经验公式计算 [ 9] 与模型计算的挤压力进 行对比,如图 2所示.经验公式计算值为 30.3 MN, 模型计算得到的峰值挤压力为 28.9 MN, 相对误差 为 4.62%.可以得出模拟得到的挤压力值与经验公 式计算得到的结果吻合较好, 说明本文建立的有限 元模型较真实地再现了实际 IN690 合金的挤压 · 1484·