D0I:10.13374/i.issnl00It03.2008.11.013 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2008 NTi合金线材无模拉拔加工过程热力耦合数值模拟 毕重武何勇刘雪峰谢建新 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要结合所研制的连续式无模拉拔加工设备的实际情况，利用DE℉ORM有限元软件建立了加工过程的热力耦合有限元 分析模型，开展了NTⅰ合金线材无模拉拔加工过程的热力耦合模拟研究，获得了线材无模拉拔加工过程的温度场和应力场的 分布规律，以及冷热源距离、冷却水流量及拉拔速度对成品线径的影响规律。通过实验验证了模拟结果的正确性· 关键词NTi合金；无模拉拔；热力耦合；数值模拟 分类号TG356.4:TB115 Thermo-mechanical coupling analysis in the dieless drawing process of NiTi shape memory alloy wires BI Chongwu,HE Yong,LIU Xuefeng,XIE Jianxin School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT A thermo-mechanical finite element model was established for the developed continuous dieless drawing process equip- ment by using DEFORM finite element software.The temperature field and stress field in the continuous dieless drawing process of NiTi shape memory alloy wires were analyzed through the thermo"mechanical coupling simulation.The effects of distance bet ween heater and cooler,cooling water flow"rate and drawing speed on the diameter of wires were investigated.The results were well consis- tent with the experimental ones. KEY WORDS NiTi alloy:dieless drawing:thermo"mechanical coupling:numerical simulation 无模拉拔加工是一种不使用传统拉拔模具，而 Furushima等2采用有限元法对管材非连续式无模 是通过冷热源的加热和冷却控制进行加工的方 拉拔加工过程进行了热力耦合模拟，确定了拉拔速 法山.美国、日本、英国和前苏联等工业发达国家对 度对无模拉拔加工过程的影响，但在其模型中将温 无模拉拔工艺进行了大量的研究]，我国也开展 度场考虑为线性变化，与实际情况存在较大的差别， 了相关工作H),但目前仍处于起步阶段. 笔者1]对NTi合金线材无模拉拔过程的电磁场、 采用无模拉拔加工工艺可以解决传统金属管线 温度场进行了有限元数值模拟，确定了加工过程电 材加工过程中拉拔道次多、道次变形量小、生产效率 流频率、电流密度、冷却水流量、冷热源距离等主要 低等问题，但无模拉拔加工存在成品尺寸均匀性较 工艺参数的合理取值范围，但在模拟过程中，尚未考 差、产品质量不稳定等不足，影响无模拉拔加工过 虑变形过程与温度场之间的相互影响，因此，考虑 程管线材质量稳定性的因素很多，包括冷却水流量、 材料变形与温度场的相互作用，以及温度场对热膨 冷热源距离、拉拔速度及进料速度等，采用传统的试 胀系数、热导率等材料物理性能参数的影响，建立无 错法进行实验研究难以解决上述问题，有限元数值 模拉拔加工过程的热力耦合有限元分析模型，实现 模拟是处理材料加工过程中大变形、多阶段、多因 无模拉拔过程的精确模拟，对于正确制定无模拉拔 素、交互影响作用等问题的有效方法之一，可为研究 加工工艺参数，精确控制产品质量具有重要的意义， 材料变形过程、制定制备加工工艺提供理论依据， 本文拟对NiTi合金线材无模拉拔加工过程进 收稿日期.：2007-11-23修回日期：2008-01-14 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(Na.2006CB605200):国家自然科学基金资助项目(N。.50474072;N。.50634010:Na, 50674008):教育部“新世纪优秀人才支持计划"资助项目(No-NCET-O60083):教育部科技创新工程重大项目培有资金资助项目(Na.705007) 作者简介：毕重武(1980一)，男，硕士研究生；谢建新(1958一)，男，教授，博士生导师，Emai:jxi@ustb.cdu·cmNiTi 合金线材无模拉拔加工过程热力耦合数值模拟 毕重武 何 勇 刘雪峰 谢建新 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 结合所研制的连续式无模拉拔加工设备的实际情况‚利用 DEFORM 有限元软件建立了加工过程的热力耦合有限元 分析模型‚开展了 NiTi 合金线材无模拉拔加工过程的热力耦合模拟研究‚获得了线材无模拉拔加工过程的温度场和应力场的 分布规律‚以及冷热源距离、冷却水流量及拉拔速度对成品线径的影响规律．通过实验验证了模拟结果的正确性． 关键词 NiTi 合金；无模拉拔；热力耦合；数值模拟 分类号 TG356∙4；TB115 Thermo-mechanical coupling analysis in the dieless drawing process of NiTi shape memory alloy wires BI Chongw u‚HE Yong‚LIU Xuefeng‚XIE Jianxin School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT A thermo-mechanical finite element model was established for the developed continuous dieless drawing process equip￾ment by using DEFORM finite element software．T he temperature field and stress field in the continuous dieless drawing process of NiTi shape memory alloy wires were analyzed through the thermo-mechanical coupling simulation．T he effects of distance between heater and cooler‚cooling water flow-rate and drawing speed on the diameter of wires were investigated．T he results were well consis￾tent with the experimental ones． KEY WORDS NiTi alloy；dieless drawing；thermo-mechanical coupling；numerical simulation 收稿日期：2007-11-23 修回日期：2008-01-14 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2006CB605200）；国家自然科学基金资助项目（No．50474072；No．50634010；No． 50674008）；教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目（No．NCET－06－0083）；教育部科技创新工程重大项目培育资金资助项目（No．705007） 作者简介：毕重武（1980－）‚男‚硕士研究生；谢建新（1958－）‚男‚教授‚博士生导师‚E-mail：jxxie＠ustb．edu．cn 无模拉拔加工是一种不使用传统拉拔模具‚而 是通过冷热源的加热和冷却控制进行加工的方 法［1］．美国、日本、英国和前苏联等工业发达国家对 无模拉拔工艺进行了大量的研究［2－10］‚我国也开展 了相关工作［11－12］‚但目前仍处于起步阶段． 采用无模拉拔加工工艺可以解决传统金属管线 材加工过程中拉拔道次多、道次变形量小、生产效率 低等问题‚但无模拉拔加工存在成品尺寸均匀性较 差、产品质量不稳定等不足．影响无模拉拔加工过 程管线材质量稳定性的因素很多‚包括冷却水流量、 冷热源距离、拉拔速度及进料速度等‚采用传统的试 错法进行实验研究难以解决上述问题．有限元数值 模拟是处理材料加工过程中大变形、多阶段、多因 素、交互影响作用等问题的有效方法之一‚可为研究 材料变形过程、制定制备加工工艺提供理论依据． Furushima 等［2］采用有限元法对管材非连续式无模 拉拔加工过程进行了热力耦合模拟‚确定了拉拔速 度对无模拉拔加工过程的影响‚但在其模型中将温 度场考虑为线性变化‚与实际情况存在较大的差别． 笔者［13］对 NiTi 合金线材无模拉拔过程的电磁场、 温度场进行了有限元数值模拟‚确定了加工过程电 流频率、电流密度、冷却水流量、冷热源距离等主要 工艺参数的合理取值范围‚但在模拟过程中‚尚未考 虑变形过程与温度场之间的相互影响．因此‚考虑 材料变形与温度场的相互作用‚以及温度场对热膨 胀系数、热导率等材料物理性能参数的影响‚建立无 模拉拔加工过程的热力耦合有限元分析模型‚实现 无模拉拔过程的精确模拟‚对于正确制定无模拉拔 加工工艺参数‚精确控制产品质量具有重要的意义． 本文拟对 NiTi 合金线材无模拉拔加工过程进 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．013