212 工程科学学报，第42卷，第2期 速度越快，变形抗力越大，导致了挤压力升高 0.27,而未涂覆润滑剂的摩擦因子为1.圆环压缩 采用前文所述的摩擦因子计算方法，最终得 实验结果表明，实验温度对摩擦因子影响十分明 到的实验结果如表1所示.在模具（砧面）粗糙度 显，当温度由700℃提高至800℃时，压缩速度为 Ra=0.6m、实验温度700~800℃的条件下，涂覆 l0 mm:min和4 mm:min时的摩擦因子分别由 润滑剂的Zr-4合金与模具的摩擦因子为0.18~ 0.19和0.18增大至0.27，提高了约40% 表1圆环压缩实验结果 Table 1 Results of ring compression experiment 试样 润滑 压缩速度/(mm'min) 实验温度/℃ 压缩量/% 内径变化/% 摩擦因子，m 1 老 10 750 34 -26.8 1 2 有 10 700 34.9 0.27 0.19±0.01 3 有 10 750 34.6 -1.13 0.22±0.02 4 有 10 800 34.8 -3.9 0.27±0.01 7 有 4 700 29.8 1.13 0.18±0.01 8 有 4 750 29.8 -1.4 0.21±0.01 9 杏 4 800 30.4 -3.1 0.27±0.02 对于玻璃润滑剂，当实验温度提高时其黏度 移曲线，将模拟值与工厂实测值进行对比，如 的下降，导致了摩擦因子减小，例如当温度由750℃ 图5.可以看出，当摩擦因子为0.35时，得到的载荷- 提高到1000℃时，玻璃润滑条件下Ti-6A1-4V与 位移曲线与实测载荷-位移曲线最为吻合，因此， 模具钢的摩擦因子由0.24下降至0.08]本文使 Zr4合金实际挤压中的平均摩擦因子可以近似为 用的润滑剂由玻璃粉、二硫化钼、石墨等组成.大 0.35 气中的二硫化钼在400℃左右开始氧化，540℃ 后氧化急剧增加而转变成三氧化钼，导致润滑失 效1：此外，石墨在温度超过450℃后就会发生氧 化，影响其润滑效果.有文献啊表明，使用石墨作 为润滑剂，温度由750℃提高到1000℃时， TC4合金与模具的摩擦因子由0.22升高至0.8.因 4 此，对于本文润滑剂，温度升高导致二硫化钼和石 一工厂实测值 墨氧化失效是表1中摩擦因子随温度升高而增大 ===-摩擦因子0.40 的主要原因. -一，摩擦因子035 摩擦因子0.30 2.2挤压-模拟法测试 0 203040 50 60 2.2.1棒材挤压数值模拟 位移mm 由于整个模型呈轴对称，故可以采用四分之 图5载荷-位移曲线对比 一模型.其中挤压筒内径86mm,长360mm;垫片 Fig.5 Comparison of load-displacement curves 直径86mm,厚20mm;坯料直径86mm,长 300mm;模具为锥形模，外径86mm,内径22mm, 2.2.2型材挤压实验与数值模拟 锥角为120°，定径带长6mm,倒角半径为8mm 在国核宝钛锆业有限公司使用12.5MN双动 根据Zr4合金现场挤压实际参数，将坯料初始温 卧式挤压机进行Zr4合金外方内圆管材挤压.锆 度设置在750℃，模具、垫片、挤压筒的初始温度 合金坯料直径86mm,长300mm;模具采用平模设 为400℃，挤压速度为6mms. 计，外径86mm,方孔边长36mm:挤压针直径21mm 将坯料与垫片、挤压筒、模具锥面设置为剪切 坯料使用感应加热至750℃，模具使用箱式炉加 摩擦，摩擦因子分别使用0.3、035、0.4：坯料与模 热至350℃，挤压速度为5mms,图6是最终得 具工作带之间设置为库伦摩擦，采用球盘法实际 到的锆合金型材截面示意图 测得摩擦因子为0.1.通过模拟得到挤压载荷-位 以锆合金型材现场挤压参数为原型，在Deform-速度越快，变形抗力越大，导致了挤压力升高. 采用前文所述的摩擦因子计算方法，最终得 到的实验结果如表 1 所示. 在模具（砧面）粗糙度 Ra=0.6 μm、实验温度 700～800 ℃ 的条件下，涂覆 润滑剂的 Zr-4 合金与模具的摩擦因子为 0.18～ 0.27，而未涂覆润滑剂的摩擦因子为 1. 圆环压缩 实验结果表明，实验温度对摩擦因子影响十分明 显，当温度由 700 ℃ 提高至 800 ℃ 时，压缩速度为 10 mm·min−1 和 4 mm·min−1 时的摩擦因子分别由 0.19 和 0.18 增大至 0.27，提高了约 40%. 对于玻璃润滑剂，当实验温度提高时其黏度 的下降，导致了摩擦因子减小，例如当温度由 750 ℃ 提高到 1000 ℃ 时，玻璃润滑条件下 Ti-6Al-4V 与 模具钢的摩擦因子由 0.24 下降至 0.08[13] . 本文使 用的润滑剂由玻璃粉、二硫化钼、石墨等组成. 大 气中的二硫化钼在 400 ℃ 左右开始氧化，540 ℃ 后氧化急剧增加而转变成三氧化钼，导致润滑失 效[14] ；此外，石墨在温度超过 450 ℃ 后就会发生氧 化，影响其润滑效果. 有文献[15] 表明，使用石墨作 为 润 滑 剂 ， 温 度 由 750  ℃ 提 高 到 1000  ℃ 时 ， TC4 合金与模具的摩擦因子由 0.22 升高至 0.8. 因 此，对于本文润滑剂，温度升高导致二硫化钼和石 墨氧化失效是表 1 中摩擦因子随温度升高而增大 的主要原因. 2.2    挤压–模拟法测试 2.2.1    棒材挤压数值模拟 由于整个模型呈轴对称，故可以采用四分之 一模型. 其中挤压筒内径 86 mm，长 360 mm；垫片 直 径 86  mm， 厚 20  mm； 坯 料 直 径 86  mm， 长 300 mm；模具为锥形模，外径 86 mm，内径 22 mm， 锥角为 120°，定径带长 6 mm，倒角半径为 8 mm. 根据 Zr-4 合金现场挤压实际参数，将坯料初始温 度设置在 750 ℃，模具、垫片、挤压筒的初始温度 为 400 ℃，挤压速度为 6 mm·s−1 . 将坯料与垫片、挤压筒、模具锥面设置为剪切 摩擦，摩擦因子分别使用 0.3、0.35、0.4；坯料与模 具工作带之间设置为库伦摩擦，采用球盘法实际 测得摩擦因子为 0.1. 通过模拟得到挤压载荷–位 移曲线 ，将模拟值与工厂实测值进行对比 ，如 图 5. 可以看出，当摩擦因子为 0.35 时，得到的载荷– 位移曲线与实测载荷–位移曲线最为吻合，因此， Zr-4 合金实际挤压中的平均摩擦因子可以近似为 0.35. 2.2.2    型材挤压实验与数值模拟 在国核宝钛锆业有限公司使用 12.5 MN 双动 卧式挤压机进行 Zr-4 合金外方内圆管材挤压. 锆 合金坯料直径 86 mm，长 300 mm；模具采用平模设 计，外径 86 mm，方孔边长 36 mm；挤压针直径 21 mm. 坯料使用感应加热至 750 ℃，模具使用箱式炉加 热至 350 ℃，挤压速度为 5 mm·s−1 ，图 6 是最终得 到的锆合金型材截面示意图. 以锆合金型材现场挤压参数为原型，在 Deform- 表 1 圆环压缩实验结果 Table 1 Results of ring compression experiment 试样 润滑 压缩速度/（mm·min−1） 实验温度/℃ 压缩量/% 内径变化/% 摩擦因子，mt 1 无 10 750 34 −26.8 1 2 有 10 700 34.9 0.27 0.19±0.01 3 有 10 750 34.6 −1.13 0.22±0.02 4 有 10 800 34.8 −3.9 0.27±0.01 7 有 4 700 29.8 1.13 0.18±0.01 8 有 4 750 29.8 −1.4 0.21±0.01 9 有 4 800 30.4 −3.1 0.27±0.02 0 10 20 30 40 50 60 载荷/MN 位移/mm 工厂实测值 摩擦因子 0.40 摩擦因子 0.35 摩擦因子 0.30 0 2 4 6 8 图 5    载荷–位移曲线对比 Fig.5    Comparison of load–displacement curves · 212 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期