304不銹鋼管材擠壓金屬損傷規(guī)律仿真研究分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在304不銹鋼管材擠壓成形中，合理、有效調(diào)節(jié)擠壓速度，進而降低坯料金屬損傷對于提高管材表面質(zhì)量和抗應(yīng)力腐蝕能力有極為重要意義。基于DEFORM-2D軟件，研究了準40mm×6mm規(guī)格304不銹鋼管材擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律和擠壓速度影響規(guī)律。結(jié)果表明，坯料損傷較大值主要集中在成形管材外側(cè)，厚度約1.3mm；隨著擠壓速度增大，坯料損傷較大值厚度保持不變，坯料金屬損傷峰值不斷下降；當(dāng)擠壓速度大于150mm/s之后，坯料金屬損傷峰值下降明顯減慢。

 304不銹鋼管材因具有優(yōu)異的耐酸性、抗氧化性以及優(yōu)良的高溫和低溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力交通、海洋工程、能源國防等現(xiàn)代化社會的各個領(lǐng)域。隨著國防工業(yè)和國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于高強度等級、高精度、高抗腐蝕性能的304不銹鋼鋼管的需求日益迫切而廣泛，因此，研究提高304不銹鋼管材性能具有非常重要的現(xiàn)實意義。擠壓工藝使材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高材料塑性變形能力且產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，成為高質(zhì)量、高性能304不銹鋼管材生產(chǎn)不可替代的塑性成形工藝。擠壓過程中，坯料金屬損傷值越小，則材料開裂傾向越小，成形管材表面質(zhì)量越高。因此，降低擠壓過程中坯料損傷值尤其是峰值對于提高管材內(nèi)外表層質(zhì)量，防止表層裂紋的產(chǎn)生、提高管材抗應(yīng)力腐蝕能力有著十分重要的意義。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用有限元法對體積塑性成形過程中坯料金屬的變形行為進行數(shù)值模擬，已經(jīng)成為塑性成形領(lǐng)域研究不可替代的強有力手段，可以比理論和實驗方法做得更全面、更深刻、更細致。基于上述背景，本文旨在采用有限元法對重油燃油爐內(nèi)用的304不銹鋼管材(準40mm×6mm)擠壓工藝過程進行數(shù)值模擬，以揭示擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律以及溫度、擠壓速度等因素對其影響規(guī)律，為合理制定304不銹鋼管材擠壓工藝，提高管材表層質(zhì)量，進而增強管材抗應(yīng)力腐蝕能力提供理論依據(jù)。

一、有限元模型的建立

304不銹鋼管材擠壓幾何模型主要包括穿孔針和擠壓墊、擠壓筒和擠壓凹模(由于穿孔針、擠壓墊和擠壓桿之間，擠壓筒和擠壓凹模之間均沒有相對移動，故分別簡化為同一幾何部件—擠壓桿和模具)。擠壓方式采用無穿孔工序的穿孔針擠壓，筒坯為準100mm×40mm、長度100mm的304不銹鋼鍛坯；凹模角為60°；定徑帶長度為10mm。304不銹鋼管材擠壓的幾何裝配模型如圖所示。精確可靠的材料模型是影響有限元模擬計算精度的關(guān)鍵因素。坯料金屬材料模型采用軟件庫自帶304不銹鋼材料模型，同時為了準確描述擠壓管材開裂趨勢的大小，在材料模型中嵌入開裂準則，有限元計算精度和效率與單元幾何形態(tài)和單元劃分密度之間存在著密切關(guān)系。坯料采用四邊形單元格式，相對網(wǎng)格劃分形式，對坯料及模具進行網(wǎng)格離散，并采用了自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)。設(shè)定金屬坯料與環(huán)境的對流系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃)，與模具接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為11N/(s·mm·℃)，模具預(yù)熱溫度為500℃，采用剪切摩擦模型[7]，摩擦因子為0.35。為研究擠壓速度對坯料金屬損傷的影響，分別設(shè)定擠壓速度為75、100、125、150、175mm/s。

二、結(jié)果與討論

 1. 成形管材損傷分布特征

  圖給出了擠壓速度75mm/s時，304不銹鋼管材擠壓過程中坯料損傷分布?？梢钥闯?，坯料金屬突破工作帶后，在擠壓墊的巨大壓力和擠壓筒、模具的幾何約束作用，坯料金屬塑性變形主要集中在成型管材外側(cè)、擠壓模具出口處，坯料損傷值較大值主要集中在這一區(qū)域，說明成形管材外側(cè)最容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，這是因為管材表層金屬在流經(jīng)工作帶時，由于受到擠壓模具工作端面的摩擦作用，切應(yīng)力狀態(tài)對該處坯料金屬的影響最顯著。坯料金屬損傷最大值約為0.22，損傷值較大的金屬厚度約為1.3mm。

 2. 擠壓速度影響

 圖給出了不同擠壓速度下成形管材金屬損傷分布?？梢钥闯觯诓煌瑪D壓速度下金屬損傷的分布規(guī)律大體相同；隨著擠壓速度的增大，坯料金屬損傷整體上不斷下降，損傷較大值厚度保持基本不變；當(dāng)擠壓速度為75、100、125、150、175mm/s時，對應(yīng)的坯料金屬損傷峰值為0.223、0.208、0.197、0.157、0.153；當(dāng)擠壓速度增大到150mm/s之后，坯料金屬峰值的增大趨勢明顯減慢。這是因為擠壓速度的增大，一方面坯料金屬塑性變形速率不斷提高，坯料金屬溫度快速上升，增強了坯料金屬的塑性變形能力；

另一方面，擠壓速度的增大增強了模具工作端面對坯料金屬的軸向約束作用越加顯著，有利于提高三向壓應(yīng)力效果，從而降低成形管材損傷峰值。

三、結(jié)論

  通過DEFPRM軟件對304不銹鋼管材(準40mm×6mm)擠壓有限元模擬，研究揭示了該管材擠壓過程中坯料金屬損傷的分布規(guī)律以及擠壓速度對其影響規(guī)律。

  a. 坯料金屬突破工作帶后，坯料損傷較大值主要集中在成形管材外側(cè)、擠壓模具出口處，厚度均勻，約為壁厚的2/9，即1.3mm。

  b. 隨著擠壓速度的增大，金屬損傷的分布規(guī)律大體相同，整體上不斷下降，損傷較大值厚度保持基本不變。

  c. 當(dāng)擠壓速度75、100、125、150、175mm/s時，對應(yīng)的坯料金屬損傷峰值分別為0.223、0.208、0.197、0.157、0.153；當(dāng)擠壓速度增大到150mm/s之后，坯料金屬峰值的增大趨勢明顯減慢。