銅合金管擠壓法三輥行星軋制成形分析及工藝優(yōu)化

銅合金管擠壓法三輥行星軋制成形分析及工藝優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外銅合金管生產(chǎn)企業(yè)主要采用傳統(tǒng)的擠壓法，即采用傳統(tǒng)的致密鑄造通過(guò)擠壓機(jī)形成空心管，然后線性拉伸。然而，由于其材料率低、精度低、長(zhǎng)度限制等原因，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。中國(guó)的許多迫切需要的高精度和進(jìn)口銅合金管仍然依賴進(jìn)口。而應(yīng)用水平連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)銅合金管,不僅能克服傳統(tǒng)擠壓法效率低、投資大、成材率低、精度差的缺點(diǎn),而且易于生產(chǎn)大功率大容量電站和核電站管式熱交換器用超長(zhǎng)管。因此采用目前技術(shù)先進(jìn)的鑄軋法生產(chǎn)銅合金管材,其在理論研究和實(shí)際生產(chǎn)方面意義都十分重大。B10銅合金為白銅合金的一種,其銅合金牌號(hào)為BFe10-1-1。B10白銅合金既有良好的熱交換性,又有優(yōu)良的耐海水腐蝕性。白銅里少量的鐵和錳使合金外表保護(hù)膜增強(qiáng),既耐腐蝕又減少海洋生物的附著,同時(shí)提高了合金管材耐海水的沖擊腐蝕能力。因此B10白銅廣泛用于火力與核能發(fā)電機(jī)組、船艦汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)、海水淡化、中央空調(diào)和水處理等行業(yè),因此通過(guò)鑄軋法開(kāi)發(fā)該合金管材應(yīng)用前景將十分廣闊。對(duì)于鋼材旋軋成形的實(shí)驗(yàn)和有限元模擬方面已有文章進(jìn)行了一定分析。對(duì)于三輥行星軋機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式和軋管組織變化也有文章進(jìn)行了分析。本文作者已對(duì)銅管坯三輥行星軋制運(yùn)動(dòng)和管坯變形規(guī)律進(jìn)行有限元仿真模擬分析,獲得有價(jià)值的模擬結(jié)果。本文以B10銅合金為例,首先對(duì)B10銅合金管坯的組織狀態(tài)和力學(xué)性能進(jìn)行了觀測(cè)分析,為進(jìn)行有限元模擬和工藝實(shí)驗(yàn)提供必要的基礎(chǔ)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果以材料力學(xué)性能為基礎(chǔ),進(jìn)行大量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),掌握材料在三輥行星軋制過(guò)程中的變化特點(diǎn),根據(jù)模擬結(jié)果的指導(dǎo)成功軋制出性能符合要求的銅合金管材。1第二、關(guān)于對(duì)b0合金的研究實(shí)驗(yàn)用B10合金鑄坯的坯料外形和斷面組織如圖1和2所示,外表面無(wú)裂紋和劃傷,斷面晶粒度也較好。鑄坯組織呈現(xiàn)典型的三個(gè)區(qū)域:最外層是表層細(xì)晶粒,中間是柱狀晶,最內(nèi)層是細(xì)的等軸晶,晶粒分布均勻有利于旋軋成形。B10合金連鑄坯的外徑為Φ80mm,壁厚為20mm,前后端和斷面尺寸的均勻性較好。B10合金鑄坯與TP2紫銅鑄坯主要成分含量對(duì)比如表1所示。由于B10合金含有10%的合金元素鎳,因此其強(qiáng)度和硬度要比TP2紫銅管坯的要大很多。經(jīng)測(cè)試獲得室溫下TP2紫銅鑄坯的抗拉強(qiáng)度為176.2MPa,而相應(yīng)條件下B10合金鑄坯的的抗拉強(qiáng)度為254.1MPa,因此對(duì)該合金進(jìn)行三輥行星軋制加工,設(shè)計(jì)合理有效的實(shí)驗(yàn)方案意義很大。本文以實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行相應(yīng)有限元模擬分析以提出優(yōu)化工藝方案。2模擬分析與工藝優(yōu)化2.1功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)模擬計(jì)算過(guò)程中采用更新的拉格朗日描述方法,給出與溫度場(chǎng)耦合的大變形熱彈塑性分析的增量有限元表示,塑性功轉(zhuǎn)化成體積熱流方程:T?S?t=MP?WP?t(1)Τ?S?t=ΜΡ?WΡ?t(1)式中T為變形溫度,K;S為介質(zhì)邊界;?WP?t?WΡ?t為塑性功率;MP為塑性變形功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。模擬過(guò)程中,將摩擦力功率轉(zhuǎn)化成表面熱流方程:qfr=MfFfrVr(2)式中Ffr為接觸表面摩擦力,N;Vr為表面相對(duì)滑動(dòng)速度;Mf為摩擦功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。軋輥與軋件之間相互作用產(chǎn)生的摩擦熱流將平均分配到軋輥與軋件接觸表面。銅管坯旋軋成形計(jì)算中熱力耦合能量守恒方程:∫VgρQˉˉˉdV?∫SgHdS=∫VgρDcTDtdV+∫V?g?Xikij?T?XjdV(3)∫VgρQˉdV-∫SgΗdS=∫VgρDcΤDtdV+∫V?g?Xikij?Τ?XjdV(3)式中g(shù)為Galerkin權(quán)函數(shù);QˉˉˉQˉ為給定體積熱流,W·m-3;D為變形率,%;c為材料比熱,J·(kg·K)-1;H為邊界S上的單位面積的熱流強(qiáng)度,W·m-2。根據(jù)如上基本方程,建立了有限元模擬數(shù)學(xué)模型,并基于MSC.Marc有限元軟件進(jìn)行大量計(jì)算分析,以掌握各工藝參數(shù)和模具形狀對(duì)合金管坯旋軋成形的影響。2.2偏轉(zhuǎn)角對(duì)軋件出口速度的影響軋輥的偏轉(zhuǎn)角是三輥行星軋制過(guò)程中的一個(gè)十分重要的參數(shù),它將影響到軋輥所受到的軋制力和軋件的出口速度。在圖3中表明了軋輥所受軋制力隨偏轉(zhuǎn)角增大而增加的特點(diǎn),可以觀察到偏轉(zhuǎn)角對(duì)軋制力的影響很大,軋制力提高顯著。軋輥的偏轉(zhuǎn)角同時(shí)也是影響軋件出口速度一個(gè)重要的因素。圖4給出軋件出口速度和偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系,軋件出口速度隨偏轉(zhuǎn)角的增加而增加得十分顯著。從幾何學(xué)角度來(lái)分析,增加偏轉(zhuǎn)角將增加軋件向前的速度分量,因而軋件出口速度顯著提高,可提高生產(chǎn)效率。軋輥的偏轉(zhuǎn)角控制在合理的范圍內(nèi)才可以既增大軋件出口速度又不會(huì)使軋制力過(guò)高,因此將軋輥偏轉(zhuǎn)角設(shè)定在7°～8°之間為合理的取值范圍。2.3坯料初始溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響由于B10銅合金在軋制過(guò)程中變形抗力大,與TP2紫銅相比軋制力將更高,因此對(duì)于B10銅合金三輥行星軋制成形是否需要軋制前進(jìn)行坯料預(yù)熱處理尚沒(méi)有參考信息可查。利用模擬分析來(lái)預(yù)測(cè)不同坯料初始溫度情況下的軋制力和軋制溫度是十分必要和有意義的。本文分別對(duì)不同的坯料初始溫度進(jìn)行了模擬計(jì)算,通過(guò)模擬得到的B10合金和TP2紫銅坯料初始溫度與軋制力和軋制溫度的關(guān)系如圖5和6所示?？梢杂^察到隨著軋件初始溫度的提高,軋制力有所降低,因?yàn)楦邷叵萝埣淖冃慰沽τ兴档?但下降幅度并不是很大。同時(shí)隨著軋件初始溫度的提高軋制溫度有所提高,但軋制的最高溫度增加不大,因?yàn)槌跏紲囟忍岣?變形溫度隨之提高,而塑性變形能有所降低,變形熱降低,因此軋制溫度增幅不大。綜上所述,當(dāng)對(duì)B10銅合金進(jìn)行室溫軋制時(shí),軋制力雖然稍高但軋件已經(jīng)達(dá)到較高的軋制溫度,因此對(duì)B10銅合金管坯可以在不進(jìn)行預(yù)熱處理的情況下進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn),并可滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。2.4模擬分析的模型建立在三輥行星軋制過(guò)程中,由于銅合金強(qiáng)度高變形抗力大,軋制銅合金管的出口端壁厚波動(dòng)要比TP2紫銅管波動(dòng)大,因此當(dāng)軋制銅合金管時(shí)需要對(duì)軋輥精整段的長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。三輥行星軋機(jī)軋輥斷面圖如圖7所示。在銅合金軋制過(guò)程中增加精整段(Ⅲ段)的長(zhǎng)度將有利于控制銅合金管的壁厚波動(dòng)。在軋輥設(shè)計(jì)的過(guò)程中,設(shè)計(jì)出合理的軋輥的外形尺寸一直是一件比較困難的事,要基于大量的試錯(cuò)調(diào)整。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析將為軋輥輥形設(shè)計(jì)提供定量可靠的參考數(shù)據(jù)。本文分別對(duì)精整段長(zhǎng)度為15,20,25,30,35和40mm6種不同的精整段長(zhǎng)度進(jìn)行模擬分析。模擬后坯料的斷面形狀圖和精整段長(zhǎng)度與斷面壁厚差的關(guān)系如圖8和9所示。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在軋制過(guò)程中不同精整段長(zhǎng)度下坯料的斷面形狀有所不同。從軋出銅管斷面的外形輪廓可以看出當(dāng)精整段長(zhǎng)度為15和40mm時(shí)斷面形狀圓度不理想,而精整段長(zhǎng)度為30mm時(shí)斷面形狀圓度較好。由圖9可以觀察到當(dāng)精整段長(zhǎng)度為30～35mm時(shí)斷面壁厚波動(dòng)較小,有利于獲得軋制質(zhì)量較好的B10銅合金管材。因此,在進(jìn)行銅合金的三輥行星軋制實(shí)驗(yàn)時(shí),軋輥的精整段長(zhǎng)度可稍做調(diào)整,精整段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在30～35mm之間時(shí)可有利于軋制斷面壁厚均勻的B10銅合金管材。3與相應(yīng)的tp2紫銅管對(duì)比根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果,制定出合理的實(shí)驗(yàn)方案,并對(duì)軋輥模具形狀進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)加工,在三輥行星軋機(jī)機(jī)組上進(jìn)行了B10合金的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),如圖10所示旋軋成形出的銅合金管材。旋軋成形后,對(duì)軋后的B10合金管進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織觀察,并與相應(yīng)的TP2紫銅管進(jìn)行對(duì)比分析。由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),如表2所示,B10白銅管由于合金元素的影響,軋后硬度很高,大約是TP2紫銅鑄坯的兩倍;抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)提高,達(dá)到約310MPa;延伸率雖然與紫銅管相比有所降低,但仍然很大,平均值達(dá)到37.8%,說(shuō)明旋軋的B10合金管材塑性好,延伸性能優(yōu),無(wú)需退火即可實(shí)現(xiàn)拉拔。該預(yù)測(cè)結(jié)果為隨后進(jìn)行的拉拔實(shí)驗(yàn)所證實(shí),證明旋軋后無(wú)需退火即可拉拔出符合要求的銅合金管。圖11所示的B10合金軋管組織主要表現(xiàn)為晶粒延長(zhǎng)狀態(tài),在局部也產(chǎn)生有再結(jié)晶組織,說(shuō)明軋制速度較快,當(dāng)降低軋制速度后將有分布更均勻的再結(jié)晶組織的產(chǎn)生。從軋管的力學(xué)性能看,旋軋出的B10合金管的性能已達(dá)到再加工的要求,因而該組織狀態(tài)基本符合要求,可在生產(chǎn)實(shí)踐中通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整獲得最佳的組織狀態(tài)。4實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果1.通過(guò)對(duì)銅合金三輥行星軋制進(jìn)行模擬分析得知軋輥的偏轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)才可以既增大軋件出口速度又不會(huì)使軋制力過(guò)高。根據(jù)計(jì)算分析將軋輥偏轉(zhuǎn)角設(shè)定在7°～8°之間是合理的取值范圍。2.當(dāng)對(duì)B10合金管坯進(jìn)行室溫制時(shí),軋制力雖然稍高但軋件可達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)所