擠壓針與管坯長度配合對擠壓管前端的影響

程逸明 ，拓雷鋒 ，，周根樹 ，康喜唐 ，楚志兵 ，李 強(qiáng)

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司制造與技術(shù)部，山西太原 030003；2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度重點實驗室，陜西西安 710049；3.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

熱擠壓工藝是一種較為常見的不銹鋼管成型方法，該工藝中所應(yīng)用的擠壓工模具主要由擠壓針、擠壓模、擠壓桿、擠壓墊和擠壓筒等關(guān)鍵部件組成[1]。擠壓針起到保證擠壓管產(chǎn)品內(nèi)徑的作用[2]，擠壓模起到保證擠壓管外徑的作用[3]，兩者因為磨損、開裂等問題需要不定時更換，都屬于易損耗工模具。另外，擠壓針和擠壓模的形狀和尺寸直接關(guān)系到擠壓管產(chǎn)品尺寸的精確性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。通常擠壓不同規(guī)格的不銹鋼管，需要匹配不同的工模具，擠壓針工作帶長度往往需要與擠壓管坯的長度配合[4]。擠壓針工作帶長度超出擠壓模工作帶過長會造成擠壓針工作帶部分浪費(fèi)，不僅增加成本而且在反復(fù)使用后更容易出現(xiàn)彎曲；擠壓針工作帶長度未到達(dá)擠壓模工作帶會造成擠壓管前端異常，出現(xiàn)實心段，如圖1所示。因此，有必要研究擠壓針與管坯之間的長度配合。

本文采用有限元模擬方法和生產(chǎn)試驗相結(jié)合的方法分析擠壓針與管坯之間不同長度配合下擠壓管前端的形狀特點，探討較為合理的長度匹配以達(dá)到改善擠壓管質(zhì)量的目的。

1 試驗方法

圖1 擠壓管前端實心

采用CAXA建立擠壓模型，為便于模擬計算，將擠壓針與擠壓墊組合在一起建模，稱為上模，擠壓針的前段有30 mm的錐形引導(dǎo)。將擠壓模和擠壓筒組合在一起建模，稱為下模。管坯材質(zhì)為不銹鋼304，建立的擠壓模型如圖2所示。

圖2 擠壓模型

將建立的擠壓模型保存為.IGES格式并導(dǎo)入到DEFORM-2D軟件，管坯從DEFORM-2D軟件的材料庫中選取304不銹鋼[5]并采用四邊形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義溫度1 200℃.上、下模定義材質(zhì)為剛體并定義溫度為300℃，設(shè)定上模軸向擠壓速度150 mm/s.管坯和上下模之間在擠壓過程中的摩擦系數(shù)定義為0.025[6]，實際擠壓生產(chǎn)中采用玻璃粉潤滑[7]可以實現(xiàn)該摩擦效果。

表1為試驗用到的擠壓規(guī)格和相對應(yīng)的工模具尺寸和管坯尺寸，選定擠壓筒為φ230 mm，用到的擠壓管坯尺寸為φ222/φ85 mm，擠壓規(guī)格為φ89×5.5 mm，擠壓比約為23.

表1 擠壓規(guī)格擠壓工模具尺寸

表2設(shè)計了J1、J2、J3和J4四種擠壓針與管坯配合方式。L1為管坯長度，長800 mm；L2為擠壓針工作帶長度，長度分別選取700 mm、800 mm、830 mm和900 mm；L3為擠壓針工作帶前端距離擠壓模定徑帶距離，擠壓管前端距離擠壓模定徑帶長度76.71 mm，L3=L1+76.71-L2.J1和J2配合方式下，擠壓針的工作帶長度小于或等于管坯長度，J3配合方式下雖然擠壓針定徑帶長度超過管坯但未到達(dá)擠壓模定徑帶，因此，這三種配合方式均屬于過虧配合。J4配合方式下，擠壓針工作帶超過擠壓管坯長度且擠壓針的工作帶前端已到達(dá)擠壓模工作帶。

表2 長度配合方式

2 模擬分析

圖3a）為J1長度配合圖示，圖3（b）為擠壓管前段圖示。在該長度配合下，擠壓針工作帶長度小于管坯長度，可以看出擠壓出的管子前端有一段明顯的實心段，即當(dāng)擠壓針墊推動管坯向前運(yùn)動時，管坯被擠壓時金屬流動先于擠壓針頭部到達(dá)擠壓模工作帶，導(dǎo)致擠出的管子前端有一段明顯的實心段。當(dāng)擠壓過程持續(xù)進(jìn)行時，擠壓出的管子會逐漸趨于正常即壁厚會逐漸達(dá)到設(shè)計的尺寸，在該過程中會有一段錐形孔過渡。

圖4a）為J2長度配合圖示，圖4b）為擠壓管前段圖示。在該長度配合下，擠壓針工作帶長度等于管坯長度，可以看出擠壓出的管子前端仍有一段較短的實心段，對比J1的配合，可以看出實心段得到了明顯的縮短。

圖5a）為J3長度配合圖示，圖5b）為擠壓管前段圖示。在該長度配合下，擠壓針工作帶長度已超出管坯長度但未到達(dá)擠壓模的工作帶，這時擠壓管的前端已有了明顯的改善，可以看出擠壓出的管子雖然前端沒有實心段，但端部仍有朝向內(nèi)孔的鉤頭式縮孔出現(xiàn)，仍會造成端部切頭較長。

圖6a）為J4長度配合圖示，圖6 b）為擠壓管前段圖示。在該長度配合下，擠壓針工作帶長度超出管坯長度并且到達(dá)擠壓模工作帶，這時當(dāng)管坯開始出現(xiàn)金屬流動時擠壓針不再影響前端的形狀，擠壓出的管子前端正常無實心段或鉤頭式縮孔出現(xiàn)。

圖3 J1模擬結(jié)果

圖4 J2模擬結(jié)果

圖5 J3模擬結(jié)果

圖6 J4模擬結(jié)果

3 試驗驗證

為驗證模擬結(jié)果，采用60MN臥式擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)試驗驗證，圖7a）為根據(jù)模擬結(jié)果選擇J4長度配合方式的擠壓針，圖7b）為擠壓出的不銹鋼304-φ89 mm×5.5 mm無縫管水冷之前的紅熱狀態(tài)，從紅熱態(tài)擠壓管的整體顏色一致性可以看出無實心段。

圖7 生產(chǎn)試驗驗證

圖8 a）是擠壓管冷卻后未平頭狀態(tài)，通長空心，無實心段。圖8b）是將該擠壓管前端鴨舌狀缺陷切頭300 mm后的狀態(tài)，平頭后的擠壓管尺寸均正常，可以滿足設(shè)計的擠壓管產(chǎn)品尺寸要求。

圖8 擠壓管冷卻后平頭狀態(tài)

4 結(jié) 論

通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，擠壓針長度和擠壓管坯之間的長度匹配對不銹鋼擠壓管前端形狀具有直接影響。當(dāng)擠壓針定徑帶長度小于或等于擠壓管坯長度時擠壓管前端會有實心段，隨著擠壓過程的繼續(xù)會出現(xiàn)錐形孔過渡直至擠壓管壁厚達(dá)到設(shè)計的尺寸。當(dāng)擠壓針定徑帶長度大于擠壓管坯長度但未到達(dá)擠壓模工作帶時，擠壓管前端會出現(xiàn)鉤頭式縮孔缺陷，前端仍有一段壁厚異常部分，需要切除。當(dāng)擠壓針長度大于擠壓管坯長度且擠壓針的工作帶到達(dá)擠壓模工作帶時，擠壓管前端正常。

實際擠壓生產(chǎn)試驗進(jìn)一步驗證了擠壓針與擠壓管坯之間J4的長度配合方式能保證擠壓管產(chǎn)品正常。因此，擠壓針長度與管坯之間的長度匹配應(yīng)當(dāng)是擠壓針的工作帶穿過擠壓管坯后至少要到達(dá)擠壓模工作帶較為合理。