冷軋工藝參數對TA18鈦合金管材金屬流動及成形載荷的影響規律

劉江林，曾衛東，杜子龍，陶 歡，席錦會，舒 瀅，楊建朝

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室,陜西 西安 710072)(2.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

冷軋工藝參數對TA18鈦合金管材金屬流動及成形載荷的影響規律

劉江林1，曾衛東1，杜子龍1，陶 歡1，席錦會2，舒 瀅2，楊建朝2

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室,陜西 西安 710072)(2.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

管材周期式冷軋成形過程是一個復雜的減徑、減壁過程，由于軋輥孔型復雜，軋制過程中管坯的塑性變形也較復雜，各種成形工藝參數的選擇往往都是經長期實踐經驗積累得到的，對軋制過程缺乏規律性的認識及定量的分析。本研究則借助三維有限元軟件DEFORM-3D再現了冷軋成形過程，對成形過程中金屬的流動情況、管材的應力應變分布以及成形載荷進行了深入分析。結果表明：軋制速度和摩擦系數增大會引起徑向拉應變和環向壓應變減小，送進量增加則使得兩者均增大。此外，送進量和摩擦系數增大會顯著增加成形載荷。

TA18鈦合金；管材；皮爾格軋制；有限元模擬

0 引 言

TA18鈦合金是從TC4鈦合金演變而來的低鋁當量、近α型鈦合金，主要用于制造工作溫度達315 ℃，并要求具有一定強度和抗氧化性的航空部件，尤其是航空航天管路系統[1]。由于TA18鈦合金為密排六方(hcp)晶體結構，其冷變形條件下滑移系較少，變形抗力大，加工硬化顯著。皮爾格周期式冷軋技術是一種綠色低耗的兩輥冷軋管成形技術，是生產難變形合金薄壁管的重要手段，因此，也是生產高精度TA18鈦合金管材的一種主要方法。

國內外學者已通過多種手段對皮爾格管材冷軋技術進行了研究。Yoshida H等[2]通過實驗方法，在管坯表面畫上網格，管坯經過軋制后網格形狀發生改變，從而得出應變值，并對軋制方向不同位置的正應力、徑向力與軸向力進行了測量。Furugen M和Hayashi C[3]首次將塑性變形理論應用于皮爾格冷軋過程的分析中，并采用數值解析和試驗方法對皮爾格冷軋過程進行了系統分析，提出了皮爾格冷軋加工性評價方法。有限元法(FEM)作為一種解決塑性加工成形問題的重要手段，將其應用于皮爾格冷軋成形規律分析經歷了二維簡化(Osika J等[4])到三維全面建模(Lodej B等[5]，黃亮等[6-7])的發展過程。Osika J等[4]對皮爾格冷軋過程進行了2D-FEM分析，但因簡化過多而產生了較大誤差；Lodej B等[5]采用Forge3軟件對周期式軋管的金屬變形過程進行了仿真，材料為鋯涂層管材；黃亮等[6-7]在分析了皮爾格冷軋動力學特點的前提下，使用Abaqus軟件對一組成形工藝條件下等效應變及應力等的變化情況進行了分析。由于在反行程軋制過程中金屬只發生彈性變形，因此他們在建模過程中只考慮了軋輥前進的正行程。中國科學院金屬研究所的張士宏等人[8]應用大型商用有限元軟件MSC.Marc對TA18鈦合金管坯三輥冷軋過程進行了三維有限元模擬，獲得了三輥冷軋過程中瞬時變形區接觸規律、坯料質點在軋制中的運動軌跡、摩擦力和剪應力的周向分布以及金屬管坯從進入變形區到出變形區各階段的變形規律。但是以上建模均主要是揭示皮爾格冷軋過程中金屬的變形規律，而對冷軋過程中關鍵工藝對成形的影響規律及定量分析缺乏深入研究。

本研究通過對皮爾格冷軋過程運動特點分析并結合生產實際，基于DEFORM-3D建立TA18鈦合金管材皮爾格冷軋三維有限元模型，研究不同工藝參數對成形規律和載荷的影響，旨在為制定TA18鈦合金管材軋制工藝提供理論指導。

1 二輥皮爾格周期冷軋三維有限元模型

1.1 皮爾格冷軋過程分析

圖1為二輥皮爾格冷軋示意圖。軋管時，管坯套在一根擰在芯桿上且固定不動的芯頭上，在由裝在軋輥切槽中的兩個變截面的圓形軋槽所組成的環形孔型中進行軋制?？仔凸ぷ鞑糠质级酥睆较喈斢诠芘髦睆?，末端直徑相當于成品管直徑。當工作機架處于原始位置時，借助送進機構將管坯向軋制方向送進一段距離f(送進量)。當工作機架向前移動時，軋輥也同時轉動，孔型半徑逐漸減小，使已送進的管坯獲得減徑和減壁，管材的變形部分成為工作錐。在軋制過程中，管坯后端是被卡住的，不能發生軸向移動。當工作機架移至前極限位置Ⅱ-Ⅱ時，用專門的回轉機構將管料和芯棒同時回轉60°～90°。當工作機架返回時，軋輥孔型可使已軋過部分的管材得到精整。此外，由于金屬橫向流動的原因，會使管材和芯棒之間產生一定的間隙，這就為下次送料創造了條件。當工作機架回到原始位置Ⅰ-Ⅰ時，則再送進一段長度為f的管料。如此反復直至全部管料軋完[9-10]。

圖1 二輥皮爾格冷軋示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-high cold pilgering

1.2 有限元模型建立

周期式冷軋管過程的周期性體現在工作機架在前后極限位置間做往復運動，任何一小段金屬管料從進入變形區到出變形區都要經過數十道次的輾軋。因此，無需對多個道次全部進行分析，可以對有限元模型簡化：①深究周期性和回程彈性變形的特點，只對正行程進行建模； ②為了貼近實際軋制過程，預制變形過渡區后，給定送進量進行軋制仿真建模。

使用UG NX的造型功能建立復雜軋輥孔型、芯棒和管坯的幾何模型，將數據轉換后獲得的*.STL 格式的模型文件導入到DEFORM-3D 中，隨后利用軟件的定位(Object Positioning)功能進行裝配，以確定各零件間的初始相對位置關系。最后將管坯尾端加上軸向位移為0的邊界條件，建立如圖2所示的二輥皮爾格周期式管材冷軋三維有限元模型，并將壓縮試驗得到的如圖3所示的應力應變數據導入到DEFORM-3D材料庫中。TA18鈦合金室溫下的泊松比為0.39，密度為4.47 g/cm3，彈性模量為96.3 GPa。當新的材料庫生成后，將工件的材料設置保存為新創建的“TA18”。由于模具剛度較管坯的大，變形小，所以假設模具為剛性體，管坯離散為10萬個四面體網格。選擇庫倫摩擦類型，管坯網格最小單元尺寸為1.552 mm，選取0.5 mm為增量步長。為了揭示工藝參數對成形質量的影響規律，選取合理的工藝參數進行仿真分析，具體參數如表1所示。

圖2 皮爾格管材冷軋三維有限元模型Fig.2 3D finite element model of the cold pilgering

圖3 TA18鈦合金室溫真應力-真應變關系曲線Fig.3 Stress-strain curves of TA18 alloy at room temperature

表1 不同工藝參數的模擬方案Table 1 Schemes of different process parameters

2 模擬結果與分析

2.1 送進量對周期式冷軋金屬流動的影響

圖4為軋制速度80次 · min-1、摩擦系數0.1時不同送進量(2、5、8 mm)條件下管材開口區的應變分量變化情況。從圖4a可以看出，隨著送進量的增加，徑向拉應變逐漸增大，當送進量為2 mm和5 mm時，徑向拉應變在減徑段和壁厚壓下段逐漸增大，定徑段則慢慢減小。原因是由于在減徑段，管材只與軋輥接觸，與芯棒存在間隙，此時的孔型開口度也較大，因此開口區產生的徑向拉應變較?。划斶M入到壁厚壓下段時，管材除了跟軋輥接觸，內表面還與芯棒接觸，從而內外表面均受到擠壓，此時孔型開口度也逐漸減小，金屬除了沿軋制方向流動，還有一部分會流到開口區，因此徑向拉應變逐漸增大[2-3]；而到了定徑段后，孔型開口度達到最小值，但此時管材已經成形，尺寸變化很小，因此徑向拉應變會逐漸降低。當送進量為8 mm時，徑向拉應變在軋制后期依然逐漸增大，這主要是因為送進量過大，導致進入到軋制后期時，管材尺寸大于成品管材所需尺寸，受模具限制，會產生較大變形，金屬會沿著輥縫溢出，導致開口區徑向拉應變增加。

圖4 不同送進量下應變分量隨軋制進程的變化曲線Fig.4 Variation curves of strain components with rolling process under different feed size

從圖4b可以看出，隨著送進量的增加，環向壓應變也呈增加趨勢，但當送進量增加到一定程度之后(送進量大于5 mm)，在減徑段和壁厚壓下段，增加送進量對環向壓應變的影響效果不明顯；而當送進量增加到8 mm時，同樣出現了軋制進程后期環向壓應變依然增大的情況，這與徑向拉應變類似，也是由于送進量過大，導致軋制進程后期管材尺寸大于成品管材所需尺寸，在軋輥和芯棒的限制作用下，輥縫處的管材出現內壁收縮，因此環向壓應變較大。

2.2 軋制速度對周期式冷軋金屬流動的影響

周期式冷軋的軋輥不是只作單一的勻速轉動，而是作復合運動，并且軋輥速度的選取關系到成品管材的表面質量，合理的軋制速度可以有效避免成品管材外表面出現裂紋之類的缺陷，因此，研究軋制速度對冷軋成形過程的影響具有重要的意義。

圖5為送進量5 mm、摩擦系數0.1時不同軋制速度條件下管材開口區的應變分量變化情況。從圖5可以看出，隨著軋制速度增加，徑向拉應變和環向壓應變均逐漸減小，這主要是因為隨著軋制速度增加，軋輥與管材的接觸變形時間越來越短，導致金屬來不及沿輥縫兩側流動，因此孔型開口處的壁厚增加很少，不管是徑向拉應變還是環向壓應變均逐漸減小。此外，在不同的軋制速度條件下，徑向拉應變和環向壓應變均是在軋制前期逐漸增大，到軋制中后期達到最大值，進入軋制后期再逐漸減小。

圖5 不同軋制速度下應變分量隨軋制進程的變化曲線Fig.5 Variation curves of strain components with rolling process under different rolling speed

2.3 摩擦系數對周期式冷軋金屬流動的影響

管材冷軋過程中金屬的變形是通過軋輥的壓力作用到管材上來實現的，故管坯與軋輥、芯棒之間的摩擦狀況對管材成形過程中金屬的流動、應力應變場量的分布以及模具所承受的載荷有很大的影響。因此，研究摩擦對冷軋成形的影響規律十分必要。圖6為送進量5 mm、軋制速度80次 · min-1時不同摩擦系數條件下管材開口區的應變分量變化曲線。

圖6 不同摩擦系數下應變分量隨軋制進程的變化曲線Fig.6 Variation curves of strain components with rolling process under different friction coefficient

從圖6可以看出，隨著摩擦系數的增加，徑向拉應變和環向壓應變均逐漸減小。這是因為摩擦系數的增加會阻止金屬流動，金屬向側面開口區流動變得困難，因此開口區徑向拉應變和環向壓應變均減小。此外，在整個軋制進程中，應變分量也是呈現出先增后減的趨勢。從圖6還可以發現，在軋制前期(軋制進程40%以前)，三條曲線幾乎重疊，也就是說在此階段應變分量幾乎不受摩擦系數的影響，這是由于在減徑段管材不與內部芯棒接觸造成的。

2.4 不同工藝參數對成形載荷的影響

圖7為不同工藝參數下，成形載荷隨軋制進程的變化曲線。從圖7a可以看出，當送進量較小時(2 mm和5 mm)，冷軋過程中垂直分力變化規律基本一致，都是隨軋制進程的增加，垂直分力逐漸增大， 進程為30%時達到最大值，隨后垂直分力降低，符合周期式冷軋成形的一般規律[10]。這是因為管材的主變形發生在軋制前期，后期為減小變形的不均勻性，獲得形狀尺寸均勻的管材而壓下量較?。划斔瓦M量為8 mm時，軋制后期垂直分力有所增加，原因是過大的送進量增加了定徑段的管材尺寸，在軋輥和芯棒的限制作用下，管材會產生一定的變形量來達到預定的軋成管材尺寸，因此垂直分力有所增加。增加送進量會導致徑向拉應變和環向壓應變增加，同樣也會增大成形載荷，導致模具壽命降低，但送進量太小會嚴重影響生產效率，當送進量為5 mm時，能夠兼顧成形時的應變、載荷條件和軋制效率[10]。

圖7 不同工藝參數下成形載荷隨軋制進程的變化曲線Fig.7 Variation curves of forming load with rolling process under different rolling parameters

從圖7b可以看出，隨著軋制速度增加，垂直方向的軋制分力逐漸減小，這同樣是由于軋制速度越快，金屬變形時間越短，金屬來不及流動，因此變形抗力減小。從圖7c可以看出，隨著摩擦系數不斷增大，垂直分力大體上呈現出逐漸增大的趨勢，且在軋制中后期非常明顯，而在軋制前期，由于管材不與內部芯棒接觸，成形載荷受摩擦條件的影響較小，三條曲線十分接近。改善管材內表面與芯棒之間的潤滑條件，可以盡可能降低摩擦系數，從而減小冷軋過程中的成形載荷。但是與此同時，卻會增大開口區徑向拉應變和環向壓應變，不利于成形出內部質量優良的管材，尤其是冷軋厚壁管材時，減徑段金屬內部出現較大的不均勻變形，管材內表面很容易產生皺折和微裂紋，此時應適當增大摩擦[9]。

3 結 論

研究了送進量、軋制速度與摩擦系數對冷軋TA18鈦合金管材成形影響規律，得出以下結論。

(1)隨著送進量的增大，開口區徑向拉應變和環向壓應變均增加，同時成形載荷會增大，導致模具壽命降低。送進量過大時還會導致金屬溢出輥縫，產生開裂或折疊。

(2)軋制速度增加，徑向拉應變和環向壓應變均減小，垂直分力也減小。

(3)摩擦系數增加，開口區徑向拉應變和環向壓應變減小，成形載荷增加。對于容易出現內表面質量問題的厚壁管，建議適當增加摩擦。

[1] 廖強，曲恒磊，楊亞社，等．冷軋道次變形率對TA18鈦合金管材組織與拉伸性能的影響[J]．鈦工業進展，2012,29(1)：26-28.

[2] Yoshida H,Mstsui T,Otani T.Experimental investigation of the cold pilgering of copper tubes[J].AnnCIRP,1975,24: 191-197.

[3] Furugen M,Hayashi C.Application of the theory of plasticity to the cold pilgering of tubes[J].Journal of Mechanical Working Technology,1984,10(3): 273-286.

[4] Osika J,Libura W.Mathematical model of tube cold rolling in pilger mill[J].Journal of Materials Processing Technology,1992,34(1/2/3/4): 325-332.

[5] Lodej B,Ning K,Montmitonnet P,et al.Accelerated 3D FEM computation of mechanical history of the metal deformation in cold pilgering of tubes[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,177(2): 188-191.

[6] 黃亮，徐哲，代春，等.TA18 鈦合金管材多行程皮爾格冷軋過程三維有限元模擬：I 理論解析、模型建立與驗證[J].稀有金屬材料與工程，2013，42(3):524-529.

[7] 黃亮，徐哲，代春，等.TA18 鈦合金管材多行程皮爾格冷軋過程三維有限元模擬：II塑性變形行為分析[J].稀有金屬材料與工程，2013，42(4):741-745.

[8] 吳圣華,張士宏,程明.TA18管材三輥冷軋三維有限元模擬[J].航空制造技術，2008,23(1): 78-83.

[9] 李連詩.鋼管塑性變形原理[M].北京: 冶金工業出版社,1985.

[10] 雙遠華.現代無縫鋼管生產技術[M].北京: 化學工業出版社,2008.

The Influence Rule of Rolling Process Parameters on Metal Flow and Forming Load of TA18 Alloy Tube During Cold Rolling

Liu Jianglin1,Zeng Weidong1,Du Zilong1,Tao Huan1,Xi Jinhui2,Shu Ying2,Yang Jianchao2

( 1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China) (2.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China)

The cold rolling of tube is a complicated forming process that involves diameter and wall thickness reduction.The tube plastic deformation in the course of rolling process is also complicated due to the complex roll pass，so the basis of selection for rolling parameters is the long term practical experience rather than regularity results and quantitative analysis from the rolling process.This paper simulated the cold pilgering process by using the finite element software environment DEFORM-3D,then thoroughly analyzed the metal flow,strain distribution along the tube and forming load in the tube forming processes.The results show that radial tensile strain and circumferential compressive strain decrease with the increasing of rolling velocity and friction coefficient,while they both increase with the increasing of feed.What’s more,the increase of feed and friction coefficient result in the increasing of forming load.

TA18 titanium alloy; tube; pilgering rolling; finite element modeling

2015-01-13

教育部“新世紀優秀人才支持計劃”(NCET-07-0696)；陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2012KTZB01-03)

劉江林(1984—)，男，博士研究生。