挤压针与管坯长度配合对挤压管前端的影响

程逸明 ，拓雷锋 ，，周根树 ，康喜唐 ，楚志兵 ，李 强

（1.山西太钢不锈钢钢管有限公司制造与技术部，山西太原 030003；2.西安交通大学金属材料强度重点实验室，陕西西安 710049；3.太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

热挤压工艺是一种较为常见的不锈钢管成型方法，该工艺中所应用的挤压工模具主要由挤压针、挤压模、挤压杆、挤压垫和挤压筒等关键部件组成[1]。挤压针起到保证挤压管产品内径的作用[2]，挤压模起到保证挤压管外径的作用[3]，两者因为磨损、开裂等问题需要不定时更换，都属于易损耗工模具。另外，挤压针和挤压模的形状和尺寸直接关系到挤压管产品尺寸的精确性和产品质量的稳定性。通常挤压不同规格的不锈钢管，需要匹配不同的工模具，挤压针工作带长度往往需要与挤压管坯的长度配合[4]。挤压针工作带长度超出挤压模工作带过长会造成挤压针工作带部分浪费，不仅增加成本而且在反复使用后更容易出现弯曲；挤压针工作带长度未到达挤压模工作带会造成挤压管前端异常，出现实心段，如图1所示。因此，有必要研究挤压针与管坯之间的长度配合。

本文采用有限元模拟方法和生产试验相结合的方法分析挤压针与管坯之间不同长度配合下挤压管前端的形状特点，探讨较为合理的长度匹配以达到改善挤压管质量的目的。

1 试验方法

图1 挤压管前端实心

采用CAXA建立挤压模型，为便于模拟计算，将挤压针与挤压垫组合在一起建模，称为上模，挤压针的前段有30 mm的锥形引导。将挤压模和挤压筒组合在一起建模，称为下模。管坯材质为不锈钢304，建立的挤压模型如图2所示。

图2 挤压模型

将建立的挤压模型保存为.IGES格式并导入到DEFORM-2D软件，管坯从DEFORM-2D软件的材料库中选取304不锈钢[5]并采用四边形进行网格划分，并定义温度1 200℃.上、下模定义材质为刚体并定义温度为300℃，设定上模轴向挤压速度150 mm/s.管坯和上下模之间在挤压过程中的摩擦系数定义为0.025[6]，实际挤压生产中采用玻璃粉润滑[7]可以实现该摩擦效果。

表1为试验用到的挤压规格和相对应的工模具尺寸和管坯尺寸，选定挤压筒为φ230 mm，用到的挤压管坯尺寸为φ222/φ85 mm，挤压规格为φ89×5.5 mm，挤压比约为23.

表1 挤压规格挤压工模具尺寸

表2设计了J1、J2、J3和J4四种挤压针与管坯配合方式。L1为管坯长度，长800 mm；L2为挤压针工作带长度，长度分别选取700 mm、800 mm、830 mm和900 mm；L3为挤压针工作带前端距离挤压模定径带距离，挤压管前端距离挤压模定径带长度76.71 mm，L3=L1+76.71-L2.J1和J2配合方式下，挤压针的工作带长度小于或等于管坯长度，J3配合方式下虽然挤压针定径带长度超过管坯但未到达挤压模定径带，因此，这三种配合方式均属于过亏配合。J4配合方式下，挤压针工作带超过挤压管坯长度且挤压针的工作带前端已到达挤压模工作带。

表2 长度配合方式

2 模拟分析

图3a）为J1长度配合图示，图3（b）为挤压管前段图示。在该长度配合下，挤压针工作带长度小于管坯长度，可以看出挤压出的管子前端有一段明显的实心段，即当挤压针垫推动管坯向前运动时，管坯被挤压时金属流动先于挤压针头部到达挤压模工作带，导致挤出的管子前端有一段明显的实心段。当挤压过程持续进行时，挤压出的管子会逐渐趋于正常即壁厚会逐渐达到设计的尺寸，在该过程中会有一段锥形孔过渡。

图4a）为J2长度配合图示，图4b）为挤压管前段图示。在该长度配合下，挤压针工作带长度等于管坯长度，可以看出挤压出的管子前端仍有一段较短的实心段，对比J1的配合，可以看出实心段得到了明显的缩短。

图5a）为J3长度配合图示，图5b）为挤压管前段图示。在该长度配合下，挤压针工作带长度已超出管坯长度但未到达挤压模的工作带，这时挤压管的前端已有了明显的改善，可以看出挤压出的管子虽然前端没有实心段，但端部仍有朝向内孔的钩头式缩孔出现，仍会造成端部切头较长。

图6a）为J4长度配合图示，图6 b）为挤压管前段图示。在该长度配合下，挤压针工作带长度超出管坯长度并且到达挤压模工作带，这时当管坯开始出现金属流动时挤压针不再影响前端的形状，挤压出的管子前端正常无实心段或钩头式缩孔出现。

图3 J1模拟结果

图4 J2模拟结果

图5 J3模拟结果

图6 J4模拟结果

3 试验验证

为验证模拟结果，采用60MN卧式挤压机进行生产试验验证，图7a）为根据模拟结果选择J4长度配合方式的挤压针，图7b）为挤压出的不锈钢304-φ89 mm×5.5 mm无缝管水冷之前的红热状态，从红热态挤压管的整体颜色一致性可以看出无实心段。

图7 生产试验验证

图8 a）是挤压管冷却后未平头状态，通长空心，无实心段。图8b）是将该挤压管前端鸭舌状缺陷切头300 mm后的状态，平头后的挤压管尺寸均正常，可以满足设计的挤压管产品尺寸要求。

图8 挤压管冷却后平头状态

4 结 论

通过模拟试验发现，挤压针长度和挤压管坯之间的长度匹配对不锈钢挤压管前端形状具有直接影响。当挤压针定径带长度小于或等于挤压管坯长度时挤压管前端会有实心段，随着挤压过程的继续会出现锥形孔过渡直至挤压管壁厚达到设计的尺寸。当挤压针定径带长度大于挤压管坯长度但未到达挤压模工作带时，挤压管前端会出现钩头式缩孔缺陷，前端仍有一段壁厚异常部分，需要切除。当挤压针长度大于挤压管坯长度且挤压针的工作带到达挤压模工作带时，挤压管前端正常。

实际挤压生产试验进一步验证了挤压针与挤压管坯之间J4的长度配合方式能保证挤压管产品正常。因此，挤压针长度与管坯之间的长度匹配应当是挤压针的工作带穿过挤压管坯后至少要到达挤压模工作带较为合理。