張征浩，黃東男,2，杜趙新，李旭東，熊振

芯軸螺紋升角對(duì)鈦合金內(nèi)螺紋管擠壓變形均勻性的影響研究

張征浩1，黃東男1,2，杜趙新1，李旭東1，熊振1

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102200）

為了促進(jìn)金屬周向的流動(dòng)、提高金屬的流動(dòng)均勻性以及鈦合金內(nèi)螺紋管的成形質(zhì)量，確定合適的螺紋升角大小。通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)內(nèi)螺紋芯軸的螺紋升角在10°～40°范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并用相對(duì)均差值衡量擠壓穩(wěn)態(tài)內(nèi)螺紋管的流動(dòng)均勻性，探究螺紋升角的變化對(duì)內(nèi)螺紋管成形的影響。適當(dāng)增大螺紋升角至30°，可以促進(jìn)金屬周向的流動(dòng)，提高金屬流動(dòng)均勻性。當(dāng)內(nèi)螺紋芯軸螺紋升角為30°時(shí)，金屬流動(dòng)更為均勻。對(duì)優(yōu)化后的內(nèi)螺紋芯軸進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，獲得了成形質(zhì)量良好的TA1鈦合金內(nèi)螺紋管。

鈦合金內(nèi)螺紋管；螺紋升角；相對(duì)均差值；變形均勻性

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)能源的需求日益增加，由于海洋中能源供應(yīng)種類非常豐富，因此，海洋石油工業(yè)發(fā)展尤為重要[1]。換熱器、冷凝器、蒸發(fā)器的熱交換管在海洋工程和石油工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]，但由于工作環(huán)境中會(huì)存在大量氯化物、硫酸鹽等鹽類，傳統(tǒng)的銅合金材料以及鋼材會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象，最終導(dǎo)致管材斷裂失效，使合金的使用壽命大大縮減[5-6]。與傳統(tǒng)鐵基合金以及銅合金相比，鈦合金在深海環(huán)境下不易被腐蝕[7]，是目前海洋工程和石油工業(yè)領(lǐng)域中熱交換管的最佳材料，因此鈦合金在海洋石油工程中的應(yīng)用比例逐年增大。

傳統(tǒng)散熱管多采用光管，與之相比，內(nèi)螺紋管具有更優(yōu)越的性能，管內(nèi)表面螺紋的凸起能有效擴(kuò)大管道材料和內(nèi)部流體之間的接觸面積、加速化學(xué)反應(yīng)以及提高熱交換效率[8]，內(nèi)螺紋管正逐漸取代光管，成為散熱管的另一選擇[7-8]。螺紋管通常由多種成形工藝制造，傳統(tǒng)的加工方法如軋制、拉拔和球旋轉(zhuǎn)成形工序繁雜，會(huì)產(chǎn)生生產(chǎn)率低、制造成本高的問題。針對(duì)這種可變截面的管件，提出了一種被動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺紋芯軸熱擠壓鈦合金內(nèi)螺紋管的方法，該方法無需提供螺紋芯軸主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，僅靠螺紋管成形過程中的擠壓力驅(qū)動(dòng)螺紋芯軸被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可使內(nèi)螺紋成形，既減少了加工時(shí)的動(dòng)力源又簡化了模具結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。該方法適合多種材料的內(nèi)螺紋管加工，克服了現(xiàn)有擠壓加工技術(shù)的局限，但是針對(duì)螺紋芯軸升角對(duì)擠壓變形的影響還沒有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。

文中應(yīng)用被動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺紋芯軸熱擠壓鈦合金內(nèi)螺紋管的加工方法，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)和擠壓試驗(yàn)，探究芯軸螺紋升角對(duì)鈦合金螺紋管成形的影響，進(jìn)而優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)螺紋管齒部成形的均勻性。

1 初始模具設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)螺紋管和擠壓模具

文中選用TA1鈦合金。為了提高合金的可擠壓性，在700 ℃下進(jìn)行熱擠壓實(shí)驗(yàn)，采用雙曲正弦型方程[9]來描述合金的變形行為，如式（1）所示。

式中：為應(yīng)變速率；為流變應(yīng)力；為摩爾氣體常數(shù)；為熱力學(xué)溫度。

為了滿足海洋工程裝備的現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合內(nèi)螺紋銅管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20928—2007）和鈦管、鈦合金管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3624—1995）[10-11]，最終確定鈦合金內(nèi)螺紋管材的基本參數(shù)如下：外徑為32 mm，內(nèi)螺紋齒齒高為1 mm，齒頂角為60°，螺紋升角為20°，內(nèi)螺齒數(shù)為20。內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1所示?？梢钥吹剑孛嫘螤顝?fù)雜的管內(nèi)存在一定螺旋角度的內(nèi)螺紋且齒部尺寸較小，在管材擠壓過程中對(duì)螺紋齒成形尺寸精度要求高且成形難度大，這增加了模具設(shè)計(jì)與制造的難度。

圖1 內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖

模具裝配示意圖如圖2所示，其工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：內(nèi)螺紋芯軸（6）在整個(gè)擠壓過程中為被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，它是螺紋管齒部成形的主要部位，其旋轉(zhuǎn)是由金屬坯料（4）流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的；套筒聯(lián)軸器（14）的設(shè)計(jì)主要需考慮它在擠壓過程中的強(qiáng)度問題，它直接將螺紋芯軸與軸承連接，這不僅可以增加工作強(qiáng)度，還能將整體結(jié)構(gòu)簡化；使用大直徑的滾動(dòng)推力軸承（13）能夠保證螺旋芯軸在擠壓過程中靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；考慮到擠壓過程中模具溫度逸散問題，在擠壓模（7）與支撐底座（8）之間增設(shè)了一塊隔熱板（9），這不僅減少了擠壓模具與底座、工作臺(tái)之間的熱交換，還確保了底座的工作強(qiáng)度。

圖2 模具裝配示意圖

圖3為擠壓模具裝配模型（只展示裝配順序）。為了減少后期數(shù)值模擬的工作量，兼顧模具有效工作面積與工作強(qiáng)度，對(duì)模具三維模型進(jìn)行了簡化。初始螺紋芯軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，內(nèi)螺紋芯軸是內(nèi)螺紋管的主要成形部位，內(nèi)螺紋管成形簡圖如圖5所示。初始螺紋芯軸結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：螺紋升角1為20°，螺紋長度設(shè)定為5 mm。

圖3 擠壓模具裝配模型

圖4 初始螺紋芯軸結(jié)構(gòu)

圖5 內(nèi)螺紋管成形簡圖

1.2 有限元模擬模型

圖6為內(nèi)螺紋管擠壓有限元模型。在有限元模擬過程中，坯料設(shè)為柔性體，其余設(shè)為剛性體，劃分網(wǎng)格類型為四面體，劃分后的坯料網(wǎng)格數(shù)為105 414，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為22 907，最小網(wǎng)格尺寸為0.33 mm。擠壓墊片、擠壓筒、擠壓模、螺紋芯軸均采用絕對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，擠壓墊片最小單元尺寸為2.2 mm，擠壓筒最小元素尺寸為2.5 mm，擠壓模最小元素尺寸為0.35 mm，螺紋芯軸最小元素尺寸為0.34 mm。此外，由被動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺紋芯軸擠壓方法的工作原理可知，在擠壓過程中芯軸會(huì)隨坯料流動(dòng)發(fā)生被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。對(duì)螺紋芯軸施加一個(gè)正方向的力矩，力矩大小為0.001 2 N·mm。由于鈦合金熱擠壓常采用的潤滑方式為玻璃潤滑，因此摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12，擠壓過程中熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為11 W/(m·K)，坯料預(yù)熱溫度為700 ℃，擠壓模與擠壓筒溫度為500 ℃，芯軸溫度為常溫，設(shè)定擠壓速度為1 mm/s。

圖6 內(nèi)螺紋管擠壓有限元模型

2 模具優(yōu)化

2.1 初始模具流動(dòng)分析

不同成形階段的速度場(chǎng)及螺紋管出口處速度場(chǎng)分布情況見圖7。在初始階段（從擠壓開始一直到行程為3.5 mm時(shí)），在金屬墊片的作用下，少部分坯料流入?？冢藭r(shí)坯料變形主要以鐓粗變形為主，直至坯料充滿擠壓筒，完成擠壓填充過程，如圖7a所示。在中間階段（行程為5.81 mm時(shí)），鐓粗和減徑同時(shí)進(jìn)行，芯軸齒端面阻礙金屬流動(dòng)的原因是在坯料前端形成了材料堆積，大部分金屬流入擠壓模與芯軸的間隙，少量金屬流入芯軸螺紋齒槽，故隨著擠壓的進(jìn)行，坯料開始流入螺紋齒齒槽，大部分沿著芯軸與擠壓模間隙流動(dòng)，此時(shí)由于螺紋芯軸齒部端面阻礙了金屬流動(dòng)，部分坯料將會(huì)向螺紋芯軸齒槽流動(dòng)，推動(dòng)螺紋芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7b所示。當(dāng)行程為6.3 mm時(shí)，填充擠壓階段基本結(jié)束，管材內(nèi)壁的螺紋初步形成，如圖7c所示，由于鈦合金流動(dòng)受到模具的較大阻力，坯料的塑性變形最為劇烈，?？趦?nèi)的金屬流速遠(yuǎn)大于金屬墊片速度。由圖7d可以看出，管壁與齒部流速不均勻，速度最大值與最小值分別為4.32 mm/s和3.7 mm/s，且管壁流速大于齒部流速。

分別在管壁與齒部選取單元點(diǎn)對(duì)螺紋管截面的速度進(jìn)行點(diǎn)追蹤，單元點(diǎn)選取如圖8所示。根據(jù)選取的節(jié)點(diǎn)，繪制速度均勻性散點(diǎn)圖，如圖9所示。可以看出，管壁速度大于齒部速度，且兩者速度分布并不均勻。為準(zhǔn)確衡量金屬流速的均勻性，引入相對(duì)均差值（velocity relative difference），如式（2）所示[12]。

圖8 管壁及齒部取點(diǎn)

圖9 z軸速度均勻性散點(diǎn)圖

式中：v是截面單元點(diǎn)處的流動(dòng)速度；α為所有節(jié)點(diǎn)的平均速度；為單元點(diǎn)總數(shù)目。相對(duì)均差值反映了各點(diǎn)速度相對(duì)平均速度偏差的平均值，能夠較好地表示速度的均勻程度，VRD值越大，速度均勻程度越低。文中將用它衡量螺紋管流動(dòng)的均勻性。

2.2 初始模具結(jié)構(gòu)擠壓試驗(yàn)

試驗(yàn)選用內(nèi)孔直徑為26 mm、外孔直徑為48 mm、高為35 mm的TA1鈦合金筒狀坯料。在TA1鈦合金的螺紋管擠壓過程中，選擇更適于鈦合金熱擠壓加工的玻璃粉作為潤滑劑，考慮到模具在高溫環(huán)境下的強(qiáng)度以及模具壽命，將模具預(yù)熱到500 ℃，坯料加熱到700 ℃，擠壓速度設(shè)置為1 mm/s[13-18]。

初始模具結(jié)構(gòu)（螺紋升角1為20°、螺紋長度為5 mm）的鈦合金內(nèi)螺紋管如圖10a所示。可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)螺紋管的管壁與齒部的流速并不均勻，這導(dǎo)致了管壁厚度與螺紋齒的成形尺寸并不均勻，為了更加準(zhǔn)確地描述內(nèi)螺紋齒充填的飽滿度，需要對(duì)螺紋齒進(jìn)行測(cè)量。由圖10b可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)螺紋齒充填的飽滿度與設(shè)計(jì)的理論填充程度有很大差距，將實(shí)際填充的齒形結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬得到的齒形結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者相差不大，這從側(cè)面反映了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性[19]。

圖10 內(nèi)螺紋管

2.3 螺紋升角對(duì)螺紋管成形的影響

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，擠壓過程中金屬流動(dòng)的均勻性對(duì)內(nèi)螺紋管的成形有直接影響。芯軸結(jié)構(gòu)為螺紋管成形的主要參數(shù)，增加芯軸螺紋升角有助于坯料隨芯軸沿周向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有助于螺紋管的填充。下面對(duì)初始內(nèi)螺紋芯軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，探究螺紋升角對(duì)螺紋管成形的影響，并對(duì)芯軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)螺紋升角1為10°、20°、30°、40°時(shí)，內(nèi)螺紋管出口處的向截面流速分布情況如圖11所示。當(dāng)1=10°時(shí)，內(nèi)螺紋螺管截面速度分布極不均勻，最大速度為5.25 mm/s，最小速度為4.71 mm/s，最大速度與最小速度差值為0.54 mm/s，如圖11a所示。當(dāng)1=20°時(shí)，管壁與齒部流速不均勻，速度最大值與最小值分別為4.32 mm/s和3.7 mm/s，且管壁流速大于齒部流速，如圖11b所示。當(dāng)1=30°時(shí)，速度分布較為均勻，管壁與螺紋齒之間仍存在一定差值，這是因?yàn)楸诤癯叽绱笥诼菁y尺寸，是無法避免的，其中截面流速最大值為4.18 mm/s，最小值為3.81 mm/s，速度差值為0.37 mm/s，可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)管壁與齒部流速較1=20°時(shí)更均勻，如圖11c所示。當(dāng)1=40°時(shí)，截面流速最大值為4.17 mm/s，最小速度為3.81 mm/s，速度差值為0.35 mm/s，可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)雖然管壁流速均勻，但齒部填充效果較差，如圖11d所示。

螺紋升角對(duì)螺紋管截面速度相對(duì)均差值的影響見圖12。可以發(fā)現(xiàn)，管壁的截面速度相對(duì)均差值隨著1的增大而逐漸減小。當(dāng)1從10°增加到20°和30°時(shí)，齒部的截面速度相對(duì)均差值分別減小了11.2%和31.0%；若1繼續(xù)增大至40°，此時(shí)管壁截面速度相對(duì)均差值相較于1=30°時(shí)增加了10.1%，這是因?yàn)樾据S扭矩過大，導(dǎo)致管坯在周向上的分力增大，加劇了金屬側(cè)流，引起了管坯與螺紋芯軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[20]，齒部金屬流動(dòng)紊亂，從而造成齒部充填性差。因此，當(dāng)螺紋升角為30°時(shí)，內(nèi)螺紋管成形時(shí)金屬流動(dòng)均勻性最好。

圖11 不同螺紋升角下的截面速度分布

圖12 螺紋升角對(duì)螺紋管截面速度相對(duì)均差值影響

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的內(nèi)螺紋芯軸（見圖13，此時(shí)螺紋升角為30°）進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，來驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)的合理性。擠出的鈦合金內(nèi)螺紋管如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)，螺紋管壁沒有發(fā)生彎曲變形，螺紋管內(nèi)齒充填完整，沒有出現(xiàn)斷齒或者螺紋管壁與螺紋齒流速不一致的情況，其中內(nèi)齒螺紋升角為19°。對(duì)齒部的測(cè)量結(jié)果與理想尺寸進(jìn)行對(duì)比，如圖15所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化芯軸結(jié)構(gòu)得到的內(nèi)螺紋管齒部充填基本飽滿，實(shí)際齒高為0.98 mm，接近理想值（1 mm），這說明優(yōu)化后的螺紋芯軸使內(nèi)螺紋管齒部及管壁流速更加均勻，模擬結(jié)果與擠壓試驗(yàn)結(jié)果得到較好吻合。

圖13 優(yōu)化后的內(nèi)螺紋芯軸

圖14 鈦合金內(nèi)螺紋管（mm）

圖15 螺紋齒的實(shí)際尺寸與理想尺寸對(duì)比

4 結(jié)論

1）采用數(shù)值模擬與擠壓試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)初始內(nèi)螺紋芯軸結(jié)構(gòu)（螺紋升角為20°）進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)螺紋管管壁存在厚度不均及螺紋齒充填不均的現(xiàn)象，且模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2）改變螺紋升角，增加金屬坯料的周向運(yùn)動(dòng)，可以使流速更加均勻。當(dāng)螺紋升角由10°調(diào)整為20°和30°時(shí)，螺紋管齒壁及齒部的流速趨于均勻，若螺紋升角繼續(xù)增加到40°，齒部流速會(huì)發(fā)生紊亂。

3）采用螺紋升角為30°的內(nèi)螺紋芯軸進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈦合金內(nèi)螺紋管的齒部與管壁流動(dòng)更為均勻，螺紋齒充填更加飽滿，這可以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提供一定的有利指導(dǎo)。

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ZHANG Zheng-hao1, HUANG Dong-nan1,2, DU Zhao-xin1, LI Xu-dong1, XIONG Zhen1

(1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China; 2. Aluminum Corporation of China Limited, Beijing 102200, China)

The work aims to determine the appropriate thread lift angle, so as to promote the circumferential flow of metal and improve the uniformity of metal flow and the forming quality of titanium alloy internal thread pipe. Numerical simulation technology was used to adjust the thread lift angle of internal thread mandrel in the range of 10°-40°, and the flow uniformity of the internal thread pipe at extruded steady-state was measured by the relative difference in speed. Then, the effect of thread lift angle on forming quality of internal thread pipe was investigated. As a result, when the thread lift angle was appropriately increased to 30°, the circumferential flow of the metal was increased, and the uniformity of the metal flow was improved. When the thread lift angle of internal thread mandrel is increased to 30°, the flow of metal is more uniform. Through the extrusion test on the optimized internal thread mandrel, TA1 titanium alloy internal thread pipe with good forming quality is obtained.

TA1 titanium alloy internal thread pipe; thread lift angle; VRD; deformation uniformity

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.004

TG379

A

1674-6457(2022)08-0028-07

2021–06–02

國家自然科學(xué)基金（5186050063）

張征浩（1993—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殁伜辖饍?nèi)螺紋擠壓。

黃東男（1979—），男，博士，教授，主要研究方向金屬擠壓理論與工藝。

責(zé)任編輯：蔣紅晨