選擇擠壓設備和編制擠壓工藝必須首先確定不銹鋼管擠壓力。確定不銹鋼管熱擠壓時擠壓力的方法基本上有兩種:實驗法(測壓法)和分析法(計算法)。其中,測壓法是利用電子測壓儀器直接測量不銹鋼管擠壓時擠壓力的方法。而計算法則是在利用金屬的塑性變形理論以及在分析實驗資料結果的基礎上建立起來的計算公式進行一系列計算的結果。由于尚未完全掌握各種金屬與合金在不同變形條件下的強度特性,金屬的塑性理論尚不完善,因而計算結果的精確性受到限制,一般誤差在15%左右。
分析計算法又可分為兩類:主應力平均法和滑移線理論法。其中滑移線理論法較為先進,但由于至今尚研究不足,所以生產中并未得到普遍的應用。而用得較多的還是由主應力平均法導出的公式,例如C.N.古布金公式和H.A.匹爾林公式。前者有些系數尚難以較準確地選擇,而后者計算時比較復雜,且對擠壓模角度變化的反應“不敏感”。此外,有些公式采用了變形區平面流動假設、全塑性假設或材料不可壓縮性假設,同時由于計算過程復雜,且計算結果與試驗資料不能較好吻合,而沒有在實際生產中得到應用。
于是出現了簡化的和修正的計算擠壓力的公式。這些公式也是屬于主應力平均法一類,是按照擠壓時“變形區金屬流動的平面假設”和“全塑性假設”以及“常摩擦應力定律”推導出來的。這些公式主要考慮到坯料金屬在變形狀態下的塑性、變形程度以及摩擦的影響。而公式中考慮其余因素的影響時,則采用“經驗系數”。因此,公式便于計算擠壓力,并且成功地選擇經驗系數可以獲得近乎實際的結果。
為了確定擠壓不銹鋼管時的擠壓力,下面推薦幾個計算擠壓力的簡化和修正公式,并分別舉例將計算結果與采用測壓法測得的結果相比較,以便評價這些公式計算結果的精確度。所推薦的公式考慮到不銹鋼管擠壓時的特點,并且經過多次驗證,證明這些公式用于工藝計算是可行的。
1. J.賽茹爾內公式
p為一支不銹鋼管擠壓時所需要的力。一般情況下該力不應超過整個公稱靜擠壓力的85%.這是因為有大約15%的有效壓力可能不得不用于在工作行程中克服液壓回路中的摩擦損失,以維護擠壓桿的前進速度。該壓力與擠壓速度的平方成正比。有時,這一壓力允許達到最大有效靜態擠壓力的90%,但是這時要求這樣高的擠壓力擠壓不銹鋼管時,可能必須以稍低的速度進行擠壓。
值得注意的是,如果在產品計算時發現產品鋼管的擠壓力接近最大的有效靜態擠壓力時,這就意味著該批不銹鋼管不可以擠壓,因為這時擠壓機的擠壓速度將降至為零。
是與摩擦系數f、坯料長度L、擠壓筒直徑D和芯棒直徑d有關的一個衡大于1的系數。其意味著在擠壓行程過程中,克服坯料外表面和擠壓筒內表面之間以及坯料內表面與芯棒表面之間的摩擦力所必須增加的力的大小。很明顯,對于每次擠壓,該系數的值都必須單獨計算。因為摩擦力不僅取決于玻璃潤滑劑的摩擦系數f,而且也取決于摩擦面的總面積。而摩擦面積又分別取決于擠壓筒和擠壓芯棒的直徑D與d,同時還取決于坯料的長度L.應該注意的是,該公式中L表示的是鐓粗時,坯料金屬在充分填滿擠壓筒內表面和芯棒外表面之間的間隙之后的坯料長度。因為,只有當坯料經過充分鐓粗之后,才能建立起在穩定的擠壓過程中,坯料外表面與擠壓筒內襯的內表面以及坯料內表面與芯棒外表面之間的摩擦條件。
表3-1中的Ky數據是在實驗基礎上,按式(3-7)驗算后得出的結果。
采用J.賽茹爾內公式計算的擠壓力與實驗資料相比較得到令人滿意的結果。但是,應該指出,使用J.賽茹爾內公式計算擠壓力時,因為變形抗力的數據不夠充分,使用時有所不便。如果所擠壓的材料在不同于表3-1所列的溫度下擠壓時,或者材料的化學成分不同時,必須要預先測量擠壓力,并經驗算得到變形抗力。
2. T.B.普羅佐洛夫公式
T.B.普羅佐洛夫公式沒有J.賽茹爾內公式的不足,用于計算簡單、方便,并且計算結果和實測值比較,能吻合得很好。
3. C.H.鮑里索夫和A.B.普里托馬諾夫公式
需要說明的是,確定摩擦系數有多種方法,用于擠壓較合適的方法是C.N.古布金的流出法和T.B.普羅佐洛夫方法。當沿擠壓桿行程擠壓力變化曲線的斜度減小時采用C.N.古布金的流出法。而當在一定條件下,曲線平行于橫坐標軸時則采用T.B.普羅佐洛夫方法。
擠壓不銹鋼管時,摩擦系數的計算公式如下:
應注意,摩擦系數直接影響到擠壓力的大小,而擠壓力的大小可用以評價所采用的工藝潤滑劑的效果。因此,摩擦系數計算方法的選擇,必須有針對性。C.H.古希金法的實質在于,隨著擠壓桿在擠壓筒內的推進,摩擦面積減小,用于克服摩擦的力也減小,因而總擠壓力減小。采用試驗得到的“擠壓力一擠壓桿行程圖表”和擠壓桿在L1、L2位置時的擠壓力,進行計算后可以得到摩擦系數值。而T.B.普羅佐洛夫法則是在于傳送到擠壓桿和擠壓模上的力的差別,及每一瞬間消耗在克服坯料與工具之間摩擦力的差別。為了利用這個方法,需要同時測量在擠壓桿和擠壓模上的壓力。
4. BX 卡西揚圖表法
采用 BX 卡西揚圖表法確定擠壓力,由兩個步驟組成:首先確定實際的材料屈服極限,然后確定擠壓力。
當已知擠壓速度時,按鋼管的內徑(dr)和壁厚(S),查BX卡西揚根據不同的擠壓筒直徑繪制的鋼管擠壓力計算圖表確定坯料金屬的變形速度(ε);然后,對于一定的材料和加熱溫度,按照“AAДинHиK圖表”查得變形抗力(σn);再根據已知的內徑(d)和壁厚(S)以及材料的變形抗力σn,在 BX 卡西揚繪制的圖表上確定擠壓力。
表3-2為Cr18Ni10Ti不銹鋼在1200℃溫度下擠壓鋼管時,計算的擠壓力(以噸計)與實測擠壓力的比較。從表3-2可以看出:
a. 按照J.賽茹爾內公式計算的擠壓力為最大值,而按其余公式計算的擠壓力為穩定值。
b. 在T.B.普羅佐洛夫公式中,系數C取6,代替推薦值5,與實測的資料比較得到的結果較接近。
c. 比較絕對偏幅,J.賽茹爾內公式為27.9t,T.B.普羅佐洛夫公式為26t,C.N.鮑里索夫公式為31.3t,BX卡西揚圖表法為50.3t。
在生產實際中,使用比較普遍的擠壓力計算公式還是J.賽茹爾內公式。