316L不锈钢套筒热挤压工艺

     套筒是某医用设备上的一个锻件，材料为316L不锈钢。由于该锻件成品筒部最小壁厚只有1mm，与法兰部分壁厚差别大，且尺寸精度要求高，所以提出的精加工用毛坯形状与尺寸,并要求最终精加工前退火以消除前序加工所造成的应力，保证锻件在以后的长期使用中耐蚀、不变形。316L不锈钢为铬镍系奥氏体不锈钢，具有良好的力学性能和耐腐蚀性，在医用设备与器械中应用较多。该零件的形状特点为带有凸缘的薄壁管件，管部与凸缘直径相差较大，如果采用厚壁不锈钢管直接进行机械加工，材料利用率低，只有31.3%。而316L不锈钢由于合金含量特别是镍含量高，因此价格较贵，影响锻件的制造成本。本工艺采用热挤压方法成形该锻件毛坯，对挤压工艺与模具结构及锻件后续热处理工艺进行了实验研究。

1.热挤压工艺分析

     工艺研究与小批量试生产所用材料成分(质量分数，%)为0.014C，0.4Si，1.15Mn，0.03P，0.005S，17.29Cr，10.17Ni，2.01Mo。根据套筒的粗加工零件图分析，该零件属于带凸缘管形件，可以采用大直径管坯正挤压成形小直径管部和小直径管坯镦挤成形大直径凸缘部两种方法成形。考虑氧化、热胀、金属流动、余量等因素，制定热挤压件。根据等体积计算，镦挤法变形部分高度与坯料壁厚之比过大，不宜采用。故本工艺采用正挤法，挤压坯料选用准110mm/准70mm×40mm管坯，经计算变形程度ε=69.6%。此时材料利用率为58.9%。

2.热挤压力与变形温度

     挤压力的大小对工艺与模具设计及设备选用影响很大。在热挤压过程中影响挤压力的因素很多，主要有变形抗力、变形速度、变形程度、加热温度、模具参数、摩擦与润滑条件等。变形抗力决定于材料自身的组织、性能；变形速度与实际生产条件相关而无法改变，因此在工艺设计中主要通过控制加热温度、合理分配变形程度、优化模具参数、改善摩擦与润滑条件等来降低挤压力。316L不锈钢的流变应力随温度升高而降低，但变化趋势从曲线斜率上反映出三个阶段，即950~1000℃时的快速变化阶段，1000~1150℃的中速变化阶段和1150~1250℃缓慢变化阶段。换言之，温度在1150℃以上材料的变形抗力小而且变化平缓；在1150℃以下，材料的变形抗力增大趋势加快，而温度在低于1000℃时，则变形抗力急剧增大。另外，流变应力随着变形程度的增大而增大。相关研究也表明[1]：1050℃是316L不锈钢在一定应变速率下的特征温度，当温度小于1050℃时，材料的变形抗力增大趋势非常明显。考虑到温度过高对材料组织晶粒的影响，同时尽量减小挤压力，将挤压温度设计为1150~1200℃。该温度下的流变应力为155 MPa，则挤压力计算值为：P=P0×F=5.456σb×F=5.456×155×6003.6=5077.1 kN。

     热挤压变形时的实际工况复杂，影响因素较多，所以该计算值可作为设计参考。实验设备选用5MN油压机的挤压力基本是够用的。挤压过程中坯料与模具间存在热传递，要保证变形时的坯料温度不低于1050℃，应将模具充分预热。实验证明，模具预热温度不够时，挤压力很大，5MN油压机压至公称压力时零件仍未完全成形。润滑采用沥青和石墨。由于模具温度较高，采用沥青可提高润滑剂的高温附着性能。应变速率虽对热变形抗力有显著影响，但由于在实际工艺试验和生产中，采用的设备是5MN油压机，其液压缸活塞下行速度无法改变，为10mm/s的固定速度，因此未考虑该因素对变形力的影响。

3.挤压模具设计

(1)凹模设计按图2所示挤压件形状与尺寸设计模具工作部分如图4所示，其中准112mm部分的高度取大于毛坯下料高度。挤压过程开始前凸模应先进入凹模一定深度，所以凹模应增加适当的导向长度，本设计取20mm；入模角设计为α=90°，以便于金属流动。准85mm工作带宽度取8mm，大于一般有色金属挤压模具的设计。主要考虑不锈钢挤压加热温度高，单位压力大对模具的摩擦磨损大。工作带以下直径设计为准86mm，既要考虑减小金属流动时的摩擦，还应考虑流动导向；凹模下端为顶出部分留出足够的导向高度。

(2)预应力圈设计双层预应力组合凹模（即凹模+预应力圈）是热挤压模具中较好的结构形式。多层预应力圈并不能提高模具所承受内压的极限值，只是改善了凹模内的应力分布，使之更趋于均匀，但同时增加了模具的制造成本和装配难度，因此本设计采用凹模加单层预应力圈的组合结构。预应力圈外径取凹模最大内孔直径的4倍，即D 3=4×D 1，预应力圈内径D2=2×D1。为了便于装配，凹模与预应力圈采用1.5°锥度配合，大端径向过盈量取0.5%，同时要考虑轴向压合量。过盈量太大，工作时的综合切向拉应力超过极限会造成预应力圈开裂破坏；螺钉孔位置是该零件容易破坏的薄弱环节，设计时应予以重视。

(3)凸模设计凸模设计为组合结构。整体式凸模虽然便于加工，但台阶处由于应力集中而容易产生破坏，从根部断裂。同时组合式结构还可以在发生工件与芯轴抱死时，从工件小端将芯轴反向压出。在模具润滑不良的情况下，这种现象常会发生。

4.热处理工艺

    由于最终零件成品筒部最小尺寸只有1mm，与法兰部分厚度差别很大，为消除前期粗加工所形成的应力，并保证零件在以后长期工作中不发生变形并具有良好的抗腐蚀性，应在最终精加工前对粗加工毛坯做退火(固溶)热处理。热挤压加热温度较高，达到近1200℃，缓冷的热挤压件组织中除了有奥氏体外，还有铁素体和碳化物。经过退火(固溶)处理，目的就是使材料内部热加工过程中析出的碳化物在高温下固溶于奥氏体中，通过急冷使固溶了碳的稳定的奥氏体组织保持到常温，同时消除前期的加工硬化和残余应力。具体热处理工艺为：根据装炉量，在450和850℃各保温一段时间后升温至固溶温度1050℃，保温后水冷；为防止氧化需采用真空热处理。