摘要：针对镍基合金小直径无缝钢管冷拔工艺中存在的变形抗力大、易开裂等难点，文章基于有限元理论建立了高精度UNS N08825镍基合金冷拔三维热-力耦合模型，通过模拟单道次、两道次和三道次冷拔工艺的变形机制，分析应力场、应变场及温度场分布规律，最终优选出变形均匀性最佳、残余应力最小的三道次冷拔工艺方案，显著提升了产品尺寸精度和表面质量，为高合金无缝钢管精密冷拔工艺提供了可靠的理论依据和工艺参数优化方向。
       关键词：镍基合金；无缝钢管；冷拔工艺；有限元模拟

　　镍基合金UNS N08825是一种高性能的镍-铁-铬基耐腐蚀合金，因其优异的耐高温腐蚀和抗氧化能力，被广泛应用于能源化工及海洋工程领域，而小直径无缝钢管作为其关键产品形态，主要依赖冷拔工艺成形，然而现有冷拔工艺仍具有许多问题［1］。基于此，文章以有限元模拟方法为基础，建立其冷拔过程耦合模型，模拟其在不同变形工艺下的变形机制，根据模拟结果选出最优工艺方案，并进行工艺实践。

　　1实验方法

　　1.1有限元模型建立

　　基于非线性弹塑性有限元理论，采用ABAQUS显式动力学求解器建立了高精度UNS N08825镍基合金无缝钢管冷拔过程三维热-力耦合模型［2］。

　　1.1.1几何模型构建

　　冷拔工艺系统由管坯、外模、芯棒和拉拔夹头组成，其几何建模严格依据实际生产设备尺寸：①管坯初始尺寸为Φ25mm×2.0mm×300mm（外径×壁厚×长度）；②外模为锥形结构，半锥角α=12。，定径带长度Ld=18mm（1.125×成品直径）；③芯棒为圆柱形，直径Φ21mm，需要与第一道次工艺匹配；④夹头的简化建模为刚性夹具。

　　2结果与分析

　　2.1模拟结果分析与验证

　　2.1.1应力/应变场分布

　　应力/应变场分布包含等效应力分布和等效塑性应变分布两部分。
       三种工艺下拔制中期的等效应力分布云图，如图1（a）所示。其中工艺A应力峰值最高约为1250MPa，集中于外模定径带入口区域，而芯棒附近亦存在大于1000MPa高应力区，易引发断裂或芯棒拉伤；工艺B与工艺A相比峰值应力显著降低，约为1020MPa，且高应力区范围缩小；三种工艺中，工艺C峰值应力最低，约为950MPa，但分布范围相对较广。

　　三种工艺下等效塑性应变分布云图，如图1（b）所示。其中工艺A应变极不均匀，最大值约为1.8，出现在管壁近外表面处，最小值约为0.4，位于壁厚中心附近，其不均匀系数高达0.62；工艺B应变分布明显改善，最大值约为1.35，最小值约为0.8，δ降至0.25；而工艺C应变最均匀δ约为0.18，但是其最大值也较低，约为1.0。

　　三种工艺从内表面到外表面沿壁厚方向的等效塑性应变分布曲线对比，如图1（c）所示。其中工艺A的应变梯度最大，工艺C的应变梯度最平缓，而工艺B介于两者之间，也更接近理想状态。

　　2.2变形机制解析

　　在应力/应变不均匀性根源解析方面：①工艺A的大变形量加剧了不均匀性，由于其外模入口锥角处金属承受剧烈的径向压缩和轴向拉伸，所以芯棒约束导致芯部金属轴向流动受阻，从而形成复杂的三向定力状态，且外表面拉应力与芯部压应力共存，这种状态易引发表面微裂纹或芯部损伤；②工艺B和工艺C通过分步变形，使每道次的应力状态相对简单，且应变积累更加平缓，显著降低了损伤风险。

　　在壁厚控制关键解析方面：①工艺A的大减径量导致金属在入口锥处大量堆积，轴向流动受阻，迫使部分金属向径向流动，从而造成入口端增厚，而在定径带，强制的减径和摩擦拖拽，又会导致出口端减薄；②工艺B和工艺C的适度道次变形量，使金属轴向流动主导性增强，从而使径向流动被有效抑制，同时结合合理的模具设计，实现了壁厚的高精度控制。

　　在载荷响应与工艺稳定性解析方面：①工艺A的大变形量导致硬化程度最高，且接触界面因不均匀变形而导致应力波动大，使得载荷峰值高且不稳定，对设备和模具的冲击也很大；②工艺B和工艺C的载荷平稳，有利于设备稳定运行并延长模具使用寿命，同时实验误差在合理范围内，验证了模型的预测能力。

　　2.3工艺路线综合评价与优化决策

　　基于模拟结果，结合生产效率、质量控制、设备负荷及成本因素等对三种工艺进行系统评价，如表1所示。

　　由表1可看出：①工艺A单道次大变形的效率最高，但是其具有极高的应力/损伤风险、较差的壁厚精度和均匀性以及高设备负荷，使其无法满足高质量管材的生产要求；②工艺C三道次小变形在应力控制、应变均匀性和壁厚精度等方面表现最优，拉拔力也最低，且安全性高，但是其三道次工艺导致生产效率显著降低，中间退火或润滑处理次数增加；③工艺B两道次中等变形应力水平处于安全范围，应变均匀性满足要求，壁厚精度达到高标准，同时拉拔力适中，设备运行平稳，且两道次设计在保证质量的前提下，显著高于工艺C的生产效率。根据表1的分析内容，选择工艺B两道次中等变形作为最优工艺路线，该工艺在质量、效率和成本之间取得了最佳平衡。

　　3工艺实践

　　3.1实践案例介绍

　　工艺实践案例选择浙江永上特材有限公司，生产的YLB-100T液压冷拔机；外模为硬质合金YG8，半锥角α为12°±0.5°,表面粗糙度Ra＜0.4μm；芯棒为硬质合金YG10X，直径公差±0.01mm，表面镜面抛光Ra<0.1μm；润滑系统为全自动磷皂化生产线。

　　3.2工艺实践细节

　　采用优化后的两道次工艺Φ25.0mm×2.00mm→（道次1）→Φ20.0mm×1.90mm→（中间退火）→Φ16.0mm×1.80mm。

　　其工艺实践的关键控制点在于：①拉拔速度要采用伺服电机精确控制，使其控制在0.6~0.8m/min；②模具对中要采用激光对中系统，对中度要小于0.05mm；③润滑膜厚度要采用涡流测厚仪在线监控，使其厚度控制在8~12μm；④过程温度要采用红外测温与冷却系统相结合的方法，使其过程温度小于45℃。

　　3.3工艺实践结果

　　3.3.1质量检测结果

　　在质量检测方面，对连续生产的500支成品管进行全面检测。在成品厚壁和成品管外径两个精度进行检测，其质量检测结果汇总，如表2所示。

　　4结论

　　通过有限元理论，建立的UNS N08825镍基合金冷拔三维热-力耦合模型，准确预测了应力/应变分布、壁厚变化及拉拔载荷，并且通过系统的数值模拟与实践验证相结合，成功实现了镍基合金小直径无缝钢管冷拔工艺的优化决策，为高合金精密管材的智能制造提供了重要的理论依据。

参考文献

　　［1］黎毅，拓雷锋，楚志兵，等.UNS N08825镍基合金无缝管冷拔变形工艺研究［J］.钢管，2021，50（5）：9-12.

　　［2］母舰，吴和保，张讯，等.基于有限元模拟的无缝钢管穿孔顶头失效分析及激光表面复合处理［J］.金属热处理，2024，49（9）：284-289.

　　［3］张慎，陈州，李霆，等.基于ABAQUS的木材本构模型及试验验证［J］.工程力学，2025，42（3）：77-89.

　　［4］朱勇超，郑田洪，申波，等.套管构件摩擦模型的有限元分析［J］.中国水运（下半月），2021，21（4）：51-52.

　　［5］初东阳，戎宇飞，周章涛，等.基于罚函数法的大变形冲击碰撞问题显式健壮格式［J］.爆炸与冲击，2025，45（3）：156-169.