套筒是某醫用設備上的一(yī)個鍛件，材料爲316L不鏽鋼。由于該鍛件成品筒部最小(xiǎo)壁厚隻有1mm，與法蘭部分(fēn)壁厚差别大(dà)，且尺寸精度要求高，所以提出的精加工(gōng)用毛坯形狀與尺寸,并要求最終精加工(gōng)前退火(huǒ)以消除前序加工(gōng)所造成的應力，保證鍛件在以後的長期使用中(zhōng)耐蝕、不變形。316L不鏽鋼爲鉻鎳系奧氏體(tǐ)不鏽鋼，具有良好的力學性能和耐腐蝕性，在醫用設備與器械中(zhōng)應用較多。該零件的形狀特點爲帶有凸緣的薄壁管件，管部與凸緣直徑相差較大(dà)，如果采用厚壁不鏽鋼管直接進行機械加工(gōng)，材料利用率低，隻有31.3%。而316L不鏽鋼由于合金含量特别是鎳含量高，因此價格較貴，影響鍛件的制造成本。本工(gōng)藝采用熱擠壓方法成形該鍛件毛坯，對擠壓工(gōng)藝與模具結構及鍛件後續熱處理工(gōng)藝進行了實驗研究。

1.熱擠壓工(gōng)藝分(fēn)析

工(gōng)藝研究與小(xiǎo)批量試生(shēng)産所用材料成分(fēn)(質量分(fēn)數，%)爲0.014C，0.4Si，1.15Mn，0.03P，0.005S，17.29Cr，10.17Ni，2.01Mo。根據套筒的粗加工(gōng)零件圖分(fēn)析，該零件屬于帶凸緣管形件，可以采用大(dà)直徑管坯正擠壓成形小(xiǎo)直徑管部和小(xiǎo)直徑管坯镦擠成形大(dà)直徑凸緣部兩種方法成形。考慮氧化、熱脹、金屬流動、餘量等因素，制定熱擠壓件。根據等體(tǐ)積計算，镦擠法變形部分(fēn)高度與坯料壁厚之比過大(dà)，不宜采用。故本工(gōng)藝采用正擠法，擠壓坯料選用準110mm/準70mm×40mm管坯，經計算變形程度ε=69.6%。此時材料利用率爲58.9%。

2.熱擠壓力與變形溫度

擠壓力的大(dà)小(xiǎo)對工(gōng)藝與模具設計及設備選用影響很大(dà)。在熱擠壓過程中(zhōng)影響擠壓力的因素很多，主要有變形抗力、變形速度、變形程度、加熱溫度、模具參數、摩擦與潤滑條件等。變形抗力決定于材料自身的組織、性能；變形速度與實際生(shēng)産條件相關而無法改變，因此在工(gōng)藝設計中(zhōng)主要通過控制加熱溫度、合理分(fēn)配變形程度、優化模具參數、改善摩擦與潤滑條件等來降低擠壓力。

316L不鏽鋼的流變應力随溫度升高而降低，但變化趨勢從曲線斜率上反映出三個階段，即950~1000℃時的快速變化階段，1000~1150℃的中(zhōng)速變化階段和1150~1250℃緩慢(màn)變化階段。換言之，溫度在1150℃以上材料的變形抗力小(xiǎo)而且變化平緩；在1150℃以下(xià)，材料的變形抗力增大(dà)趨勢加快，而溫度在低于1000℃時，則變形抗力急劇增大(dà)。另外(wài)，流變應力随着變形程度的增大(dà)而增大(dà)。相關研究也表明[1]：1050℃是316L不鏽鋼在一(yī)定應變速率下(xià)的特征溫度，當溫度小(xiǎo)于1050℃時，材料的變形抗力增大(dà)趨勢非常明顯。考慮到溫度過高對材料組織晶粒的影響，同時盡量減小(xiǎo)擠壓力，将擠壓溫度設計爲1150~1200℃。該溫度下(xià)的流變應力爲155 MPa，則擠壓力計算值爲：P=P 0×F=5.456σb×F=5.456×155×6003.6=5077.1 kN。熱擠壓變形時的實際工(gōng)況複雜(zá)，影響因素較多，所以該計算值可作爲設計參考。實驗設備選用5MN油壓機的擠壓力基本是夠用的。擠壓過程中(zhōng)坯料與模具間存在熱傳遞，要保證變形時的坯料溫度不低于1050℃，應将模具充分(fēn)預熱。實驗證明，模具預熱溫度不夠時，擠壓力很大(dà)，5MN油壓機壓至公稱壓力時零件仍未完全成形。

潤滑采用瀝青和石墨。由于模具溫度較高，采用瀝青可提高潤滑劑的高溫附着性能。應變速率雖對熱變形抗力有顯著影響，但由于在實際工(gōng)藝試驗和生(shēng)産中(zhōng)，采用的設備是5MN油壓機，其液壓缸活塞下(xià)行速度無法改變，爲10mm/s的固定速度，因此未考慮該因素對變形力的影響。

3.擠壓模具設計

(1)凹模設計按圖2所示擠壓件形狀與尺寸設計模具工(gōng)作部分(fēn)如圖4所示，其中(zhōng)準112mm部分(fēn)的高度取大(dà)于毛坯下(xià)料高度。擠壓過程開(kāi)始前凸模應先進入凹模一(yī)定深度，所以凹模應增加适當的導向長度，本設計取20mm；入模角設計爲α=90°，以便于金屬流動。準85mm工(gōng)作帶寬度取8mm，大(dà)于一(yī)般有色金屬擠壓模具的設計。主要考慮不鏽鋼擠壓加熱溫度高，單位壓力大(dà)對模具的摩擦磨損大(dà)。工(gōng)作帶以下(xià)直徑設計爲準86mm，既要考慮減小(xiǎo)金屬流動時的摩擦，還應考慮流動導向；凹模下(xià)端爲頂出部分(fēn)留出足夠的導向高度。

(2)預應力圈設計雙層預應力組合凹模（即凹模+預應力圈）是熱擠壓模具中(zhōng)較好的結構形式。多層預應力圈并不能提高模具所承受内壓的極限值，隻是改善了凹模内的應力分(fēn)布，使之更趨于均勻，但同時增加了模具的制造成本和裝配難度，因此本設計采用凹模加單層預應力圈的組合結構。預應力圈外(wài)徑取凹模最大(dà)内孔直徑的4倍，即D 3=4×D 1，預應力圈内徑D 2=2×D 1。爲了便于裝配，凹模與預應力圈采用1.5°錐度配合，大(dà)端徑向過盈量取0.5%，同時要考慮軸向壓合量。過盈量太大(dà)，工(gōng)作時的綜合切向拉應力超過極限會造成預應力圈開(kāi)裂破壞；螺釘孔位置是該零件容易破壞的薄弱環節，設計時應予以重視。

(3)凸模設計凸模設計爲組合結構。整體(tǐ)式凸模雖然便于加工(gōng)，但台階處由于應力集中(zhōng)而容易産生(shēng)破壞，從根部斷裂。同時組合式結構還可以在發生(shēng)工(gōng)件與芯軸抱死時，從工(gōng)件小(xiǎo)端将芯軸反向壓出。在模具潤滑不良的情況下(xià)，這種現象常會發生(shēng)。

4.熱處理工(gōng)藝

由于最終零件成品筒部最小(xiǎo)尺寸隻有1mm，與法蘭部分(fēn)厚度差别很大(dà)，爲消除前期粗加工(gōng)所形成的應力，并保證零件在以後長期工(gōng)作中(zhōng)不發生(shēng)變形并具有良好的抗腐蝕性，應在最終精加工(gōng)前對粗加工(gōng)毛坯做退火(huǒ)(固溶)熱處理。熱擠壓加熱溫度較高，達到近1200℃，緩冷的熱擠壓件組織中(zhōng)除了有奧氏體(tǐ)外(wài)，還有鐵素體(tǐ)和碳化物(wù)。經過退火(huǒ)(固溶)處理，目的就是使材料内部熱加工(gōng)過程中(zhōng)析出的碳化物(wù)在高溫下(xià)固溶于奧氏體(tǐ)中(zhōng)，通過急冷使固溶了碳的穩定的奧氏體(tǐ)組織保持到常溫，同時消除前期的加工(gōng)硬化和殘餘應力。具體(tǐ)熱處理工(gōng)藝爲：根據裝爐量，在450和850℃各保溫一(yī)段時間後升溫至固溶溫度1050℃，保溫後水冷；爲防止氧化需采用真空熱處理。