半无模拉拔是一种金属材料近终形成形新技术,能够解决难加工金属线材无模拉拔时线材尺寸波动大,有模拉拔时道次变形量较小、所需拉拔力大等问题。但是由于半无模拉拔具有多变量、非线性和强耦合等特点,决定了金属变形规律的复杂性以及精确成形控制的难度。由于上述相关基础研究尚未深入开展,导致成形过程中常出现的拉断、堆积、漏拉等变形失稳问题难以得到有效解决,严重制约了半无模拉拔技术的开发和应用。本论文以TC4钛合金线材为原材料,将有限元数值模拟、实验研究和理论分析相结合,揭示TC4钛合金线材半无模拉拔变形规律,分析TC4钛合金线材半无模拉拔变形失稳机理,提出相应的控制措施,在此基础上开发半无模拉拔控制系统,为实现金属线材连续稳定半无模拉拔成形奠定基础。主要研究结果如下:探明了 TC4钛合金线材半无模拉拔初始阶段的变形规律。在半无模拉拔初始阶段存在着入模线材直径不断增大的现象,导致线材在模具入口处堆积或在模具出口处拉断。随着加热温度由650℃升高到1050℃,入模线材尺寸波动由0.15 mm降低到0.04 mm再升高到0.08 mm。当拉拔速度由0.32 mm/s增大到0.36 mm/s,入模线材尺寸波动均小于0.04 mm,过渡段由2个增加到4个。当变形量由33%增加到51%时,入模线材尺寸波动由0.04 mm增大到0.08 mm,且入模线材最大直径由3.0 mm减小到2.6 mm。揭示了 TC4钛合金线材半无模拉拔初始阶段拉拔中断机理。在半无模拉拔初始阶段,拉拔速度降低时无模变形后的线材直径增大,线材产生过渡段,随后该过渡段进入模具变形时,入模线材速度逐渐减小,致使无模拉拔段拉拔速度同步减小,在进料速度保持不变的情况下,使得无模拉拔段速比逐渐减小,无模拉拔变形后的线材直径逐渐增大,导致拉拔中断。当拉拔速度由0.38 mm/s降低至0.34 mm/s时,入模线材直径由2.43 mm逐渐增大到3.0 mm,入模线材速度由0.34 mm/s逐渐减小到0.25 mm/s,无模拉拔段速比由1.36逐渐减小到1。建立了金属线材半无模拉拔初始阶段进料速度控制模型。根据保持变形过程中无模拉拔段速比恒定的调控原理,基于体积不变定律,推导出初始阶段进料速度的控制模型。半无模拉拔变形量为33%、44%和51%时,在初始阶段采用进料速度控制模型进行调控,无模拉拔段速比分别稳定在1.28、1.52和1.8,即采用进料速度控制模型,能够保持金属线材半无模拉拔初始阶段变形过程中无模拉拔段速比恒定,进而保持入模线材直径稳定,避免了拉拔中断现象。阐明了 TC4钛合金线材半无模拉拔准稳态阶段的变形规律。在半无模拉拔准稳态阶段,随着变形过程的进行,入模线材直径逐渐增大,尺寸波动也增大,导致线材在模具出口处拉断,并且随着模孔直径的减小或拉拔速度的增大,入模线材直径快速增大,且尺寸波动也增大,半无模拉拔准稳态阶段变形越容易失稳。在加热温度为950℃、热模间距为30 mm、进料速度为0.25 mm/s、拉拔速度为0.53 mm/s、模孔直径为2.0 mm的工艺参数下,半无模拉拔准稳态阶段变形时,无模拉拔段拉拔速度由0.53 mm/s波动减小至0.21 mm/s,然后降低为0,无模拉拔段速比由2.12波动减小至0.84,然后降低为0。半无模拉拔准稳态阶段变形失稳是由于无模拉拔变形后的尺寸波动线材有模拉拔时导致入模线材速度呈波动性减小趋势,入模线材速度同时又是无模拉拔段的拉拔速度,使得无模拉拔段的速比也呈波动性减小趋势,从而导致入模线材直径呈波动性增大趋势。提出了通过模糊控制调整进料速度来控制半无模拉拔准稳态阶段金属线材尺寸精度的方法。基于Matlab软件建立了准稳态阶段模糊控制系统,采用最大隶属度函数法进行解模糊化,得到离线模糊控制规则表。采用模糊控制时,入模线材直径基本恒定,尺寸波动最大为0.06 mm;而未采用模糊控制时,入模线材直径连续波动,最大尺寸波动为0.8 mm。采用模糊控制可以有效控制入模线材直径,使半无模拉拔准稳态阶段实现稳定变形。开发了金属线材半无模拉拔控制系统,制备了难加工的TC4钛合金线材。在进料速度为0.25 mm/s、拉拔速度为0.34 mm/s、线材初始直径为3.0 mm、模孔直径为2.45 mm的条件下采用控制系统进行半无模拉拔实验,入模线材直径基本稳定在2.6 mm,尺寸波动小于0.06 mm。TC4钛合金线材道次变形量为30%时,半无模拉拔和有模拉拔稳定变形时的拉拔力分别为1700 N和3800 N。TC4钛合金线材半无模拉拔时道次变形量可达60%,有模拉拔时道次变形量小于40%。与有模拉拔相比,半无模拉拔具有拉拔力小和道次变形量大的优点,适合难加工金属线材的制备。