連續擠壓銅扁排的阻流角設計及物理場分布

趙鴻金，李濤濤，巢 潔，楊正斌，胡玉軍

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

連續擠壓銅扁排的阻流角設計及物理場分布

趙鴻金，李濤濤，巢 潔，楊正斌，胡玉軍

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西贛州 341000）

基于Deform-3D平臺，建立了Conform連續擠壓生產大寬厚比銅扁排有限元模型，研究了連續擠壓過程中阻流角變化對模具出口處金屬流動及相應應力場分布的影響規律，并結合方差分析法獲得了模具出口處的流速均方差，觀察模具阻流角對扁排成型的影響.研究表明：模具阻流角從3°～15°變化時，隨著阻流角的增加，金屬流速均方差先增大后減小，其阻流角區域等效應力值以及模具入口處沿擠壓方向應力也逐漸增加；在定徑帶長度一定以及模具載荷允許的情況下，選擇3°、5°、15°的阻流角可使模具出口處金屬流速相對穩定，扁排成形性較好；當模具容易損壞時，選擇3°和5°阻流角既可降低模具載荷又可獲得板形均勻的扁排.

連續擠壓；金屬流動規律；應力場；阻流角；流速均方差

連續擠壓作為一種新型有色金屬加工技術，因其具有高效節能的生產優勢，一經問世，就受到諸多國內外學者的關注.隨著Conform連續擠壓工藝和設備的不斷創新和完善，國內外連續擠壓技術理論機理研究及工程化應用方面都取得了一定進展［1-4］，極大地推動了該技術的實際應用，且相關研究仍在不斷進行.許多學者采用解析法、有限單元法等對連續擠壓塑性成形過程理論進行了研究［5-7］.

隨著計算機科學的不斷發展，連續擠壓塑性成形理論研究也由解析法轉而趨向于有限單元法［8］.儲燦東等［9］采用剛粘塑性有限元模擬法得出了連續擠壓全過程的應力-應變場以及溫度場，王延輝等［10］采用數值模擬研究了通道長度對銅連續擠壓產品性能的影響.目前已有研究者采用有限元法對連續擠壓扁排成形過程塑性流動規律進行研究，并探討模具結構參數及工藝參數對塑性流動規律、組織性能的影響［11-13］.盡管眾多研究者對此給予了廣泛關注，但全面系統地研究尚有所不及，對大擴展比連續擠壓［14-16］條件下模具的功能結構模塊化和參數化、大擴展比連續擠壓工藝與模具綜合優化等重要核心問題尚需開展系統深入地研究.為此，本文將基于有限元分析軟件Deform-3D對連續擠壓進行數值模擬，采用該模型獲得扁排物理場分布規律以及模具不同阻流角對扁排成形的影響，以期為連續擠壓成形工藝的制定和實際生產提供可靠的理論支持.

1 模擬參數設置

實驗原料為某企業生產的純銅桿坯，在純銅桿坯上取樣進行熱力模擬實驗，獲得高溫下的應力-應變曲線（圖1），導入Deform-3D軟件的材料庫中，進行連續擠壓模擬.

圖1 不同應變速率的應力-應變曲線

大寬厚比銅扁排生產原理如圖2所示，擠壓輪和壓實輪轉速分別為0.837和1.432 rad/s.開始擠壓時，坯料溫度為20℃，工模具溫度為500℃，工模具與坯料間的傳熱系數為30 N/（s·℃）.選取Φ20 mm的銅桿作為坯料，采用TJ400連續擠壓機擠出產品截面尺寸厚度為3 mm、寬度為100 mm、寬度與厚度交接處弧度r=0.5 mm的大寬厚比銅扁排.擴展腔的設計依據實際生產過程中所采用的結構，L為114 mm，l為62 mm，H為42 mm，h為30 mm，腔體通道長度為25 mm（圖3）；成形模具運用簡單的平模結構，變形體直接進入模具定徑帶部位，定徑帶長度為3 mm.

圖2 連續擠壓大寬厚比銅扁排剖面示意圖

圖3 擴展腔結構參數

分析阻流角為3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°對扁排成形的影響，研究阻流角對扁排成形影響規律.圖4為成形模具結構，d為定徑帶尺寸，其中d=3 mm，阻流角到定徑帶的總長度為9 mm.

圖4 成形模具結構

2 模擬結果與討論

2.1 連續擠壓扁排金屬流動規律

圖5（a）所示為金屬在擠壓輪摩擦力的作用下進入擴展模，可以看到，金屬頭部在擴展模內向上彎曲，這是由于下層金屬流動速度比上層流動快，在連續擠壓過程中，上層金屬阻礙下層金屬流動，使得頭部上翹.

圖5（b）所示為金屬進入擴展模后開始填充階段，金屬頭部與模具接觸后沿擠壓方向阻力逐漸增大，根據最小阻力定律，金屬開始沿擴展腔橫向流動.由圖5（b）可知，金屬頭部兩側金屬流速較快，可達20 mm/s，而中間部位金屬僅為10 mm/s.圖5（c）、（d）為金屬充滿擴展腔，產品逐漸穩定成形階段.由圖5（c）扁排端部可知，扁排中間部位金屬流速比邊部快，且金屬充滿整個型腔后，擴展模內中間金屬的流動速度大于兩側，形成一個Y型特征；在穩定成形階段，中間部位金屬與邊部金屬的流速差逐漸減小.

圖5 各運行步驟下扁排金屬流速分布圖

2.2 金屬的應力場分布

圖6為連續擠壓穩定階段等效應力分布.由圖6可知，模具入口處和與堵頭呈45°夾角位置應力值最大，金屬變形劇烈.在模具入口處，金屬由較大尺寸的擴展腔進入尺寸較小的模具，形變量非常大，出現應力集中現象，在模具入口處應力最大可達172 MPa.模具出口處金屬存在一定的殘余應力值，對后續工序拉拔過程會造成不良影響.因而，整個連續擠壓過程中堵頭位置和模具入口處是整個裝置的危險部位，最先發生失效，如果經常拆卸，該部位可能發生磨損、嚴重變形、斷裂等，進而影響擠壓件的表面質量.

圖6 等效應力分布圖

2.3 擠壓輪扭矩

連續擠壓過程中的擠壓輪扭矩的大小反映了擠壓變形的難易程度.圖7為連續擠壓過程中擠壓輪扭矩-步數曲線.由圖7可以看出，金屬從徑向運動的開始至穩定變形階段，擠壓輪扭矩直線上升.在穩定變形階段，擠壓輪扭矩仍呈現波動狀態.導致這一現象的部分原因是數值模擬過程中網格劃分精度不夠導致收斂效果較差.穩定變形階段金屬與工模具表面的摩擦趨于一定，此時擠壓輪的扭矩基本穩定，穩定擠壓階段扭矩平均值為29.1 kN·m.由于本文模擬的是整體模型的一半，因此，上面得到的擠壓輪扭矩均為一半，穩定生產狀況下的扭矩為58.2 kN·m.

圖7 擠壓輪扭矩-步數曲線

2.4 不同阻流角下模具出口處金屬流速均方差

圖8為各阻流角下金屬的流速均方差，可以看到，阻流角從3°～15°變化時，隨著阻流角的增加，金屬流速均方差先增大后減小，其均方差分別為：1.35、2.21、3.45、3.65、4.42、3.63、1.86.其中阻流角為11°時，流速均方差最大.

圖8 不同阻流角下金屬的流速均方差

此模具結構設計為：阻流角高度為6 mm，模具定徑帶長度為3 mm.在模具入口處增設阻流角后，金屬在阻流角區域形成了一個速度分流層，隨著阻流角增加，模具出口處金屬流動速度逐漸降低，此時金屬所受摩擦力受溫度和變形狀態影響，金屬變形過程非常復雜，容易導致金屬流出速度不穩定，出現向上或向下彎曲，影響產品平直度，對后續拉拔產生不利影響.由數值模擬結果可知，當阻流角為3°、5°、15°時，金屬流速均方差較小，說明模具出口處金屬流速相對較穩定.

2.5 不同阻流角下金屬的應力變化

圖9為金屬等效應力場分布，可以看到，模具結構改變時，擴展腔內等效應力分布較均勻，均在100～120 MPa.模具入口處未添加阻流角時，在模具入口處塑性變形較大，應力集中.在模具入口處設置阻流角后，應力均勻分布在該區域，且隨著阻流角的增加，該部位等效應力增加，緩解了模具入口應力過大造成的模具受損.當阻流角為3°時，模具入口處金屬的等效應力約為160 MPa，隨著阻流角的增加，等效應力逐漸降低，阻力角為15°時，等效應力約為140 MPa.由此可知，隨著阻流角增加，阻流角區域等效應力值逐漸增加，而模具入口處等效應力值逐漸較小，這有利于保護模具，增加產品生產效益.

圖9 各阻流角下的應力場分布

2.6 沿擠壓方向模具所受應力

在連續擠壓過程中，由于模具中間部位所受應力較高，容易發生嚴重塑性變形，如圖10（a）所示.研究中采用增設阻流角的方法使模具出口處金屬流速均勻，但阻流角的增添對模具載荷有很大影響.在模具入口處中間至邊部位置每隔5 mm選取一點（圖10（b））觀察模具沿擠壓方向所受應力隨時間變化，由于Deform模擬中模具屬性為剛性體，不利于觀察模具應力變化，研究中根據作用力與反作用力原理，采取觀察該部位金屬沿擠壓方向的應力變化的方法，得出模具所受應力變化的規律.在連續擠壓過程中，隨著金屬徑向流動的開始，模具在擠壓方向上的應力開始呈直線上升，而后隨著金屬的流動，載荷呈穩態.圖10（c）為不同阻流角下，金屬在穩態成形過程中，模具入口處沿擠壓方向所受平均應力.由圖10（c）可知，模具沿擠壓方向受壓應力載荷，隨著阻流角的增加，模具中間部位載荷逐漸升高；阻流角一定時，距中心距離越遠模具應力越低，但在邊部拐角處應力值出現劇烈上升的現象.因此，在定徑帶長度一定的情況下，增加阻流角，模具入口處各部位的載荷逐漸增強，致使模具損壞的幾率升高.

圖10 模具易損壞部位及其受力分析

綜上所述，當阻流角為3°、5°、15°時，金屬流速均方差較小，模具出口處金屬流速相對較穩定.隨著阻流角增加，阻流角區域等效應力值逐漸增加，模具入口處沿擠壓方向應力也逐漸增加.在定徑帶長度一定的情況下，增加金屬入口角度，使模具所受載荷逐漸升高.由此可知，在模具載荷允許范圍內，選擇3°、5°、15°的阻流角可使模具出口處金屬流速相對穩定；當模具容易損壞時，選擇3° 和5°阻流角既降低模具載荷又獲得了板形均勻的扁排.

3 結 論

1）金屬充滿整個型腔后，中間金屬的流動速度大于兩側，形成一個Y型特征，金屬沿擠壓方向上的流動類似于平模正擠壓，變形區內的金屬通常處于三向壓應力狀態，模具出口處金屬的流速差較大.

2）擠壓開始至金屬充滿整個型腔階段，擠壓輪扭矩呈直線上升，穩定擠壓階段，擠壓輪扭矩約為58.2 kN·m.

3）模具阻流角從3°～15°變化時，隨著阻流角的增加，金屬流速均方差先增大后減小，其均方差分別為：1.35、2.21、3.45、3.65、4.42、3.63、1.86.隨著阻流角增加，阻流角區域等效應力值逐漸增加，模具入口處沿擠壓方向應力也逐漸增加.

4）在定徑帶長度一定以及模具載荷允許情況下，選擇3°、5°、15°的阻流角可使模具出口處金屬流速相對穩定；當模具容易損壞時，選擇3°和5°阻流角既降低模具載荷又獲得了板形均勻的扁排.

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（編輯 呂雪梅）

Design of choked flow angle of die and distribution of physical field of copper flat line produced by continuous extrusion

ZHAO Hongjin，LI Taotao，CHAO Jie，YANG Zhengbin，HU Yujun

（School of Materials Science and Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

Based on software Deform-3D，The finite element model（FEM）for big flakiness ratio produced by conform continuous extrusion is established.This paper studies the metal flow at the exit of die and stress field′s distribution with a variety of the choked flow angle during the process of conform continuous extrusion.The mean-square deviation of velocity at the exit of die can be gotten by analysis of variance，which is used for obtaining the effect of the choked flow angle on the formed of copper flat line.The results as follows：When choked flow angle of die changed from 3°to 15°，the mean square deviation of metal flow velocity increased at first and then decreased with angle increasing，at the same time，equivalent stress in the area of the choked flow angle and the stress across the extrusion direction at the entrance of die would be also increased.With a certain length of calibrating and under die loading，the choked flow angles at 3°，5°and 15°can make metal flow velocity relatively stable at the die exit.When die damages easily，the choked flow angle of 3°and 15°can not only reduce die loads，but also get copper flat line which have homogeneous plate shape.The result could provide theoretical basis for the study of the continuous extrusion process and the optimization of technical parameters.

continuous extrusion；the law of metal flow；stress field；the choked flow angle；the mean-square deviation of velocity

TG372

A

1005-0299（2015）04-0042-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150407

2015-04-15.

趙鴻金（1967—），男，博士，教授.

李濤濤，E-mail：Litaotao_0616@163.com.