孫印建，樊志新，孫海洋，董 磊

(大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)*

0 引言

鋁包鋼絲具有優(yōu)良的物理性能，其耐腐蝕、高強(qiáng)度、鋼-鋁結(jié)合牢固、導(dǎo)電性好、熱穩(wěn)定性高、密度小、屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)突出［1］，因此被廣泛應(yīng)用與架空地線、鐵路電氣化輸電引線、高壓電網(wǎng)輸電導(dǎo)線等方面，其具有廣闊的市場(chǎng)前景.連續(xù)擠壓包覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，縮短非生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)速度快、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好.在試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中，模腔角的變化與產(chǎn)品質(zhì)量、工模具使用壽命等產(chǎn)生重要影響，本文通過(guò)利用DEFORM軟件對(duì)包覆模腔角進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，優(yōu)化鋁包鋼絲連續(xù)包覆過(guò)程中的工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考.

1 有限元模型及模角

如圖1所示，模型由擠壓輪、壓實(shí)輪、腔體、擋板、擋料塊、導(dǎo)向模、包覆模、鋼芯和鋁桿等構(gòu)成，導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中進(jìn)行連續(xù)包覆［2］數(shù)值模擬［3-4］.腔體和模具的預(yù)熱溫度為450℃，鋁桿預(yù)熱溫度為20℃，鋼絲預(yù)熱溫度為400℃［5］.

模腔就是包覆模錐面中心處圓臺(tái)通孔，如圖2(a)所示區(qū)域，而模角則是模腔截面投影中心兩條斜線之間的角度即2α，如圖2(b).模角的大小會(huì)對(duì)金屬的流動(dòng)產(chǎn)生重大的影響，從而會(huì)直接影響到包覆質(zhì)量、擠壓輪及模具使用壽命.所以，本文對(duì)包覆模不同模角進(jìn)行了研究.

圖1 連續(xù)包覆截面

圖2 包覆模的三維圖及軸向截面圖

2 包覆模芯線的徑向力

從包覆模的軸向截面圖(圖2(b))可以看出，軸對(duì)稱包覆時(shí)芯線中心與模具中心重合，因此可以認(rèn)為通過(guò)模具中心任一截面內(nèi)材料的變形為平面變形，由于上下對(duì)稱，用主應(yīng)力法對(duì)其中一部分進(jìn)行分析，受力分析圖如圖3.

圖3 包覆模腔內(nèi)基元體上作用力分布

列基元的平衡方程式:

由靜力平衡關(guān)系得:

σ1=σy，σu=σy+ τutanα

近似塑性和摩擦條件為:

其中:m為摩擦因子.

由以上各式可得:

在截面內(nèi)，鋼絲所受的作用力:

［(r-Ltanα)ln(r-Ltanα)-rlnr+Ltanαlnr］

當(dāng)鋼絲發(fā)生偏心時(shí)，即r1＞r2，鋼絲上下方鋁料的流動(dòng)速度對(duì)鋼絲的徑向作用力不再保持平衡，則:

分析可得:

若要使鋼絲中心與模具中心重合，則鋼絲偏心將受到向心力F的作用，即F＞0，所以

則

在實(shí)際生產(chǎn)中鋁具有很強(qiáng)的粘塑性，在模擬中設(shè)定摩擦因子為0.9，所以，可計(jì)算出鋼絲受到向心力作用F半腔角取值范圍為0°＜α＜20.5°.對(duì)包覆模腔角 10°、20°、30°和40°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

3 不同模腔角模擬研究

模擬中，鋼絲的速度必須與包覆模定徑帶處鋁料的擠出速度保持一致，才能良好的完成包覆，則要求在定徑帶處鋁料所受的拉應(yīng)力接近于0 MPa.本文對(duì)內(nèi)徑為6.8 mm外徑為9 mm LB30型號(hào)的鋁包鋼絲進(jìn)行模擬.擠壓輪轉(zhuǎn)速為6 r/min，鋼絲速度為160 mm/s時(shí)，鋁料擠出速度最為接近且定徑帶處拉應(yīng)力接近于0 MPa.

3.1 不同模角下鋁料流動(dòng)分析

包覆模不同模角下，鋁料流動(dòng)速度大體一致.鋁桿經(jīng)擠壓輪，在輪槽中流速均勻，速度為104 mm/s，鋁料到達(dá)擋料塊，由于受到其阻礙作用，速度逐漸減緩.進(jìn)入腔體及匯合室并充滿，由于受到模具的阻礙作用，導(dǎo)致鋁料經(jīng)過(guò)了兩次90°大變向且塑性狀態(tài)的鋁料容易打滑現(xiàn)象，所以鋁料流動(dòng)速度緩慢大約為20 mm/s左右.在包覆模的擠出過(guò)程中，如圖4可以看到在靠近鋼絲的一側(cè)質(zhì)點(diǎn)較為密集，流速較快，主要是由于鋁料隨鋼絲移動(dòng)擠出的過(guò)程中，鋼絲對(duì)鋁料的摩擦作用是促進(jìn)力，有利于鋁料的流動(dòng).

圖4 鋁料流動(dòng)速度示意圖

為了更好的表示包覆模定徑帶處鋁料的流動(dòng)均勻性，對(duì)定徑帶處坯料速度均勻取點(diǎn)，通過(guò)流速均方差［6］公式

式中:N為所取定徑帶處節(jié)點(diǎn)數(shù)目;viz為所取節(jié)點(diǎn)軸向速度;vazve為所取節(jié)點(diǎn)速度平均值.

從圖5可以看出，不同模角下鋁料的流動(dòng)速度在160 mm/s上下浮動(dòng)，其中30°和40°上下波動(dòng)較大，通過(guò)計(jì)算包覆模模角10°～40°的流速均方差分別為 1.37、1.53、1.77、1.97.導(dǎo)向模與包覆模間隙不變時(shí)，包覆模模角變大，鋁料流動(dòng)路徑面積變大，不利于金屬流動(dòng)，很容易造成鋁料流動(dòng)不暢，不均勻.所以，角度越小時(shí)，流動(dòng)越均勻.

圖5 不同腔角下流動(dòng)速度

3.2 鋁料在定徑帶處的變形溫度

在包覆中，鋁料為塑性狀態(tài)，鋼絲處于彈性狀態(tài)而不能有塑性變形發(fā)生.鋁的變形溫度高，抗力小，塑性流動(dòng)好，有利于鋁料均勻的包覆在鋼絲表面上.提高鋁的變形溫度將明顯增加鋼鋁結(jié)合強(qiáng)度，但鋁的變形溫度不宜超過(guò)500℃［7］，因?yàn)橐环矫鏈囟冗^(guò)高，鋁過(guò)于軟化.另一方面，鋁溫度高，鋼鋁之間存在熱傳遞，導(dǎo)致鋼絲溫度過(guò)高，容易使鋼絲表面氧化，強(qiáng)度降低.包覆模模角在10°～40°時(shí)，定徑帶處鋁的變形溫度分別大約為475、480、490和502℃.可以看出，角度過(guò)大時(shí)，由于鋁流動(dòng)不暢，坯料堆積，導(dǎo)致鋁的變形溫度過(guò)高，超過(guò)500℃.所以，模角40°下不利于包覆.模角在10°～30°之間，鋁的變形溫度在480℃上下，大體接近，有利于鋁均勻的包覆在鋼絲上.

3.3 不同模角對(duì)擠壓輪的影響

在連續(xù)擠壓包覆生產(chǎn)中，對(duì)擠壓輪壽命的影響是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題.影響擠壓輪壽命有其中兩個(gè)因素:擠壓輪所受的扭矩和擠壓輪在擋料快處的溫度.擠壓輪扭矩越大，其負(fù)載越大，擠壓輪則越容易斷裂.如圖6所示，包覆模角在10°～40°時(shí)，其擠壓輪所受扭矩大約分別為6.49×106、6.42×106、6.61 ×106和6.59 ×106N·mm.可以看出，腔角過(guò)大時(shí)，鋁料在包覆模內(nèi)流動(dòng)阻力變大，容易產(chǎn)生滯留或流動(dòng)不暢，使擠壓輪在擠壓過(guò)程中負(fù)荷增大.溫度也對(duì)擠壓輪有重要的影響.若溫度過(guò)高，一方面，容易使擠壓輪內(nèi)部組織發(fā)生變化而無(wú)法保證產(chǎn)品的機(jī)械性能.另一方面，容易氧化擠壓輪表面，使擠壓輪強(qiáng)度降低.擠壓輪一般采用材料為H13鋼，在擠壓過(guò)程中，包覆模模角在10°～40°時(shí)，溫度大約分別為195、165、186 和190℃.可以看出，模角為20°時(shí)，溫度最低，對(duì)擠壓輪最好.

圖6 不同腔角下擠壓輪扭矩及溫度

3.4 不同模角對(duì)包覆模具的影響

鋁料經(jīng)擠壓進(jìn)入腔體，充滿匯合室，在隨鋼絲擠出包覆的過(guò)程中，金屬的流動(dòng)會(huì)對(duì)包覆模產(chǎn)生比較大的載荷，主要集中在包覆模具的圓形錐面上.隨著金屬的流動(dòng)，主要受力方向?yàn)閤軸和z軸.載荷越大，模具承受的壓力越大，在模具邊緣處越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)模具損害越大.x軸和y軸模具所受載荷見(jiàn)表1.

表1 x軸和y軸模具所受載荷

通過(guò)上表可以看出，包覆模角為20°和30°時(shí)x軸方向所受載荷和y軸方向所受載荷比較小，對(duì)模具損害較小，可以延長(zhǎng)模具的使用壽命.

3.5 不同模角下鋁包鋼絲的包覆質(zhì)量

要獲得合格的包覆產(chǎn)品，在定徑帶處即出?？谔幈仨氂凶銐虻匿摻z徑向載荷和靜水壓力，這樣才能保證鋼和鋁之間良好的界面結(jié)合質(zhì)量［8］.靜水壓力也就是平均應(yīng)力，隨著靜水壓力的增大，一方面可使鋁料與鋼絲壁之間的摩擦增大，可抑制鋁料與鋼絲之間的相對(duì)滑動(dòng).另一方面，可抑制或消除塑性變形引起的微觀破壞和變形引起的附加拉應(yīng)力.所以，靜水壓力越大時(shí)，越容易包覆，包覆質(zhì)量越好.

圖7為不同腔角下靜水壓力和鋼絲徑向載荷的變化曲線圖，從圖中可以看出包覆模角從10°～40°，靜水壓力大約分別為 10.10、9.85、5.83、4.83，即隨著角度的減小，定徑帶處鋁料的靜水壓力增大，包覆質(zhì)量上越好.鋼絲徑向載荷最能反映鋼和鋁之間的界面結(jié)合質(zhì)量.鋼絲徑向載荷越大，鋼和鋁層之間的結(jié)合力越大，界面結(jié)合越牢固.包覆模角從10°～40°，鋼絲徑向載荷分別為4 850、4 720、4 610、4 600 N.所以，隨著角度的減小，鋼絲徑向載荷增大，界面結(jié)合質(zhì)量越好.綜上所述，包覆質(zhì)量的好壞取決于靜水壓力和鋼絲徑向載荷，隨著包覆模角的減小，靜水壓力和鋼絲徑向載荷增大，更加有利于提高包覆質(zhì)量.

圖7 不同腔角下靜水壓力和鋼絲徑向載荷

4 工程試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)DEFORM模擬結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)不同角度的包覆模進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證.在不同包覆模角度鋁包鋼絲連續(xù)生產(chǎn)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)包覆模角20°時(shí)，產(chǎn)品包覆質(zhì)量較好，表面光滑，條紋較細(xì).長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)，40°的包覆模圓錐面由于受到載荷過(guò)大，發(fā)生斷裂，且產(chǎn)品存在漏包和包覆表面差等現(xiàn)象，30°時(shí)也存在不同程度的漏包現(xiàn)象.在試驗(yàn)驗(yàn)證中，包覆模角20°時(shí)，包覆效最好.

5 結(jié)論

通過(guò)不同模角對(duì)連續(xù)包覆鋁包鋼絲影響的研究，發(fā)現(xiàn):

(1)包覆模角10°和20°時(shí)，金屬流動(dòng)均方差較小，流動(dòng)比較均勻且鋼絲的徑向載荷和定徑帶處坯料的靜水壓力較大，包覆質(zhì)量較好;

(2)包覆模角20°和30°時(shí)，鋁的變形溫度較高，最有利于包覆且包覆模具所受載荷最小，對(duì)模具損害最少;

(3)從對(duì)擠壓輪影響上分析，包覆模角20°時(shí)，擠壓輪所受扭矩最小，溫度最低，可最大化的提高擠壓輪使用壽命.綜上所述，從所有方面考慮，包覆模角20°為最優(yōu)角度，和工程試驗(yàn)驗(yàn)證相符合.

［1］張書九，莫璋.鋁包鋼絲制品的工藝特點(diǎn)及市場(chǎng)展望［J］.軋鋼，2001，18(6):30-33.

［2］鐘毅.連續(xù)擠壓技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:冶金工藝出版社，2004.

［3］運(yùn)新兵，宋寶韞，趙穎.異型銅帶連續(xù)擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15(4):142-145.

［4］劉彬彬.連續(xù)擠壓包覆(CONLCAD)過(guò)程的數(shù)值模擬［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2003.

［5］趙穎，宋寶韞，運(yùn)新兵，等.平行流鋁管連續(xù)擠壓金屬流動(dòng)的數(shù)值模擬研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2007，14(2):58-63.

［6］萬(wàn)萌萌，王延輝.鎂合金及純鋁連續(xù)擠壓流動(dòng)均勻性對(duì)比研究［J］.鍛壓技術(shù)，2013(4):135-139.

［7］宋寶韞，高飛，戴煥海，等.鋁包鋼絲制造新技術(shù)的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2001(3):303-305.

［8］彭孜，張強(qiáng).不同模型腔角下銅鋁復(fù)合連續(xù)包覆過(guò)程的數(shù)值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2012(8):714-718.