趙鴻金，李濤濤，巢 潔，楊正斌，胡玉軍

（江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州 341000）

連續(xù)擠壓銅扁排的阻流角設(shè)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西贛州 341000）

基于Deform-3D平臺，建立了Conform連續(xù)擠壓生產(chǎn)大寬厚比銅扁排有限元模型，研究了連續(xù)擠壓過程中阻流角變化對模具出口處金屬流動及相應(yīng)應(yīng)力場分布的影響規(guī)律，并結(jié)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(qū)域等效應(yīng)力值以及模具入口處沿擠壓方向應(yīng)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(wěn)定，扁排成形性較好；當(dāng)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(xù)擠壓；金屬流動規(guī)律；應(yīng)力場；阻流角；流速均方差

連續(xù)擠壓作為一種新型有色金屬加工技術(shù)，因其具有高效節(jié)能的生產(chǎn)優(yōu)勢，一經(jīng)問世，就受到諸多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.隨著Conform連續(xù)擠壓工藝和設(shè)備的不斷創(chuàng)新和完善，國內(nèi)外連續(xù)擠壓技術(shù)理論機理研究及工程化應(yīng)用方面都取得了一定進(jìn)展［1-4］，極大地推動了該技術(shù)的實際應(yīng)用，且相關(guān)研究仍在不斷進(jìn)行.許多學(xué)者采用解析法、有限單元法等對連續(xù)擠壓塑性成形過程理論進(jìn)行了研究［5-7］.

隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，連續(xù)擠壓塑性成形理論研究也由解析法轉(zhuǎn)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(xù)擠壓全過程的應(yīng)力-應(yīng)變場以及溫度場，王延輝等［10］采用數(shù)值模擬研究了通道長度對銅連續(xù)擠壓產(chǎn)品性能的影響.目前已有研究者采用有限元法對連續(xù)擠壓扁排成形過程塑性流動規(guī)律進(jìn)行研究，并探討模具結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)對塑性流動規(guī)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(guān)注，但全面系統(tǒng)地研究尚有所不及，對大擴展比連續(xù)擠壓［14-16］條件下模具的功能結(jié)構(gòu)模塊化和參數(shù)化、大擴展比連續(xù)擠壓工藝與模具綜合優(yōu)化等重要核心問題尚需開展系統(tǒng)深入地研究.為此，本文將基于有限元分析軟件Deform-3D對連續(xù)擠壓進(jìn)行數(shù)值模擬，采用該模型獲得扁排物理場分布規(guī)律以及模具不同阻流角對扁排成形的影響，以期為連續(xù)擠壓成形工藝的制定和實際生產(chǎn)提供可靠的理論支持.

1 模擬參數(shù)設(shè)置

實驗原料為某企業(yè)生產(chǎn)的純銅桿坯，在純銅桿坯上取樣進(jìn)行熱力模擬實驗，獲得高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖1），導(dǎo)入Deform-3D軟件的材料庫中，進(jìn)行連續(xù)擠壓模擬.

圖1 不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

大寬厚比銅扁排生產(chǎn)原理如圖2所示，擠壓輪和壓實輪轉(zhuǎn)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(shù)為30 N/（s·℃）.選取Φ20 mm的銅桿作為坯料，采用TJ400連續(xù)擠壓機擠出產(chǎn)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(shè)計依據(jù)實際生產(chǎn)過程中所采用的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，變形體直接進(jìn)入模具定徑帶部位，定徑帶長度為3 mm.

圖2 連續(xù)擠壓大寬厚比銅扁排剖面示意圖

圖3 擴展腔結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(guī)律.圖4為成形模具結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)擠壓扁排金屬流動規(guī)律

圖5（a）所示為金屬在擠壓輪摩擦力的作用下進(jìn)入擴展模，可以看到，金屬頭部在擴展模內(nèi)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(xù)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(jìn)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(jù)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(cè)金屬流速較快，可達(dá)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(chǎn)品逐漸穩(wěn)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(nèi)中間金屬的流動速度大于兩側(cè)，形成一個Y型特征；在穩(wěn)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(yīng)力場分布

圖6為連續(xù)擠壓穩(wěn)定階段等效應(yīng)力分布.由圖6可知，模具入口處和與堵頭呈45°夾角位置應(yīng)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(jìn)入尺寸較小的模具，形變量非常大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模具入口處應(yīng)力最大可達(dá)172 MPa.模具出口處金屬存在一定的殘余應(yīng)力值，對后續(xù)工序拉拔過程會造成不良影響.因而，整個連續(xù)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(fā)生失效，如果經(jīng)常拆卸，該部位可能發(fā)生磨損、嚴(yán)重變形、斷裂等，進(jìn)而影響擠壓件的表面質(zhì)量.

圖6 等效應(yīng)力分布圖

2.3 擠壓輪扭矩

連續(xù)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(xù)擠壓過程中擠壓輪扭矩-步數(shù)曲線.由圖7可以看出，金屬從徑向運動的開始至穩(wěn)定變形階段，擠壓輪扭矩直線上升.在穩(wěn)定變形階段，擠壓輪扭矩仍呈現(xiàn)波動狀態(tài).導(dǎo)致這一現(xiàn)象的部分原因是數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格劃分精度不夠?qū)е率諗啃Ч^差.穩(wěn)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(wěn)定，穩(wěn)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(wěn)定生產(chǎn)狀況下的扭矩為58.2 kN·m.

圖7 擠壓輪扭矩-步數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)阻流角后，金屬在阻流角區(qū)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(tài)影響，金屬變形過程非常復(fù)雜，容易導(dǎo)致金屬流出速度不穩(wěn)定，出現(xiàn)向上或向下彎曲，影響產(chǎn)品平直度，對后續(xù)拉拔產(chǎn)生不利影響.由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)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(wěn)定.

2.5 不同阻流角下金屬的應(yīng)力變化

圖9為金屬等效應(yīng)力場分布，可以看到，模具結(jié)構(gòu)改變時，擴展腔內(nèi)等效應(yīng)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(yīng)力集中.在模具入口處設(shè)置阻流角后，應(yīng)力均勻分布在該區(qū)域，且隨著阻流角的增加，該部位等效應(yīng)力增加，緩解了模具入口應(yīng)力過大造成的模具受損.當(dāng)阻流角為3°時，模具入口處金屬的等效應(yīng)力約為160 MPa，隨著阻流角的增加，等效應(yīng)力逐漸降低，阻力角為15°時，等效應(yīng)力約為140 MPa.由此可知，隨著阻流角增加，阻流角區(qū)域等效應(yīng)力值逐漸增加，而模具入口處等效應(yīng)力值逐漸較小，這有利于保護模具，增加產(chǎn)品生產(chǎn)效益.

圖9 各阻流角下的應(yīng)力場分布

2.6 沿擠壓方向模具所受應(yīng)力

在連續(xù)擠壓過程中，由于模具中間部位所受應(yīng)力較高，容易發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，如圖10（a）所示.研究中采用增設(shè)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(yīng)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(yīng)力變化，研究中根據(jù)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(yīng)力變化的方法，得出模具所受應(yīng)力變化的規(guī)律.在連續(xù)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(yīng)力開始呈直線上升，而后隨著金屬的流動，載荷呈穩(wěn)態(tài).圖10（c）為不同阻流角下，金屬在穩(wěn)態(tài)成形過程中，模具入口處沿擠壓方向所受平均應(yīng)力.由圖10（c）可知，模具沿擠壓方向受壓應(yīng)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(yuǎn)模具應(yīng)力越低，但在邊部拐角處應(yīng)力值出現(xiàn)劇烈上升的現(xiàn)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(dāng)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(wěn)定.隨著阻流角增加，阻流角區(qū)域等效應(yīng)力值逐漸增加，模具入口處沿擠壓方向應(yīng)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(nèi)，選擇3°、5°、15°的阻流角可使模具出口處金屬流速相對穩(wěn)定；當(dāng)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(jié) 論

1）金屬充滿整個型腔后，中間金屬的流動速度大于兩側(cè)，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(qū)內(nèi)的金屬通常處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，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(wěn)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(qū)域等效應(yīng)力值逐漸增加，模具入口處沿擠壓方向應(yīng)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(wěn)定；當(dāng)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.