席凱凱，孟滿丁，成培鑫，楊帥，向偉

25MN電極壓機壓制過程模擬及模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

席凱凱，孟滿丁，成培鑫，楊帥，向偉

（西部金屬材料股份有限公司 聯(lián)合技術(shù)中心，西安 710201）

針對25MN電極壓機壓制自耗電極過程中模具發(fā)生斷裂失效這一問題，利用數(shù)值模擬的方法分析模具產(chǎn)生斷裂失效的原因，并對模具結(jié)構(gòu)進行改進。首先建立了壓機模具的三維模型，利用有限元分析軟件Deform-3D對自耗電極的壓制過程進行了數(shù)值模擬。其次通過對壓制出的電極塊密度、電極塊表面等效應(yīng)力以及電極塊表面溫度等進行綜合分析，找到模具結(jié)構(gòu)的薄弱位置，并對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。最后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench及Deform-3D對改進前后的模具分別進行了約束模態(tài)對比分析及自耗電極壓制過程的對比分析。在工作過程中，電極壓機的頂模比底模更易產(chǎn)生斷裂失效，其薄弱位置分布在左右兩側(cè)的尖角部位。優(yōu)化后頂模的各階模態(tài)變形量均小于優(yōu)化前的各階模態(tài)變形量；優(yōu)化后的頂模壓制出的電極塊相對密度更大，由原來的0.89增大為1，電極塊的致密性更好；電極塊表面溫度降低，頂模發(fā)生塑性變形的概率減??；頂模尖角內(nèi)側(cè)受電極塊的反作用力減小，發(fā)生斷裂失效的風(fēng)險降低。上述研究結(jié)果驗證了本文對頂模結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性，并為電極壓機模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的理論參考。

電極壓機；模具；自耗電極；頂模；斷裂失效；模態(tài)分析

25MN海綿鈦電極壓機主要用于以海綿鈦為主要原料的自耗電極的壓制成形：從混料機接料開始，由加料裝置將混合均勻的散裝海綿鈦及中間合金送入壓機模具中，壓機將鈦或鈦合金散狀原料在一定形狀的模腔內(nèi)壓制成自耗電極塊，經(jīng)過脫料、推料、去飛邊、稱重、旋轉(zhuǎn)拼塊、焊接，最后形成柱狀電極，供真空自耗電弧爐熔煉使用[1-8]。

鈦合金自耗電極塊的制備方法有3種：擠制成形法、壓制成形法和等靜壓成形法。其中采用壓制成形法中的立式橫壓法制備的電極塊的軸向密度更加均勻，該方法有廣泛的應(yīng)用[9]。在立式橫壓法制備電極塊的過程中，由于海綿鈦的縱向壓縮和橫向膨脹會產(chǎn)生較大的縱向壓力和側(cè)向壓力，并作用于模具，因此模具必須要有足夠的強度和剛度才能壓制出具有一定形狀、足夠強度和致密度的電極塊[10-11]。許海健[2]主持研制了一種80 MN大噸位的海綿鈦電極壓機，該機器運行穩(wěn)定可靠，可連續(xù)壓制出滿足生產(chǎn)要求的電極塊。楊斌等[9]研究了鈦合金電極成形模具的結(jié)構(gòu)特點，對鈦合金電極塊成形過程中凹模的受力情況進行了分析，依據(jù)強度與剛度的計算準(zhǔn)則，推導(dǎo)了組合式模具凹模高度和壁厚的計算方法，為合理設(shè)計模具提供了依據(jù)。馬貴彪等[12]研究了50 MN油壓機的壓力- 密度曲線，認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)壓力值較小時，隨著壓力的增大，電極塊密度增大得較快，當(dāng)系統(tǒng)壓力值較大時，隨著壓力的增大，電極塊密度增加得較為緩慢。李軍仁等[11]針對80 MN海綿鈦壓機所壓制的電極塊從凸模中脫模困難及電極塊密度分布不均的問題，優(yōu)化了凸模成形面形狀，不僅徹底解決了電極塊脫模困難的問題，而且改善了電極塊密度不均勻的情況。劉剛[13]研制開發(fā)了一套壓制純鈦電極塊的生產(chǎn)工藝。王陽陽等[14]對電極塊壓制過程中的相對密度分布、粉末顆粒的流動規(guī)律進行了分析，同時對現(xiàn)有壓制模具進行了優(yōu)化，研究表明，粉末顆粒整體流動性增大，電極塊相對密度提高，表面裂紋基本消除。王曉成等[15]研究了傳統(tǒng)電極塊成形模具的結(jié)構(gòu)及使用中存在的問題，設(shè)計了一種新型的上模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成功解決了電極塊密度不均勻、邊角不能壓實、模具錘頭磨損過快等問題，為制備高化學(xué)均勻的大型鑄錠奠定了基礎(chǔ)。

針對25MN電極壓機壓制自耗電極過程中模具產(chǎn)生貫穿裂紋這一問題，本文利用有限元分析軟件對自耗電極的壓制過程進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合模態(tài)分析，找到了模具結(jié)構(gòu)的薄弱位置，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以延長模具的使用壽命，壓制出滿足使用要求的電極塊，進而提高生產(chǎn)效率。

1 自耗電極壓制過程模擬研究

在三維軟件Solidworks中建立散裝海綿鈦、頂模、側(cè)模和底模的三維模型并進行裝配，以模擬壓制自耗電極的模具位置關(guān)系，如圖1所示。將上述裝配模型導(dǎo)入有限元分析軟件Deform-3D中[16]進行電極塊壓制過程的模擬研究。

圖1 模具裝配模型

1.1 材料屬性設(shè)置

將散裝的海綿鈦視為可壓縮的連續(xù)體，材料模型采用多孔性體模型[17-18]，所壓制的物料為海綿鈦顆粒和中間合金顆粒的混合體。根據(jù)海綿鈦顆粒及合金顆粒的大小、孔隙等裝料實際情況[19]，計算確定材料初始相對密度為0.318，材料為TC4。由于模具工作表面要承受較大的壓力和摩擦力，應(yīng)具備較高的硬度和耐磨性，因此頂模、底模和側(cè)模的材料均采用合金工具鋼Cr12MoV。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了加快運算速度，網(wǎng)格單元類型采用六面體單元。為了提高運算精度，盡可能細化海綿鈦以及海綿鈦附近區(qū)域的模具網(wǎng)格，并對海綿鈦進行體積補償。裝配體的網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

1.3 邊界條件

因自耗電極的壓制屬于冷擠壓塑性成形，故采用常系數(shù)剪切摩擦模型，海綿鈦顆粒與模具的摩擦因數(shù)設(shè)為0.4[20]。在自耗電極壓制過程中，考慮到變形熱及熱傳遞，根據(jù)經(jīng)驗將熱交換系數(shù)設(shè)為11 W/(m2·K)，模具與海綿鈦顆粒的初始溫度均設(shè)為20 ℃。

1.4 載荷設(shè)置

自耗電極壓制過程是非常復(fù)雜的，很多因素會對壓力值產(chǎn)生影響，壓力的波動會致使壓機提前達到設(shè)定壓力而停止，導(dǎo)致壓制出的電極塊密度不夠。電極塊密度直接受其體積影響。定程壓制是頂模運動到設(shè)定位置后停止運動并保壓的過程，所以采用定程壓制方式壓制出的電極塊密度更加穩(wěn)定、可靠。本文將底模和側(cè)模固定，頂模下行的速度設(shè)置為10 mm/s，時間設(shè)為23 s，對海綿鈦顆粒及中間合金顆粒進行定程壓制。

1.5 模擬結(jié)果分析

1.5.1 電極塊密度

圖3為頂模行進方向的載荷隨時間變化的曲線，從圖3可以看到，隨著頂模下行時間的延長，頂模施加到電極塊上表面的壓力值越來越大，隨著壓力的累積，海綿鈦顆粒之間的接觸越來越緊密，電極塊的相對密度也就越來越大（如圖4）。另外，隨著時間的延長，頂模載荷在開始階段速度增大得比較緩慢，在壓制的后期頂模載荷急劇增大，呈指數(shù)函數(shù)增長，因此在壓制出工藝要求的電極塊密度后，便可停止施加載荷，防止頂模在持續(xù)高壓載荷作用下發(fā)生斷裂失效。

圖3 頂模壓力隨時間變化曲線

圖4為不同時刻電極塊密度云圖，從圖4可以看到，電極塊密度較大的地方有3處（如圖4中線圈），第一處和第二處均出現(xiàn)在電極塊左右兩側(cè)的尖角處，該位置分別受到頂模和底模左右兩側(cè)尖角的擠壓力，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，因此相對密度值較大；第三處出現(xiàn)在電極塊上部與側(cè)模接觸的外表面區(qū)域，電極塊受壓產(chǎn)生橫向膨脹，在膨脹過程中受到側(cè)模約束，與側(cè)模接觸的電極塊密度率先增大，隨著壓力的增大，密度增大的趨勢逐漸向心部延伸。整個電極塊密度增大的趨勢是從上到下，由外到內(nèi)，在電極塊上部左右兩側(cè)的尖角處密度值最大。

1.5.2 電極塊表面等效應(yīng)力分析

電極塊表面不同時刻的等效應(yīng)力分布云圖如圖5所示，12 s時電極塊和頂模的應(yīng)力分布情況如圖6所示?？梢钥吹?，隨著頂模下行時間的延長，電極塊表面的等效應(yīng)力值越來越大，最大值分布在電極塊上部左右兩側(cè)的尖角處（如圖6a圓圈內(nèi)），此處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于作用力與反作用力的關(guān)系，頂模左右兩側(cè)尖角因受電極塊的反作用力（如圖6b扇形箭頭）而張開并與側(cè)模接觸，此時電極塊與頂模、底模及側(cè)模充分接觸。整個電極塊表面等效應(yīng)力按照由上到下、由外到內(nèi)的順序增大。由電極塊表面應(yīng)力的分布情況以及作用力與反作用力的關(guān)系可知，模具的最大應(yīng)力分布在頂模左右兩側(cè)的尖角處，并非在底模上。

圖4 t=1、12、23 s時電極塊的密度云圖

圖5 電極塊表面不同時刻的等效應(yīng)力分布云圖

圖6 12 s時電極塊和頂模的力學(xué)分布

1.5.3 電極塊表面溫度分析

不同時刻下電極塊表面的溫度場云圖如圖7所示?？梢钥吹?，隨著頂模下行時間的延長，海綿鈦顆粒之間的相互擠壓頻率越來越高，海綿鈦顆粒之間、海綿鈦顆粒與模具之間的摩擦也越來越頻繁，擠壓與摩擦共同產(chǎn)生的熱量越來越多，導(dǎo)致電極塊表面的溫度急劇升高。電極塊表面溫度較高的地方總共有3處（如圖7中的線圈），第一處和第二處均出現(xiàn)在電極塊左右兩側(cè)的尖角處，該位置分別受到頂模和底模左右兩側(cè)尖角的集中應(yīng)力，海綿鈦顆粒的擠壓頻率較高，產(chǎn)生的熱量較大；第三處出現(xiàn)在電極塊上部與側(cè)模接觸的外表面區(qū)域，該區(qū)域與側(cè)模存在較大的摩擦力，以摩擦生熱為主，該區(qū)域也存在擠壓生熱，兩者共同作用使該區(qū)域產(chǎn)生的熱量較多。整個電極塊表面溫度按照由上到下、由外到內(nèi)的順序上升。由于電極塊上部的溫度遠遠高于底部的溫度，因此通過熱傳導(dǎo)傳遞到頂模的熱量也就比底模多，頂模吸收較多的熱量后更易產(chǎn)生塑性變形，其強度有所下降，在此情況下，底模的強度高于頂模強度。

圖7 不同時刻下電極塊表面的溫度場云圖

由上述模擬結(jié)果可知，與底模相比，頂模在實際工作中承受的載荷更大，更易產(chǎn)生斷裂失效。因此，有必要對頂模進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

2 頂模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在自耗電極壓制過程中，頂模左右兩側(cè)尖角受到電極塊的反作用力，需承受較大載荷，為頂模的薄弱區(qū)域，需要對該區(qū)域進行加強，以提高頂模的整體剛度。通過對頂模進行受力分析，本文提出以下頂模結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：1）增大頂模左右尖角內(nèi)側(cè)的斜度；2）減小尖角長度，即減小尖角插入海綿鈦顆粒中的深度。通過以上方案可優(yōu)化頂模結(jié)構(gòu)，減小電極塊反作用于頂模尖角內(nèi)側(cè)壁的載荷，降低頂模因承受過大載荷而發(fā)生斷裂失效的概率。

對頂模結(jié)構(gòu)進行了以下改進：1）增大頂模尖角內(nèi)側(cè)壁斜度，由原來的26°增大至42°；2）在保證電極塊外形尺寸在公差允許范圍內(nèi)的條件下，降低頂模左右兩側(cè)尖角距型腔頂部的高度，從23.5 mm降至21 mm。頂模改進前后的截面尺寸如圖8所示。

3 模態(tài)分析

為了驗證頂模結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對改進前后的頂模進行約束模態(tài)[21-24]對比分析。將頂模尾部的螺栓孔設(shè)置為固定約束，將頂模與壓機連接的平面設(shè)置為無摩擦支撐，以模擬頂模在非工作條件下的狀態(tài)。

頂模結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各階模態(tài)的變形云圖如圖9～ 12所示?？梢钥吹剑?種結(jié)構(gòu)變形較大的位置均分布在左右兩側(cè)的尖角邊區(qū)域，這些區(qū)域都是結(jié)構(gòu)比較薄弱的區(qū)域，剛度較小，尤其是一階模態(tài)更能真實反映結(jié)構(gòu)的變形情況。2種結(jié)構(gòu)1～8階模態(tài)的變形量變化曲線如圖13所示?？梢钥吹?，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變形量比優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)變形量小，說明本文對頂膜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是合理的。

圖8 頂模改進前后的截面尺寸

4 壓制過程模擬分析

對改進后的頂模與其他模具再次進行裝配，然后導(dǎo)入有限元分析軟件Deform-3D中進行自耗電極壓制過程的模擬，材料屬性、邊界條件、載荷設(shè)置均與第1節(jié)保持一致。

4.1 電極塊密度

改進后頂模壓制成的電極塊如圖14所示?？梢钥吹?，改進后頂模壓制成的電極塊密度更加均勻，相對密度更大，最大相對密度由原來的0.89增大為1，均滿足工藝要求（≥0.7）[25]。電極塊的致密性更好，經(jīng)組焊后整根電極柱的強度提高，鑄錠的熔煉質(zhì)量及成分的均勻性也更好。

圖9 一階模態(tài)變形云圖

圖11 五階模態(tài)變形云圖

圖12 七階模態(tài)變形云圖

4.2 電極塊表面等效應(yīng)力

頂模改進前后電極塊表面的等效應(yīng)力云圖如圖15所示。可以看到，優(yōu)化后的電極塊左右兩側(cè)尖角處的應(yīng)力值減小，由原來的1 250 MPa減小為1 220 MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到改善（如圖15中線圈部分所示），頂模左右尖角內(nèi)側(cè)受到的反作用力減小，頂模發(fā)生失效斷裂的風(fēng)險也隨之減小。

4.3 電極塊表面溫度

頂模改進后電極塊表面的溫度場云圖如圖16所示?？梢钥吹剑斈８倪M后電極塊表面的溫度整體降低，由原來的396 ℃降低為365 ℃，因此，通過熱傳導(dǎo)傳遞到頂模的熱量也就比改進前的有所減少，頂模的強度相對提高。

圖13 2種結(jié)構(gòu)1～8階模態(tài)變形量的變化曲線

圖14 t=12 s以及23 s時電極塊的密度云圖

圖15 頂模改進前后電極塊表面的等效應(yīng)力云圖

綜上可知，對于由改進后的頂模壓制出的電極塊，其密度及均勻性得到提升，頂模的強度得到提高，頂模發(fā)生斷裂失效的概率變小，因此電極塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是合理的。

圖16 頂模改進后電極塊表面的溫度場云圖

5 結(jié)論

1）相較于底模，電極壓機頂模發(fā)生斷裂失效的概率更大。

2）電極塊密度、電極塊表面等效應(yīng)力以及電極塊表面溫度均按照由上到下、由外到內(nèi)的順序上升。

3）對頂模改進后，電極塊的最大相對密度由0.89增大為1，電極塊左右兩側(cè)尖角處的應(yīng)力值由1 250 MPa減小為1 220 MPa，電極塊表面溫度由396 ℃降低為365 ℃，電極塊的致密性有所提高，頂模發(fā)生斷裂失效的風(fēng)險減小。

4）電極塊的密度能滿足強度要求即可，不能過高追求密度和強度，這樣會使設(shè)備承受很大的壓力，進而縮短設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的安全系數(shù)。

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Process Simulation of 25MN Electrode Press and Structure Optimization of Die

XI Kai-kai, MENG Man-ding, CHENG Pei-xin, YANG Shuai, XIANG Wei

(United Technology Center, West Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China)

The work aims to analyze the reason of fracture failure of the die by numerical simulation, and improve the structure of the die to solve problem of die fracture failure in 25MN electrode press pressing consumable electrodes. In this work, a 3D model of the press die was first established, and the finite element analysis software Deform-3D was used to numerically simulate the pressing process of the consumable electrode. Through comprehensive analysis on the density of the pressed electrode block, the equivalent stress on the surface of the electrode block and the surface temperature of the electrode block, the weak position of the mold structure was found and the structure was optimized and improved. Finally, the finite element analysis software ANSYS Workbench and Deform-3D were used to carry out comparative analysis on the constrained mode of the die before and after the improvement and comparative analysis of the consumable electrode pressing process. The simulation results showed that the top die of electrode press was more prone to fracture failure than the bottom die in the working process, and its weak position was distributed in the sharp corners of the left and right sides. The modal deformation of the top die after optimization was smaller than that before optimization. The relative density of electrode block pressed with the optimized top die was higher, which increased from 0.89 to 1, and the density of the electrode block was better. When the surface temperature of electrode block decreased, the probability of plastic deformation of the top die decreased. The reaction force of the electrode block inside the tip corner of the top die was reduced and the risk of fracture failure was also reduced. The above research results verify the rationality of the structure optimization of the top die in this paper, and provide a theoretical reference for the structure optimization of the electrode press die.

electrode press; die; consumable electrode; top die; fracture failure; modal analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.014

TG316

A

1674-6457(2023)10-0120-09

2023-03-28

2023-03-28

陜西省重點研發(fā)計劃（2019ZDLGY05-08）

Shaanxi Province Key R&D Plan (2019ZDLGY05-08)

席凱凱, 孟滿丁, 成培鑫, 等. 25MN電極壓機壓制過程模擬及模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 120-128.

XI Kai-kai, MENG Man-ding, CHENG Pei-xin, et al. Process Simulation of 25MN Electrode Press and Structure Optimization of Die[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 120-128.

責(zé)任編輯：蔣紅晨