挤压轮转速对铝护套连续挤压包覆过程的影响

吴斌++王如见++杜春雷

摘 要：基于Deform-3D模拟分析铝护套连续包覆成形过程，挤压轮转速的增加不利于导流模处金属流动的均匀性，随着挤压轮转速的提高，可能会造成模腔的失效，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。综合考虑连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高，挤压轮的转速为4～6 rpm较为合适。

关键词：铝护套 连续挤压包覆 挤压轮转速

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

连续挤压包覆技术（Continuous Extrusion Cladding）是在连续挤压技术基础上发展起来的一种新型塑性加工技术，广泛应用于双金属复合导线、电缆护套、光缆护套等的生产上[1]。但是连续包覆成形是一个非常复杂的过程，首先其挤压轮槽为扩展型，极易出现拱起现象使坯料与轮槽脱离接触，摩擦驱动力降低，再者坯料进入模腔后温度急剧升高，高于纯铝再结晶温度使坯料与模腔内壁的粘着现象出现，坯料与模腔摩擦力急剧升高，两者同时作用使纯铝坯料流动速度急剧降低，在实际生产出现堵模和卷曲现象，所以通过有限元数值模拟分析铝护套生产金属流动过程有十分重要的意义。

1 有限元模型建立

铝护套连续包覆成形过程采用有限元数值模拟软件Deform-3D进行模拟分析，连续包覆过程中坯料塑性变形剧烈，弹性变形对整个变形过程影响很小，则可以采用刚-粘塑性有限元法。连续包覆铝护套生产采用单轮双槽式结构，模型具有对称性，为提高有限元模拟计算速度，取其一半作为研究对象，如图1所示。根据连续挤压包覆变形的特点，以Φ9.5 mm的1100铝为原料，只分析挤压轮速对金属变形的影响，选取挤压轮转速为2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四种情况下挤出外径为16 mm，壁厚为1 mm的电缆铝护套进行模拟分析。

连续包覆过程中的摩擦是一个较为复杂的摩擦过程，摩擦是在变压力、变温度作用下产生的，而且连续包覆中的摩擦是伴随着工件塑性变形，摩擦因子应为速度、温度和变形量的函数[2]，但在应用DEFORM-3D有限元软件模拟加工时，根据其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定变形体与同一接触体之间为一个不变量。各摩擦因子和其它初始条件设置如表1[3]所示。但在实际当中，由于摩擦的状态在不断发生变化，因此摩擦问题总是最终影响计算结果偏差较大的一个关键原因之一[4]。

2 数值模拟结果与分析

2.1 金属流动速度分布

图2为在不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔内坯料的速度分布图。

从图2中速度分布来看，随着挤压轮转速的不同，模腔内金属的流度也不同。金属的流动速度的增加倍数与挤压轮转速增加的倍数大致相当。这主要是由于挤压轮的转动是整个连续挤压包覆过程中一切金属变形的动力源，挤压轮转速的增加后，模腔内金属坯料也会相应增加。由图2的四个不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔中金属坯料的流动速度可以看出，挤压轮转速的变化不能改变导流模上下两部分金属流动速度差，随着挤压轮转速的增加，导流模上下两部分金属流动的最高速度与最低速度的比值大致保持在3～4，没有太大变化，但是由于整个模腔内金属流动速度的增加，则导流模上下两部分金属流动速度差的绝对值随着挤压轮转速的增加逐渐增大。因此，挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

2.2 坯料最高温度

图3为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与金属坯料最高温度的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，金属坯料的最高温度也相应升高，这主要是因为挤压轮转动是整个连续挤压包覆过程的动力源，挤压轮的转速增加，则单位时间内金属与挤压轮接触面的摩擦热和塑性变形热增大。随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高。在整个连续挤压包覆过程中，当挤压速度为2 rpm时，坯料的最高温度出现在连续挤压包覆模腔中，而当挤压轮转速从4 rpm增加到8 rpm时，金属坯料的最高温度在堵头处。这主要是因为挤压轮转速很小时，进入模腔前金属坯料的温度不是很高，而模腔的预热温度为450 ℃，模腔内的金属坯料受到模腔的热传导，温度继续升高。另外，当挤压轮转速为8 rpm时，堵头与模口之间的台阶处，坯料的温度上升到647 ℃，此处为金属变形死区，应力非常集中，而模具材料为H13钢，温度超过600 ℃时，性能急剧降低，可能会造成模腔的失效。因此，在实际生产中，挤压轮的转速采用4 rpm和6 rpm较为合适。

2.3 挤压轮扭矩

图4为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与挤压轮扭矩的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，挤压轮扭矩先减小后增大，挤压轮转速为6 rpm时是扭矩变化的拐点。

而挤压轮的驱动功率W（KW）为：

（1）

式中：M为挤压轮扭矩；n为挤压轮转速。

表2所示为利用式（1）计算得到挤压轮的驱动功率。由表2可以看出，随着挤压轮转速的增加，挤压轮的驱动功率也相应增加。因此，在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。

3 结论

（1）挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

（2）随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高，可能会造成模腔的失效。

（3）在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。在综合考虑了连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高后，挤压轮的转速为4～6rpm较为合适。

参考文献

[1] 宋宝韫，樊志新，刘元文，等.铜、铝连续挤压技术特点及工业应用[J].稀有金属，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 储灿东，彭颖红，阮雪榆.连续挤压成形过程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大学学报，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱伟，张质良.有限元数值模拟的若干关键技术[J].计算机仿真，2004，22（3）：88-91.endprint

摘 要：基于Deform-3D模拟分析铝护套连续包覆成形过程，挤压轮转速的增加不利于导流模处金属流动的均匀性，随着挤压轮转速的提高，可能会造成模腔的失效，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。综合考虑连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高，挤压轮的转速为4～6 rpm较为合适。

关键词：铝护套 连续挤压包覆 挤压轮转速

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

连续挤压包覆技术（Continuous Extrusion Cladding）是在连续挤压技术基础上发展起来的一种新型塑性加工技术，广泛应用于双金属复合导线、电缆护套、光缆护套等的生产上[1]。但是连续包覆成形是一个非常复杂的过程，首先其挤压轮槽为扩展型，极易出现拱起现象使坯料与轮槽脱离接触，摩擦驱动力降低，再者坯料进入模腔后温度急剧升高，高于纯铝再结晶温度使坯料与模腔内壁的粘着现象出现，坯料与模腔摩擦力急剧升高，两者同时作用使纯铝坯料流动速度急剧降低，在实际生产出现堵模和卷曲现象，所以通过有限元数值模拟分析铝护套生产金属流动过程有十分重要的意义。

1 有限元模型建立

铝护套连续包覆成形过程采用有限元数值模拟软件Deform-3D进行模拟分析，连续包覆过程中坯料塑性变形剧烈，弹性变形对整个变形过程影响很小，则可以采用刚-粘塑性有限元法。连续包覆铝护套生产采用单轮双槽式结构，模型具有对称性，为提高有限元模拟计算速度，取其一半作为研究对象，如图1所示。根据连续挤压包覆变形的特点，以Φ9.5 mm的1100铝为原料，只分析挤压轮速对金属变形的影响，选取挤压轮转速为2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四种情况下挤出外径为16 mm，壁厚为1 mm的电缆铝护套进行模拟分析。

连续包覆过程中的摩擦是一个较为复杂的摩擦过程，摩擦是在变压力、变温度作用下产生的，而且连续包覆中的摩擦是伴随着工件塑性变形，摩擦因子应为速度、温度和变形量的函数[2]，但在应用DEFORM-3D有限元软件模拟加工时，根据其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定变形体与同一接触体之间为一个不变量。各摩擦因子和其它初始条件设置如表1[3]所示。但在实际当中，由于摩擦的状态在不断发生变化，因此摩擦问题总是最终影响计算结果偏差较大的一个关键原因之一[4]。

2 数值模拟结果与分析

2.1 金属流动速度分布

图2为在不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔内坯料的速度分布图。

从图2中速度分布来看，随着挤压轮转速的不同，模腔内金属的流度也不同。金属的流动速度的增加倍数与挤压轮转速增加的倍数大致相当。这主要是由于挤压轮的转动是整个连续挤压包覆过程中一切金属变形的动力源，挤压轮转速的增加后，模腔内金属坯料也会相应增加。由图2的四个不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔中金属坯料的流动速度可以看出，挤压轮转速的变化不能改变导流模上下两部分金属流动速度差，随着挤压轮转速的增加，导流模上下两部分金属流动的最高速度与最低速度的比值大致保持在3～4，没有太大变化，但是由于整个模腔内金属流动速度的增加，则导流模上下两部分金属流动速度差的绝对值随着挤压轮转速的增加逐渐增大。因此，挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

2.2 坯料最高温度

图3为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与金属坯料最高温度的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，金属坯料的最高温度也相应升高，这主要是因为挤压轮转动是整个连续挤压包覆过程的动力源，挤压轮的转速增加，则单位时间内金属与挤压轮接触面的摩擦热和塑性变形热增大。随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高。在整个连续挤压包覆过程中，当挤压速度为2 rpm时，坯料的最高温度出现在连续挤压包覆模腔中，而当挤压轮转速从4 rpm增加到8 rpm时，金属坯料的最高温度在堵头处。这主要是因为挤压轮转速很小时，进入模腔前金属坯料的温度不是很高，而模腔的预热温度为450 ℃，模腔内的金属坯料受到模腔的热传导，温度继续升高。另外，当挤压轮转速为8 rpm时，堵头与模口之间的台阶处，坯料的温度上升到647 ℃，此处为金属变形死区，应力非常集中，而模具材料为H13钢，温度超过600 ℃时，性能急剧降低，可能会造成模腔的失效。因此，在实际生产中，挤压轮的转速采用4 rpm和6 rpm较为合适。

2.3 挤压轮扭矩

图4为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与挤压轮扭矩的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，挤压轮扭矩先减小后增大，挤压轮转速为6 rpm时是扭矩变化的拐点。

而挤压轮的驱动功率W（KW）为：

（1）

式中：M为挤压轮扭矩；n为挤压轮转速。

表2所示为利用式（1）计算得到挤压轮的驱动功率。由表2可以看出，随着挤压轮转速的增加，挤压轮的驱动功率也相应增加。因此，在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。

3 结论

（1）挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

（2）随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高，可能会造成模腔的失效。

（3）在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。在综合考虑了连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高后，挤压轮的转速为4～6rpm较为合适。

参考文献

[1] 宋宝韫，樊志新，刘元文，等.铜、铝连续挤压技术特点及工业应用[J].稀有金属，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 储灿东，彭颖红，阮雪榆.连续挤压成形过程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大学学报，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱伟，张质良.有限元数值模拟的若干关键技术[J].计算机仿真，2004，22（3）：88-91.endprint

摘 要：基于Deform-3D模拟分析铝护套连续包覆成形过程，挤压轮转速的增加不利于导流模处金属流动的均匀性，随着挤压轮转速的提高，可能会造成模腔的失效，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。综合考虑连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高，挤压轮的转速为4～6 rpm较为合适。

关键词：铝护套 连续挤压包覆 挤压轮转速

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

连续挤压包覆技术（Continuous Extrusion Cladding）是在连续挤压技术基础上发展起来的一种新型塑性加工技术，广泛应用于双金属复合导线、电缆护套、光缆护套等的生产上[1]。但是连续包覆成形是一个非常复杂的过程，首先其挤压轮槽为扩展型，极易出现拱起现象使坯料与轮槽脱离接触，摩擦驱动力降低，再者坯料进入模腔后温度急剧升高，高于纯铝再结晶温度使坯料与模腔内壁的粘着现象出现，坯料与模腔摩擦力急剧升高，两者同时作用使纯铝坯料流动速度急剧降低，在实际生产出现堵模和卷曲现象，所以通过有限元数值模拟分析铝护套生产金属流动过程有十分重要的意义。

1 有限元模型建立

铝护套连续包覆成形过程采用有限元数值模拟软件Deform-3D进行模拟分析，连续包覆过程中坯料塑性变形剧烈，弹性变形对整个变形过程影响很小，则可以采用刚-粘塑性有限元法。连续包覆铝护套生产采用单轮双槽式结构，模型具有对称性，为提高有限元模拟计算速度，取其一半作为研究对象，如图1所示。根据连续挤压包覆变形的特点，以Φ9.5 mm的1100铝为原料，只分析挤压轮速对金属变形的影响，选取挤压轮转速为2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四种情况下挤出外径为16 mm，壁厚为1 mm的电缆铝护套进行模拟分析。

连续包覆过程中的摩擦是一个较为复杂的摩擦过程，摩擦是在变压力、变温度作用下产生的，而且连续包覆中的摩擦是伴随着工件塑性变形，摩擦因子应为速度、温度和变形量的函数[2]，但在应用DEFORM-3D有限元软件模拟加工时，根据其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定变形体与同一接触体之间为一个不变量。各摩擦因子和其它初始条件设置如表1[3]所示。但在实际当中，由于摩擦的状态在不断发生变化，因此摩擦问题总是最终影响计算结果偏差较大的一个关键原因之一[4]。

2 数值模拟结果与分析

2.1 金属流动速度分布

图2为在不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔内坯料的速度分布图。

从图2中速度分布来看，随着挤压轮转速的不同，模腔内金属的流度也不同。金属的流动速度的增加倍数与挤压轮转速增加的倍数大致相当。这主要是由于挤压轮的转动是整个连续挤压包覆过程中一切金属变形的动力源，挤压轮转速的增加后，模腔内金属坯料也会相应增加。由图2的四个不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔中金属坯料的流动速度可以看出，挤压轮转速的变化不能改变导流模上下两部分金属流动速度差，随着挤压轮转速的增加，导流模上下两部分金属流动的最高速度与最低速度的比值大致保持在3～4，没有太大变化，但是由于整个模腔内金属流动速度的增加，则导流模上下两部分金属流动速度差的绝对值随着挤压轮转速的增加逐渐增大。因此，挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

2.2 坯料最高温度

图3为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与金属坯料最高温度的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，金属坯料的最高温度也相应升高，这主要是因为挤压轮转动是整个连续挤压包覆过程的动力源，挤压轮的转速增加，则单位时间内金属与挤压轮接触面的摩擦热和塑性变形热增大。随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高。在整个连续挤压包覆过程中，当挤压速度为2 rpm时，坯料的最高温度出现在连续挤压包覆模腔中，而当挤压轮转速从4 rpm增加到8 rpm时，金属坯料的最高温度在堵头处。这主要是因为挤压轮转速很小时，进入模腔前金属坯料的温度不是很高，而模腔的预热温度为450 ℃，模腔内的金属坯料受到模腔的热传导，温度继续升高。另外，当挤压轮转速为8 rpm时，堵头与模口之间的台阶处，坯料的温度上升到647 ℃，此处为金属变形死区，应力非常集中，而模具材料为H13钢，温度超过600 ℃时，性能急剧降低，可能会造成模腔的失效。因此，在实际生产中，挤压轮的转速采用4 rpm和6 rpm较为合适。

2.3 挤压轮扭矩

图4为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与挤压轮扭矩的关系曲线，随着挤压轮转速的增加，挤压轮扭矩先减小后增大，挤压轮转速为6 rpm时是扭矩变化的拐点。

而挤压轮的驱动功率W（KW）为：

（1）

式中：M为挤压轮扭矩；n为挤压轮转速。

表2所示为利用式（1）计算得到挤压轮的驱动功率。由表2可以看出，随着挤压轮转速的增加，挤压轮的驱动功率也相应增加。因此，在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。

3 结论

（1）挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。

（2）随着挤压轮转速的提高，则挤压速度也相应提高，挤压包覆过程中热量不易散失，坯料的最高温度也相应升高，可能会造成模腔的失效。

（3）在连续挤压包覆过程中，不考虑其它因素下，提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。在综合考虑了连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高后，挤压轮的转速为4～6rpm较为合适。

参考文献

[1] 宋宝韫，樊志新，刘元文，等.铜、铝连续挤压技术特点及工业应用[J].稀有金属，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 储灿东，彭颖红，阮雪榆.连续挤压成形过程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大学学报，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱伟，张质良.有限元数值模拟的若干关键技术[J].计算机仿真，2004，22（3）：88-91.endprint