连续挤压铜扁排的阻流角设计及物理场分布

赵鸿金，李涛涛，巢 洁，杨正斌，胡玉军

（江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州 341000）

连续挤压铜扁排的阻流角设计及物理场分布

赵鸿金，李涛涛，巢 洁，杨正斌，胡玉军

（江西理工大学材料科学与工程学院，江西赣州 341000）

基于Deform-3D平台，建立了Conform连续挤压生产大宽厚比铜扁排有限元模型，研究了连续挤压过程中阻流角变化对模具出口处金属流动及相应应力场分布的影响规律，并结合方差分析法获得了模具出口处的流速均方差，观察模具阻流角对扁排成型的影响.研究表明：模具阻流角从3°～15°变化时，随着阻流角的增加，金属流速均方差先增大后减小，其阻流角区域等效应力值以及模具入口处沿挤压方向应力也逐渐增加；在定径带长度一定以及模具载荷允许的情况下，选择3°、5°、15°的阻流角可使模具出口处金属流速相对稳定，扁排成形性较好；当模具容易损坏时，选择3°和5°阻流角既可降低模具载荷又可获得板形均匀的扁排.

连续挤压；金属流动规律；应力场；阻流角；流速均方差

连续挤压作为一种新型有色金属加工技术，因其具有高效节能的生产优势，一经问世，就受到诸多国内外学者的关注.随着Conform连续挤压工艺和设备的不断创新和完善，国内外连续挤压技术理论机理研究及工程化应用方面都取得了一定进展［1-4］，极大地推动了该技术的实际应用，且相关研究仍在不断进行.许多学者采用解析法、有限单元法等对连续挤压塑性成形过程理论进行了研究［5-7］.

随着计算机科学的不断发展，连续挤压塑性成形理论研究也由解析法转而趋向于有限单元法［8］.储灿东等［9］采用刚粘塑性有限元模拟法得出了连续挤压全过程的应力-应变场以及温度场，王延辉等［10］采用数值模拟研究了通道长度对铜连续挤压产品性能的影响.目前已有研究者采用有限元法对连续挤压扁排成形过程塑性流动规律进行研究，并探讨模具结构参数及工艺参数对塑性流动规律、组织性能的影响［11-13］.尽管众多研究者对此给予了广泛关注，但全面系统地研究尚有所不及，对大扩展比连续挤压［14-16］条件下模具的功能结构模块化和参数化、大扩展比连续挤压工艺与模具综合优化等重要核心问题尚需开展系统深入地研究.为此，本文将基于有限元分析软件Deform-3D对连续挤压进行数值模拟，采用该模型获得扁排物理场分布规律以及模具不同阻流角对扁排成形的影响，以期为连续挤压成形工艺的制定和实际生产提供可靠的理论支持.

1 模拟参数设置

实验原料为某企业生产的纯铜杆坯，在纯铜杆坯上取样进行热力模拟实验，获得高温下的应力-应变曲线（图1），导入Deform-3D软件的材料库中，进行连续挤压模拟.

图1 不同应变速率的应力-应变曲线

大宽厚比铜扁排生产原理如图2所示，挤压轮和压实轮转速分别为0.837和1.432 rad/s.开始挤压时，坯料温度为20℃，工模具温度为500℃，工模具与坯料间的传热系数为30 N/（s·℃）.选取Φ20 mm的铜杆作为坯料，采用TJ400连续挤压机挤出产品截面尺寸厚度为3 mm、宽度为100 mm、宽度与厚度交接处弧度r=0.5 mm的大宽厚比铜扁排.扩展腔的设计依据实际生产过程中所采用的结构，L为114 mm，l为62 mm，H为42 mm，h为30 mm，腔体通道长度为25 mm（图3）；成形模具运用简单的平模结构，变形体直接进入模具定径带部位，定径带长度为3 mm.

图2 连续挤压大宽厚比铜扁排剖面示意图

图3 扩展腔结构参数

分析阻流角为3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°对扁排成形的影响，研究阻流角对扁排成形影响规律.图4为成形模具结构，d为定径带尺寸，其中d=3 mm，阻流角到定径带的总长度为9 mm.

图4 成形模具结构

2 模拟结果与讨论

2.1 连续挤压扁排金属流动规律

图5（a）所示为金属在挤压轮摩擦力的作用下进入扩展模，可以看到，金属头部在扩展模内向上弯曲，这是由于下层金属流动速度比上层流动快，在连续挤压过程中，上层金属阻碍下层金属流动，使得头部上翘.

图5（b）所示为金属进入扩展模后开始填充阶段，金属头部与模具接触后沿挤压方向阻力逐渐增大，根据最小阻力定律，金属开始沿扩展腔横向流动.由图5（b）可知，金属头部两侧金属流速较快，可达20 mm/s，而中间部位金属仅为10 mm/s.图5（c）、（d）为金属充满扩展腔，产品逐渐稳定成形阶段.由图5（c）扁排端部可知，扁排中间部位金属流速比边部快，且金属充满整个型腔后，扩展模内中间金属的流动速度大于两侧，形成一个Y型特征；在稳定成形阶段，中间部位金属与边部金属的流速差逐渐减小.

图5 各运行步骤下扁排金属流速分布图

2.2 金属的应力场分布

图6为连续挤压稳定阶段等效应力分布.由图6可知，模具入口处和与堵头呈45°夹角位置应力值最大，金属变形剧烈.在模具入口处，金属由较大尺寸的扩展腔进入尺寸较小的模具，形变量非常大，出现应力集中现象，在模具入口处应力最大可达172 MPa.模具出口处金属存在一定的残余应力值，对后续工序拉拔过程会造成不良影响.因而，整个连续挤压过程中堵头位置和模具入口处是整个装置的危险部位，最先发生失效，如果经常拆卸，该部位可能发生磨损、严重变形、断裂等，进而影响挤压件的表面质量.

图6 等效应力分布图

2.3 挤压轮扭矩

连续挤压过程中的挤压轮扭矩的大小反映了挤压变形的难易程度.图7为连续挤压过程中挤压轮扭矩-步数曲线.由图7可以看出，金属从径向运动的开始至稳定变形阶段，挤压轮扭矩直线上升.在稳定变形阶段，挤压轮扭矩仍呈现波动状态.导致这一现象的部分原因是数值模拟过程中网格划分精度不够导致收敛效果较差.稳定变形阶段金属与工模具表面的摩擦趋于一定，此时挤压轮的扭矩基本稳定，稳定挤压阶段扭矩平均值为29.1 kN·m.由于本文模拟的是整体模型的一半，因此，上面得到的挤压轮扭矩均为一半，稳定生产状况下的扭矩为58.2 kN·m.

图7 挤压轮扭矩-步数曲线

2.4 不同阻流角下模具出口处金属流速均方差

图8为各阻流角下金属的流速均方差，可以看到，阻流角从3°～15°变化时，随着阻流角的增加，金属流速均方差先增大后减小，其均方差分别为：1.35、2.21、3.45、3.65、4.42、3.63、1.86.其中阻流角为11°时，流速均方差最大.

图8 不同阻流角下金属的流速均方差

此模具结构设计为：阻流角高度为6 mm，模具定径带长度为3 mm.在模具入口处增设阻流角后，金属在阻流角区域形成了一个速度分流层，随着阻流角增加，模具出口处金属流动速度逐渐降低，此时金属所受摩擦力受温度和变形状态影响，金属变形过程非常复杂，容易导致金属流出速度不稳定，出现向上或向下弯曲，影响产品平直度，对后续拉拔产生不利影响.由数值模拟结果可知，当阻流角为3°、5°、15°时，金属流速均方差较小，说明模具出口处金属流速相对较稳定.

2.5 不同阻流角下金属的应力变化

图9为金属等效应力场分布，可以看到，模具结构改变时，扩展腔内等效应力分布较均匀，均在100～120 MPa.模具入口处未添加阻流角时，在模具入口处塑性变形较大，应力集中.在模具入口处设置阻流角后，应力均匀分布在该区域，且随着阻流角的增加，该部位等效应力增加，缓解了模具入口应力过大造成的模具受损.当阻流角为3°时，模具入口处金属的等效应力约为160 MPa，随着阻流角的增加，等效应力逐渐降低，阻力角为15°时，等效应力约为140 MPa.由此可知，随着阻流角增加，阻流角区域等效应力值逐渐增加，而模具入口处等效应力值逐渐较小，这有利于保护模具，增加产品生产效益.

图9 各阻流角下的应力场分布

2.6 沿挤压方向模具所受应力

在连续挤压过程中，由于模具中间部位所受应力较高，容易发生严重塑性变形，如图10（a）所示.研究中采用增设阻流角的方法使模具出口处金属流速均匀，但阻流角的增添对模具载荷有很大影响.在模具入口处中间至边部位置每隔5 mm选取一点（图10（b））观察模具沿挤压方向所受应力随时间变化，由于Deform模拟中模具属性为刚性体，不利于观察模具应力变化，研究中根据作用力与反作用力原理，采取观察该部位金属沿挤压方向的应力变化的方法，得出模具所受应力变化的规律.在连续挤压过程中，随着金属径向流动的开始，模具在挤压方向上的应力开始呈直线上升，而后随着金属的流动，载荷呈稳态.图10（c）为不同阻流角下，金属在稳态成形过程中，模具入口处沿挤压方向所受平均应力.由图10（c）可知，模具沿挤压方向受压应力载荷，随着阻流角的增加，模具中间部位载荷逐渐升高；阻流角一定时，距中心距离越远模具应力越低，但在边部拐角处应力值出现剧烈上升的现象.因此，在定径带长度一定的情况下，增加阻流角，模具入口处各部位的载荷逐渐增强，致使模具损坏的几率升高.

图10 模具易损坏部位及其受力分析

综上所述，当阻流角为3°、5°、15°时，金属流速均方差较小，模具出口处金属流速相对较稳定.随着阻流角增加，阻流角区域等效应力值逐渐增加，模具入口处沿挤压方向应力也逐渐增加.在定径带长度一定的情况下，增加金属入口角度，使模具所受载荷逐渐升高.由此可知，在模具载荷允许范围内，选择3°、5°、15°的阻流角可使模具出口处金属流速相对稳定；当模具容易损坏时，选择3° 和5°阻流角既降低模具载荷又获得了板形均匀的扁排.

3 结 论

1）金属充满整个型腔后，中间金属的流动速度大于两侧，形成一个Y型特征，金属沿挤压方向上的流动类似于平模正挤压，变形区内的金属通常处于三向压应力状态，模具出口处金属的流速差较大.

2）挤压开始至金属充满整个型腔阶段，挤压轮扭矩呈直线上升，稳定挤压阶段，挤压轮扭矩约为58.2 kN·m.

3）模具阻流角从3°～15°变化时，随着阻流角的增加，金属流速均方差先增大后减小，其均方差分别为：1.35、2.21、3.45、3.65、4.42、3.63、1.86.随着阻流角增加，阻流角区域等效应力值逐渐增加，模具入口处沿挤压方向应力也逐渐增加.

4）在定径带长度一定以及模具载荷允许情况下，选择3°、5°、15°的阻流角可使模具出口处金属流速相对稳定；当模具容易损坏时，选择3°和5°阻流角既降低模具载荷又获得了板形均匀的扁排.

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（编辑 吕雪梅）

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.

赵鸿金（1967—），男，博士，教授.

李涛涛，E-mail：Litaotao_0616@163.com.