（材料加工工程专业论文）宽铜带连续挤压轮槽变形区的理论研究.pdf

摘要 摘要 连续挤压技术是7 0 年代发展起来的一种绿色、高效、节能的有色金属塑性加工技 术，现已发展成为比较成熟的技术。 由于铜及铜合金变形温度高、变形抗力大、高温氧化性强，宽铜带连续挤压技术在 塑性变形机理、工艺参数及模具结构等方面存在诸多技术难点，在工模具寿命和主机能 量损耗上与国外设计还存在一定的差距。因此，随着连续挤压技术在生产上的广泛应用， 对连续挤压技术的理论分析变得尤为重要。为了进一步优化工模具，延长其使用寿命， 需要采用先进的理论分析、计算方法来设计合理的工模具。 本文基于刚塑性冈4 粘塑性有限元理论采用d e f o r m 3 d 软件对宽铜带的连续挤压 技术进行数值模拟分析，对连续挤压的力能参数作分析计算并对压实轮压下力进行实验 研究。 对宽铜带连续挤压变形的数值模拟分析金属流动表明：摩擦力作为驱动力，变形区 内大部分金属处于三向压应力状态，其应力从中心向边部基本上呈减小的趋势，金属在 挡料块处达到6 7 5 ，在连续挤压稳定后挤压轮的扭矩基本上保持在7 1x1 0 e 7n m i n 左右。 对不同挤压轮转速的数值模拟研究表明，从金属流动速度、温度、等效应力和挤压 轮扭矩分析，挤压轮转速选择6r p m 较适于连续挤压。 对不同压实轮压下量的数值模拟研究表明，据点的等效应力、等效应变和挤压轮扭 矩分析，压实轮压下量为6i r f f n 较适于连续挤压。此外，通过对连续挤压力能参数的分 析，建立了宽铜带连续挤压在轧制区的压下力的数学模型，获得该模型计算的压实轮压 下力在压下6m m 时的结果与数值模拟结果、实验结果基本一致。对压连续挤压坯料的 失稳问题，初步建立了简化的连续挤压失稳计算模型。 对不同挤压轮轮槽形状的数值模拟研究表明，带凸台的方形轮槽的挤压轮扭矩比较 不稳定，对挤压轮的磨损较严重；带凹槽的圆形轮槽对挡料块的冲击力较大，对挡料块 的磨损较严重；综合分析带凸台的梯形轮槽和带凸台的圆形轮槽比较适于连续挤压。 总之，根据模拟结果分析，可合理选择工艺参数和模具结构尺寸，实现宽铜带连续 挤压成形，力求把连续挤压的生产率和能量节省提高到更先进的水平。 关键词：宽铜带；连续挤压；有限元模拟；d e f o r m 大连交通大学- 丁学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t i n u o u se x t r u s i o nt e c h n o l o g yi sn o n f e r r o u sp l a s t i cp r o c e s st e c h n o l o g yo fg r e e n ， e n e r g y - s a v i n g ，e f f e c t i v e ，w h i c hi sd e v e l o p e di nt h e19 7 0 s n o wi th a sb e c o m em o r em a t u r e t e c h n o l o g y b e c a u s ec o p p e ra n di t sa l l o yh a v eh i g hd i s t o r t i o nt e m p e r a t u r e ，b i gd i s t o r t i o ns t r e n g t h ， e a s yt ob eo x y g e n e dw h e nt e m p e r a t u r ei sh i g h e r ，t h e r ea r em a n yt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sa b o u t p l a s t i cf o r m i n gm e c h a n i s m ，t e c h n i cp a r a m e t e r s ，d i ec o n s t r u c ta n ds oo n g r e a td i s p a r i t ye x i s t s b e t w e e no u rd e s i g na n df o r e i g nc o u n t r y si n f a c i l i t yl i f ea n de n e r g yn e e d i n g c o n t i n u o u s e x t r u s i o nt e c h n o l o g yi nt h ep r o d u c t i o nh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sh a sb e c o m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ed e s i g no ft o o la n d d i eb yu s i n ga d v a n c e dt h e o r e t i ca n a l y s i sa n dc a l c u l a t em e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eu s ed e f o r m - 3 ds o f t w a r ea st h et o o lt os i m u l a t ea n da n a l y z e ， a n de s t a b l i s h t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fd e f o r m a t i o np r o c e s s ，w h i c hi sb a s e do n r i g i dp l a s t i c r i g i dv i s c o p l a s t i cf e mt h e o r y w ec a l c u l a t ea n da n a l y s et h ep o w e rp a r a m e t e ro f c o n t i n u o u se x t r u s i o n ，a n dw ed oe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nt ot h ep r e s s u r eo fc o m p a c t i o n w h e e l a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i n ga n a l y s i so fw i d ec o p p e rs t r i pc o n t i n u o u se x t r u s i o n ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef r i c t i o ni sa sd r i v i n gf o r c e s ，t h em o s tm e t a lo fd e f o r m a t i o ni si n 3 - o r i e n t a t i o nc o m p r e s s i v es t r e s s ，t h em e t a ls t r e s sr e d u c t i o nt r e n d sf r o mc e n t e rt oe d g e t h e m e t a l st e m p e r a t u r ei sa b o u t6 7 0 * cw h e nt h em e t a lc o n t a c tw i t ht h ea b u t m e n t 1 1 1 et o r q u ei s k e e p i n ga t7 1 10 e 7 n - r r l n lw h e nt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o ni ss t a b i l i t y a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h ef l o w i n gv e l o c i t yo fm e t a l ，t e m p e r a t u r ea n de x t r u s i o nw h e e l s t o r q u eo ns i m u l a t i n go fd i f f e r e n te x t r u s i o nw h e e lv e l o c i t y ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t r u s i o n w h e e lo p t i m a l i z i n gv e l o c i t yi s6r p mt ot h ec o n t i n u o u se x t r u s i o n a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i n ga n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tc o m p a c t i o nw h e e lr e d u c t i o n ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a l i z i n gr e d u c t i o ni s6n l n lt ot h ec o n t i n u o u se x t r u s i o nf r o m a n a l y z i n gp o i n t se f f e c t i v es t r e s s ，e f f e c t i v es t a i na n de x t r u s i o nw h e e l st o r q u e o t h e r w i s e ，w e e s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep r e s s u r ei nt h er o l l i n gz o n eo fw i d ec o p p e rs t r i pc o n t i n u o u s e x t r u s i o n w ec a no b t a i nt h er e s u l to fc a l c u l a t i n gt h ec o m p a c t i o nw h e e l sp r e s s u r ew h e nt h e r e d u c t i o ni s6i n n l 1 1 1 em a t h e m a t i cm o d e l sr e s u l t ，s i m u l a t i n gr e s u l ta n de x p e r i m e n tr e s u l ta r e b a s i c a l l yc o n s i s t a n c e w ei n i t i a t i v l ye s t a b l i s ht h ec a l c u l a t i n gs i m p l i f i e du n s t a b l em o d e lt ot h e u n s u c c e s s f u lp r o b l e mc o n t i n u o u se x t r u s i o n a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i n ga n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tw h e e lg r o o v es h a p e s ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee x t r u s i o nw h e e l st o r q u eo fs q u a r eg r o o v e 诵lb o s si su n s t a b e ，t h ee x t r u s i o n w h e e li ss u b j e c tt oh e a v yw e a r i n g r o u n dg r o o v e 、析t 1 1s l o tg i v e st h ea b u t m e n tt og r e a t l i 摘要 i m p u l s ef o r c ea n dt h ea b u t m e n ti ss u b j e c tt oh e a v yw e a r i n g c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，s q u a r e g r o o v e 谢t l lb o s sa n dr o u n dg r o o v e 谢t l lb o s sa r ef i tf o rc o n t i n u o u se x t r u s i o n i nc o n c l u s i o n ，a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et e c h n i c sp a r a m e t e r sa n d d i es t r u c t u r es i z es h o u l db es e l e c t e dr e a s o n a b l y ，w h i c hc a l lr e a l i z ew i d ec o p p e rs t r i p c o n t i n u o u se x t r u s i o nf o r m i n g ，a n dt r yo u rb e s tt oa d v a n c et h ep r o d u c t i v i t ya n ds a v ee n e r g yt o ah i g h e rl e v e l k e yw o r d s ：w i d ec o p p e rs t f i p ；c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；f e ms i m u l a t i o n ；d e f o r m i i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：刘拉球导师签名： 日期：翮年多月7 日日期：渺彦月7 日 学位论文作者毕业后去向：筠也 工作单位：访屯 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一圊工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作客签名：刽娃淋 日期：另卵雾年月7 疆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源与背景 本课题为国家自然科学基金( 5 0 6 3 5 0 2 0 ) 资助项目。变压器铜带、铜合金引线框架 材料、电接插元件用铜带等三大关键产品，市场前景广阔，是我国铜板带业应优先发展 的产品。 宽铜带产品是制造电机的绕组、高低压电器、开关触头、电力输变电、控制柜和五 金加工、化工，以及供( 配) 电安装用导线等不可缺少的材料。以往用传统工艺制造宽 铜带，不但耗材、耗能，而且质量不稳定。大连交通大学连续挤压工程研究中心采用连 续挤压一次成型生产工艺，在全国首创了1 7 0r l l l i l 宽铜带的连续挤压，不但生产成本降 低8 0 ，而且产品尺寸精度高，表面质量好，电阻率低，在市场上得到广泛应用。 连续挤压同传统的挤压生产方式不同，它有效地利用了摩擦力作为金属塑性成形的 动力。当坯料通过压实轮压入挤压轮轮槽后，在轮槽两侧壁摩擦力的作用下，使坯料达 到屈服，并通过挤压模挤出产品。传统制造铜排工艺要经过长坯料锯切一脱皮一加热后 才能挤压，挤压后还得经过酸洗、轧头、最终拉制成产品，不仅工序多，生产周期长， 而且能耗大，材料利用率也低。而采用连续挤压工艺生产宽铜带，坯料长度不受限制， 无需预热，工序减少，这不仅减少了能耗，还提高了材料的利用率。 对于宽铜带产品的连续挤压，理论研究滞后于实际生产技术，目前理论研究方面在 轮槽变形区变形载荷和驱动力的建立上还不是很全面。需要建立各部分约束条件与工艺 参数的关系，包括轧制条件、轮槽形状、摩擦状态和几何尺寸。另外一个关键问题是要 获得大的扩展比。扩展比增加意味着变形驱动力的增加，而驱动力增加的同时，有可能 造成杆坯失稳。所以，只有限制杆坯的失稳才能获得足够的驱动力。 铜的连续挤压温度较高( 6 0 0 7 0 0 。c ) ，而一般的工模具材料均不允许在5 5 0 。c 以 上的高温下长时间连续工作，易导致工模具材料变形抗力大并影响其强度和寿命。采用 连续挤压技术生产铜带的成形非常复杂，若工艺参数和模具结构尺寸选择不当，易造成 产品的弯曲、波浪、裂纹、缺料等缺陷，且模具也极易破坏。 随着金属塑性成形技术和计算机技术的日益发展，有限元法作为一种有效的数值计 算方法已被广泛应用于金属成形过程的数值模拟方面，用于求解金属变形过程的应力、 应变、温度等的分布规律，进行模具受力分析，预测金属的成形缺陷，指导模具的设计 和挤压工艺实践。 针对这些问题，大连交通大学连续挤压工程研究中心以期通过计算机模拟、实验研 大连交通大学工学硕士学位论文 究以及工程实践相结合，总结出宽铜带连续挤压成形工艺的规律，从而完善宽铜带的生 产工艺。 宽铜带连续挤压成形过程是一个受多因素影响的复杂过程，材料性能、模具形状、 毛坯形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响。传统的工艺和模具设计是根据经验、 手册、图表等进行的，这种基于经验的设计方法并不是尽善尽美。随着数值模拟技术的 应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的设计方法代替。 所谓模拟设计就是对成形过程中的金属流动行为进行追踪描述，并在计算机上反复 演示成形过程，获得瞬时应力、应变及温度，以解释金属流动的实际规律和研究各种因 素对成形过程的作用及影响，这样设计人员可在计算机上分析工艺参数与材料流动之间 的关系，观察成形过程，确定是否产生内部及宏观缺陷，预测成形载荷产品的组织性能， 从而可在计算机上进行工艺参数和模具形状的优化。近年来基于刚塑性、刚粘塑性有限 元的模拟技术已被成功的用于分析各种金属塑性成形问题，该技术适用于广泛类型的边 界条件，对工件的几何形状几乎没有限制，可以获得变形体在成形过程中任意时刻的流 动信息和热力学信息。一些适用于模拟金属塑性成形过程的计算机软件的开发成功，大 大地方便和推动了有限元模拟技术在金属成形领域中的应用，本文利用p r o e 软件对 各个成形零件和坯料参数化建模，鉴于i - d e a s 软件的网格划分功能强大，对模具和变 形体进行离散，最后用d e f o r m 软件平台，对连续挤压成形进行研究，优化宽铜带连 续挤压工艺方案和模具设计。 1 2 连续挤压技术在国内外发展现状 有色金属管、棒、型、线材生产的主要塑性加工方法是挤压工艺。传统的挤压方法 是一种间歇式作业过程，生产效率很低；由于摩擦的有害作用导致产品的组织性能不均， 能耗较大；此外，传统挤压的设备较庞大，价格较昂贵等。因此，如何降低挤压能耗， 实现挤压过程的连续化，提高材料利用率和生产率成为挤压加工技术十分重要的研究任 务。 连续挤压技术作为一种新兴的有色金属加工技术，只要连续喂料，便可连续挤压出 长度达数千米，乃至万米长的成卷制品，如薄壁铝及铝合金的盘管。这不仅大大缩短了 工序和减少了非生产时间，提高了劳动生产率，由于无挤压压余，切头切尾量很少，因 而材料的利用率也很高，一般可高达9 5 籼8 5 。此外，由于挤压过程稳定，制品的 组织性能的均匀性也好。 1 2 1 连续挤压的原理及应用 1 ) 连续挤压简介 2 第一章绪论 连续挤压技术( c o n t i n u o u se x t r u s i o n ) 是一种绿色高效的有色金属塑性加工技术，它是 在7 0 年代初，由英国s p r i n g f i e l d s 核能研究所的g r e e n 先生发明的【。 连续挤压技术在铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属加工上具有较为广泛的应用范 围。连续挤压时塑性变形热及坯料与工具表面的摩擦发热显著。因此，对于低熔点的铝 及铝合金，不需进行外部加热即可使变形区的温度上升至4 0 0 5 0 0 0 c 而实现挤压。而对 于铜及铜合金等较高熔点的材料，单靠摩擦发热很难达到变形金属的热挤压温度，一般 需要对轮槽、模座进行辅助加热才能实现稳定加热。目前，连续挤压可用于制造线材、 棒材、管材、型材和包覆线材等。 连续扩展挤压技术，是一种新型大断面管、棒、型材、带材连续挤压成形新技术， 解决了传统挤压工艺不能铸坯与挤压成形的连续化和一体化问题，突破了传统的大规格 管、棒型材的挤压产品长度受限制的瓶颈问题，实现了生产过程的智能控制，因此，具 有非常广泛的开发和应用前景。 2 ) 连续挤压原理 近几十年来，国内外许多科技工作者为实现挤压过程的连续化进行了大量的实验研 究，提出了多种实现连续挤压的方案。其中轮靴式连续挤压法因设备结构合理，达到了 工业实用的水平，目前已广泛应用于铝、铜及其合金的中小管材、型材和双金属导体及 电缆包覆等生产上。连续挤压法的基本原理如图1 1 所示。挤压轮是一个带槽的轮子， 坯料被压实轮压入挤压轮轮槽，在金属与轮槽间的摩擦力作用下，坯料随挤压轮一起旋 转产生使金属流动的驱动力，驱动金属流入腔体和模具中，最后挤压出产品。其结构主 要由四大部件构成： 图1 1 连续挤压原理图 f i g 1 1t h ep r i n c i p l ev i e w o f c o n t i n u o u se x t r u s i o n 大连交通大学工学硕士学位论文 一是带有沟槽的挤压轮，它由驱动轴带动旋转； 二是挤压腔体，它是固定的，与挤压轮相接触的部分为一个弧形密封面，该密封面 与挤压轮的包角一般为9 0 0 ，起到封闭挤压轮沟槽内坯料的作用，构成一个方形的挤压 型腔，相当于常规挤压筒； 三是固定在挤压型腔出口端的挡料块，其作用是在把挤压型腔出口端封住，迫使金 属从挤压模孔流出； 四是挤压模具，它安装在腔体上，实现挤压成形。 连续挤压十分巧妙地利用了挤压轮凹槽槽壁与坯料之间的机械摩擦作用作为挤压 力，只要挤压型腔的入口端能连续地喂入坯料，便可达到连续挤压出无限长制品的目的。 3 ) 连续挤压的优点 a 、连续挤压过程本身的耗能比常规挤压降低3 0 。由于摩擦热和变形热的共同作 用，可使坯料挤压前无需预热。 b 、原材料规格统一，备料简单。 c 、无压余、切边等工艺废料，材料利用率高，组织性能均匀性好。 d 、坯料的适应性很强，既可以用实心盘杆做坯料，也可以用金属颗粒或粉末为坯 料直接挤压成材。挤压出的制品可以是实心杆件，也可以是空心管子，还能进行包覆生 产等。 e 、既适合大批量生产，也适于小批量多品种生产。 f 、产品性能好，尺寸精度高，表面光洁度好。 1 2 2 连续挤压技术国内外研究现状 随着连续挤压工艺和设备的不断完善，有关连续挤压技术的理论研究也在不断进 行，国内外专家学者采用解析法、有限单元法、实验法等对连续挤压过程的应力、应变、 力能缺陷预测等进行了研究，极大地推动了连续挤压技术地发展。 近年来，大连交通大学连续挤压工程研究中心研制开发的铜扁线、铜排连续挤压短 流程制造技术，具有产品质量高、工艺简单、高效节能、符合环保等优点，备受业界青 睐，已经成为传统轧制、挤压、拉拔工艺更新换代的技术，展示出了广阔的应用前景。 1 、连续挤压金属变形理论研究 1 ) 解析法 对金属挤压变形规律的研究，长期以来，人们注重用理论解析法对挤压力进行计算， 用于研究挤压规律的理论方法有主应力法、上限法、滑移线法【2 】。 a 、主应力法是一种最早被广泛运用于工程上的计算变形力的方法，其特点是有比 4 第一章绪 论 较简单的直接计算挤压变形力的计算公式，如果参数处理得当，则计算结果与实际的误 差常在工程允许范围之内。 但是，工程法所涉及的问题，仅仅是变形力作用面上的应力分布问题，不能深入探 讨变形区内部的应力分布。 b 、滑移线理论创建于2 0 世纪2 0 年代初，到4 0 年代后期形成了较为完善的解平面 变形问题的正确方法。1 9 4 8 年，r 希尔经严密的数学处理，将滑移线场理论运用于解 决平面应变挤压问题。按滑移线理论，在塑性流动区内作出滑移线场，借助滑移线场求 出流动区内的应力分布。该方法可用于计算大塑性变形、应变速率不太大的而变形温度 超过再结晶温度的热挤压加工的挤压力。用滑移线场理论求解问题时，计算繁琐，且不 适合轴对称及其它复杂成形问题。 c 、上限法是根据能量平衡原理来求解外载荷极限值的一种近似计算方法，它所确 定的载荷总是大于或等于真实载荷，该法不用去解复杂的微分平衡方程，数学运算简便。 2 ) 对连续挤压使用解析法解题的国内外发展 ( 1 ) 国内发展状况 1 9 9 9 年，李明典、宋宝韫将挤压轮槽内部变形分为咬合区、镦粗区、充满区和挤压 区等四个区域，分析了速度场和应力场，并且由屈服条件推导出了咬合区、镦粗区和充 满区区域大小的数学表达式【，】。 1 9 9 4 年，陈广霞、彭大署等将挤压轮槽内部变形分为填充区和挤压区，应用逐次单 元法，给出了两区的长度，分析了挤压型腔与坯料之间的接触应力分布情况1 4 j 。 1 9 9 9 年，张新宇、宋宝韫、李明典等使用解析法，在分析轮腔间隙区和轮槽区金属 流动规律以及溢余几何形态的基础上，建立了质点流动速度场。由该速度场导出了溢余 量与单位挤压力、轮槽间隙和轮速等工艺参数之间的关系式，在对变形区进行受力分析 的基础上，推导出了挤压型腔几何参数、单位挤压力、轮腔间隙和轮槽尺寸之间的关系 式，以及挤压轮上的驱动功率和摩擦功率的计算公式【5 】。 1 9 9 7 年，刘元文、宋宝韫等，采用切块法对电缆铝扩套连续挤压包覆型腔内的金属 流动进行塑性力学分析，根据凸模中心水平面上下两侧静水应力平均值相等的原则得出 了型腔设计的均压判定准则。应用该准则成功地设计了用于制造铁路通信信号电缆铝护 套的6 4 型腔体1 6 。 1 9 9 8 年，彭岳林等，认为由于现行的连续挤压变形腔设计不合理，导致了金属塑性 体回流和能量无效损耗。为了克服这些不足，他们设计了一种连续挤压雏形管变形腔的 模型，建立了相应的虚拟动可容场，并根据上限原理对此模型上限功率求解。根据所得 的结果，对连续挤压变形腔进行了优化探讨 7 1 。 5 大连交通大学工学硕十学位论文 2 0 0 4 年，杨斌、黄克坚等运用工程法的连续挤压带翼内凸筋d 型管变形过程中各 区域的挤压力组成部分进行了计算，建立了计算连续挤压过程功率的数学模型，对不同 挤压条件下的挤压功率进行了验算，能基本满足工程计算的要求f 8 】。 2 0 0 4 年，钟毅等将变形区划分为4 个子区，通过一些假设条件，应用塑性理论得出 了变形区坯料的速度场和应力场的基础上，利用不同的假设条件，给出沿挤压靴方向的 压力分布规律 9 1 。 ( 2 ) 国外发展状况 1 9 7 1 年，d g r e e n 以最简单的形式提出了挤压力及接触长度的计算公式。1 9 7 6 年， b a v i t z u r 分析了c o n f o r m 原理的压力特征，指出当挤压腔为收敛型时，所需的挤压 腔长度较短，从入口处到模子间压力与长度成指数增长的关泵t 0 1 。 1 9 7 3 年，c e t h e r i n g t o n 叙述了切向式c o n f o r m 连续挤压的变形分区，他把连续 挤压轮槽划分成初始咬合区和挤压咬合区。在初始咬合区，坯料嵌入凹槽内，坯料与挤 压轮接触的表层金属达到屈服应力，随着咬入的深入，接触应力增大，材料逐渐充满挤 压腔，当在某截面完全充满挤压腔时进入挤压咬入阶段。在初始咬入区，假设材料与挤 压腔的摩擦服从库仑摩擦应力规律。对连续挤压的全过程进行了定型的分析，并首次将 轮槽内部的变形分为两个区域，即初始夹持长度区( p r i m a r y 舒pl e n g t h ) 和挤压夹持长 度区( e x t r u s i o n 酣pl e n g t h ) 。在初始夹持区，由于坯料与轮槽只部分接触故只产生部分 屈服，直到挤压夹持区才完全国屈服。并给出了两个区域长度的近似关系式b t 。 19 7 7 年，日本学者平松忠彦、杉村义夫等对c o n f o r m 连续挤压过程从定性角度分 析了挤压比和挤压力、挤压速度和挤压力以及挤压速度和挤压温度的关系，且得出了切 向力的近似数学表达式力1 1 2 。 1 9 7 8 年，b m a d d o c k d e n g 针对挤压变形过程的特点，假定材料的剪切应力取决于应 力分布，在剪切面之间速度呈线性减少。并给出了变形区的速度分布图 1 3 1 。 19 7 9 年，j t i r o s h 等采用工程近似法和能量法对于c o n f o r m 连续挤压过程进行了详 细的理论推导和实验研究。分别导出了：1 ) 挤压轮与坯料的接触面的压力分布；2 ) 靴座 包角即咬入角；3 ) 载荷作用位置；4 ) 驱动马达功率；5 ) 摩擦条件对工艺参数的影响f - 4 1 。 2 0 0 0 年，k i m 等将连续挤压等效成侧向挤压，利用上限法计算挤压力，继而计算挤 压转矩【s 】。 2 0 0 1 年，j r c h o 、h s j e o n g 采用有限元法分析了挡料块长度对产品开裂和卷曲现 象的影响【1 6 】。 当前，国外连续挤压的基础理论研究方面的研究主要有高温( 8 0 0 8 5 0 ) 挤压理 论和连续挤压应力应变场、速度场、金属流动规律、温度场以及连续挤压设备和工模具 6 第一章绪论 设计方法等方面的模拟研究和数值计算与分析。 2 、连续挤压变形的数值模拟研究 随着金属塑性成形技术的日益发展，有限元法作为一种有效的数值计算方法已被广 泛应用于金属成形过程的数值模拟方面。 1 ) 有限元法 有限元法的基本原理是应用能量建立泛函，变分求解。其实质是在函数的定义域内 规定一定数量的有限节点，将被研究对象整体离散为有限单元集合，单元内部用连续函 数描述。通过建立和集成单元方程，组建整体刚度矩阵，用数值方法求解整体方程，从 而求得问题的解。计算可以模拟冷挤压加工过程，一直到稳定状态，此时求得的单位挤 压力，可以作为所需求的单位挤压力。例如刚塑性有限元法，其基础是刚塑性材料不完 全的广义变分原理，即在变形场中可得泛函 y 一蛆y 扫凇+ 五p ) ，p 扫矿 “ 式中lj 应变速率列阵 p j - 速度列阵 护j 边界s p 上给定表面力的阵列 妒j 1 1 10 0 0 】t 靠抗剪屈服应力( m p a ) 五拉格朗日乘子 s 变形体表面积( m m z ) v _ 一变形体体积( m m 3 ) 在所有满足速度、应变速率关系和速度边界条件的速度场中，使上述泛函取驻值的 速度场是真实值。其实施步骤是： a 、根据不同挤压方法变形特点，抽象出计算模型，并将变形体划分为由有限个单 元组成的离散体。 b 、对每个单元进行具体分析。 c 、由单元组装成整体，得到一个结点速度为未知量的非线性方程组。 d 、引入已知的边界条件。 7 大连交通大学t 学硕七学位论文 e 、采用摄动法将非线性方程组线性化。 f 、采用迭代法求解出结点速度场。 g 、进行后置处理，求得需求的未知量。 以上步骤的进行，必须编制相应的程序，借助于计算机来实现。程序运行过程中必 须妥善处理好初始速度场、金属流动方向发生突变的奇异点、计算网格畸变以及迭代收 敛问题。 2 ) 有限元法的优点 有限元法之所以能得到如此迅猛的发展，是因为它与经典解析法相比具有许多优 点。主要表现在以下三个方面。 a 、有限元法有很强的适用性，应用范围极为广泛。 有限元法可以处理任意形状的变形体、任意复杂的边界条件、各向异性材料、几何 非线性、材料非线性、热力学及动力学等各种复杂问题。 b 、有限元法具有较高的精度。 有限元法只需将单元分细，其解可以逐渐逼近真实解。一般情况下，其精度受所选 场值的插值模式、计算机字长及精度的制约，误差多在1 0 以内，能够满足工程实际需 要。例如，在模具设计上，如果不采用有限元法，单凭过去的经验和传统方式，不仅技 术上得不到保障，成本上无优势可言，而且模具开发周期太长也会大大丧失竞争力。 c 、有限元法采用矩阵形式表示，便于计算机的应用。 近年来，一些通用和专用的分析软件相继开发成功并进入实用阶段，如 p a m s t a m p 、l s d y n a 3 d 、o p t r i s 、d e f o r m ，国外一些著名公司还开发出自己专 门的f e m 软件，如f o r d 的m t l f r m 等。 3 ) 连续挤压采用有限元数值模拟方面的应用 1 9 9 3 年，彭颖红、阮雪榆、左铁铺等分别基于刚粘塑性有限元的基本理论，和热力 耦合分析，对c o n f o r m 连续挤压的非稳态变形过程进行了二维数值模拟，得出了变温形 变的c o n f o r m 连续挤压过程的金属流动模式，应力应变分布以及挤压轮的温度场的分 布，分析了工艺参数对c o n f o r m 连续挤压形变的过程影响，并且对c o n f o r m 连续挤压过 程的缺陷进行了预测1 1 7 】。 1 9 9 8 年，y h k i m j r c h o 等应用d e f o r m 商业f e m 软件，采用三维数值模拟实 验方法，分析了c o n f o r m 连续挤压过程中的金属流动、缺陷产生、温度和等效应变的分 布，对挤压轮的转速、相对飞边间隙( 飞边间隙与轮槽高度的比值) 、相对模具开口高度 以及模具上下垂直长度等尺寸进行了定量优化设计【叼。 19 9 8 年，贺幼良等，采用a n s y s 有限元软件模拟连续挤压包覆材料从挤压轮槽变 8 第一章绪论 形开始直到充填包覆型腔并通过包覆型腔得到最终包覆产品的成形过程，揭示变形过程 中材料的流动规律及应力、应变分布【1 9 】。 2 0 0 1 年，储灿东等，运用d e f o r m 软件模拟，得到连续挤压各个阶段任意时刻的 金属内部状态，如流动速度场、等效应变、等效应力、剪应力、温度场分布等【2 0 】。 2 0 0 1 年，2 0 0 3 年c h o 和j e o n g 利用2 d 和3 dd e f o r m 软件分析了实心元铝杆产 品的变形过程，并模拟了表面分离和卷曲现象【2 i 】【2 2 1 。 2 0 0 3 年，刘彬彬等，在c o n f o r m 的基础上建立了c o n c l a d 有限元分析模型， 并利用商业软件d e f o r m 对c o n c l a d 过程进行了三维的数值模拟，分析了三维模型 下，坯料变形的等效应力场、等效应变场及速度场，并给出了充腔过程中挤压轮扭矩与 时间步数的关系图，与理论分析的结果符合较好f 2 3 】。 2 0 0 5 年，谢玲玲，针对铜母线连续挤压扩展成形过程，采用刚一粘塑性有限元法， 基于d e f o r m 3 d 软件平台，进行三维有限元数值模拟，获得了铜母线连续挤压扩展成形 过程的金属流动过程和详尽的应力场、应变场、温度场和速度场分布，并分析了成形的 物理场分布与实际变形过程的关系，初步得到了工模具结构的改进方案f 2 4 】。 2 0 0 5 年，l e e 利用3 dd e f o r m 软件分别模拟了铝多孔管的连续挤压变形过程，并 给出了模拟结果【2 5 】。 1 3 本课题的意义及主要研究内容 连续挤压是有色金属加工、线缆制造、金属制品业的最新技术，其产品主要分布在 电视传输、制冷业、汽车空调、高压电线以及电气化铁路等领域。连续挤压技术是在传 统的挤压工艺基础上发展而来的通过连续送料而完成的较长管、线材的挤压工艺过程。 该技术正向着设备大型化，原料多样化和铜及铜合金大尺寸的方向发展。 连续挤压是靠坯料与挤压轮轮槽的摩擦来获得挤压力的，在连续挤压机上挤压出宽 铜排需要很大的挤压力，所以对轮槽变形区的应力分布分析和在轮槽的变形温度分析是 至关重要的。在此基础上考虑变形温度和变形速度对金属流动应力的影响。最终确定轮 槽中塑性变形区的几何参数和轮槽间隙区中溢余分布的几何形态，为连续挤压设备的设 计提供了理论依据。另外，坯料是靠压实轮压入挤压轮轮槽的，如果压下量小了，坯料 打滑，无法建立起连续挤压驱动力；反之，压下量大了，降低生产效率，增加变形力。 所以，压实轮的压下量也是关键问题。 坯料失稳与金属和轮槽的摩擦力、约束力有关系，摩擦力小了和约束不够都能造成 坯料失稳。只有分析金属的流动应力，轮槽与金属的摩擦，轮槽的形状等，才能保证在 合适的挤压参数下坯料不会产生失稳。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 本课题的主要任务是应用解析法计算轮槽变形区的应力，对轮槽的孔型轧制区和摩 擦剪切变形区进行计算，在孔型轧制区获得轧制条件和接触应力的分布规律，在剪切变 形区获得坯料失稳的极限条件；然后再应用刚塑性三维有限元数值模拟软件d e f o r m 来模拟坯料在轮槽内的变形规律，模拟挤压过程中坯料与轮槽内各点的温度场、速度场、 应力场、应变场以及工艺参数对它们影响规律：最后与理论计算结果对比分析，得到合 适的挤压工艺参数，为连续挤压生产提供理论指导。 1 0 第二章三维刚塑性有限元基础 体积成形【冽是金属塑性成形中一大类应用广泛的工艺方法，如锻造、挤压和轧制等。 体积成形时，变形体在模具的作用下产生塑性变形。通过金属材料体积的大量转移获得 各种型材。体积成形的重要特征是金属材料产生较大塑性变形，而弹性变形相对很小。 以计算结构应力、应变为目的的有限元法，是从基于小变形理论的弹性有限元法开 始发展的。到6 0 年代后半期，为了研究超出弹性变形达到屈服点的应力和变形状态， 小变形弹塑性有限元法得到了发展，以此尝试进行塑性加工的弹塑性分析。然而发现， 在将速率形式的本构方程向前积分时，需要非常小的时间增量。如果用这种方法跟踪大 变形，计算费用则很昂贵，并且累积误差很大，甚至得不到正确的解。这个误差是由于 没有考虑一个时间步长开始与结束的形状差别和材料转动而造成的。因而，进入7 0 年 代以后，基于有限变形理论的大变形弹塑性有限元法得到了发展。 与此同步，研究工作沿另一条路径发展，即考虑到在很多实际应用中，塑性变形量 远远大于弹性变形量，故可以忽略变形的弹性部分，所以就出现了刚塑性有限元法鲫渊。 这个方法最初是将上限法用有限单元求极小值开始发展的。但用上限原理求不出应力， 是其不足之处。后来，在7 0 年代初期，l e e 和k o b a y a s h i 等人使用拉格朗日待定乘子法 处理刚塑性问题的能量积分，并辅以变分原理处理其体积不可压缩条彳牛【2 9 l ，使应力计算 成为可能，并将这种方法命名为刚塑性分析的矩阵法。另外，z i e n k i e w i c z 的罚函数法和 小坂田宏造的可压缩性法，也是应力计算的代表性算法。 刚塑性有限元法不需要像弹塑性列式那样求解应力增量，而是在每一时间增量都直 接求出应力，所以没有应力的误差累积。并且，因为它是一种流动型列式，故可以取较 大的增量步长，减少计算时间，在保证足够的精度下提高计算效率。在刚塑性有限元分 析中，必须随时间向前携带的历史变量仅仅是与材料结构变化有关的变量：它通常采用 率方程，即列式本身是根据小应变增量建立的，这样，变形后的构形可通过在离散空间 上对率度积分而获得，从而避开了几何非线性问题，这些特点使刚塑性有限元列式比较 简单，易于编程实现。由于简单性和效率，使其可方便地分析稳态和非稳态大塑性变形 问题，得到了广泛应用，也成为一些商品软件( 如d e f o r m ) 的核心算法。 刚塑性有限元法也有明显地局限性。由于忽略了弹性变形，这种方法仅适合于塑性 变形区地分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态：弹性变形区的解仅仅在整体意 义上是正确的，即维持平衡方程；它不能处理卸载问题和计算由此带来的残余应力和残 余应变。与大变形弹塑性有限元法相比，在变形量很小的场合，刚塑性有限元分析精度 大连交通大学工学硕士学位论文 较差。但是，如果变形很大，弹性变形所占比重很小，采用刚塑性模型也是合理的：并 且，工程实践中并不总是需要考虑卸载、残余应力和残余应变。所以，刚塑性有限元法 仍是一种有效的分析手段。 对速率敏感性材料的塑性加工，需要使用粘塑性模型分析，刚粘塑性有限元法仅仅 是刚塑性有限元法的扩展，在工程上也得到了很好的应用。塑性加工伴随着一个热力学 过程，在分析模型中考虑温度与变形的交互作用，显然是对物理现象的更精确的逼近。 现在，刚塑性有限元已可以把材料的变形流动与热传导进行耦合分析。这些进展都反映 出刚塑性有限元法日趋成熟。 2 1 金属流动理论基本假设 由于真实材料的塑性变形过程十分复杂，对于大变形金属塑性成形问题，将变形金 属视为刚塑性体，采用刚塑性n 粘塑性有