（材料加工工程专业论文）铜母线连续挤压扩展变形过程的理论研究.pdf

摘要 摘要 铜母线连续挤压技术与传统加工工艺相比，具有生产效率高、节能效果显著、无污 染、产品长度不受限制和质量优良等优点，因此在实际生产中得到了广泛的应用。 铜母线连续挤压变形过程极其复杂，坯料发生了极度的3 d 塑性大变形和剪切变形。 变形过程的摩擦条件和材料温升速度、变形温度和变形抗力、金属受力状态和变形方式 等因素决定了整个变形过程。若工艺参数和模具结构尺寸选择不当，易造成产品的弯曲、 缺料等缺陷，模具也极易损坏。 本课题通过理论计算对铜母线连续挤压变形过程力能等参数进行了分析，由此找到 挤压力、能耗和温度与模腔结构参数之间的关系；采用有限体积数值模拟软件 m s c s u p e r f o r g e 预测挤压过程可能出现的缺陷，及时调整工艺参数，提出改进方案。 本文分为四部分： 1 结合连续挤压技术与成形工艺特点，阐述了采用解析法和有限体积法对铜母线 连续挤压扩展成形过程进行分析的必要性、可行性及优越性。 2 通过对连续挤压几何模型合理简化和分区，对铜母线连续挤压变形过程力能进 行了分析。根据功热转化原理和实验测试，研究了各区变形力、能耗与变形温 度的关系；分析了摩擦条件、产品宽厚和坯料直径对挤压力的影响；计算了铜 母线连续挤压过程各分区的温度、能耗；考察了压实轮对坯料的压下力和挡料 块承受的载荷。 3 根据铜母线连续挤压成形的塑性变形特点，对大变形复杂成形过程的数值模拟 选用有限体积法，介绍了塑性材料有限体积法的基本原理和求解方法。 4 对扩展挤压成形过程的数值模拟结果进行了详细的分析。根据对坯料表面接触 压力和金属流动速度场的分析，从改变金属在扩展模腔内的受力状态的角度出 发，在不改变金属流动通道长度的前提下改变模腔结构，达到了均匀模口中心 和两侧金属流动速度差的目的，改善了成形过程。 本课题得到的结论可以为大尺寸铜母线的成形、模具的优化和大型挤压机的设计提 供理论依据。 关键词：铜母线；连续挤压；扩展成形；有限体积；理论研究 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i n g 诵t l lt r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，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 y f o rc o p p e rb u sb a rh a sm a n ye x c e l l e n c e s ，s u c ha sh i 曲p r o d u c t i v i t y ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， n oc o n t a m i n a t i o n ，n or e s t r i c t i o ni np r o d u c tl e n g t ha n dh i g hq u a l i t y ，s oi ti sw i d e l yu s e di n p r o d u c t i o n c o p p e rb u sb a rc o n t i n u o u se x t r u s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s sf a ri sv e r yc o m p l e x ，a n dt h e b i l l e te n d u r e sf i e r c e3 dp l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds h e a r i n gd e f o r m a t i o n f r i c t i o nc o n d i t i o na n d t e m p e r a t u r er i s i n gr a t eo fm a t e r i a l ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c e ，t h e s t a t eo fm e t a lu n d e rf o r c ea n dd e f o r m a t i o nm a n n e r ，e t c d e t e r m i n et h ed e f o r m a t i o np r o c e s s i f t h et e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n dt h ed i es t r u c t u r ea r en o tc h o s e nc o r r e c t l y ，m a n yd e f e c t sw i l lb e c a u s e d ，f o ri n s t a n c ec u r l i n g ，c r a c k i n ga n dl a c k i n gm a t e r i a lo ft h ep r o d u c t s ，a n dt h ed i e sw i l l b ea l s os p o i l e de a s i l y 1 1 1 ep a p e rs t r i v e st oa n a l y z et h ep a r a m e t e r so ff o r c ea n de n e r g yo fc o n t i n u o u se x t r u s i o n p r o c e s sb yt h e o r yc a l c u l a t i o na n df i n d st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne x t r u s i o nf o r c e ，e n e r g y c o n s u m p t i o n , d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ep a r a m e t e r so fd i ec h a m b e r ；a n df o r e c a s t st h e d e f e c t s e x i s t i n g i n t h ee x t r u s i o n p r o c e s sb yf v mn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f tw a r e m s c s u p e r f o r g e ，t oa d j u s tt e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n dp u tf o r w a r da m e l i o r a t ep r o j e c t s ，n l em a i nj o bo ft h i st h e s i si n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 c o m b i n i n gc 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 y 诵mf o r m i n gt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， t h en e c e s s i t y ，f e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yt os i m u l a t et h ec o n t i n u o u se x t r u s i o ne x t e n d i n g d e f o r m a t i o np r o c e s sf o rc o p p e rb u sb a r 、析mf v ma r ee x p a t i a t e d 2 b yr e a s o n a b l ys i m p l i f y i n gt h eg e o m e t r ym o d e lo fc o p p e rb u sb a rc o n t i n u o u s e x t r u s i o na n dt h ed i v i s i o no ff o r m i n gz o n e ，t h ep a r a m e t e r so ff o r c ea n de n e r g yw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h et r a n s f o r mp r i n c i p l eo fh e a t - w o r kc o m b i n e dw i mt e s t , t h ef o r m u l a so f f o r m i n gf o r c ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nc o n c e r n i n gd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ei ne a c hs u bz o n e a r ed e d u c e d ；b yp r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o n ，a n a l y i z e dt h ee f f e c t so ff r i c t i o n , p r o d u c tw i d t ha n d t h i c k n e s sa n db i l l e td i a m e t e ro ne x t r u s i o nf o r c e ；g a i n e dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n d t e m p e r a t u r ei ne v e r yd e f o r m a t i o ns u bz o n e ；i n v e s t i g a t e dt h ep r e s s u r ea c t e do nb i l l e tb y c o i n i n gr o l la n dt h ed e f o r m a t i o np r e s s u r ee n d u r e db ys t a t i o n a r ya b u t m e n t 3 a c c o r d i n gt ot h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o p p e rb u sb a r , f v ma n d a n a l y t i cm e t h o dw e r eu s e dt oa n a l y z et h el a r g ea n dc o m p l i c a t e dd e f o r m a t i o np r o c e s s ，a n d b a s i ct h e o r yo fe l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a lf v mw a si n t r o d u c e d 4 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y b ya n a l y s i z i n gc o n t a c tp r e s s u r e d i s t r i b u t i o no fb i l l e ts u r f a c ea n dt h em e t a lf l o wv e l o c i t yf i e l d ，t h ec h a m b e rd e s i g ni s o p t i m i z e da n dt h ef o r m i n gp r o c e s so fc o p p e rb u sb a ri si m p r o v e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s i i 摘要 t h ec o n c l u s i o n so ft h ep a p e rc o u l dp r o v i d et h e o r yb a s i sf o rt h ef o r m i n go fl a r g e d e m e n s i o nc o p p e rb u sb a r , t h eo p t i m i z a t i o no fd i ec h a m b e ra n dt h ed e s i g no fl a r g em o d e l e x t r u s i o nm a c h i n e k e yw o r d s ：c o p p e rb u sb a r ；c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；e x t e n d i n gd e f o r m a t i o n ；f i n i t e v o l u m em e t h o d ；t h e o r yr e s e a r c h 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董窒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 知识产权单位属太整童通太堂，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塞董銮通太堂。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。 本人授权太鎏塞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 文。 ( 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： 曹雪 疆期：御矿年乡月 器 学位论文作者毕监后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱：c h a b l i s e x 1 6 3 。c o m 导师签名：身l 匀 膏期：朋，年夕月歹搿 电话：1 3 0 1 9 4 7 7 1 6 9 邮编：1 1 6 0 2 8 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，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同王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。 学位论文作者签名： 曹雪 日期：撕年月 日 第章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 铜母线连续挤压技术发展与简介 连续挤压技术是2 0 世纪7 0 年代国际上出现的一种有色金属塑性加工新技术，该技 术从提出到工业化经历了不断完善、提高和应用领域扩展的过程。限于材料本身性能和 技术水平的限制，最初只用于铝型材的挤压，制造冰箱蒸发器的铝管等各种空心、实心 型材及管材。8 0 年代连续包覆技术得到了不断完善发展，从单一材料发展到多种材料的 复合，实现了直接包覆和间接包覆。用于生产双金属材料和电缆护套，如铝包钢丝、光 纤护套、有限电视同轴电缆、铁路通信信号电缆等产品。解决了铝包钢传统生产工艺( 压 合法和粉末烧结法) 铝层厚度不均，工艺复杂，效率低的问题；消除了护套产品的焊缝， 保证了产品的密封性，显著提高了产品质量【l 】。铜连续挤压作为铝连续挤压技术的延伸 与发展，一直备受国内外学者和研究机构重视。但由于铜的变形温度高、变形抗力大及 工装模具强度的限制，发展一直缓慢。直到1 9 9 8 年，英国b w e 公司在国际上首先实现 了铜扁线( 产品断面积 1 6m m 2 ) 连续挤压技术的研制开发，展示了连续挤压技术在铜 加工方面应用的广阔前景1 2 j 。最初连续挤压大都采用“直接挤压法，由于空间所限， 所设计的挤压轮及工具只允许一个小模子，模具的使用寿命和产品规格范围都受到了很 大的限制，仅能生产产品断面积较小的铜扁线。很快，便出现了扩展模技术，它允许采 用大尺寸的模子，产品的范围也随之加宽。连续挤压技术开发过程中，扩展模的出现是 最具意义的一步。应用扩展模，很容易挤出大于坯料断面积的产品【3 】。扩展模挤压的原 理是金属通过进料口进入到扩展腔内，被镦粗同时向两侧扩展充满腔室，然后通过模具 挤压成产品，这样，一种规格的坯料便可挤出多种型材。铜母线连续挤压技术即是应用 了上述扩展模原理。在上世纪末，大连交通大学连续挤压中心也在1 0 余年铝连续挤压 和包覆技术研究的基础上在国内率先研制开发了用于制造铜扁线、铜母线及异型铜材的 t l j 3 0 0 铜连续挤压成套设备和制造新技术，之后又相继开发了t l j 3 5 0 ，t l j 4 0 0 铜连续 挤压机。其中t l j 4 0 0 铜连续挤压机，以0 2 0 的上引无氧铜杆为坯料，可以生产产品最 大断面尺寸为1 7 0m m x1 0i l l n l 的铜母线，扩展比( 产品宽度与坯料直径之比) 达到了 8 5 ，极大地扩大了产品加工范围。大连交通大学连续挤压中心，依托技术、质量、价格 和服务优势使进口设备逐渐退出我国市场，设备遍布全国二十多个省、市、和自治区， 远销二十几个国家和地区，并成功打开了东南亚和欧洲市场，为全国及世界各地提供了 近3 0 0 条生产线，为国家创造了巨大的经济效益和社会效益。 大连交通大学工学硕+ 学位论文 铜母线是制造电机绕组、高低压电器、开关触头，以及供配电安装用导线等不可缺 少的导电材料。铜母线连续挤压技术与传统生产工艺相比，在生产成本和产品质量等方 面具有明显的优越性，该项技术已被广大生产企业誉为“铜母线制造技术的一次革命 。 传统铜母线生产一般采用“压扁一拉拔一退火 工艺，生产工艺流程如图1 1 所示： 图1 1 铜母线传统加工工艺流程 f i g 1 1t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g yf l o wo fc o p p e rb u sb a r 该方法主要有以下缺点： 1 产品表面易产生毛刺、翘皮、麻坑，容易造成变压器绕组的绝缘击穿。 2 产品的电阻率和机械性能不均匀，较难满足变压器、电机等阻抗匹配的要求。 3 宽厚比大于l o 和断面积大的铜母线生产十分困难。 4 生产的裸线如果表面处理不得当，扁线表面的润滑剂残留影响漆膜的附着质量。 5 根据不同的产品需要配备不同规格的坯料，原材料准备复杂。 6 必须有退火工序，耗电量大，生产周期长，设备占地面积大。 7 生产工序多，周期长，劳动强度大，设备陈旧很难作到文明生产。 8 扁线拉拔过程中润滑液受热挥发产生刺激气味，影响操作工人的身体健康，而且 润滑液需要处理才能排放，否则造成环境污染。 铜母线连续挤压的工作原理如图1 2 所示：挤压轮的圆周上开设一圈环形沟槽，挤 压轮四分之一左右的圆周与腔体工作圆弧面相吻合，腔体上有一个与轮槽吻合的挡料块 伸入轮槽内，腔体内装有模具。当坯料送入挤压轮的轮槽时，通过压实轮压实，在轮槽 摩擦力的作用下被拽引向前，直到被挡料块挡住，在摩擦力的作用下，应力达到金属屈 服条件而进入扩展模腔。由于摩擦和金属塑性变形产生的热量使铜坯料迅速升温，在扩 2 第章绪论 展模腔和模具内成形为所需要的软态产品。由于挤压轮是连续转动的，因此只要连续地 喂入坯料，就能得到任意长度的母线成品。 匿料 p l 腔体和模 # 目矗 、j 。 | i ： 凹12 琏续挤出原理倒 f i g 1 2 p r i n c i p l eo f c o n t i n u o u se x m t s i o n 铜母线连续挤压工艺 连续挤压方法生产铜母线的工艺【4 流程图如图13 所示： 连续挤压生产姥 幽13 铜斜线连续挤压生产工艺流程 f i 9 13t e c h n o l o g ) f l o wo f c o n t i n u o u se x t r u s i o n f o rc u p p e r b 璐b 由连续挤压变形原理和工艺可以看出，连续挤压与传统工艺相比，具有如下优点： l _ 成形过程为热挤压塑性成型，可消除原材料表面缺陷及机械损伤对产品质量的 影响，产品表面不会产生传统工艺方法极易出现的翘皮、毛刺等缺陷，使得铜 母线具有良好的表面质量。 2 铜母线连续挤压时，铜坯料在挤压模口前处于高温、高压的三向压应力条件下， 铜杆的原始内部铸造缺陷如气孔、缩松等可以在连续挤压过程中被消除，而不 会像拉拔工序那样，由于其轴向拉应力的作用，会使横向缺陷发牛扩展。所牛 产的铜母线可获得优良的性能， 3由于连续挤压的特殊的热变形过程，使得所生产的铜母线具有很细的晶粒度， 内部组织致密。 大连交通大学f t 学硕士学位论文 4 省去了退火工序，不仅可以节省电能而且彻底避免了退火过程中因炉温不均匀 而导致的产品性能变化，可保证产品的性能沿整个长度均匀一致，容易满足变 压器、电机等的阻抗匹配的要求。 5 优化的模具材料和结构可保证产品具有较高的尺寸精度，不仅可以达到国家标 准和m c 标准的要求，而且保证了同批产品具有相同的尺寸和性能。 6 由于取消了退火工序，明显缩短了生产周期。 7 生产过程中不会产生任何环境污染。 8 整条生产线采用了先进的计算机控制系统，使得生产过程中实现了设备的自动 化，提高了生产线运行的稳定性和可靠性，极大降低了操作工人的劳动强度。 1 2 连续挤压技术的研究现状 由于连续挤压的变形过程远比传统挤压复杂，它是包含热、摩擦和机械耦合作用的 三维空间流动的非线性系统。关于连续挤压和包覆技术理论、工艺和设备设计方面的研 究只有不多的公开报导，从而使理论研究滞后于生产实践，在很大程度上制约了连续挤 压技术的发展。 尽管连续挤压技术的理论研究还不尽系统完善，但连续挤压技术问世以来，国内外 诸多学者在局部范围内进行了分析研究，并取得了一定的研究成果。c e t h e r i n g t o n 、 h k s l a t e r 、j t i r o s h 、ds h a r p e r 、m 。b r i d g e w a t e 、d j h a w k e s 、c t r e a d w e l l 、t a t s u x a t o n o g i 、张辉、宋宝韫、刘元文、牛玉判5 2 0 】等对铜铝连续挤压及包覆技术的理论、工 艺及应用等作了研究，对连续挤压技术的推动发展提供了重要理论支持；李明典，宋宝 韫等【2 l 】采用主应力法研究了挤压轮沟槽内金属变形过程的力能参数和扭矩计算方法； 张新宇 2 2 1 等对挤压塑性变形区的速度场进行了分析，推导了摩擦功率和驱动功率的计算 方法；y k i m 2 3 】对直角弯曲挤压区进行了上限分析；樊志新 2 4 1 等采用主应力法对挤压轮 沟槽内的接触应力进行了系统的分析，给出了各变形分区关键参数的设计准则与确定方 法，探讨了提高挤压力的措施。d s p e n g 、张新宇、贺幼良、高飞、宋宝韫【2 5 - 2 9 等采用 实验方法对连续挤压过程中金属的变形行为、流动特性、应变场、以及变形温度和挤压 轮转速等对连续挤压包覆过程的影响作了分析。t r e i n i k a i n e n 、彭颖红、陈莉、谢玲玲、 刘彬、贺幼良、赵颖 3 0 - 4 0 l 等采用三维刚塑性有限元方法分别对铜铝连续挤压变形过程进 行了数值模拟，得到了金属变形过程的应力、应变和温度场分布规律，分析了金属流动 通道长短、模具安装位置、安装阻流环和设置促流孔等对金属流动速度差和挤压力大小 的影响。y p e n g 、j r c h o 4 1 - 4 3 等应用数值模拟对连续挤压制品表面缺陷的原因进行了分 析研究。 4 第章绪论 连续挤压塑性成形理论的研究主要是采用解析法和数值模拟的方法。解析法的研究 主要集中在挤压轮沟槽内应力场，速度场的分布和扭矩的计算。而对于产品成形最重要 的模腔部位，由于金属变形极其复杂，解析计算较难找到相应边界条件，所以该方面的 研究很少。数值模拟均采用刚塑性有限元法，f e m 能很好地处理变形体与模具的接触 问题，又具有较高的模拟精度，因此f e m 广泛地应用于金属塑性成形的数值模拟之中。 基于l a g r a n g e 网格的f e m 在模拟过程中，节点随着金属的流动而一起运动，单元的形 状随之发生改变。当网格发生畸变时，必须对发生畸变的网格进行重新划分。为适应市 场需求，大型挤压机和大型铜材生产线不断出现，相继带来了铜材产品开发和工艺模具 设计制造的需要。而f e m 模拟大变形挤压过程往往需要频繁的网格重划，必然影响到 模拟结果的精度和计算时间，甚至由于网格划分困难，导致模拟过程无法进行。因此， 对大型铜材挤压成形过程和金属流动规律进行进一步的综合研究并寻找新的数值模拟 方法，进而为工艺和模具设计提供理论指导，就显得尤为重要。 1 3 本课题研究方法 塑性成形方法种类繁多，有着各自的成形特点，但在塑性变形的物理方面和力学方 面有着共同的基础。例如，塑性成形时都以金属具有塑性为前提，都需要外力作用；成 形时都不可避免的存在外摩擦的影响；都遵循共同的金属学和塑性力学基础等等。而确 定各种成形工序所需要的变形力，是合理选用加工设备、正确设计模具和制定工艺流程 的关键。目前求解变形力的方法有多种，虽然都只限于解平面问题和轴对称问题，但大 多数塑性成形过程，可以近似看成平面问题和轴对称问题，这使很多塑性成形问题得到 了简化，使这些传统解法在工程计算的得到了较广泛的应用。 塑性成形问题的传统解法有主应力法、上限法和滑移线法等。每种方法都有各自的 特点，如主应力法是一种简化的应力解析法，用它求解锻压、轧制变形力由于数学演算 比较简单，能够反映各种因素对变形力的影响，在当前不断出现更为先进而精确的求 解金属塑性成形力的方法的情况下，该法仍不失为金属塑性成形工艺中计算变形力的重 要方法之一。上限法从理论上讲属于变分原理的范畴，该方法不仅适用于平面应变问题， 也适用于轴对称和三维问题。上限法虽然是一种高估的近似解，但对于工程上来说比较 安全。滑移线法可以确定变形体内的应力分布、计算变形力、分析变形和决定毛坯的合 理外形和尺寸等。求解变形力、应力分布等是一项繁重的计算工作，近年来己将计算机 技术应用到塑性成形问题的解题中去，这样就使一些问题的求解，如作滑移线场等大为 简单。此外还可以把上限法与计算机相结合，优化上限速度场，使上限解更接近真实解。 5 大连交通大学工学硕十学位论文 随着先进制造技术的飞速发展，塑性加工技术和现代计算机技术全方位的紧密结 合，以实现塑性加工的智能化，这是当今塑性成形技术发展的一个最为明显的趋势。 c a d c a m c a e 技术在塑性加工中的应用日益普遍，而计算机模拟则是目前塑性加工中 一个最为活跃的领域。采用这一技术进行塑性加工工艺过程的模拟，可使人们预知金属 的流动规律、应力应变、温度分布、模具受力、可能的缺陷及失效形式。一部分软件甚 至可以预知产品的微观结构、性能以及弹性恢复和残余应力。 近年来基于刚塑性、刚粘塑性和热刚粘塑性有限元的模拟技术已被广泛的用于分析 各种金属塑性成形问题。但对于连续挤压扩展变形这种极度的3 d 塑性大变形过程，模 拟中存在严重的网格畸变，需要对网格进行多次的重新划分。由于这种网格重划的次数 太多，势必造成模拟结果的失真或模拟计算的中断l 4 4 】。2 0 世纪8 0 年代以来，网格生成 技术和无网格技术的发展，以及求解精度和收敛性的提高，再加上求解过程无需网格重 划，因而有限体积法逐渐被应用于求解金属塑性大变形问题。基于有限体积法，日本锻 造协会在m s c d y t r l 3 n 的基础上开发了商品化分析软件m s c s u p e r f o r g e 。该软件在 铝型材挤压成形理论研究方面发挥了很大作用。黄克坚、包忠诩、陈泽中【4 5 舶】等以 m s c s u p e r f o r g e 软件为平台，研究了挤压模具宽展腔入1 2 1 、出1 3 尺寸、宽展模高度、模 口位置、工作带长度、导流槽等对铝型材宽展挤压变形过程中金属流动规律的影响，对 挤压模具的设计具有参考价值。黄光法、林高用【4 7 】等通过采用有限元法与有限体积法相 结合，并在有限体积法中进行分步计算的模拟方法，成功实现了大挤压比薄壁铝型材挤 压过程的数值模拟仿真，获得壁厚t = 1 0i i l l l l 、挤压比入= 9 8 2 7 的卷闸门型材挤压过程的 材料流动速度场、应力场、应变场、温度场分布图，数值模拟结果与理论分析结果吻合 较好。 软件m s c s u p e r f o r g e 现在主要用于锻造和铝型材挤压等大变形过程的仿真。铜母 线连续挤压过程与之相似之处在于该过程也是大变形过程，并且金属在模腔内的挤压过 程类似于铝型材的正挤压过程。利用该软件进行模拟的优势在于模拟过程中不需要网格 重划分，如果有限体积网格大小合适，计算精度可以保证。另外该求解过程采用的是显 式方法，其求解速度相对较快，可以节约更多时间。因此本课题采用有限体积法模拟软 件m s c s u p e r f o r g e 对铜母线连续挤压扩展成形过程进行数值模拟，并结合解析计算对 连续挤压变形过程力、能等参数进行系统的分析。 1 4 课题意义及主要研究内容 铜母线连续挤压技术作为一种绿色高效的有色金属塑性加工技术，在最近几年得到 了迅速的推广与发展，并取得了巨大的经济效益和社会效益。 6 第一章绪论 铜母线连续挤压过程坯料变形极其复杂，冷坯料在挤压轮轮槽剧烈摩擦的驱动下受 到挡料块的阻挡，垂直改变运动方向进入扩展模腔，经模具挤压成形为产品。产品的扩 展比( 产品宽度与坯料直径之比) 可以超过8 ，挤压比( 模腔断面积与产品断面积之比) 甚至可以达到几十，金属发生了极度的3 d 塑性大变形和剪切变形。此外，由于铜的变 形温度高、变形抗力大、高温氧化性强，铜母线连续挤压过程依旧存在诸多问题。涉及 产品成形的关键部件，如挤压轮、腔体、模具以及挡料块的寿命普遍偏低，大尺寸铜母 线难以成形等问题，因此有必要对其塑性变形机理，工艺参数及模具结构进行进一步的 研究，为上述问题的解决提供理论基础。 由于连续挤压的变形过程远比传统挤压复杂，其理论研究明显滞后于生产实践。关 于模腔参数对挤压力、能耗、以及温度等的影响，尤其是挤压力与产品宽厚或与扩展比 的关系，坯料规格与产品规格范围的关系，相关的研究很少。本课题通过对连续挤压变 形过程合理简化和分区，建立了各分区变形力、能耗的解析计算公式。根据功热转化 原理结合实验研究，运用计算机编程技术分析了挤压力与产品宽厚之间的关系，坯料直 径与产品规格之间的关系，摩擦条件对挤压力的影响，坯料在各变形区的能耗和温度， 并考察了压实轮对坯料的压下力和挡料块的受力情况。应用有限体积数值模拟技术对连 续挤压变形过程与各物理场量的关系进行了详尽的分析。根据对坯料表面接触压力和金 属流动速度场的分析，从改变金属在扩展模腔内的受力状态的角度出发，在不改变金属 流动通道长度的前提下改变模腔结构，达到了均匀模口处中心和两侧金属流动速度差的 目的。 一般来说，产品研究与开发的目标之一就是确定生产高质量产品的优化准则。上述 问题的解决，不可以为工模具的设计提供适当的优化准则，对提高产品质量、扩大产品 规格和提高工模具的使用寿命等都具有重大意义。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 第二章铜母线连续挤压扩展变形过程力能的分析计算 连续挤压变形过程虽然复杂，但依然有规律可循，根据坯料的变形特点可以将其划 分为几个变形区进行分析研究。在变形过程中，金属坯料在各个变形区的变形能耗和所 受到的挤压力与变形温度密切相关，并且各分区金属坯料受力相互传递，相互影响，每 一变形分区的求解必须以相邻分区的力能等参数作为边界条件，因此有必要将连续挤压 变形的全过程联系起来，综合分析计算。 2 1 连续挤压模型的简化及变形区的划分 铜母线连续挤压以圆铜杆为坯料，通过连续机内的扩展腔体和模具挤压成型为矩形 断面的母线产品。 坯料在遇到挡料块改变运动方向之前，在挤压轮槽内的变形具有侧向挤压的特点， 即制品的流出方向与金属坯料的流动方向垂直，带有沟槽的旋转挤压轮可以看成是横断 面为u 形槽的无限长的驱动模。它与坯料之间产生的摩擦力带动坯料前进，坯料与挤压 轮之间的摩擦力促进金属流动，在这一点上又不同于传统的侧向挤压。传统的侧向挤压 其挤压力是通过冲头提供的，坯料与挤压筒之间的摩擦都是阻碍金属流动的。这里仅是 对坯料在轮槽内的变形模式稍做了简化，而且这种简化最大限度的接近了连续挤压的变 形模式，对金属坯料在模腔内的变形影响很小，其流动特点与原始模型基本相同，用简 化后的模型对连续挤压变形过程的力能进行分析具有一定的合理性和参考价值。根据连 续挤压变形过程的特点，本次研究将该过程划分为六个变形区。简化连续挤压模型及变 形区分区示意图如图2 1 所示： i 凸l a 图2 1 连续挤压简化模型及变形区的划分 f i g 2 1s i m p l i f i e dm o d e lo f c o n t i n u o u se x t e n d i n ge x t r u s i o na n dd i v i s i o no fd e f o r m a t i o nz o n e 第二章铜母线连续挤压扩展变形过程力能的分析计算 2 2 变形区力能的分析计算 计算中分别对每个变形区进行受力分析，考虑到温度对屈服应力的影响，建立屈服 应力温度拟合方程，将每一变形区末端的温度、屈服应力和挤压力作为下一变形区始 端受力分析的边界条件，根据功一热转化原理，导出了坯料在各个变形区变形能耗关于 温度的计算公式，然后将六个变形区联立求解，得到了坯料在各个变形区的温度、能耗 及其它相关数据。 直角挤压区 温度挤压力 粘着区温度 功热l 能量 转化i 守叵 i 建立该区 l 长度能耗 瞄鲎：垒式 粘f 力 功热门着i 平 鲎纠温度吲衡 能至区壁划 守恒 图2 2 变形区受力分析流程 f i g 2 2a n a l y s e sf l o wo ff o r c ea c t 访go nb i l l e ti i ld e 觚i o n z o n e s 2 2 1 扩展挤压区 为了确定铜母线连续挤压的扩展挤压能力与摩擦条件、坯料直径及腔体模具结构参 数之间的关系，根据坯料在扩展模腔内的变形特点，将坯料扩展挤压区划分为两个区域。 通过对两个分区的上限分析，建立了扩展挤压区入口挤压力的数学解析式。编程求解得 到了摩擦条件、坯料直径和产品宽厚对扩展挤压区入口挤压力的影响规律。 ( 1 ) 上限模型的建立及力能的分析 通过观察铜母线连续挤压时坯料在扩展模腔内( 面鸡面陀间的坯料) 的宏观流线， 将其划分为两个区域。坯料进入腔体后，在区域i 内，金属在】，向变形很小，主要是 9 大连交通大学上学硕士学位论文 在x z 平面内的扩展成形，因此其塑性变形可以简化为在船平【( 【f 内的平【血i 变形。在 进入区域i l 后，由于坯料在区域i 内已经扩展并充满了腔体型腔，因此，坯料通过模 具挤压成所需要的铜母线时，坯料在x 方向变形很小，其变形主要表现为在y z 平面 内的流动，故将区域i i 简化为眩平面内的平面变形。 实际坯料流动在区域i 和区域i i 之间存在个交叉的过渡区域，该区域坯料处于 复杂的二维塑性变形状态。考虑该区变形特点以及与区域1 、i i 的联系，e l 册7 平面为 界，将过渡区划分为分别属于区域1 、i i 的两部分，将坯料流动简化为相互垂直流动的 两个区域i 和i i ，如酗23 所示。山于将过渡区域的三维塑性变形简化成在一个方向没 有变形的二维平面变形，因此这种简化必然使得计算载荷大于实际载荷。 根据区域i 、i i 接台面x y 平面上法向速度相等和法向压力分别相等，求得了金属 在区域i 顶面s 上( 扩展挤压区 口) 单位挤压力合力j ) k 。 图2 3 成型k 域划分 f i g23 d i v i s i o n so f f o r m i n g z o n e 区域i 的上限分析： 如图2 4 所示，将区域i 设计为由4 个剐性块a 、b 、c 和变形死区0 组成。刚性 块a 毗速度”】和单位挤压力p l 推动刚性块c 以速度v 。沿c o 运动，刚性块c 再推动 刚性块b 以速度v 2 向区域i i 运动。由速端图可以看出，旦速度v 确定，其它速度可 求，因此该速度场是动i r 容的。 第二章铜母线连续挤压扩展变形过程力能的分析计算 嫡 茶蟒i - r - lv 2 三。l c o v 。 b 均 n 图2 4 区域i 流动模型及相应速度图 f i g 2 4f l o wm o d e la n dv e l o c i t ym a po fs u b z o n ei 图2 4 中，s 为腔体入口宽度的一半，s = d 2 ( d 为坯料直径) ；三l 为产品宽度 的一半；x 为变量，x 的最优值通过上限功率的最小化来确定；) ，西，0 为可变角， 从图中所示的几何关系可以得到： 各速度间断线的长度为： 各刚性块的面积如下： s i l l 口：皇蔓肄竺一 也一s ) 2 + 日2 ( 日一x ) 2 + 置 s i i l 矽：，丝兰 。 0 一s ) 2 + 日2 锄7 。丽 咖夕。d 赫 牙：厨 丽：瓜鬲；j 可 历= 扼i 再孑 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 大连交通大学工学硕士学位论文 邑= 五1 蹦 s b = i z l 。一x ) & = 三 ( 厶一s b + 胁】 根据速端图和分块模式的相似性，列出各间断速度： ，2 = ，l 驴等：铭 y ：尘业：竺绉= 兰型兰：兰： “ s i n e0 l s h + h s ”喾：掣需 令速度间断面上的屈服剪应力为k l ，腔体入口宽度的一半为， 功率为： 骂= 2 k l ，恤c v + c o ，c d + c b v c 6j 坯料与工具之间的摩擦功为： 易= 2 m k l o s 爿+ ，s 。+ ) 上限载荷p l 的计算： 2 p l v 坶= e 1 + 易 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 可得速度间断面上剪切 ( 2 5 ) 则可得： p 。= 佤+ e ：) ( 2 v 船) = 毛竽 赫+ 丢耀卜镪篇 + 堕l 2 阢k 而 ( 2 6 ) 令劫，缸= 0 ，可以求出使上限功率最小的x 的最佳值，进而求出p l 极小值，即所 需要的单位挤压载荷p 1 。 区域i i 的上限分析： 1 2 第二章铜母线连续挤压扩展变形过程力能的分析计算 如图2 5 所示，将区域设计为由5 个三角形刚性块d ，e ，f ，g ，和死区d 组成。 根据两个分区之间的联系可知，区域i i 的刚性块d 与区域i 的刚性块b 的速度相同， 为屹；刚性块d 以速度耽和单位挤压力陇推动刚性块e 以速度v 。o 沿e o 运动，刚性块 e 推动刚性块f 以速度沿f o 运动，刚性块f 推动刚性块g 以速度均流出定径带( 产 品成形工作带) ，形成产品。由图2 5 可以知，v 2 一经确定，所设各刚性块的速度均可 确定，这表明所设的速度场是动可容的。 e d 图2 5 区域i i 流动模型及相应速度图 f i g 2 5 f l o wm o d e la n dv e l o c i t ym a po fs u b z o n e 图2 5 中，为腔体入口长度的一半，= d 2 + 5o 为坯料直径) ；厶为产品厚度 的一半；仅为模具拔模斜度，t ；t = 3 。；y 为变量，y 的最优值亦通过上限功率的最小化来 决定；妒，瑁，6 为可变角，可通过几何关系求得： 各速度间断线的长度为： t a l l 沙= r y t a n z l = w h 2 t a n ( = 三3 ( h o - y ) c o s c ，2 而精 1 3 ( 2 7 ) 大连交通大学工学硕士学位论文 一e o = 踊 瓦：而 而= 厄孓丽 而= ( h o h 2 ) c o s a 而：向面面赢面习 根据速端图和分块模式的相似性，得到各间断面上的间断速度为： v 3 = v 2 l 2 l 3 v = 1 ，2s i n 一q ) s i n 刁 v 加= v 3s i n s i n 白一口一f ) 1 ，如= v s i nr s i n 少 薯= e 面| 厨 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 令速度间断面上的屈服剪应力为k 2 ，由公式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 可得，速度间断面上的剪切功 率为： e 3 = 2 k z l l l e o 。v e o + d e v d e + f g v 拒+ e f v e t 1 金属与工具之间的摩擦功为： 臣= 2 i n k 2f o l i v r o 上限载荷p z 的计算： 2 p 2 v 2 r l l = 马+ e 4 ( 2 1 0 ) 则： p=2 e 3 + e 4 2 v 2 l 2 l ：k 盟+ 型幽- + 巫竺兰地业：生竺：! ：二兰坦兰! 剑 2 【三2 吼一y w 厶犯2 h 2 一川 【( 日。一力s i n a