（材料加工工程专业论文）cunife合金热变形行为及其空心锭“镦粗穿孔”挤压管材数值模拟.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 c u n i f e 合金管是制造冷凝器的关键材料，其主要采用热挤压方法进行生 产，而在加工过程中因缺乏对材料流变特性的系统实验研究，热变形工艺和工模 具通常是根据经验拟制和设计的，存在较大的盲目性；同时挤出管材产品常有缺 陷，而生产过程的缺陷则更是无法直观地观察与考察，不利于对缺陷产生原因进 行分析。本文采用物理模拟方法对c u n i f e 合金的热变形行为进行系统的研究， 并采用有限体积法( f v m ) 对c u n i f e 合金空心锭挤压管材过程进行数值模拟 研究。 通过g l e e b l e1 5 0 0 热模拟实验得到了b f e l 0 1 1 和b f e 3 0 1 1 铜合金流变应 力曲线。分析表明，在同一应变速率下，随变形温度的升高，真应力水平明显下 降；在同一变形温度下，随应变速率增加，真应力升高；在低温和低应变速率的 变形条件下表现出硬化现象；在高温和高应变速率的情况下，合金应力应变曲线 出现波浪形，合金发生动态再结晶，且随着应变速率的提高，动态再结晶软化现 象更为明显；建立了包含a r r h e n i u s 项z 参数的描述b f e l 0 1 1 和b f e 3 0 1 1 铜 合金热变形时的流变方程；在热压缩过程中温升较为明显，高应变速率下短时内 温升最高可达到2 7 ，有利于动态再结晶的发生；组织分析表明，随着变形温 度的提高，变形程度的增加，动态再结晶程度提高；在相同的应变速率和变形温 度下，随着变形程度的增加，退火态晶粒变得细小，这有助于生产中后续工序的 进行。 采用空心锭“镦粗穿孔”挤压管材是在传统的采用实心锭穿孔挤压管材工艺 的基础上，结合空心锭管材挤压的优点提出来的，可以达到提高材料利用率、增 加管材长度，减小挤压力，节约能源的目的。但在实际生产过程中，采用该方法 时容易出现央杂、分层、偏心等缺陷。本文结合生产实际，在m s c s u p e r f o r g e 软件平台上，采用分步计算的方法，对b f e l 0 1 1 铜合金的空心锭“镦粗穿孔” 挤压管材过程进行了数值模拟分析，采用空心锭进行“镦粗穿孔”挤压铜合金管 材数值模拟，获得了管材挤压过程中的金属流动规律及其应力场、应变场和温度 场；得到了空心锭内孔壁在挤压过程中闭合规律，解释了内孔壁氧化皮层进入管 壁形成夹杂、分层等现象；得出镦粗比例对空心锭内孑l 壁氧化层闭合形成缺陷影 响的规律；通过改进穿孔针前端结构，在穿孔针前端设置一凹槽，可以防止空心 锭内孔壁氧化层进入管壁形成央杂。 关键词：b f e l 0 1 1 铜合金，b f e 3 0 1 1 铜合金，流变应力，温升，空心锭，“镦 粗穿孔”挤压，有限体积法 中南人学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c u n i f ea l l o yt u b ew h i c hi sm a i n l yp r o d u c t e db yh o te x t r u s i o n ，c o l d r o l l i n ga n d c o l d d r a w i n gi st h ec r i t i c a lm a t e r i a lf o rp r o d u c i n gc o n d e n s o nb e c a u s eo fl a c k i n g s y s t e m i ce x p e r i m e n to ft h ef l o wc h a r a c t e ro ft h ed e f o r m i n gm a t e r i a l si nt h eh o t e x t r u s i o np r o c e s s i n g ，t h ei m p l e m e n to ft e c h n i c a lp r o c e s sa n dt h ed e s i g no fd i e sa r e u s u a l l yf i n i s h e db ye x p e r i e n c e sa n dr e s u l t si ns o m ef l a w sw h i c hc a n tb ev i s u a l i z e d a n dc a n tg e tf u l lu n d e r s t a n d i n g t h i sp a p e rr e s e a r c ht h eh o td e f o r m m i o nb e h a v i o r so f c u - n i - f ea l l o ya d o p t i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o n ，a n ds i m u l a t et h ep r o c e s s i n go fp e r f o r a t e e x t r u d i n gw i t hh o l l o wi n g o tb a s e do nf i n i t ev o l m u em e t h o d ( f v m ) t h et r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e so fb f el0 1 1a n db f e 30 1 1c o p p e ra l l o ya r eg o t u n d e rt h et h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yt h et e c h n i q u eo fg l e e b l e l5 0 0 t h e r e s u l t si n d i c a t e ：t h et r u es t r e s sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e u n d e rt h es a m es t r a ir a t e a n da st h es t r a i nr a t er i s e s ，t h et r u es t r e s si n c r e a s e su n d e rt h e s a m ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h ec u n i f ea l l o yp r e s e n t e sw o r k h a r d i n g p h e n o m e n o nu n d e rt h el o wt e m p e r a t u r ea n dl o ws t r a i nr a t e t h et r u es t r e s s - t r u es t r a i n c u r v e sa p p e a rw a v ep h e n o m e n o nu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hs t r a i nr a t e ，a n d t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nc h a r a c t e ri so b v i o u sw i t ht h es t r a i nr a t e si n c r e a s i n g t h ef l o ws t r e s se q u a t i o n so fb f e l 0 一l - 1a n db f e 3 0 1 一l c o p p e ra l l o yu n d e rh o t d e f o r m a t i o na r eo b t a i n e dw h i c ha r ed e s c r i b e db yz e n e 卜h o l l o m o np a r a m e t e rw i t h a r r h e n i u sm o d e l t h et e m p e r a t u r er i s ei so b v i o u si nt h eh o tc o m p r e s s i o np r o c e s s i n g t h em a x i m u mt e m p e r a t u r er i s eu pt o2 7 w h i c hi sh e l p f u lt ot h ed y n a m i c r e c r v s t a l l i z a t i o n t h es t r u c t u r ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n d e g r e e r a i s e sw i t ht h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er i s i n ga n dd e f o m a t i o nd e g r e e i n c r e a s i n g t h es i z eo fg r a i nu n d e ra n n e a l i n gs t a t u si sr e f i n e dw i t ht h ed e f o r m a t i o n d e g r e er i s i n gu n d e rt h es a m es t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e w h i c hi sh e l p f u l t ot h es u b s e q u e n tc o l df o r m i n go ft h ec u n i f ea l l o yt u b e t h eu p s e t t i n g p e r f o r a t i n ge x t r u s i o nt e c h n i c a lp r o c e s sw i t hh o l l o wi n g o tf o rt u b e p r o d u c i n gi sp r o p o s e dt or e a c ht h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gr a t i oo fm a t e r i a lu t i l i z a t i o n ， i n c r e a s i n gl e n g t ho ft h et u b e ，r e d u c i n ge x t r u s i o nf o r c ea n ds a v i n ge n e r g y , b u tt h e r ea r e s o m ed e f e c t sw h i c hg e n e r a t ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，f o ri n s t a n c e s ，i n c l u s i o n ， l a m i n a t i o na n de c c e n t r i c ，e ta 1 i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，b a s i n go ns o f t w a r ep l a t f o r m m s c s u p e r f o r g e am u l t i s t a g es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo ff i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) i su s dt os i m u l a t eu p s e t t i n g - p e r f o r a t i n ge x t r u s i o nf o rb f e l0 1 1 a l l o yt u b e p r o d u c i n ga d o p t i n gh o l l o wi n g o t t h ef l o wl a w , t h ef i e l do ft e m p e r a t u r e s t r e s sa n d s t r a i no ft h ed e f o r m i n gm a t e r i a l sa r eo b t a i n e d t h ec l o s i n gp r o c e s so ft h ei n t e m a lw a l l o ft h eh o l l o wi n g o ti sg o t w h i c hc a nb eu s e dt oe x p l a i nt h ep h e n o m e n o nt h a tt h e o x i d es k i nw h i c hb e l o n gt ot h ei n t e m a lw a l lo fh o l l o wi n g o to c c l u d e si n t ot h ew a l lo f e x t r u d e dt u b e t h eu p s e t t i n gr a t i oa f f e c t st h ef o r m a t i o no ft h e s ed e f e c t so b v i o u s l y t h ed e f e c t si nt h ew a l lo fh o t e x t r u e dt u b ec a nb ea v o i d e db ym o d i f i c a t i n gt h es t r c t u r e o fh o l ef o r m i n g p i n k e yw o r d s ：b f e l 0 1 1c o p p e ra l l o y ，b f e 3 0 1 1c o p p e ra l l o y ，f l o ws t r e s s ， t e m p e r a t u r er i s e ，f i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) ，h o l l o wi n g o t ， u p s e t t i n g p e r f o r a t i n ge x t r u s i o n i i 原创性声明 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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：2 主 兰茎日期：吐年上月望日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：廛l 丝 导师签名 日期埤年卫月望日 中南人学硕i ：学位论文 第一章义献综述 1 1c u n i f e 合金概述 第一章文献综述 1 1 1c u n i f e 合金及其管材应用 c u - n i f e 合金( 铁白铜) 是以镍、铁为主要合金元素的铜合金，因多数呈银 白色而得名。铜镍之间的原子半径差值很小，晶格类型相同，所以它们之间彼此 可无限互溶，即无论彼此的比例是多少，而恒为o 【相0 , 2 1 。因此铜镍合会( 白铜) 具有良好的耐蚀性能，也具有良好的塑性，可以拉伸成很细的线材，一般都把它 作为压力加工产品使用。此外铜中加镍能显著还能提高耐蚀性、强度、硬度、电 阻、热电势，并降低电阻率温度系数。铁在白铜中溶解度比较小，所以在白铜中 含量较低，它能提高白铜的力学性能，尤其是明显提高白铜在海水作用下抗冲击 腐蚀的能力。锰的加入可以弥补铁的作用也能显著提高白铜抗急流冲击腐蚀的能 力，同时还可消除白铜中过剩碳造成的不良影响，改善合金的工艺性能。 白铜可分为简单白铜和复杂白铜两类【3 】，普通白铜按镍含量有b o 6 、b 5 、b 1 9 、 b 2 5 、b 3 0 等5 个牌号。特殊白铜有四种系列【4 】：( 1 ) 锰白铜。锰白铜是一种精密 电阻合金，其中b m l1 3 1 2 称锰铜，b m 4 0 1 5 俗称康铜，比一般锰铜有更好的耐 蚀性与温度使用范围，b m 4 3 0 5 又称考铜，与康铜一样均可做热电偶材料。( 2 ) 锌白铜。锌自铜于1 5 世纪时就已在中国生产使用，被称为“中国银”，所谓镍银或 德银也属此类锌自铜。这种合金具有高的强度和耐蚀性，弹性也较好，外表美观， 价格低廉，其具有美丽的银白色，锌能大量固溶于铜镍之中，能产生固溶强化作 用，且抗大气腐蚀。锌白铜中加铅以后能顺利地切削加工成各种精密零件，故广 泛应用于仪器仪表及医疗器械中。( 3 ) 铝白铜。铝白铜中铝能显著提高合金的 强度和耐蚀性，其析出物还可以产生沉淀硬化作用。( 4 ) 铁白铜。铁白铜又称 c u - n i f e 合金，主要有b f e l 0 1 1 ，b f e 3 0 1 1 和b f e 5 1 5 o 5 等牌号。c u - n i f e 合 金中铁的加入量不超过2 以防腐蚀开裂，其特点是强度高，抗腐蚀特别是抗海 水流动腐蚀能力特别高，被广泛应用于火力发电设备、船舶、石油、化工、电器 仪表等行业。 本文以b f e l 0 1 1 、b f e 3 0 1 1 这两种典型的c u - n i f e 合金为研究对象，以 下主要介绍该系列合金。 b f e l 0 1 1 铜合剑5 6 】主要成分( 表1 1 ) 为c u 、n i 、f e 、m n 等，同美国牌 号c 7 0 6 0 0 。f e 在c u - n i 合金中的固溶度较小，9 5 0 时可固溶4 8 ，3 0 0 时则 剧降到0 1 ，它提高c u n i 合金的抗蚀性与力学性能，特别能大幅度提高c u - n i 中南人学硕i j 学位论义第一章义献综述 合会抗海水冲击腐蚀的能力。一般，c u n i f e 合金的f e 含量不超过2 ，否则 合会有应力腐蚀丌裂倾向，若超过4 则腐蚀加剧。b f e l 0 1 1 铜合会对海水 有很强的抗蚀性。 表1 1b f e l 0 1 1 铜合金化学成分m b f e l 0 1 1 铜合金具有良好的塑性变形性能，可以进行热轧、热挤、热锻： 也可以承受大变形量的冷加工，能够以管、棒、型、线、板、带、条、箔、锻件、 焊丝等半成品供应；该合金热加工温度一般为8 5 0 9 5 0 ，再结晶温度 6 0 0 7 0 0 ，允许冷变形量为8 5 。b f e l 0 1 1 铜合金焊接性能良好，可以同种 金属焊接，也可以异种金属焊接，比如b f e l 0 1 1 铜合金与钢铁焊接，常用焊接 方法有保护金属电弧焊( s m a w ) 和气体保护电弧焊( g m a w ) ，焊丝可以为 b f e l 0 1 1 铜合金；b f e l 0 1 1 铜合金的复合双金属方法有：热轧、爆炸复合等： 该合金可以通过合金化的方法强化，通常加入2 3 0 ，可以使合金的强度提高 1 倍，而不损失其耐蚀性能；b f e l 0 1 1 铜合金还具有良好的铸造性能，可以直 接铸造成异型材，如海底阀门等，铸造方法有砂模、树脂沙模、钛模等多种。 n ( 原予) 图1 - 1c u _ n i 合金相图 由铜镍合金相图【8 】，如图1 1 所示。镍在铜中可以无限固溶，形成连续固溶体， 因此铜镍合金具有良好的耐蚀性能。铁在自铜中溶解度比较小，它能提高白铜的 2 中南人学硕i j 学位论文 第一章义献综述 力学性能。尤其是明显提高白铜在海水作用下抗冲击腐蚀的能力；锰在白钢中含 较低，锰的加入可以弥补铁的作也能显著提高自铜抗急流冲击腐蚀的能力，同时 还可消除白铜中过剩碳造成的不良影响，改善合金的工艺性能。b f e l 0 1 1 的力学 性能与加工率及退火温度的关系【9 1 分别见图1 2 和图1 3 。 一 山 墨 口 b o 叠静翟柚驰细 加工率 图1 - 2 b f e l 0 1 1 的力学 性能与加工率的关系 k 怒 。 兰 占 一 b o钟趁峪各蝣6 啦衡o 退火温度 图1 - 3b f e l 0 1 1 的力学 性能与退火温度的关系 b f e l 0 1 1 白铜管的应用，b f e l 0 1 1 白铜以其强的抗腐蚀能力和抗污杀菌能 力，在海洋工业中应用是非常广泛【i o d3 1 。业己在海水淡化工厂、海洋采油采气平 台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用，例如，在海洋环境中，凡与海水接触 的部分都广泛的使用了b f e l 0 1 1 铜合金，其中代表性的用途有：海滨电厂的冷 凝器、加热器、海水淡化设备中的热交换器、海洋化工的热交换器、真空制盐机 组。海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门，以及采油采气平台上使用的设 备，包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔头，抗生物污损包套、泵阀和管路系统等 等，同时，b f e l 0 1 1 海上采油平台是最典型的海洋上的建筑，欧美海上采油平 台支柱已实验采用b f e l 0 1 1 铜合金包覆，其原因是支柱工作环境恶劣，特别是 溅水区部位，既有海浪冲刷腐蚀，又是海生物附着区，为防止支柱腐蚀，一般钢 柱要留有1 2 m m 裕富。实践表明：采用碳钢柱涂漆的方法，不能有效的防止腐蚀， 同时涂漆和清理海生物附着费用相当昂贵，而在碳钢表面直接喷涂b f e l 0 1 1 铜 合金方法具有工艺简单、成本低等优点，适合于现场施工，在海洋工程中具有长 远的应用前景。由于良好的耐海水腐蚀性能，白铜以及镍铜合金( 蒙乃尔合金) 己成为造船的标准材料。一般在军舰和商船的自重中，铜和铜合金占2 3 。世 界各国家在舰船中普遍应用b f e l 0 1 1 铜合金的部分有【1 4 】：海水淡化管道、消防 水管道、压缩空气管道、蒸汽船的副冷凝器等。美国铜发展协会近百年研究表明， 由于其优秀的防海洋生物生长能力，使用b f e l 0 1 1 合金铜管能够明显节省维修 费用，因此，使用b f e l 0 1 1 铜合金是最经济的，具有重大的潜在市场。 中南人学硕i ：学位论义 第帝义献综述 目f i 我国的b f e l 0 1 1 铜合金的生产已经产业化，技术成熟，使用已较为普 遍，成功范例较多，但和一些工业发达国家相比还是具有一定的差距。 b f e 3 0 一1 1 是一种高合金化的铜合金材料，其化学成分如表1 2 所示。因合会 中除了加入约3 0 的高熔点金属n i ，还加入了f e 、m n 、z n 、p b 、s i 、s n 、c u 、 c o 等元素。该系列白铜以其超强的抗腐蚀能力和抗污杀菌能力，主要以管材形 式广泛用于海洋工业中，业己在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海 岸和海底设施中广泛应用。例如，海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门， 以及采油采气平台上使用的设备，包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔头，抗生物 污损包套、泵阀和管路系统等等。冷凝器铜合金管还应用于火力发电设备中，主 要用于覆水器、冷凝器，其中9 0 用锡黄铜管，在条件较恶劣的地区则用1 0 的 镍铜管【5 】。 b f e 3 0 1 1 与美国牌号c 7 1 5 0 0 成分接近【1 5 1 。国外主要用于制造冷凝管、冷凝 器厚板、蒸馏器管、蒸发器和热交换器管、环圈、咸水管道等。 表1 2b f e 3 0 1 1 铜合金的化学成分( w t ) 7 1 b f e 3 0 1 1 铜镍合金是一种优良的耐海水腐蚀的材料，广泛的应用于船坚和 海洋电站的热交换器中，该合金的管材加工难度大，冷加工工序多，较黄铜冷凝 管难于生产，它的生产工艺及其产品质量代表着一个国家冷凝管的加工科技水 平。 1 2 铜管生产概述 1 2 1 铜管生产现状及其发展 铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自 然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在 世界上8 0 以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在 2 3 左右。 由于铜和铜合金具有良好的导电性、导热性和抗蚀性，容易加工，并且具有 高的强度和疲劳抗力，因此得到广泛的应用，是大量生产的工业金属的重要组成 部分。中国经济的快速发展以及人民生活水平的显著提高，极大地促进了铜加工 4 中南人学倾l ：学位论义 第一章义献综述 材，特别是铜管材产品的广泛应用，目前在中国铜管的热点产品中，紫铜管材以 空调制冷铜管和建筑用铜水( 气) 管为代表，而铜合会管生产领域尤以电厂、舰船、 海水淡化用冷凝管和汽车同步器齿环复杂黄铜管为主。 中国有色金属工业协会统计资料显示，中国铜加工材的产量在2 0 0 4 年已经达 到4 7 1 6 万吨，而表观消费量据分析已超过5 5 0 0 万吨。而铜管类产品约占中国 铜加工材产量五分之一。根据现有统计资料分析，2 0 0 0 年至2 0 0 5 年期间，中国 铜加工材的表观消费量以超过2 0 4 的年均递增率上升，而此间中国铜管的表观 消费量则以接近3 8 4 的年均速率递增。2 0 0 5 年中国铜管的表观消费量将超过 9 0 8 万吨( 表1 3 ) ，增长速度开始趋缓。而在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间，中国铜加工材产 量的年均递增率为2 5 1 ，而此间中国铜管的产量则以年均约4 6 2 的速度大幅 提高，在铜加工材总产量中的比例，也由2 0 0 0 年的9 5 上升到2 0 0 5 年的2 0 6 。 铜管在国民经济中的应用十分广泛，比如在空调、冰箱等家用电器以及建筑、汽 车、海洋工业等行业，尤其是近年来，能源、海洋工程等行业的快速发展，高质 量的铜管需求量呈不断扩大趋势，目前其应用又以制冷行业为最大领域。中国制 冷空调工业协会的资料表明，2 0 0 4 年该行业仅房间空调器与中央空调系统产品 对高效传热管( 蒸发管、冷凝管) 的需求量就接近2 9 o 万吨，且普通空调管的用量 也超过了8 o 万吨。其中高效传热铜管的用量比2 0 0 2 年增加了1 3 0 万吨，比2 0 0 3 年增加了1 0 o 万吨。 表1 - 32 0 0 0 2 0 0 5 年中国铜管表观消费量单位：万吨【6 1 目前，中国是世界上最大的房间空调器和家用冰箱生产国，因此铜管在这一 领域的应用将保持稳定或适度增长。与此同时，中国还是世界上最大的舰船、汽 车生产国，而随着中国电力行业进入到一个相对的阶段性投资热潮以及国家加大 对海水资源的利用开发，这些领域所用的冷凝管与黄铜管将有可观的增长。 1 2 2 挤压变形原理及优缺点 ( 1 ) 挤压基本原理 挤压就是对盛放在挤压容室( 挤压筒) 内的铸锭一端施加压力，使之通过模 中南人学倾i ：学位论文第一章义献综述 孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。 挤压技术的原理如图1 - 4 所示。先将加热到热加工温度的铸锭或坯料4 送入 挤压筒3 中，挤压筒的一端用装在模支承罩的模子5 封住，再从另一端塞进挤压 挚片2 ，并通过挤压垫片将挤压杆l 上的压力传递给锭坯。当与挤压机主柱塞联 接在一起的挤压轴处于工作行程时，铸锭金属开始从模孔流出，并得到与模孔孔 型相同的产品。挤压结束时，用挤压杆推出挤压残料，在剪刀下把制品与残料切 断，然后由垫片分离机构把挤压残料与垫片分离。挤压机的各工具和部件退回原 始状态，进行下一个挤压周期。 4 图l _ 4 挤压过程原理示意图 l 挤压杆2 挤压筒3 挤压垫片4 坯料5 挤压模具 ( 2 ) 挤压变形时的主要特点 挤压时金属的应力与应变 在简单挤压时，作用于金属锭坯上的外力、应力及其变形图如图1 5 。击挤压 金属上作用的外力有：挤压力、挤压筒、挤压模、挤压模定径带对金属的正压力 ( 反作用力) ，以及接触表面上的摩擦力。o 挤压筒内的金属为三向压缩应力状态。 在变形区内，金属发生轴向延伸变形，而径向和周向为压缩变形。根据轴对称条 件应有：仃，= ；占，= 岛 翟 中南人学顾l j 学位论义第一章义献练述 最 鹫 擦 图1 - 5 棒材挤压时作用于金属坯锭上的外力、应力及应变状态 ( d 挤压时金属的不均匀流动 挤压时金属的流动特点表明，在一般情况下，一整个挤压铸锭的体积可以分为 三个区域，即弹性变形区、塑性变形区和滞留区( 死区) ，如图1 - 6 所示。各区域 的大小受多种因素的影响。如用锥模挤压，可以减小死区；金属与挤压筒接触表 面的摩擦力增大，使塑性变形区扩大，弹性变形区缩小；随挤压过程的进行，其 塑性变形区也发生变化。 图1 6 挤压时铸锭的变形区 l 一弹性区；2 一塑性变形区；3 一死区 塑性区占被挤压金属的体积越大，挤压时金属流动越不均匀，挤压力越大， 挤压制品前端与后端，内部与表面之间的组织与性能差别越大。 挤压筒内金属流动有四种类型。如图1 7 所示。 目圈圈阎 ( 6 )(力 图1 7 平模挤压时金属流动的四种基本类型示意图 7 中南人学坝i j 学位论文第一章义献综述 ( a ) 金属流动均匀，塑性区局限在模口，无死区，弹性区域的体积较大。这是反 挤压时的流动类型。 ( b ) j 下向润滑挤压时，挤压筒对金属的摩擦阻力很小，盒属流动特征与反挤压的 相似。挤压紫铜、h 9 6 、锡磷铜等属于这种类型。 ( c ) 挤压工具对金属流动阻力比较大时，正向挤压的金属流动很不均匀，挤压一 开始外层金属就向铸锭中心流动，变形区扩大到整个铸锭体积，挤压h p b 5 9 1 ， h 6 2 黄铜、铝青铜属于这类。 ( d 铸锭不均匀流动对制品品质的影响 ( a ) 制品前后组织性能不均； ( b ) 因挤压时铸锭的中部金属流动快，表面流动慢，这种不均匀变形，使制 品表面产生拉副应力，从而可能使制品表面产生周期性环形裂纹： ( c ) 制品产生缩尾： a ) 实心漏斗状缩尾这类缩尾是由于铸锭不均匀流动造成的。当铸锭表面脏金属 流入铸锭中央，再从铸锭内部流出，便进入制品尾部中央。有时这种缩尾会延伸 到几米长。 b ) 分散状或环状缩尾它的形成原因是铸锭表面层金属被拉裂，致使外层杂质、 脏金属等被拉入锭内，再被挤入制品中，因此这类缩尾又称为“侧向缩尾”。上述 拉裂的部位，可以是垫片与挤压筒的交接处，或在其他地方。 c ) 空心漏斗状缩尾它发生在挤压的最后阶段。一般是由于在铸锭中心金属流动 比较快时，边部的金属来不及给以补充，压余又留得很薄时造成的。有时这种缩 尾也能深入制品尾端几米长。 缩尾使制品的力学性能和耐腐蚀性能降低。因此，为防止缩尾，在挤压结束 前，要留压余，同时制品要进行缩尾检查。 ( 3 ) 挤压方法的优缺点 挤压、拉拔和冷轧是生产铜和铜合金管材的三种基本加工方法。挤压为热变 形，拉拔和冷轧为冷变形。如图1 8 为金属挤压棒材或管材使用的工具。 8 中南人学坝i j 学位论文 第一章文献综述 87 图1 8 金属挤压棒材或管材使用的工具 1 挤压筒外套；2 挤压筒中间衬套；3 挤压筒中内衬套；4 空心挤压轴；5 穿孔针支撑；6 穿孔针；7 挤压垫片；8 金属坯料；9 挤压模；1 0 模支撑；1 1 模垫；1 2 支撑环；1 3 模架 挤压生产管材与拉拔及冷轧生产管材相比，其优点： 1 ) 挤压时金属在挤压筒内受到比拉拔、轧制更强烈的三向压应力的作用， 因此它能充分发挥金属的塑性，实现挤压比达1 0 以上的大变形，可以生产轧制 或拉拔难以加工的低塑性金属。 2 ) 只要更换挤压模或挤压针，就可以用一台挤压机生产不同品种、不同尺 寸规格的制品，特别是断面极其复杂的变断面管材和型财，生产灵活方便。 3 ) 挤压制品表面质量好，尺寸精度高。 4 ) 实现生产的自动化和封闭化比较容易。 其缺点是： 1 ) 挤压机结构复杂，设备投资费用大。 2 ) 挤压残料比较多，要占坯料的1 0 一1 5 ，挤压大直径棒材时，成品率较 低。 3 ) 正挤压时金属与挤压工具表面的摩擦力大，金属不均匀变形严重，是挤 压制品性能不均匀。 4 ) 加工速度低。 5 ) 工具消耗大，增加生产成本。 ( 4 ) 挤压方法与工艺 9 中南人学坝l j 学位论义 第一章义献综述 正向穿孔 p 挤压管材 p 空心锭上e 向挤压管 材 ( 1 ) 挤压管材人部分心此方法； ( 2 ) 实心锭坯填充挤压后，有独立穿 孔系统的穿孔针穿透锭坯，其前端进入 模孔，然厉垫片前进，使金属从模孔与 穿孔针之间的缝隙中流出，得剑无缝管 材； ( 3 ) 挤压后期会留。卜压余，并有穿孔 残料； ( 4 ) 管材品质较好 ( 1 ) 可h j 无独立穿孔系统的挤压机挤 压： ( 2 ) 空心铸锭中插入芯棒，挤乐轴前 进，金属从模孔与芯棒之间的间隙挤 出，得到无缝管材； ( 3 ) 空心铸锭加热，内表面氧化，容 易使芯棒磨损，管材内表面缺陷增加 按照挤压技术的特点，挤压有正挤压、反挤压、正反联合挤压和横向挤压； 卧式和立式挤压；热挤压、温挤压和冷挤压：润滑挤压和干挤压等工艺。其中， 正向卧式非润滑热挤压技术由于挤压工模具结构相对简单，装配和操作方便，生 产效率高，产品规格多、尺寸范围广、表面质量好，在铜管挤压中得到了广泛的 应用。j 下向穿孔挤压管材和空心锭正向挤压管材的图例和说明见表1 4 。 各种挤压管材制品的生产工艺流程图基本相同。但是，因制品的种类，合金 牌号及对制品的质量要求等情况不同，可采用不同结构的挤压机和不同的挤压方 法。管材正向挤压按照挤压工艺又主要分为正向穿孔挤压和空心锭正向挤压。图 1 - 9 为管材传统挤压工艺流程图【5 】。 1 0 中南人学颂i ：学位论义第一章文献综述 图1 - 9 管材传统挤压工艺流程图2 j 近年来发展起来的水封挤压、冷挤压、静液挤压、连续挤压等新的挤压方法， 其成形原理与上述热挤压基本原理基本相同，只不过有的在冷态下成形，有的用 高压液体传递压力，有的依靠摩擦力来实现变形。 1 3 数值模拟在挤压加工中的应用 如图1 1 0 所示，塑性加工工艺模拟时采用的数值模拟法是随着计算机的发 展和应用而产生的，它是以计算机为工具，用现代数值方法求解塑性加工问题方 法，包括有限差分法、有限元法、边界元法和有限体积法等。 图1 1 0 塑性数值模拟方法分类 中南入学坝l j 学位论义 第一帝义献综述 有限元方法在金属塑性成形数值模拟中得到了非常广泛的应用【1 6 2 0 】。然而， 由于有限元采用l a g r a n g e 方法，在模拟塑性成形过程时常常会碰到网格再划分 问题。对于极度大变形塑性成形问题，很难解决网格再划分问题，从而使得会属 塑性成形的有限元模拟无法进行下去。基于e u l c r 的有限体积法则是将网格固定 在空间，材料在流过e u l e r 网格时网格不发生变化。因此，用有限体积法模拟大 变形塑性成形问题可以很好地回避网格再划分问题。 1 3 1 金属塑性成形有限体积法( 1 i 、啊) 基本理论 ( 1 ) 有限体积法基本思想 有限体积法是1 9 8 1 年j a m e s o n 在对热能传递有限差分法的研究过程中提出 的，全称是有限体积显式r u n g e k u t t a 多时间步方法【2 。由于有限体积法既保持 了有限差分法的计算简单性，又兼有有限元法的精确性，因此它在计算流体力学 中迅速得到了非常广泛的应用 2 2 - 2 5 1 。 为了解决有限元法在研究大变形塑性变形中遇到的网格重划分问题，人们将 应用于流体力学计算的有限体积法引入到了金属塑性成形数值模拟中。日本锻造 协会对有限体积法在金属塑性成形中的应用作了深入研究，并在m s c d y t r a 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 ，用于模拟金属锻造成形问题，取 得了定的成功【2 6 1 。国内个别学者也应用m s c s u p e r f o r g e 软件平台进行研究，文 献【2 7 1 对平模和分流组合模铝型材挤压过程中金属流出工作带时的断面速度进行 了研究，周飞等人采用有限体积法对铝型材挤压成形进行了模拟，并与刚塑性有 限元法进行了对比与结合应用 2 8 - 3 1 】。 有限体积法将材料流动所要经历的空间采用e u l e r 网格进行离散。e u l e r 网格 是一个固定在空间的参考框架，通常采用六面体单元。e u l e r 单元的节点在空间 固定不动，因此，e u l e r 单元的体积是不变的。物体的材料只是从一个单元流到 另一个单元，并且材料的质量、动量和能量也随之从一个单元流到另一个单元。 在材料流动的过程中，必须满足质量守恒、动量守恒、能量守恒和本构关系等控 制方程【3 2 1 。图1 1 l 所示为e u l e r 网格的一个单元，单元的中心以p 点表示，其前后 左右上下的相邻单元的中心分别以e 、肌、文兀b 表示，单元溉、y 、z 方向 的长度分别以m 、d “d z 表示。 1 2 中南人学顺i ：学位论文第一章文献综述 一盲- 一 ，77 ：7 ：一，- e f - - - 一i 广_ - ；s ii n ： l： | 一。p p - - ， ： r i ： l 一一一一一一 ： _ 。1 =- i 正一 二 气一x 图1 1 1 有限体积单元 ( 2 ) 塑性成形有限体积控制方程 在塑性成形过程中材料从一个单元流到另一个单元，材料的质量、动量和能 量也随之从一个单元流到另一个单元，此过程中，必须满足以下控制方程 3 3 - 3 6 】： 质量守恒方程 挈+ _ a p v i = 0 ( 1 - 1 ) ol o x i ( 参动量守恒方程 a ( p o + a ( p v , b + p a , j - s , j ) ：o ( 1 - 2 ) a t 8 x j ( 参能量守恒方程 a ( p e ) + a ( p v i e ) = 里! ：! ! 兰! 二! 至塑 c 3 t a x i瓠j ( 1 3 ) 式中，p 、昌_ ，、p 、e 分别为材料的密度、速度矢量、应力张量、静水压 本构方程 j 鲁= g 陆+ 玺卜瓦a v k 瓯4 ， l 够“若 式中，醪为塑性应变速率张量，a 为与应力、应变以及应变速率有关的系 数，厂为各向异性材料的v o n m i s e s 屈服函数( 塑性势) 。 状态方程 中南人学颀l ：学位论文第一章义献综述 假设为有限体积单元中物体的任意一个状态变量( 如：体积、应力、密 度、压力等) ，它在控制体积上是时间t 和空间( x ，y ，z ) 的函数。由动量守恒 和能量守恒原理可以推知，物体的任意属性在有限体积单元空间上的变化家都将 遵从守恒定律，即变化率等于单位时间内流入有限体积单元中的净增量， 于是得到： 掣+ 掣：0 ( 1 5 ) o t o x t 式中，为任意状态变量，如体积、应力、压力等。 ( 蓟热平衡方程 根据热力学第一定律，单元体内能量的变化率等于外力对单元体所做的功率 和单元与外界进行热交换率的总和。因此，材料单元的能量平衡方程为 胪产丢 争可群= 0 ( 1 - 6 ) 式中，k 为材料的导热系数，r 为工件温度，白为比热容。 ( 3 ) 物理场量的求解 采用基： ：s t a g g e r e dg r i d 方法对上述控制方程进行有限体积展开，然后采 用龙格库塔法求解各微分方程，从而得到有限体积内变形体的各种物理场量。 1 3 2 有限体积法仿真金属塑性成形的关键技术 ( 1 ) 有限体积网格的建立 对于三维塑性成形问题，采用六面体单元建立有限体积的e u l e r 网格体系。 由于e u l e r 网格在成形过程中并不随金属一起流动，也不发生变形，因此可以采 用长方体或正方体单元。有限体积法模拟金属塑性成形中，e u l e r 网格的建立应 遵循以下两条原则： e u l e r 网格需覆盖金属流动所经历的整个区域； ( 为了保证模拟精度，在成形工件的最小壁厚处至少应包含两个e u l e r 单 元。 上述两条原则决定了e u l e r 网格在空间的分布及网格单元的大小。 ( 2 ) 坯料边界的几何描述 三维模具可以用解析式( 0 r 平面、柱面、球面等) 和参数曲面( 如c o o n s 曲面、 b e i z e r 曲面、n u r b s 曲面等) 来进行精确描述。但三维金属塑性成形中，模具的 形状千差万别，很难用一种统一的方法进行精确地描述。为了便于快速处理动态 边界的识别问题，三维金属塑性成形模拟中，常用空间三角形网格来描述模具的 几何外形，而这种三角形网格在很多商品化c a d 软件( 如u g 、i d e a s 、c a t i a 、 1 4 中南人学硕i j 学位论文第一章文献综述 p r o e ) 中都可以用s t l 格式输出。同样，初始坯料的几何边界也可以采用空间三 角形网格来描述。 ( 3 ) 网格化分技术 在型材挤压成形数值模拟中，有限体积单元为六面体，其尺寸不能过大，数 量不能过多或过少，否则会影响计算精度，甚至得不到可信结果。可按如下方法 确定有限体积单元的尺寸和数量： 有限体积网格单元的尺寸应保证工件的各部分至少跨越3 个有限体积单元， 以确保能够模拟工件质