不同阻碍角下大宽厚比铜扁线连续挤压过程数值模拟.pdf

第6 1 卷第3 期 2OO9 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 2009 不同阻碍角下大宽厚比铜扁线连续挤压过程数值模拟 吴朋越，谢水生，程磊 北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京1O 0 0 8 8 摘 要基于D E F O R M 3 D 软件，采用刚粘塑性有限元理论，运用三维有限元技术详细研究不同阻碍角对铜扁线连续挤压成 形过程的影响。得出了不同阻碍角对出模口处的流速均方差、模具载荷、金属等效应场和静水压力应力场的影响规律，从而为工 艺参数的优化提供有效的理论指导。 关键词金属材料；大宽厚比铜扁线；有限元方法；连续挤压；阻碍角 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 ；T G 3 7 9文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 l l 2 0 0 9 0 3 0 0 3 7 一0 5 l实验方法 连续挤压技术具有制品长度不受限制、低能耗、 低成本和高度自动化等优点。7 。，其工作原理如图 l 所示。随着一个带有轮槽的挤压轮连续旋转，利 用轮槽与坯料之间的摩擦力，将坯料连续不断地拽 人由挤压轮槽、槽封块、靴座和堵头组成的挤压模腔 内，并在模腔内发生塑性变形，最后从挤压模孔挤出 连续的挤压产品。 靴子 模具 产品 堵头 泄漏间隙 图l 连续挤压工作原理图图 F i g ．1 S c h e m eo fC O N F O R Mp m c e s 8 随着国产连续挤压机的成功研制，运用连续挤 压机生产铜扁线、铜型材得到迅速的推广。9 1 。挤 压产品也因其品质优良，受到变压器、发电机等行业 的充分肯定。可以说连续挤压机在很大程度上改变 了传统铜扁线采用拉拔的生产模式，铜扁线截面形 状如图2 所示。然而运用连续挤压法生产宽厚比大 于1 2 6 ／口 1 2 的薄扁线 6 1 ．5 时，由于挤压过 程中变形量较大、变形抗力较大、变形温度较高，同 收稿日期2 0 0 7 一0 5 3 0 基金项目云南省科技攻关项目 2 0 0 5 y s l 2 作者简介吴朋越 1 9 7 8 一 ，男，山东昌邑县人，工程师，博士，主要 从事铜合金塑性加工等方面的研究。 时金属在出模口处流速不均匀，所以在生产中存在 成品率低、堵头和模具寿命短以及工模具结构设计 困难等缺点。 上 I t 图2 铜扁线截面形状 F i g ．2 C o p p e rn a tw i r es e c t i o ns h a p e s 研究的铜扁线的尺寸为o 1 ．1 5 m m ，6 2 0 m m ， r 0 ．2 5 m m ，由于所用薄铜扁线宽厚比较大，根据经 验可知仅靠改变定径带的长度无法使出模口处的流 速均匀，而造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺 陷。因此，为了提高制品的质量，需要考虑模孔的配 置、模孔尺寸的确定使模具出口处型材断面各个部 位的流动速度均匀。为了调整金属在出模口处的流 速，通过将模具定径带前端加阻流环的方式调整流 速。根据经验可知，在模具出口处中部金属流动较 快，而两端速度较慢。为了使其在整个断面上流速 均匀，因此阻流环中部流道应适当减窄。边部金属 由于摩擦作用流速减慢，则金属流道可适当加宽。 通过调整阻碍角届，改变阻流环的通道形状，以利于 成形均匀和稳定。具体结构如图3 所示。图中“ 4 。，月， 1 0 0 m m ，R ， 0 ．5 m m 为固定值。通过改变模 具阻碍角口的大小，对其变形过程进行研究，找到最 优的口角。 运用D E F O R M 一3 D 软件，采用刚粘塑性有限元 理论，运用三维有限元技术对不同阻碍角下的大宽 万方数据 3 8 有色金属第6 1 卷 厚比铜扁线连续挤压过程进行了数值模拟研究。模 具阻碍角分别取为3 。，5 。，7 。和9 。。重点研究了不 同阻碍对模具出口处金属的均速流方差、模具载荷、 金属等效应变场和平均应力场等参数的影响，从而 为铜扁线连续挤压过程中工艺参数的优化提供了有 效的理论指导。 图3 铜扁线连续挤压用模具结构 F i g ．3C o p p e rn a tw i r eC O N F O R M d i e 2 铜扁线连续挤压模型 分析中，忽略系统的辐射传热，模拟稳定的变形 阶段，挤压轮边界处假设温度恒定且热交换系数为 已知。模拟时采用D e f o r m 3 D 软件，应用三维造型 重 邑 R 恻 幅 堪 0 ．20 30 ．4 O ．50 ．60 ．7 0 ．8 应变 a ￡ 至 一 收 翻 需 毽 软件产生整个系统各个部件的三维实体，将所得图 形以“s T L ，，格式导入到D e f o 珊中进行网格化分，建 立仿真模型。为了节省模拟时间和计算机存储资 源，利用对称性取整个系统的一半作为计算模型，同 时对大变形部位进行局部网格细分。铜扁线连续挤 压有限元模型如图4 所示。变形金属为纯铜，其材 料模型为盯i 矗 盯i 8 i ，占；，L ，式中盯潍一流动应 力；占i 一应变；8 ，一应变速率；咒一温度。 a 一模具网格图； b 一铜扁线连续挤压机构模型 图4 铜扁线连续挤压有限元模型 F i g ．4C o p p e rn a tw i r eC O N F O R Mf i n i t ee l e m e n tm o d e l 图5 给出了应变速率为2 ．0 和3 ．0 s 一1 时应变 和温度对流动应力的影响。利用线性插补可以得出 材料的流动应力模型。表1 为铜扁线连续挤压过程 中所用的参数。 0 ．2O ．30 ．40 ．5O ．60 ．7O ．8 应变 b a 一应变速率 2 ．0 s 一1 ； b 一应变速率 3 ．O s l 图5不同温度下纯铜的流动应力与应变曲线 F 培．5 F l o ws t r e s sa n ds t r a i nc u r v ef o rp u r ec o p p e rw i t hd i f k r e n tt e m p e r a t u r e s 表1 模拟所用参数 T a b l elP a r a m e t e r su s e df o rs i m u l a t i o n 3结果分析 最佳凹模结构的设计目标有三个一是要求模 具出口处的流速均匀；二是要求模具承受较低的载 荷；三是要求在挤压过程中金属达到最佳的塑性状 态。口分别取3 。，5 。，7 。和9 。时对铜扁线的连续挤压 过程进行了模拟。 3 ．1 不同阻碍角对流速均方差的影响 为了有效的控制金属挤压时流动的不均匀性， 以挤压模出口处速度场标准偏差S D y S t a n d a r dD e 万方数据 第3 期吴朋越等不同阻碍角下大宽厚比铜扁线连续挤压过程数值模拟 3 9 v i a t i o no ft h eV e l o c i t yf i e l d 值来衡量流速的均匀程 度，计算式为s D y [ ∑ ％i 一％⋯ 2 ／Ⅳ] v 2 i 1 ～Ⅳ ，式中J 7 、r 一所考虑区域 挤压出口端面 的节 点数目；y 。‘一规定平面上节点轴向速度；屹”8 一规 定平面上平均轴向速度。由于| s D y 值反映了挤压过 程的稳定性，该值越小，表明挤压过程就越稳定。 图6 所示为不同阻碍角口下的出模口处流速均 方差的变化。当阻碍角口从3 。到9 0 之问变化时，工 作带出口处的流速均方差先逐渐减小，而后又逐渐 增加。表明在此范围内，随着口的增大，金属的挤压 过程模具出口中部金属的流速与两端金属的流速逐 渐接近。当流速均方差达到最小时，两者之间的流 速最接近。随着口的继续增加时，模具出口中部金 属的流速与两端金属的流速之间的差距又会逐渐加 大，流动的不均匀程度加剧了。 综上所述，在挤压过程中有一个最佳值的阻碍 角，使金属在挤压模具出口出的流速最均匀。试验 结果表明，阻碍角口取5 。时模具出口处的流速均方 差最小，是一个最佳值。 o 毫 星 辎 椒 曩 嘲 姆 Z 邑 谊 稼 咄 避 图7 不同阻碍角下的模具载荷 F i g ．7 D i el o a df b rd i f f e r e n th i n d r a n c ea n g l e s 3 ．3 不同阻碍角下的平均应力 平均应力或称静水压力的变化表示三个主应力 的综合变化，它影响材料的塑性。这是由于压应力 阻止和减少晶间变形，随着三向压缩作用的增强，晶 间变形愈加困难。压应力有利于抑制或消除晶体中 由于塑性变形引起的各种微观破坏，同时压应力能 抵消由于变形不均匀所引起的附加拉应力。所以金 属所受的静水压力越大，塑性就越好。 阻碍角 度 图6不同阻碍角下模具出口处 金属的流速均方差 F i g ．6 M e t a ls t a n d a r dd e v i a t i o no fV e l o c i t yf i e l da t d i eo “f i c ef b rd i f f e r e n th i n d r a n c ea n 9 1 e s 3 ．2 不同阻碍角下的模具载荷 图7 所示为不同阻碍角J B 下的模具载荷时间曲 线。从图7 可以看出，对应所选的四种阻碍角，模具 所承受的载荷曲线变化规律基本相同。随着阻碍角 。 一B 3 。； b 一p 5 。； 。 一p 7 。； d 一p 9 。 的增加，达到稳定变形阶段时模具所承受的载荷反 图8 不同阻碍角下金属的静水压力场分布 而减小。这是由于随着阻碍角的增加，金属与模具 F i g ．8 M e t a lh v d 。t 。t i 。p r e s 。u r e 。t 。。f i 。l d 的人模口端变形死区大大减少，从而大大降低了金 d i s t r i b u t i o nf o rd i f f e r e n th i n d r a n c ea n g l e s 属变形过程中的流动阻力，从而有利于金属的流动，图8 所示为不同阻碍角卢的变化金属在挤压过 因此，模具所承受的载荷降低。 程中平均应力的分布。从图8 可以看出，随着阻碍 因此，从保护模具方面考虑，阻碍角在所选的范 角的增加金属在出模口处所受的平均压应力线逐渐 围内越大越安全。 增加而后又会降低，对应的数值为9 9 ．2 ，1 6 5 ，2 5 7 和 龋斛跎踟蔼砸似记∞∞砸 万方数据 4 0 有色金属第6 l 卷 1 1 8 M P a 。所以说，在挤压过程中，阻碍角口有一个 最佳值，这时金属处于最佳的塑性变形状态。试验 结果表明，阻碍角为7 。时，金属处于最佳塑性状态。 a 一B 3 。； b 一B 5 。； c 一B 7 。； d 一B 9 。 图9 不同阻碍角下的等效应变 F i g ．9 M e t a le f f e c t i v es t r a i nf o rd i f f e r e n t h i n d r a n c ea n g l e s 参考文献 3 ．4 不同阻碍角下的等效应变 铜扁线连续挤压过程中所用坯料为连铸连轧铜 杆，在坯料内部存在气孔，这对于最终产品性能的是 非常不利的。挤压变形有利于消除这些缺陷，并且 挤压过程中变形效率越高，越有利于这些缺陷消除。 图9 所示为不同阻碍角下得等效应变分布。从 图9 可以看出，随着阻碍角的增加，在出模口处金属 的等效应变逐渐降低，具体数值为3 ．9 8 ，3 ．7 8 ，2 ．9 1 和2 ．7 5 ，也就是说随着阻碍角的增加，因此从变形 的效率方面来说，在所选的阻碍角范围内，角度越小 越好。 4结论 随着阻碍角的变化，存在一个使模具出口处金 属流动均匀的最佳阻碍角。模拟结果显示，当阻碍 角取5 。时，流速均方差最小，为该组模拟结果中最 好的1 个值。当阻碍角从3 。到9 0 之间变化时，模具 所承受的载荷逐渐减小，因此从保护模具方面考虑， 阻碍角越大越好。随着阻碍角的变化，存在一个使 模具出口处金属处于最佳塑性状态的阻碍角。模拟 结果显示，当阻碍角取7 0 时，金属的平均压应力最 大，此时金属处于最佳的塑性状态。从变形的效率 方面来说，阻碍角越小越好。 [ 1 ] L uJ ，s a l u j 8N ，R i v i e r eA ，e ta 1 ．c o m p u t e rm o d e l i n go ft h e 已o n t i n u o u sf o r m i n ge x t r u s i o np r o c e s so fA A 6 0 6 1a u o y [ J ] ．J o u m a lo f M a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ， 7 9 2 0 0 一2 1 2 ． [ 2 ]C h oJR ，J e o n gHs ． P a r a m e t r i ci n v e s t i g a t i o no nt h ec u r l i n gp h e n o m e n o ni nc 0 N F o R Mp r o c e s sb yt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s [ J ] ．J o u m a lo fM a t e r i a l sP r o c e 8 8 i n gT e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 0 1 ， 1 1 0 5 3 6 0 ． [ 3 ] K i mYH ，c h oJR ，J e o n gHs ，e ta 1 ．As t u d yo no p t i m a ld e s i g nf o rc 0 N F O R Mp r o c e s s [ J ] ．J o u m a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n 0 1 0 9 y ，1 9 9 8 ， 8 0 ／8 1 6 7 1 6 7 5 ． [ 4 ] 钟毅．连续挤压技术及应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 4 1 4 ． [ 5 ] 储灿东，彭颖红，阮雪榆．连续挤压过程的计算机仿真[ j ] ．中国有色金属学报，2 0 0 l ，1 1 s 1 4 8 5 1 ． [ 6 ] 云新兵，宋宝韫，高飞．连续挤压技术在铜管生产上的应用[ J ] ．金属成形工艺，2 0 0 2 ，2 0 3 4 6 4 7 ． [ 7 ] 刘元文，宋宝韫，樊志新，等．铜扁线连续挤压工艺[ J ] ．锻压机械，2 0 0 2 ， 5 3 1 3 2 ． [ 8 ] 何升立，张崇高，王心伟，等．c o n f o r m 连续挤压原理与铜线挤压加工的影响因素[ J ] ．工具技术，2 0 0 5 ，3 9 3 2 7 3 0 ． [ 9 ] 陈莉，宋宝韫，运新兵．铜扁线挤压模腔内材料成形的数值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 1 3 8 4 3 ． 下转第5 7 页，c o n t i n u e do np ．5 7 万方数据 第6 1 卷第3 期 2009 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o L6 1 ．N o ．3 A u g ． 200 9 借助P r o ／e 的铝型材模具设计 杨 辉1 ’2 ，陈锡渠1 1 ．河南科技学院机电学院，河南新乡4 5 3 0 0 3 ；2 ．河南理工大学，河南焦作4 5 4 0 0 0 摘要通过对一款典型铝材模具的设计，介绍p m ／e 在复杂分流组合模具设计中的应用。实践表明，P r n ／e 在实际应用中 更加方便了，更加促进了模具的改进。设计完成之后，在河南辉龙铝厂试挤，其挤压出的圆角型材的尺寸和形状完全符合图纸要 求，且表面光洁度高。现在在挤压过程中仍表现良好，无出现模具裂纹、部分结构磨损现象。因而所设计的模具合格，使用P m ／e 设计铝材挤压模具是可行的。 关键词金属材料；铝合金；型材；分流孔；工作带 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G 3 7 5 ．4文献标识码A文章编号l o o l 0 2 1 1 2 0 0 9 0 3 一0 0 4 1 一0 4 铝合金型材广泛用于日常生活、建筑、航空、汽 车街等领域。铝型材也越来越复杂，种类也越来越 多，对模具的设计也提也了更高的要求，日益激烈的 市场竞争已使模具产品的设计与生产厂家越来越清 楚地意识到，能比别人更快地推出优秀的新产品，就 能占领更多的市场。p r o ／e 等设计工具在铝型材挤 压工艺生产中的应用越来越重要，过去经常凭借经 验和反复试模来进行模具设计，这样就会造成人力 与物力的耗费问题。使用p r o ／e 就能很好的回避这 些问题。再者，铝型材挤压时，由于挤压模具内部是 封闭的型腔，因此材料的流动、应力与应变场的分布 以及模具载荷情况都很难监测与掌握到。 现如今，在p r o ／e 等计算机设计辅助软件下，对 于角边的装饰不再用以前那种方角装饰，改用圆角 装饰，这样不仅美观，而且密封性好。并且以前很难 绘制和限定的图形断面可以清晰迅速的生成。分流 组合模是挤压工艺中生产中空型材的重要模具，其 寿命的高低对产品的成本影响很大。在挤压中空铝 型材时由于产品形状的复杂性和承受过高的挤压 力，分流组合模极易损坏。为提高模具的使用寿命， 必须合理、科学地设计模具。圆角型材如图1 所示。 1 挤压机、模具材料的选择 由于该图形的外接圆直径为7 6 m m ，所以选择 吨位为5 8 0 t ，挤压筒直径为9 0 m m 的挤压机。由于 收稿日期2 0 0 7 一0 8 一0 9 基金项目新乡市科技攻关项目 0 7 G 0 6 6 作者简介杨辉 1 9 7 8 一 ，男，河南南阳市人，助理实验师，，硕 士，主要从事机电教学、科研等方面的工作。 图1 型材断面图 模具的工作于高温、高冲击、高摩擦高压的环境中， 所以选择模具材料为3 c r 2 w 8 V 。 2 挤压比的计算 为使挤压型材具有一定的变形量，同时又不致 于难挤压，选择合理的挤压比是很重要的，现所采用 的挤压机的挤压简直径为西9 0 m m ，根据挤压比计算 公式A F 挤／F 到 可9 0 2 ／4 ／1 0 7 ．6 8 2 4 5 9 ．0 5 。 计算结果在允许范围之内，所以满足要求。将挤压 比调整为6 0 。 } ’ 3 分流比的选择 分流比的大小直接影响到挤压阻力的大小、制 品的成形和焊合质量，其值愈小时则挤压时变形阻 力愈大，对模具的使用和挤压生产是不利的，在保证 模强度的前提下，选择大的分流比是有利的，一般情 况下，在生产空心型材时，取分流比K 为1 0 ～3 0 。 再加上，分流比越大，越有利于金属流动与焊合，减 少挤压力，所以在设计该模具时选K 2 0 。 万方数据 竺3 期张磊等硫化铜矿酸性氧化浸出过程的电化学行为5 7 ～二二 E l e c t r 。c h e m i c a IB e h a V i 。r 。fs u l f i d ec 。p p e rM i n e r a li no x i d i c ．a c i d i cL e a c h i n gp r 。c e s s z 肌ⅣG 如i 1 ，黝ⅣG 砒池 x u 觋i 垂增2 ，ⅢⅣG ‰嘲1 1 占e 咖曙G e 砌训R e s e 。r c h s 疵u I e 矿肘i n ￡增n n d 肘e t 口地_ 盱，B e 枷曙1 0 0 0 4 4 ，c h i n 。； 2 以。n 颜如i U e “ 妨D ，S c i e n c e 口n d 乳c ，l 。2 。盯，‰眦 。u3 4 1 0 0 0 ，胁n 鲥，C i 凡Ⅱ A b s t r a c t 1 I I h ee l e c t m c h e m i c a ib e h a V 衙o fs u l f i d e c 叩p e rm i n e r a l si n1 e a c h i n gp r o c e s si s i n v e s t i g a t e dw i t hs u s p e n d i n g s I u r r yo lc h a l c o p 洲e ，c h a l c o c i t ea n dc o V e l l i t e b yt h et h r e e - e l e c t r o d es y s t e m ．T h er e s u l t ss h o wt h a tC u ，Si st h e e a s l e s to n et ob eo x i d i z e d ， C u F e S 2i st h e 啪s td i f f i c u l t 。n ei nt h r e em i n e r a l s ． C u Sa p p e a r sa st h ei n t e 珊e d i a t e p r o d u c ti nC u 2Sa n dC u F e S 2l e a c h i n gp r o c e s s ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ； c o p p e rs u l f i d em i n e r a l s ； e l e c t r o c h e m i s t r y ； c h a l c o p y r i t e ；e h a l c o c i t e ； c o V e l l i t e ；1 e a c h i n g ～h ⅥM w ⅥM N ～ M ～⋯⋯⋯ 上接第4 0 页，c o n t i n u e df r o mp ．4 0 N u m e r i c a IS i m u I a t i o no fB i gF I a k i n e s sR a t i oC o p p e rF I a tW i r eC o n t i n u o u s E x t r u s i O nF O r m i n gf o rD i f f e r e n tH i n d r a n c eA n g l e s W UP e n g 一”‘e ，X l Es h t 矗一s h e n g ，C H E N GL e t n t e ‰，，￡口6 0 ，口t o v 加几抚c n t i 。n 。n dP r o c e 驰o ，Ⅳo 咖r r o M sJ | l f e t 口b ， G e “8 “zR e s e Ⅱr c h s m 眦e 加r 』、，o 咖r r D 础肘e l Ⅱ如，B e 咖，曙1 0 0 0 8 8 ，c 危讯口 A b s t r a c t In ee i i e c t so tt h eh l n d r a n e ea n g l e so nc o n t i n u o u se x t m s i o n f o 珊i n go ft h eb i gn a k i n e s sc o p p e rn a tw i r ea r e 1 n V e s ‘1 9 a 2 e db y2 b r e e d i m e n s i o n a l6 n i t e e l e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do ns o f t w a r eD E F O R M - 3 D ． T h er i 画d v i s c o p l a 8 t i c c o n s t l t u t l V ee q u a t l o n1 se m p l o y e di nt h e 咖d e l ． T h en l l e so ft h ec o n t i n u o u 8e x t n l s i o np r o c e s si n f l u e n c e d b ys t a n d a r d d e V l a t l o no { t h eV e l o c i t yf i e l d ， d i el o a d ，e f b c t i V es t r a i na n dm e a ns t r e s s “t h ed e f o r m a t i o nb o d yu n d e rd i 躬f e r e n t h l n d r a n c ea n g l e 8a r ed e s c r i b e d T h er e s u l t sw i ug i V ee f f e c t i v eg u i d e l i n e st oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a 矗m e t e r s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ； b i gn a k i n e s sr a t i oc o p p e rn a tw i r e ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； c o n t i n u o u se x t l l J 8 i o n f b 珊i n g ；h i n d r a n c ea n g l e 万方数据