銅連續(xù)擠壓與連續(xù)包覆的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究.pdf

1、自連續(xù)擠壓與連續(xù)包覆技術(shù)誕生以來(lái)，有色金屬的塑性加工技術(shù)就跨入了一個(gè)新時(shí)代。連續(xù)擠壓與包覆技術(shù)因使金屬處于熱塑性三向壓應(yīng)力狀態(tài)，組織致密，缺陷少，依靠模具成形，尺寸精度高，被譽(yù)為“有色金屬成形技術(shù)的重大突破”。與一般的金屬塑性成形工藝相比，連續(xù)擠壓與連續(xù)包覆工藝有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是將通常的摩擦阻力變?yōu)槟Σ硫?qū)動(dòng)力：二是利用摩擦熱和塑性變形熱的共同作用，使坯料在變形過(guò)程中的溫度由室溫迅速升至高溫(鋁及鋁合金為400～450℃，銅及銅合金為

2、600～700℃)。這兩個(gè)特點(diǎn)是其他工藝所無(wú)法比擬的。 與鋁及鋁合金相比，銅的連續(xù)擠壓與包覆具有如下技術(shù)難點(diǎn)：(1)鋁的變形溫度低，一般在400～450℃，摩擦溫升的平衡溫度容易控制。銅擠壓溫度高達(dá)600～700℃，在連續(xù)工藝條件下較難掌握與控制；(2)銅的連續(xù)擠壓與包覆要求模具在高溫狀態(tài)下持續(xù)工作，這使得傳統(tǒng)擠壓模具材料難以滿足要求；(3)銅的氧化膜與基體的結(jié)合性差，使坯料與擠壓輪打滑嚴(yán)重。這一方面造成摩擦動(dòng)力不足，不利于建立

3、起連續(xù)擠壓與包覆所需的驅(qū)動(dòng)力，另一方面造成擠壓輪表面溫度過(guò)高；(4)連續(xù)擠壓與包覆變形中材料經(jīng)歷一個(gè)由室溫到高溫的升溫過(guò)程。在200～600℃時(shí)，銅的流動(dòng)應(yīng)力為220～50MPa，高于鋁的一倍以上，這就要求模具有合理的結(jié)構(gòu)型式以利于金屬流動(dòng)，減小變形阻力。由此可見，銅與鋁的連續(xù)擠壓與包覆在變形機(jī)理、工藝條件及模具結(jié)構(gòu)等方面存在著很大的差異?？紤]到銅相當(dāng)高的變形溫度和變形抗力及剪切流動(dòng)的特殊性，擠壓設(shè)備必須在力能參數(shù)、冷卻條件和工模具結(jié)構(gòu)

4、等方面進(jìn)行創(chuàng)造性的改進(jìn)。 本文利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)銅扁線的連續(xù)擠壓、銅包鋼線的連續(xù)包覆和方截面銅的連續(xù)等徑角擠壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在TLJ300和SLJB350連續(xù)擠壓包覆機(jī)上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。 通過(guò)對(duì)銅扁線的連續(xù)擠壓工藝?yán)碚摲治?，建立了連續(xù)擠壓的變形扭矩?cái)?shù)學(xué)模型： M=[k<,e>h<,0>L<,1>+2k<,j>h<,0>L<,2>+(1/2k<,e>L<,1>+k<,j>L<,2>)b<,0>+

5、2k<,f>BL<,2>+k<,f>(2h<,0>+b<,0>)L<,3>]R<,0>結(jié)果表明，該模型計(jì)算的連續(xù)擠壓變形扭矩值與數(shù)值模擬、試驗(yàn)結(jié)果很接近。 對(duì)連續(xù)擠壓金屬流動(dòng)分析表明，由于擠壓輪槽對(duì)坯料的摩擦驅(qū)動(dòng)和腔體對(duì)坯料的摩擦阻力的作用，變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生不均勻流動(dòng)：在擠壓輪和堵頭一側(cè)的金屬比腔體密封面一側(cè)的金屬流動(dòng)速度快，擠出的產(chǎn)品向流速慢的一側(cè)彎曲。 對(duì)不同通道長(zhǎng)度腔體的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在擠壓截面為20mm<'2>的

6、銅扁線時(shí)，通道長(zhǎng)度短的Ⅰ型腔體在變形溫度、變形扭矩上都比通道長(zhǎng)度長(zhǎng)的Ⅱ型腔體小，Ⅰ型腔體更適合生產(chǎn)小截面的銅扁線產(chǎn)品。 本文首次提出采用連續(xù)包覆工藝制造銅包鋼接觸線，并對(duì)銅包鋼線的連續(xù)包覆成形進(jìn)行了研究。通過(guò)成形過(guò)程的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)輪壓下量太小，無(wú)法使坯料與擠壓輪槽之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，坯料會(huì)脫離輪槽底部，造成打滑；壓下量太大，會(huì)因后滑嚴(yán)重產(chǎn)生坯料堆積，降低擠壓效率。腔體與擠壓輪之間的溢料槽間隙是為了防止它們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中互相

7、磨削，間隙過(guò)大，就會(huì)產(chǎn)生大量溢料，甚至坯料全部從溢料槽流出。連續(xù)包覆試驗(yàn)表明，為了讓銅均勻包覆在鋼芯周圍，導(dǎo)向模須為有分流的劈刀結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向模與凹模的間隙是包覆成形的關(guān)鍵參數(shù)。間隙太大，銅直接沖擊鋼芯使其折斷；間隙太小，會(huì)因銅的流動(dòng)阻力太大而使腔體破壞。對(duì)銅包鋼的金相組織觀察可知，連續(xù)包覆變形后的銅由粗大的鑄造組織變?yōu)?0μm左右的等軸晶組織，銅與鋼芯的結(jié)合界面良好。 本文首次將連續(xù)擠壓技術(shù)與等徑角擠壓技術(shù)結(jié)合，提出了連續(xù)制備超細(xì)

8、晶材料的新技術(shù)——連續(xù)等徑角擠壓工藝。變形溫度是影響晶粒細(xì)化的一個(gè)重要因素。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，擠壓輪轉(zhuǎn)速、摩擦條件和模具轉(zhuǎn)角等參數(shù)的改變都影響連續(xù)等徑角擠壓溫度，擠壓輪轉(zhuǎn)速對(duì)變形溫度的影響最大。試驗(yàn)研究表明，在連續(xù)等徑角擠壓變形過(guò)程中，銅在模具轉(zhuǎn)角處發(fā)生劇烈的剪切變形，晶粒沿剪切方向被拉長(zhǎng)，晶界面積增加，晶內(nèi)出現(xiàn)胞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)墻，形成亞結(jié)構(gòu)，亞晶界也由小角度變?yōu)榇蠼嵌染Ы?。隨著變形的不斷進(jìn)行，晶粒取向性逐漸消失，趨于等軸晶粒，晶粒越來(lái)越細(xì)，最