铜连续挤压与连续包覆的数值模拟及试验研究

摘要

自连续挤压与连续包覆技术诞生以来，有色金属的塑性加工技术就跨入了一个新时代。连续挤压与包覆技术因使金属处于热塑性三向压应力状态，组织致密，缺陷少，依靠模具成形，尺寸精度高，被誉为“有色金属成形技术的重大突破”。与一般的金属塑性成形工艺相比，连续挤压与连续包覆工艺有两个突出的特点：一是将通常的摩擦阻力变为摩擦驱动力：二是利用摩擦热和塑性变形热的共同作用，使坯料在变形过程中的温度由室温迅速升至高温(铝及铝合金为400～450℃，铜及铜合金为600～700℃)。这两个特点是其他工艺所无法比拟的。 与铝及铝合金相比，铜的连续挤压与包覆具有如下技术难点：(1)铝的变形温度低，一般在400～450℃，摩擦温升的平衡温度容易控制。铜挤压温度高达600～700℃，在连续工艺条件下较难掌握与控制；(2)铜的连续挤压与包覆要求模具在高温状态下持续工作，这使得传统挤压模具材料难以满足要求；(3)铜的氧化膜与基体的结合性差，使坯料与挤压轮打滑严重。这一方面造成摩擦动力不足，不利于建立起连续挤压与包覆所需的驱动力，另一方面造成挤压轮表面温度过高；(4)连续挤压与包覆变形中材料经历一个由室温到高温的升温过程。在200～600℃时，铜的流动应力为220～50MPa，高于铝的一倍以上，这就要求模具有合理的结构型式以利于金属流动，减小变形阻力。由此可见，铜与铝的连续挤压与包覆在变形机理、工艺条件及模具结构等方面存在着很大的差异。考虑到铜相当高的变形温度和变形抗力及剪切流动的特殊性，挤压设备必须在力能参数、冷却条件和工模具结构等方面进行创造性的改进。 本文利用DEFORM-3D有限元软件对铜扁线的连续挤压、铜包钢线的连续包覆和方截面铜的连续等径角挤压过程进行了数值模拟，并在TLJ300和SLJB350连续挤压包覆机上进行了工艺试验研究。 通过对铜扁线的连续挤压工艺理论分析，建立了连续挤压的变形扭矩数学模型： M=[k<,e>h<,0>L<,1>+2k<,j>h<,0>L<,2>+(1/2k<,e>L<,1>+k<,j>L<,2>)b<,0>+2k<,f>BL<,2>+k<,f>(2h<,0>+b<,0>)L<,3>]R<,0>结果表明，该模型计算的连续挤压变形扭矩值与数值模拟、试验结果很接近。 对连续挤压金属流动分析表明，由于挤压轮槽对坯料的摩擦驱动和腔体对坯料的摩擦阻力的作用，变形区内产生不均匀流动：在挤压轮和堵头一侧的金属比腔体密封面一侧的金属流动速度快，挤出的产品向流速慢的一侧弯曲。 对不同通道长度腔体的数值模拟结果表明，在挤压截面为20mm<'2>的铜扁线时，通道长度短的Ⅰ型腔体在变形温度、变形扭矩上都比通道长度长的Ⅱ型腔体小，Ⅰ型腔体更适合生产小截面的铜扁线产品。 本文首次提出采用连续包覆工艺制造铜包钢接触线，并对铜包钢线的连续包覆成形进行了研究。通过成形过程的数值模拟发现，压实轮压下量太小，无法使坯料与挤压轮槽之间产生足够的摩擦力，坯料会脱离轮槽底部，造成打滑；压下量太大，会因后滑严重产生坯料堆积，降低挤压效率。腔体与挤压轮之间的溢料槽间隙是为了防止它们在工作过程中互相磨削，间隙过大，就会产生大量溢料，甚至坯料全部从溢料槽流出。连续包覆试验表明，为了让铜均匀包覆在钢芯周围，导向模须为有分流的劈刀结构。导向模与凹模的间隙是包覆成形的关键参数。间隙太大，铜直接冲击钢芯使其折断；间隙太小，会因铜的流动阻力太大而使腔体破坏。对铜包钢的金相组织观察可知，连续包覆变形后的铜由粗大的铸造组织变为20μm左右的等轴晶组织，铜与钢芯的结合界面良好。 本文首次将连续挤压技术与等径角挤压技术结合，提出了连续制备超细晶材料的新技术——连续等径角挤压工艺。变形温度是影响晶粒细化的一个重要因素。通过模拟发现，挤压轮转速、摩擦条件和模具转角等参数的改变都影响连续等径角挤压温度，挤压轮转速对变形温度的影响最大。试验研究表明，在连续等径角挤压变形过程中，铜在模具转角处发生剧烈的剪切变形，晶粒沿剪切方向被拉长，晶界面积增加，晶内出现胞结构和位错墙，形成亚结构，亚晶界也由小角度变为大角度晶界。随着变形的不断进行，晶粒取向性逐渐消失，趋于等轴晶粒，晶粒越来越细，最终获得超细晶组织结构。当变形温度在160℃以上时，由于变形过程中发生再结晶，铜经8道次变形后平均晶粒尺寸为2.5μm。当变形温度控制在160℃以下时， 8道次后平均晶粒尺寸为0.7μm，12道次后平均晶粒尺寸达到0.4μm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本文研究的目的和意义

1.2连续挤压与包覆工艺特点

1.2.1连续挤压技术

1.2.2连续包覆技术

1.2.3连续等径角挤压技术

1.3连续挤压与包覆技术发展概述

1.3.1连续挤压技术的发展

1.3.2连续包覆技术的发展

1.3.3连续等径角挤压技术的发展

1.4虚拟制造技术在连续挤压与包覆工程中的应用

1.4.1虚拟制造技术

1.4.2虚拟制造技术在连续挤压与包覆工程中的应用

1.5金属成形过程中的有限元数值模拟技术

1.5.1有限元数值模拟技术

1.5.2用有限元法模拟塑性加工过程存在的主要问题

1.5.3有限元数值模拟技术的发展趋势

1.6本文研究的主要内容

第二章三维刚(粘)塑性有限元基本理论

2.1塑性力学基本方程

2.1.1刚(粘)塑性材料的基本假设

2.1.2塑性力学基本方程及边值问题

2.2刚(粘)塑性有限元变分原理

2.3三维刚(粘)塑性有限元求解

2.3.1离散化

2.3.2线性化

2.4三维刚(粘)塑性有限元数值模拟系统流程及结构

2.4.1程序流程

2.4.2系统结构

2.5三维刚(粘)塑性有限元数值模拟的关键技术

2.5.1初始速度场的生成

2.5.2模具几何形状的描述

2.5.3动态接触边界的处理

2.5.4有限元网格的畸变与重划

2.6本章小结

第三章连续挤压与包覆变形的有限元建模

3.1热力耦合分析

3.1.1热力耦合基本理论

3.1.2热传导问题的有限元公式

3.1.3热力耦合分析技术

3.2材料模型建立

3.3摩擦模型建立

3.3.1塑性成形过程中的摩擦模型

3.3.2连续挤压与包覆变形过程的摩擦模型的确定

3.4几何模型建立

3.5本章小结

第四章连续挤压成形的数值模拟及试验研究

4.1连续挤压工艺分析

4.1.1铜扁线成形工艺比较

4.1.2连续挤压力能参数模型的建立

4.2连续挤压过程的数值模拟

4.2.1工模具及坯料有限元几何模型的建立

4.2.2模拟结果与分析

4.3连续挤压成形的试验研究

4.3.1试验准备

4.3.2试验结果与分析

4.4本章小结

第五章连续包覆成形的数值模拟及试验研究

5.1包覆工艺分析

5.1.1铜包钢接触线坯成形工艺比较

5.1.2连续包覆工艺方案制定

5.2连续包覆过程的数值模拟

5.2.1工模具及坯料有限元几何模型的建立

5.2.2模拟结果与分析

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.1连续包覆过程中的金属变形与流动

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.2连续包覆变形过程中的等效应变分布

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.3连续包覆变形过程中的等效应力分布

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.4连续包覆变形过程中的温度分布

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.5连续包覆变形过程的扭矩行程曲线

5.2.2模拟结果与分析5.2.2.6工艺参数对连续包覆成形的影响

5.3连续包覆成形的试验研究

5.3.1试验准备

5.3.2试验结果与分析

5.4本章小结

第六章连续等径角挤压成形的数值模拟及试验研究

6.1概述

6.2连续等径角挤压工艺方案制定

6.2.1坯料制定

6.2.2模具结构制定

6.2.3挤压路径选择

6.3连续等径角挤压过程的数值模拟

6.3.1工模具及坯料有限元几何模型的建立

6.3.2模拟结果与分析

6.3.2模拟结果与分析6.3.2.1连续等径角挤压过程中的金属变形与流动

6.3.2模拟结果与分析6.3.2.2连续等径角挤压过程中的等效应变分布

6.3.2模拟结果与分析6.3.2.3连续等径角挤压过程中的等效应变分布

6.3.2模拟结果与分析6.3.2.4连续等径角挤压过程中的温度分布

6.3.2模拟结果与分析6.3.2.6工艺参数对连续等径角挤压成形的影响

6.4连续等径角挤压成形的试验研究

6.4.1试验准备

6.4.2试验结果与分析

6.5本草小结

第七章全文结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

作者简介