圆轮槽对铜母线连续挤压成形的影响

圆轮槽对铜母线连续挤压成形的影响

1铜连续挤压轮槽目前，连续压缩技术已经广泛使用。特别是在大规模铜连续压延的连续激励技术方面，大连交通大学的连续压缩中心可以用tlj40020mm的铜杆挤压宽170mm的铜线。用连续挤压方法生产铜母线可以使铜杆的原始内部缺陷如气孔等在连续挤压过程中被消除,而且具有绿色环保、节能和高效率等优点。连续挤压的原理如图1所示:挤压轮做旋转运动,圆杆形坯料被压实轮压实到挤压轮的轮槽中,在摩擦力的作用下随挤压轮一起运动,被送到挤压模腔中,通过模具挤出产品。在连续挤压过程中,所使用的坯料截面为圆形,相应轮槽形状设计为直边段加半圆弧组成,如图2a所示即为铜连续挤压中轮槽的形状。有文章对挤压轮轮槽的应力集中以及挤压轮所受的坯料变形阻力矩进行过分析,但直边段加半圆弧组成的挤压轮槽(以下简称圆轮槽)是否为最佳形状,还未见文章进行过深入研究。本文通过有限元数值模拟研究轮槽形状对大扩展比铜连续挤压的影响。2口形轮槽和扩口形轮槽针对圆杆形坯料在原来使用的轮槽(图2a)基础上又提出3种轮槽形状:带凸台平底轮槽、缩口形轮槽和带凸台扩口形轮槽,如图2b、c、d所示。以铜连续挤压机TLJ400上利用Φ20mm的铜杆挤压100mm×10mm的铜排为模型,通过DEFORM软件建立完整的连续挤压有限元模型,用有限元数值模拟的方法对各种不同轮槽形状对铜连续挤压的影响研究。2.1坯料在轮槽中的稳定性目前在铜连续挤压生产中广泛使用的是开口处带凸台的圆轮槽,如图2a所示。凸台对坯料是否在轮槽中产生足够大的摩擦以驱动连续挤压变形起着关键作用。下面通过Deform软件分别对带凸台和不带凸台的圆轮槽进行有限元模拟,观察坯料在轮槽中的稳定情况。首先使用不带凸台的圆轮槽(图2e)进行挤压。当铜坯料喂入挤压轮以后,随着前方遇到挡料块,所受到的阻力越来越大,当达到一定程度时,由于铜与钢之间的摩擦较小,摩擦力不足以再维持一个稳定的挤压状态,铜在挤压轮槽内失稳,即轮槽中的铜杆坯料脱离槽底,出现拱起现象,如图3所示。而如果在挤压轮槽口处加凸台,限制铜脱离挤压轮槽,可以实现一个稳定的挤压过程,如图4所示。2.2轮槽内最大作用力下面对坯料在轮槽中的稳定性进行分析。初始喂料阶段与正常挤压时的摩擦驱动力是不同的,摩擦发生在具有一定温度的坯料涂层和室温的杆坯料之间,即铜与铜之间的摩擦,而在最初的喂料阶段是铜与钢的摩擦推动着铜料向前运动。假设在整个摩擦长度上均为库仑摩擦力,如图5a所示,将坯料工作段A-B取出,在A处受到挤压轮和压实轮的共同作用,使坯料紧紧贴着轮槽底部,在B处受到挡料块的阻力F,使坯料有脱离轮槽绕A点翘起的趋势,同时轮槽侧壁给坯料的摩擦力f阻止坯料脱离轮槽。在5a中,A点代表轮槽中的坯料被压实轮压实的点,B点代表挡料块部位。取图5b中所示的坐标系,要使坯料在轮槽中建立一个稳定的状态,必须使坯料受到的力对A-Z轴的力距达到平衡:∑ΜF+∑Μf=0(1)∑MF+∑Mf=0(1)其中,∑MF=F×R,∑Mf=ΣMf1θ+∑mf2θ∑Mf1θ=-∑f1θ·Rcosθ∑Mf2θ=-∑f2θ(1-sinθ)·R式中,F为坯料受到挡料块的作用力;R为挤压轮半径;f为轮槽施加给坯料的摩擦力;f1θ为在dθ段坯料受到的指向轮槽底部的摩擦力;f2θ为在dθ段坯料受到的切向摩擦力。取图5b中的单元dθ段坯料进行摩擦力计算,其受力情况如图5c所示。计算f1θ时,由于直边段和半圆弧段受力情况不同,参照图5d对两直边段和圆弧段分别进行计算y′方向上的摩擦力:对于两直边段:f′1θ=2hτ·Rdθ(2)对于半圆弧段:f″1θ=2∫π20sinα⋅r⋅dα⋅Rdθ=2rτ⋅Rdθ(3)f′′1θ=2∫π20sinα⋅r⋅dα⋅Rdθ=2rτ⋅Rdθ(3)式中,a为凸台的宽度;τ为接触表面上的摩擦剪应力。y′方向上的摩擦力合力为:f1θ=f′1θ+f″1θ(4)f1θ=f′1θ+f′′1θ(4)由公式(1)～(4)可知,在稳定挤压状态,指向轮槽底部的摩擦力所产生的扭距为:∑Μf1θ=-∑f1θ⋅Rcosθ=-∫π202τ(h+r)cosθ⋅R2dθ=2τ(h+r)R2(5)∑Mf1θ=−∑f1θ⋅Rcosθ=−∫π202τ(h+r)cosθ⋅R2dθ=2τ(h+r)R2(5)切向的摩擦力所产生的扭距为:∑Μf2θ=-∑f2θ(1-sinθ)⋅R=-∫π20(2h+πr)τ(1-sinθ)⋅R2dθ=(π2-1)⋅τ⋅(2h+πr)R2(6)∑Mf2θ=−∑f2θ(1−sinθ)⋅R=−∫π20(2h+πr)τ(1−sinθ)⋅R2dθ=(π2−1)⋅τ⋅(2h+πr)R2(6)其中:τ=μσn(7)式中,μ为摩擦系数;σn为接触面上的正应力。无凸台的轮槽周边提供的摩擦力使坯料在轮槽中不失稳时可以承受的最大作用力Fmax为:Fmax=2τ(h+r)R+(π2-1)⋅τ⋅(2h+πr)R(8)Fmax=2τ(h+r)R+(π2−1)⋅τ⋅(2h+πr)R(8)式中,r为轮槽圆弧段半径;h为为轮槽直边段高度;p为凸台对单位面积坯料的压力。由上面的分析可以看出,在铜的连续挤压过程中采用不带凸台的轮槽(即无P的作用力),坯料前端受到的挡料块的力F存在一个最大值Fmax,当F超过Fmax时,坯料在轮槽中失稳,如图3所示。使用带凸台的轮槽,分析图5f可知,每个dθ段坯料会受到凸台对其作用的指向轮槽底部的力Pθ的作用:Ρθ=2a⋅Rdθ⋅p(9)Pθ=2a⋅Rdθ⋅p(9)此时对A-Z轴的扭距平衡方程变为:∑ΜF+∑Μf+∑Μp=0(10)∑MF+∑Mf+∑Mp=0(10)加凸台以后,受力情况如图5e所示,稳定挤压时坯料前端受到的挡料块的最大力为:F′max=Fmax+2p⋅a⋅R(11)F′max=Fmax+2p⋅a⋅R(11)由此可见,由于凸台的加入,增加了稳定挤压状态下允许的最大挤压力F′max,能够满足正常挤压的需要。在以后的轮槽设计中均考虑铜坯料在轮槽中的稳定挤压条件,即不出现失稳的条件。2.3轮槽中的稳定挤压状态带凸台平底轮槽:将圆轮槽的圆弧底改为平底,与两侧的直边以圆角相连接,如图2b所示。考虑到要建立一个稳定的挤压状态,将平底轮槽开口处设计成带凸台的形式,防止失稳情况的出现。坯料在带凸台的平底轮槽中的运动情况:在最初的送料阶段,由于前端不受阻力,坯料紧紧贴着轮槽底部运动。随着前方阻力的增大,由于凸台的限制坯料在轮槽中能够建立起一种稳定的挤压状态,如图6所示。缩口形轮槽是将圆轮槽的直边段设计为一个缩口的斜边来代替凸台,限制坯料向轮槽外移动,防止失稳情况的出现,如图2c所示。当坯料脱离压实轮开始有向上运动的趋势时,受到轮槽的斜壁对其施加的阻力,使其紧紧贴着轮槽底部向前运动。稳定挤压过程坯料在轮槽中的情况如图7所示。由此可见,缩口形轮槽能够使坯料更加稳固的在轮槽中运动。扩口形轮槽是将圆轮槽的直边段设计为一个扩口的斜边,如图2d所示。使用这种轮槽的问题在于侧壁不能约束坯料向轮槽外侧运动,所以在设计的过程中加上了凸台。坯料在轮槽中运动过程中有向外拱起的趋势,但受到开口处凸台的限制,又可以将坯料限制在轮槽内,从而建立起一种稳定的挤压状态。稳定挤压过程坯料在轮槽中的情况如图8所示。在铜的连续挤压中,使用不带凸台的圆轮槽坯料出现失稳;使用带凸台的圆轮槽、带凸台的平底轮槽、缩口形轮槽和带凸台的扩口形轮槽不出现失稳现象,能建立一个稳定的挤压过程。下面着重研究能建立稳定挤压过程的轮槽形状对扩展挤压的影响。3车轮形状对铜的延伸和压缩形成的影响3.1压压轮槽的成形分析大扩展比铜连续挤压关键问题是金属流动的均匀性问题,挤压时会出现中心部位金属流动速度快,边缘处金属流动速度慢的现象。在Deform中分别模拟不同轮槽的挤压情况时,只是将挤压轮的模型更换,而其它部件,如挡料块、腔体、导板以及模具均不更换。在挤压模型中均采用扩展模腔,挤压100mm×10mm的铜排。所以可以从模拟结果中挤压产品的填充成形情况以及金属流动情况来判定轮槽形状对铜扩展挤压的影响。从产品成形对比图9中可以看出,在特定的挤压模腔下,使用缩口形轮槽挤压100mm×10mm的宽铜排,产品明显充不满。采用其它3种轮槽,即带凸台圆轮槽、带凸台平底轮槽和扩口形轮槽挤压铜排均能充满。从成形情况来看,带凸台圆轮槽、带凸台平底轮槽与扩口轮槽均能使100mm×10mm的铜排充满,但可以从铜排成形流动过程中的速度差来进行进一步的分析,比较其金属流动的均匀性。挤压铜排时,中心部位速度快,两侧边缘速度慢。从3种轮槽挤压的铜排中心部位与边缘部位的速度差比较图10中可以看出,扩口形轮槽速度差曲线明显低于圆形轮槽和平底轮槽的速度差,也就是采用扩口形轮槽进行扩展挤压产品更均匀。圆形轮槽和平底轮槽的速度差曲线没有明显的差别。从速度差的平局值比较,扩口轮槽的速度差1.44mm·s-1,平底轮槽为3.52mm·s-1,圆形轮槽为4.9mm·s-1,使用平底轮槽较圆形轮槽挤压产品的速度要均匀一些。3种有利于扩展成形的轮槽挤压过程中挤压轮的扭距如图11所示。从图中可以看出,在扩展挤压条件完全相同的情况下,采用扩口形轮槽挤压轮的平均扭距为5.9×104N·m,低于圆形轮槽挤压轮的扭距7.0×104N·m,采用平底轮槽扭距较高,为7.4×104N·m。平底轮槽较圆轮槽相比速度差减小了28%,但扭距增加了6%。扩口形轮槽较圆轮槽相比速度差减小了70%,扭距也较圆轮槽的减小15.7%。3.2扩展轮槽的形状从扩展模腔金属流动图12来进行分析:金属由轮槽流入模腔时,在圆形轮槽中,如图12a所示,由于轮槽侧壁与中心平行,所以金属填充情况也介于缩口形轮槽和扩口形轮槽之间。平底轮槽金属在扩展模腔中的运动与圆轮槽相似,如图12b所示。但由于轮槽底部是平的,所以轮槽中的金属向模腔内流动时较圆轮槽均匀,表现出来的速度差也小,圆形坯料在平底轮槽中变形所需的力较大,所以扭距稍大于圆形轮槽的。在缩口形轮槽中,如图12c所示,由于轮槽侧壁的内斜,金属流动方向斜向扩展腔的中央,不利于轮槽中的金属向扩展腔两侧扩展,所以会出现挤压100mm×10mm的铜排外侧充不满的现象。而采用扩口形轮槽,如图12d所示,由于轮槽侧壁的外斜,金属在轮槽中的流动方向斜向扩展腔的两侧,有利于轮槽中的金属向扩展腔两侧扩展,所以挤压100mm×10mm的铜排充满情况良好,产品速度差也最小,而且由于这种轮槽形式有利于金属扩展流动,扭距也较其它的低。从上述分析可以看出,缩口形轮槽不适于铜的扩展挤压;平底轮槽较圆轮槽相比能略微降低金属成形流动的速度差,但会引起扭距的略微增加;扩口形轮槽较圆轮槽相比能大大的降低金属成形流动的速度差,而且降低挤压轮的扭距。由此可见,铜的扩展挤压中使用扩口形轮槽对成形时金属流动的均匀性和降低扭距方面更有利。4轮槽稳定性分析轮槽形状对铜的扩展挤压有较大影响。通过理论计算和模拟研