圓輪槽對銅母線連續(xù)擠壓成形的影響

圓輪槽對銅母線連續(xù)擠壓成形的影響

1銅連續(xù)擠壓輪槽目前，連續(xù)壓縮技術(shù)已經(jīng)廣泛使用。特別是在大規(guī)模銅連續(xù)壓延的連續(xù)激勵(lì)技術(shù)方面，大連交通大學(xué)的連續(xù)壓縮中心可以用tlj40020mm的銅桿擠壓寬170mm的銅線。用連續(xù)擠壓方法生產(chǎn)銅母線可以使銅桿的原始內(nèi)部缺陷如氣孔等在連續(xù)擠壓過程中被消除,而且具有綠色環(huán)保、節(jié)能和高效率等優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)擠壓的原理如圖1所示:擠壓輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),圓桿形坯料被壓實(shí)輪壓實(shí)到擠壓輪的輪槽中,在摩擦力的作用下隨擠壓輪一起運(yùn)動(dòng),被送到擠壓模腔中,通過模具擠出產(chǎn)品。在連續(xù)擠壓過程中,所使用的坯料截面為圓形,相應(yīng)輪槽形狀設(shè)計(jì)為直邊段加半圓弧組成,如圖2a所示即為銅連續(xù)擠壓中輪槽的形狀。有文章對擠壓輪輪槽的應(yīng)力集中以及擠壓輪所受的坯料變形阻力矩進(jìn)行過分析,但直邊段加半圓弧組成的擠壓輪槽(以下簡稱圓輪槽)是否為最佳形狀,還未見文章進(jìn)行過深入研究。本文通過有限元數(shù)值模擬研究輪槽形狀對大擴(kuò)展比銅連續(xù)擠壓的影響。2口形輪槽和擴(kuò)口形輪槽針對圓桿形坯料在原來使用的輪槽(圖2a)基礎(chǔ)上又提出3種輪槽形狀:帶凸臺平底輪槽、縮口形輪槽和帶凸臺擴(kuò)口形輪槽,如圖2b、c、d所示。以銅連續(xù)擠壓機(jī)TLJ400上利用Φ20mm的銅桿擠壓100mm×10mm的銅排為模型,通過DEFORM軟件建立完整的連續(xù)擠壓有限元模型,用有限元數(shù)值模擬的方法對各種不同輪槽形狀對銅連續(xù)擠壓的影響研究。2.1坯料在輪槽中的穩(wěn)定性目前在銅連續(xù)擠壓生產(chǎn)中廣泛使用的是開口處帶凸臺的圓輪槽,如圖2a所示。凸臺對坯料是否在輪槽中產(chǎn)生足夠大的摩擦以驅(qū)動(dòng)連續(xù)擠壓變形起著關(guān)鍵作用。下面通過Deform軟件分別對帶凸臺和不帶凸臺的圓輪槽進(jìn)行有限元模擬,觀察坯料在輪槽中的穩(wěn)定情況。首先使用不帶凸臺的圓輪槽(圖2e)進(jìn)行擠壓。當(dāng)銅坯料喂入擠壓輪以后,隨著前方遇到擋料塊,所受到的阻力越來越大,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),由于銅與鋼之間的摩擦較小,摩擦力不足以再維持一個(gè)穩(wěn)定的擠壓狀態(tài),銅在擠壓輪槽內(nèi)失穩(wěn),即輪槽中的銅桿坯料脫離槽底,出現(xiàn)拱起現(xiàn)象,如圖3所示。而如果在擠壓輪槽口處加凸臺,限制銅脫離擠壓輪槽,可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的擠壓過程,如圖4所示。2.2輪槽內(nèi)最大作用力下面對坯料在輪槽中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。初始喂料階段與正常擠壓時(shí)的摩擦驅(qū)動(dòng)力是不同的,摩擦發(fā)生在具有一定溫度的坯料涂層和室溫的桿坯料之間,即銅與銅之間的摩擦,而在最初的喂料階段是銅與鋼的摩擦推動(dòng)著銅料向前運(yùn)動(dòng)。假設(shè)在整個(gè)摩擦長度上均為庫侖摩擦力,如圖5a所示,將坯料工作段A-B取出,在A處受到擠壓輪和壓實(shí)輪的共同作用,使坯料緊緊貼著輪槽底部,在B處受到擋料塊的阻力F,使坯料有脫離輪槽繞A點(diǎn)翹起的趨勢,同時(shí)輪槽側(cè)壁給坯料的摩擦力f阻止坯料脫離輪槽。在5a中,A點(diǎn)代表輪槽中的坯料被壓實(shí)輪壓實(shí)的點(diǎn),B點(diǎn)代表擋料塊部位。取圖5b中所示的坐標(biāo)系,要使坯料在輪槽中建立一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),必須使坯料受到的力對A-Z軸的力距達(dá)到平衡:∑ΜF(xiàn)+∑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為坯料受到擋料塊的作用力;R為擠壓輪半徑;f為輪槽施加給坯料的摩擦力;f1θ為在dθ段坯料受到的指向輪槽底部的摩擦力;f2θ為在dθ段坯料受到的切向摩擦力。取圖5b中的單元dθ段坯料進(jìn)行摩擦力計(jì)算,其受力情況如圖5c所示。計(jì)算f1θ時(shí),由于直邊段和半圓弧段受力情況不同,參照圖5d對兩直邊段和圓弧段分別進(jìn)行計(jì)算y′方向上的摩擦力:對于兩直邊段:f′1θ=2hτ·Rdθ(2)對于半圓弧段:f″1θ=2∫π20sinα?r?dα?Rdθ=2rτ?Rdθ(3)f′′1θ=2∫π20sinα?r?dα?Rdθ=2rτ?Rdθ(3)式中,a為凸臺的寬度;τ為接觸表面上的摩擦剪應(yīng)力。y′方向上的摩擦力合力為:f1θ=f′1θ+f″1θ(4)f1θ=f′1θ+f′′1θ(4)由公式(1)～(4)可知,在穩(wěn)定擠壓狀態(tài),指向輪槽底部的摩擦力所產(chǎn)生的扭距為:∑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)切向的摩擦力所產(chǎn)生的扭距為:∑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為摩擦系數(shù);σn為接觸面上的正應(yīng)力。無凸臺的輪槽周邊提供的摩擦力使坯料在輪槽中不失穩(wěn)時(shí)可以承受的最大作用力Fmax為: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為輪槽圓弧段半徑;h為為輪槽直邊段高度;p為凸臺對單位面積坯料的壓力。由上面的分析可以看出,在銅的連續(xù)擠壓過程中采用不帶凸臺的輪槽(即無P的作用力),坯料前端受到的擋料塊的力F存在一個(gè)最大值Fmax,當(dāng)F超過Fmax時(shí),坯料在輪槽中失穩(wěn),如圖3所示。使用帶凸臺的輪槽,分析圖5f可知,每個(gè)dθ段坯料會受到凸臺對其作用的指向輪槽底部的力Pθ的作用:Ρθ=2a?Rdθ?p(9)Pθ=2a?Rdθ?p(9)此時(shí)對A-Z軸的扭距平衡方程變?yōu)?∑ΜF(xiàn)+∑Μf+∑Μp=0(10)∑MF+∑Mf+∑Mp=0(10)加凸臺以后,受力情況如圖5e所示,穩(wěn)定擠壓時(shí)坯料前端受到的擋料塊的最大力為:F′max=Fmax+2p?a?R(11)F′max=Fmax+2p?a?R(11)由此可見,由于凸臺的加入,增加了穩(wěn)定擠壓狀態(tài)下允許的最大擠壓力F′max,能夠滿足正常擠壓的需要。在以后的輪槽設(shè)計(jì)中均考慮銅坯料在輪槽中的穩(wěn)定擠壓條件,即不出現(xiàn)失穩(wěn)的條件。2.3輪槽中的穩(wěn)定擠壓狀態(tài)帶凸臺平底輪槽:將圓輪槽的圓弧底改為平底,與兩側(cè)的直邊以圓角相連接,如圖2b所示?？紤]到要建立一個(gè)穩(wěn)定的擠壓狀態(tài),將平底輪槽開口處設(shè)計(jì)成帶凸臺的形式,防止失穩(wěn)情況的出現(xiàn)。坯料在帶凸臺的平底輪槽中的運(yùn)動(dòng)情況:在最初的送料階段,由于前端不受阻力,坯料緊緊貼著輪槽底部運(yùn)動(dòng)。隨著前方阻力的增大,由于凸臺的限制坯料在輪槽中能夠建立起一種穩(wěn)定的擠壓狀態(tài),如圖6所示?？s口形輪槽是將圓輪槽的直邊段設(shè)計(jì)為一個(gè)縮口的斜邊來代替凸臺,限制坯料向輪槽外移動(dòng),防止失穩(wěn)情況的出現(xiàn),如圖2c所示。當(dāng)坯料脫離壓實(shí)輪開始有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢時(shí),受到輪槽的斜壁對其施加的阻力,使其緊緊貼著輪槽底部向前運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定擠壓過程坯料在輪槽中的情況如圖7所示。由此可見,縮口形輪槽能夠使坯料更加穩(wěn)固的在輪槽中運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)口形輪槽是將圓輪槽的直邊段設(shè)計(jì)為一個(gè)擴(kuò)口的斜邊,如圖2d所示。使用這種輪槽的問題在于側(cè)壁不能約束坯料向輪槽外側(cè)運(yùn)動(dòng),所以在設(shè)計(jì)的過程中加上了凸臺。坯料在輪槽中運(yùn)動(dòng)過程中有向外拱起的趨勢,但受到開口處凸臺的限制,又可以將坯料限制在輪槽內(nèi),從而建立起一種穩(wěn)定的擠壓狀態(tài)。穩(wěn)定擠壓過程坯料在輪槽中的情況如圖8所示。在銅的連續(xù)擠壓中,使用不帶凸臺的圓輪槽坯料出現(xiàn)失穩(wěn);使用帶凸臺的圓輪槽、帶凸臺的平底輪槽、縮口形輪槽和帶凸臺的擴(kuò)口形輪槽不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,能建立一個(gè)穩(wěn)定的擠壓過程。下面著重研究能建立穩(wěn)定擠壓過程的輪槽形狀對擴(kuò)展擠壓的影響。3車輪形狀對銅的延伸和壓縮形成的影響3.1壓壓輪槽的成形分析大擴(kuò)展比銅連續(xù)擠壓關(guān)鍵問題是金屬流動(dòng)的均勻性問題,擠壓時(shí)會出現(xiàn)中心部位金屬流動(dòng)速度快,邊緣處金屬流動(dòng)速度慢的現(xiàn)象。在Deform中分別模擬不同輪槽的擠壓情況時(shí),只是將擠壓輪的模型更換,而其它部件,如擋料塊、腔體、導(dǎo)板以及模具均不更換。在擠壓模型中均采用擴(kuò)展模腔,擠壓100mm×10mm的銅排。所以可以從模擬結(jié)果中擠壓產(chǎn)品的填充成形情況以及金屬流動(dòng)情況來判定輪槽形狀對銅擴(kuò)展擠壓的影響。從產(chǎn)品成形對比圖9中可以看出,在特定的擠壓模腔下,使用縮口形輪槽擠壓100mm×10mm的寬銅排,產(chǎn)品明顯充不滿。采用其它3種輪槽,即帶凸臺圓輪槽、帶凸臺平底輪槽和擴(kuò)口形輪槽擠壓銅排均能充滿。從成形情況來看,帶凸臺圓輪槽、帶凸臺平底輪槽與擴(kuò)口輪槽均能使100mm×10mm的銅排充滿,但可以從銅排成形流動(dòng)過程中的速度差來進(jìn)行進(jìn)一步的分析,比較其金屬流動(dòng)的均勻性。擠壓銅排時(shí),中心部位速度快,兩側(cè)邊緣速度慢。從3種輪槽擠壓的銅排中心部位與邊緣部位的速度差比較圖10中可以看出,擴(kuò)口形輪槽速度差曲線明顯低于圓形輪槽和平底輪槽的速度差,也就是采用擴(kuò)口形輪槽進(jìn)行擴(kuò)展擠壓產(chǎn)品更均勻。圓形輪槽和平底輪槽的速度差曲線沒有明顯的差別。從速度差的平局值比較,擴(kuò)口輪槽的速度差1.44mm·s-1,平底輪槽為3.52mm·s-1,圓形輪槽為4.9mm·s-1,使用平底輪槽較圓形輪槽擠壓產(chǎn)品的速度要均勻一些。3種有利于擴(kuò)展成形的輪槽擠壓過程中擠壓輪的扭距如圖11所示。從圖中可以看出,在擴(kuò)展擠壓條件完全相同的情況下,采用擴(kuò)口形輪槽擠壓輪的平均扭距為5.9×104N·m,低于圓形輪槽擠壓輪的扭距7.0×104N·m,采用平底輪槽扭距較高,為7.4×104N·m。平底輪槽較圓輪槽相比速度差減小了28%,但扭距增加了6%。擴(kuò)口形輪槽較圓輪槽相比速度差減小了70%,扭距也較圓輪槽的減小15.7%。3.2擴(kuò)展輪槽的形狀從擴(kuò)展模腔金屬流動(dòng)圖12來進(jìn)行分析:金屬由輪槽流入模腔時(shí),在圓形輪槽中,如圖12a所示,由于輪槽側(cè)壁與中心平行,所以金屬填充情況也介于縮口形輪槽和擴(kuò)口形輪槽之間。平底輪槽金屬在擴(kuò)展模腔中的運(yùn)動(dòng)與圓輪槽相似,如圖12b所示。但由于輪槽底部是平的,所以輪槽中的金屬向模腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)較圓輪槽均勻,表現(xiàn)出來的速度差也小,圓形坯料在平底輪槽中變形所需的力較大,所以扭距稍大于圓形輪槽的。在縮口形輪槽中,如圖12c所示,由于輪槽側(cè)壁的內(nèi)斜,金屬流動(dòng)方向斜向擴(kuò)展腔的中央,不利于輪槽中的金屬向擴(kuò)展腔兩側(cè)擴(kuò)展,所以會出現(xiàn)擠壓100mm×10mm的銅排外側(cè)充不滿的現(xiàn)象。而采用擴(kuò)口形輪槽,如圖12d所示,由于輪槽側(cè)壁的外斜,金屬在輪槽中的流動(dòng)方向斜向擴(kuò)展腔的兩側(cè),有利于輪槽中的金屬向擴(kuò)展腔兩側(cè)擴(kuò)展,所以擠壓100mm×10mm的銅排充滿情況良好,產(chǎn)品速度差也最小,而且由于這種輪槽形式有利于金屬擴(kuò)展流動(dòng),扭距也較其它的低。從上述分析可以看出,縮口形輪槽不適于銅的擴(kuò)展擠壓;平底輪槽較圓輪槽相比能略微降低金屬成形流動(dòng)的速度差,但會引起扭距的略微增加;擴(kuò)口形輪槽較圓輪槽相比能大大的降低金屬成形流動(dòng)的速度差,而且降低擠壓輪的扭距。由此可見,銅的擴(kuò)展擠壓中使用擴(kuò)口形輪槽對成形時(shí)金屬流動(dòng)的均勻性和降低扭距方面更有利。4輪槽穩(wěn)定性分析輪槽形狀對銅的擴(kuò)展擠壓有較大影響。通過理論計(jì)算和模擬研