铜扁线连续挤压成形过程的数值模拟.pdf

第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a v2006 铜扁线连续挤压成形过程的数值模拟 牛玉英，陈莉，宋宝韫 大连交通大学材料科学与工程分院，大连 1 16 0 2 8 摘要采用D E F O R M 软件。模拟铜扁线的连续挤压成形过程，建立铜扁线连续挤压的刚粘塑性有限元模型，揭示金属的变 形规律和优化工模具结构。获得有关变形网格、速度场、温度场、等效应力及扭矩．行程曲线等完整信息。比较不同结构模具的铜 扁线成形表明。Ⅱ型腔体和模具所需的扭矩比I 型的大，与生产实践基本一致。模拟结果对模具结构改进和优化具有指导作用。 关键词材料合成与加工工艺；铜扁线；有限元；连续挤压；D E F O R M 中图分类号T G 3 7 9 ；T G l 4 6 ．1 1 ；T P 3 9 1 ．9文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 2 9 0 5 随着现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺 分析和模具设计方面提出了更高的要求。若模具设 计不合理或材料选择不当，则会造成产品达不到质 量要求，造成大量的次品和废品。为了防止缺陷的 产生，以提高产品质量，降低产品成本，国内外许多 大企业和研究机构及大专院校对塑性成形件的性 能、成形过程中的应力应变分布及变化规律进行了 大量的理论分析、实验研究与数值计算，力图发现各 种制件、产品成形工艺所遵循的共同规律【1J 。 一般来说。产品研究与开发的目标之一就是确 定生产高质量产品的优化准则，而不同的产品要求 不同的优化准则，建立适当的优化准则需要对产品 制造过程的全面了解。如果不掌握诸如摩擦条件、 材料性能、工件几何形状、成形力等工艺参数对成形 过程的影响，就不可能正确地设计模具和选择加工 设备，更无法预测和防止缺陷的生成。在传统工艺 分析和模具设计中，主要还是依靠工程类比和设计 经验，经过反复试模修模，调整工艺参数以期望消除 成形过程中的产品缺陷如失稳起皱、充填不满、局部 破裂等。仅仅依靠传统的经验工艺分析和模具设计 方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要 求。因此，现代金属成形工艺分析过程中，建立适当 的“过程模拟”非常重要。随着计算机技术的发展， 数值模拟在金属成形过程中的重要价值越来越大受 到重视，这一领域已成为现代国内外学者的研究热 点 2 | 。 收稿日期2 0 0 4 1 1 1 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 1 7 5 0 1 2 作者简介牛玉英 1 9 7 4 一 ，女，吉林洮南市人，博士生，主要从事 塑性成型及模拟技术等方面的研究。 铜扁线广泛用于变压器、大型电动机和发电机 的绕组，长期以来我国一直以上引铜为坯料采用“拉 拔一退火”的工艺生产，用该方法生产的铜扁线会产 生一些自身难以克服的产品质量缺陷。研究证明， 用连续挤压方法生产的铜扁线与传统的“轧制．拉拔 一退火”工艺相比具有极大的优越性∞】。 由于铜及铜合金变形温度高、变形抗力大、高温 氧化性强，铜扁线连续挤压技术在塑性变形机理、工 艺参数及模具结构等方面存在许多技术难点。为了 进一步提高挤压产品性能，延长模具的使用寿命，采 用D E F O R M 软件对铜扁线连续挤压成形过程进行 数值模拟，分析变形区金属的流动规律和应力场、应 变场、温度场等的分布情况，从而为改进成形工具的 结构和优化奠定基础。 1有限元模型的建立 连续挤压生产铜扁线的原理如图1 所示HJ 。以 规格为a 2 m m ，b 1 0 m m ，r 0 ．6 5 m m 的铜扁线 的成形过程为例，截面形状如图2 所示，对金属流动 整个过程进行模拟，从而得到金属的流动规律。 模拟以刚塑性／N 粘塑性有限元理论为基础，采 用专门用于分析金属成形及相关各种成形工艺的 D E F O R M 软件进行求解和后处理的图形显示平台。 1 ．1 有限元模型 假设刚塑性／冈0 粘塑性体的体积为V ，表面积 为S ，在力面S F 上给定面力R ，在速度面S y 上给 定速度U i ，在满足几何方程、体积不变条件、速度已 知表面S v 上的速度边界条件的一切运动许可速度 万方数据 有色金属第5 8 卷 图1 连续挤压工作原理 F i g ．1P r i n c i p l eo fc o n t i n u o u se x t r u s i o n 场计，使泛函丌 肌雎。 d V 一卅s F F i U i d S 取极值的口；必为本问题的正确解。对于塑性加 工过程来说，上述泛函丌的物理意义是总能耗率。式 中右边第一项表示变形体内部塑性变形功率， E e i ， 为塑性变形功率函数，第二项表示变形体力 表面上的外力功率。 刚塑性／刚粘塑性有限元利用M a r k o v 变分原 理对变形体进行数值求解，在选择初始动可容速度 场时，速度边界条件容易满足，而体积不可压缩条件 则难以满足。为此把体积不可压缩条件用L a g r a n g e 乘子法或惩罚因子引入泛函式，所建立的L a g r a n g e 乘子法泛函表达式为 z r L j _ j ．j _ 尸’e ”d V ．『J ．『≯s 百’艿巧dV F i U i d S JS F 式中A L a g r a n g e 乘子[ 5 1 ；盯7 一等效应力；￡”一等效 应变速率；￡i j7 一应变速率；盈，一K r o n e k e r 记号，定义 为艿i ， 1 当i J 时 ，艿i ， 0 当i ≠J 时 。 图2 铜扁线截面形状 F i g ．2C o p p e rs t r i ps e c t i o ns h a p e 1 ．2 模型建立的条件 由于真实材料的塑性变形过程十分复杂，采用 刚塑性／刚粘塑性有限元法分析体积成形问题时，为 便于数值模拟过程中的数学处理，作如下主要理论 假设[ 6 ] 1 不计材料的弹性变形； 2 不考虑体积 力 一般包括重力和惯性力 的影响； 3 材料均质且 不可压缩，在体积成形中假设材料各向同性； 4 材 料的变形服从L e v y M i s e s 流动理论。 另外，在模拟中有一些细节也进行了假设和简 化，其中主要有 1 忽略了挤压轮上的循环水冷却； 2 整体模型中省略了挤压轮、腔体等部件的一些结 构部分，如倒角、圆角、螺纹孑L 等，只保留对金属流动 有影响的结构部分； 3 假设坯料从模具中挤出一定 长度后进入稳定生产状态，各参数值也趋于稳定。 1 ．3 有限元模型的建立 首先，应用三维造型软件产生与金属成形相关 的零部件的三维实体，将其以V D A 格式导人 I D E A S 中划分网格。由于所研究的铜扁线连续挤 压是对称的，坯料在对称平面上没有该平面法线方 向的流动和流动趋势，所以取整体模型的一半进行 分析。最后，将节点和单元形式的实体模型导入到 有限元分析软件D E F O R M 中，并在前处理模块中 进行实体间定位、一系列参数及初、边值条件设置。 1 ．4 初、边值条件的设定 1 ．4 ．1 摩擦边界条件。连续挤压成形中的摩擦属 于干摩擦，变形属于体积成形，接触压力相对较高， 故采用剪切模型模拟摩擦。模型中几何实体问具体 摩擦的情况如表1 所示。表1 中刚性体与坯料之间 的摩擦系数是根据材料间的摩擦特性结合实际情况 取得，挤压轮与坯料之间的摩擦系数取0 ．9 5 ，由于 在进入稳定生产状态后，挤压轮槽表面挂了一层铜， 因此挤压轮与坯料之间的摩擦实际上已经是铜与铜 之间的摩擦。 表1 实体间摩擦关系 T a b l e1F r i c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e no b j e c t s 注表中l 代表挤压轮，2 代表模具，3 代表坯料，4 代表腔体。 1 ．4 ．2 材料力学模型的建立。模型中刚性体材料 均取H 1 3 钢，塑性体 坯料 材料为铜。在D E F O R M 的材料库中有H 1 3 钢，只要选择即可。然而 材料库中没有铜材料，所以需要建立材料模型，将数 据输入D E F O R M 中生成新的材料曲线存人材料数 据库中，以便模拟求解时调用。 1 ．4 ．3载荷的施加。铜扁线之所以能够成形是由 于摩擦力使得金属产生塑性变形。而坯料和轮槽之 间的摩擦力只有在存在相对运动趋势的情况下才会 产生，也就是需要有主动载荷施加在系统上，结合连 续挤压生产的实况，挤压轮和压实轮相应位置线速 万方数据 第2 期牛玉英等铜扁线连续挤压成形过程的数值模拟3 1 度应相同。 1 ．4 ．4 位移约束。铜扁线连续挤压系统有限元模 型的约束，与实际结构及工况紧密相关，但又不同于 实际情况，在模拟中为了减少节点和单元的数量，只 模拟整个挤压结构的一半，对称面上金属在法线方 向不发生流动。体现在位移约束中就是坯料对称面 上的所有节点在z 方向上的速度均为0 。 2 数值模拟结果与讨论 2 ．1 金属的变形 模拟中金属变形过程如图3 所示，可分为以下 几个阶段图 3 为压下阶段，压实轮压下4 ．5 m m ， 将坯料压入挤压轮轮槽中并填满轮槽；图 b 为填充 变形阶段，随着挤压轮的转动，坯料在轮槽侧壁摩擦 力的作用下不断的被拽入；金属到达堵头后，在摩擦 力的作用下达到屈服极限并在挤压筒 由腔体和挤 压轮轮槽组成的通道 内发生类似于镦粗的变形，最 后开始进入模腔，如图 c 所示；图 d 为金属充满整 个模腔并通过模具定径带挤出铜扁线产品。图 c 和图 d 共同组成挤压变形阶段，在该阶段金属充满 了整个型腔并在模具型腔的约束下发生塑性变形。 该阶段金属的变形行为比较复杂，也是连续挤压理 论分析的一个关键所在。为此，三维模拟仿真主要 针对该阶段 如图4 所示 ，下面的应力场、温度场等 都是指针对该阶段而言。 图3 连续挤压过程中金属的变形 F i g ．3 D e f o r m a t i o no fc o p p e rd u r i n gc o n f o r mp r o c e s s 2 ．2 金属的流动速度 图4 变形主要研究区域 F i g ．4 M a i nd e f o r m a t i o na r e a 图5 a 所示为金属已完全充满模腔从定径带 挤出形成产品阶段。从图5 a 可看出，模具出口处 扁线偏向一边，这是由于速度不均匀引起的，靠近堵 头一侧的金属流动速度较另外一侧的偏大。图5 b 为挤出产品的较稳定阶段，金属随着挤压轮的转动不 断的进入模腔从模具中挤出，并且在模腔内的拐角处 和堵头的拐角处形成死区。另外，由于金属在挤出模 具后，有“解除模具的约束”和“冲破蒙皮”的趋势，金 属的最大速度由1 5 0 m m ／s 变为2 8 4 m m ／s 。 图5 变形过程中金属的流动速度 F i g ．5V e l o c i t yo f b i l l e td u r i n gc o n f o r mp r o c e s s 上面对连续挤压金属的变形过程和流动分析表明，在连续挤压成形过程中，金属与工具间的摩擦作 万方数据 3 2 有色金属第5 8 卷 用是很复杂的，对金属流动的影响在不同的时期和 不同的区域有所不同。挤压轮轮槽与变形体间的摩 擦推动着坯料向前运动，而腔体导板与变形体间的 摩擦力则阻碍金属变形体的向前运动。变形体的运 动速度也是变化的，特别是金属从充满模腔阶段到 从模具中挤出阶段，速度场发生了巨大的变化。 2 ．3 金属的等效应力 当金属进入挤压模口的定径带区域，各部分的 变形相对比较均匀，变形过程比较稳定，但在靠近挤 压模口和轮缘溢料的内部边缘区域形成高应力带， 尤其在模V I 定径带处产生应力峰值区，模具受力状 况比较恶劣，如图6 所示。在整个模拟过程中产生 的变形体的最大等效应力可达1 0 0 0 M P a 左右，最大 值通常发生在模具定径带部分和堵头处。而模具的 材料为H 1 3 钢，屈服极限为1 3 5 0 M P a [ 8J ，因此工具 材料性能基本满足金属变形的要求。 图6 等效应力的分布 F i g ．6 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n 2 ．4 金属的温度分布 变形进入稳定状态后，温度相对之前仍然有所 升高，升高到一定值后基本保持温度不变，如图7 所 示。从图7 可以看到，最高温度为6 9 0 ℃，在整个过 程中各步的最高温度基本保持在7 0 0 ℃左右，温度 的最高区发生在挤压模口定径带区域，对这种现象 图7 温度的分布 F i g ．7T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 可以这样理解此处的变形较大，压应力也大，所引 起的摩擦力也大，在变形热和摩擦热的共同作用下， 最终导致该区的温度最高。 2 ．5 扭矩行程曲线 在分析连续挤压过程能量的损耗时，模拟中相 应的参数为扭矩。扭矩越大，需消耗的能量越多。 从图8 中看出，整个成形过程分为4 个阶段一J a 压人阶段，由于此时挤压轮并没有转动，此阶段 扭矩为0 ； b 咬入阶段，在此阶段坯料随着挤压轮 的转动，向着堵头的方向运动，在未接触堵头前扭矩 基本上保持在0 ．0 6 4 ～0 ．1 2 8 1 0 7 N m m 之间； c 填充挤压变形阶段，挤压轮继续转动，坯料到达堵 头，开始镦粗变形并不断充满腔体，随着坯料与腔体 及模具的接触面积的增大，摩擦力和变形抗力也逐 渐增大，最终导致挤压轮的扭矩随着时间的推移逐 渐增大到1 ．2 8 1 0 7 N m m 左右，直至扁线从模具 中挤出为止，进入第4 阶段； d 稳定挤压阶段，挤压 轮的扭矩稳定，基本保持在1 ．4 3 1 0 7 N m m 附近。 这与前面所说的变形分为4 个阶段是相对应的。 喜 薹 、 墨 ‘m ’ d ．2 8 0 r ， J ．9 6 【J C ， ．6 4 0 - 一 J3 2 1 一 b a7 4 ’。 “。“ 、‘’L 0 ． M l 1 ．6 4 01 ．2 8 { 1 ．9 2 02 ．5 6 03 ．2 0 1 时问，s 图8 扭矩行程曲线 F i g ．8 C u r v eo ft o r q u e t i m e 由于模拟是使用整体模型的一半，因此上面得 到的挤压轮扭矩只为实际的一半值，最后得出生产 2 l O m m 2 的铜扁线，挤压轮转速取1 0 r ／m i n 时，稳 定生产状况下的扭矩为2 ．9 1 0 7 N m m 左右，这与 理论方法计算出的结果3 ．4 5 1 0 7 N m i D _ 和生产实 验测得的数据3 ．3 1 0 7 N m m 是比较接近的。这 就说明模拟所采用的有限元模型是可行的，模拟结 果的各场量分析对实际有一定的指导意义。 2 ．6 工模具结构对模拟结果的影响 在整个过程分析的基础上，对不同结构的腔体 和模具分别进行了模拟，为了便于结果的对比，在I 型和Ⅱ型腔体上对同一尺寸规格的扁线的连续挤压 成形过程进行模拟。从图9 中看出，当进入稳定生 产状态后，I 型的挤压扭矩比Ⅱ型的要小一些。这 万方数据 第2 期牛玉英等铜扁线连续挤压成形过程的数值模拟3 3 是由模具的不同结构决定的，I 型腔体上金属进入 模腔到模具的流动通道长度为4 ．7 r a m ，而Ⅱ型的通 道长度为1 1 ．7 r a m ，说明金属变形体通过Ⅱ型工模 具时要遇到更大的阻力，也即当生产同一规格的产 品时，I 型比Ⅱ型在降低生产能耗上更有优势。实 E ￡ Z ∑ 捌 辑 旷1 1 影嗖 4 。。’’’‘。、- 上J 图9I 型和Ⅱ型扭矩行程对比 F i g ．9C o m p a r i s o no ft o r q u e t i m e b e t w e e nt y p eIa n dI I 参考文献 际生产中当用I 型和Ⅱ型工模具加工同一尺寸规格 的铜扁线时，主电机电流的差别也表明了Ⅱ型的电 流较I 型的要大1 0 A 左右，验证了模拟结果的正确 性。 3结论 整个变形过程主要分为咬入、填充和挤压几个 阶段。塑性变形主要发生在挤压阶段，在此阶段网 格频繁发生畸变和重划分，是整个变形过程的最关 键部分。不同结构模具的铜扁线成形比较表明，Ⅱ 型腔体和模具所需的扭矩比工型大，与生产实践结 果基本一致，说明合理改进模腔结构与模具形式，缩 短坯料在腔体中的流动通道，可以减少流动摩擦阻 力和温升。模拟过程中所建立的铜扁线连续挤压的 刚粘塑性有限元模型是正确的，模拟结果对模具结 构的改进和优化具有指导作用。 [ 1 ] 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i pi Ss i m u l a t e db yu s eo fD E F O R Ma sF E Ms o f t w a r e ，a n dt h e r i g i dv i s c i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep r o c e s si se s t a b l i s h e dt ou n v e i lt h em e t a ld e f o r m e dr u l ea n do p t i m i z et h et o o ls t r u c t u r e ．T h es y s t e m a t i c a li n f o r m a t i o no ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni n c l u d i n gv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，e f f e c t i v es t r e s s ，s t r a i nd i s t r i b u t i o na n d1 0 a d t i m ec u r v ea n ds oo na r eo b t a i n e d ．T h e t o r q u eo fl I s t r u c t u r ei sb i g g e rt h a nI ，i n d i c a t e db yc o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lt o o l sIa n dI I ，a n di t i s c o n s o n a n tw i t ht h ep r a c t i c e ．T h es i m u l a t i o nr e s u l ti su s e f u lf o ri m p r o v i n ga n do p t i m i z i n gt h et o o ls t r u c t u r e ． K e y w o r d s K e y w o r d s m a t e r i a ls y n t h e t i ca n dw o r k i n gt e c h n o l o g y ；c o p p e rs t r i p ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；D E F O R M 万方数据