空心铜导体的连续挤压研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期4 9 空心铜导体的连续挤压研究 鄢明1 ，吴朋越2 ，谢水生2 1 ．云南铜业冶炼加工总厂，昆明6 5 0 1 0 2 ； 2 ．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 8 摘要基于D E F O R M - 3 D 软件，采用刚粘塑性有限元理论，对空心铜导体的连续挤压过程进行了详细研 究，分析了不同工艺参数对空心铜导体连续挤压过程的影响，提出了解决空心铜导体连续挤压中间题的 方案。 关键词连续挤压；空心铜导体；分流模；焊合室高度 中图分类号T G 3 7 6 ；T G l 4 6 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 4 - - 0 0 4 9 - - 0 3 S t u d yo nC o n t i n u o u sE x t r u s i o nF o r m i n gf o rC o p p e rH o l l o wC o n d u c t o r Y A NM i n 9 1 ，W UP e n g - y u e 2 ，X I ES h u i s h e n 9 2 1 ．S m e l t e r yo fY u n n a nC o p p e rC o ．L t d 。K u n m i n g6 5 0 1 0 2 。C h i n a2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rF a b r i c a t i o n a n dP r o c e s so fN o n f e r r o u sM e t a l s ，G e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t ef o rN o n f e r r o u sM e t a l s ，B e l l i n g1 0 0 0 8 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o p p e rh o l l o wc o n d u c t o rC O N F O R Mm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，t h es c h e m eo ft h ec o p p e rh o l l o wc o n d u c t o rC O N F O R Mw a sp r e s e n t e d ．E f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r er e s e a r c h e d ．T h e r e s u l t sg i v et h eb a s i cd a t at oc o p p e rh o l l o wc o n d u c t o rC O N F O R M e x p e r i m e n t ． K e y w o r d s C o n f o r m ；C o p p e rh o l l o wc o n d u c t o r ；P o r t h o l ed i e ；H e i g h to fw e l d i n gc h a m b e r 连续挤压技术广泛应用于各种铝空心制品的生 产，但空心铜导体连续挤压过程中，变形抗力和变形 温度都很高[ 1 _ 3 ] ，对堵头和分流模的高温和高强度 有很高的要求。在挤出合格产品的同时工模具不被 损坏，是实现空心铜导体连续挤压法的关键。本文 基于D E F O R M 一3 D 软件，采用刚粘塑性有限元理 论，运用三维有限元技术[ 4 ] 对空心铜导体的连续挤 压过程进行了详细研究，提出了解决空心铜导体连 续挤压中问题的方案，模拟挤压出了符合使用规格 的“回”字形空心管材 宽1 0 ．0m m 、高7 ．5m m 、壁 厚1 ．5m m ，重点研究了焊合室高度和分流比等参 数对连续挤压过程的影响，得出最优的工艺参数，为 管材连续挤压模具材料选择和参数的优化提供理论 指导。 作者简介鄢明 1 9 7 0 - - ，男，四川简阳人，高级工程师，硕士． 1空心铜导体连续挤压过程的参数分 析及建模 1 ．1空心铜导体连续挤压过程的参数分析 采用分流模进行空心铜导体连续挤压，其结构 如图1 所示。工作过程中，金属经过分流孔时被劈 成两股金属流，汇集于焊合室，又在高温、高压、高真 空的焊合室内重新被焊合，然后通过模芯和模子所 形成的间隙流出，而形成空心型材[ 5 ] 。为了减小分 流桥所承受的载荷，分流桥采用带突起的结构，同时 为了提高焊合的质量，取两个分流孔。 空心铜导体连续挤压过程中，焊合室中金属所 受的静水压力、金属在模具出口处的流速等直接关 系到空心铜导体连续挤压最终产品的质量。而影响 空心铜导体连续挤压过程的因素主要有焊合室高 度和分流比。 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 鲁只三兰兰型擎件妻生警0 霉竺譬三部竺竺手等妻 从图4 可看出，随着挤压过程的进行，变形体的 竺娄。要跫图堂，i s 三 ’竺式量仝 I 麓 兰温度毫渐升篙。，轰磊簖矗模翼出‘i 五品箍釜茹 至嬖竺型坌孽妾复苎警型。空心铜导体连续挤压聂；甚_ ≤篙基丕高毒善菇荽鬲茹c 呙亲D 蠢。，，送； 有限元模型如图2 所示。 5 6 5 ℃主芸。毒墓磊菇簖矗≤幂系统的温度相孬； 图2 管材连续挤压有限元模型 F | 孚2E u r d t ed a 删I 删o fc o p p e r 阳d 鼬粤吐盯 h o l l o wc o m J u 栅0 0 f 咀叼R M a L a t t i c es c h e m a t i co fp o r t h o l ed i e ， b C o p p e r r e c t a n g u l a rh o l l o wc o n d u c t o rC O N F O R Mm o d e l 2 模拟结果及分析 2 ．1 空心铜导体连续挤压过程中金属的变形 根据连续挤压变形的特点，空心铜导体连续挤 压过程可以分为五个阶段r 卜妇 如图3 所示 。 2 ．2 空心铜导体连续挤压存在的问题 2 ．2 ．1 金属的温度场分布不均 图4 所示为焊合室高度取1 2m m ，分流比取1 0 时空心铜导体的连续挤压过程中金属的温度场分 布。 图4 金属的温度场分布 F i g ．4 T h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e 2 ．2 ．2 工模具应力分布不均 图5 为焊合室高度取1 2m E ，分流比取1 0 时工 模具的应力分布情况。从图5 可知，在连续挤压过 程中，工模具的应力主要集中在堵头、靴座扩展人口 以及上模人口附近。在挤压过程中，整个机构中堵 头前端靠近挤压轮槽底部的区域所受应力最大，最 大应力值为17 7 0M P a ，远大于堵头材料H 1 3 钢的 屈服极限，因此在挤压过程中堵头会因屈服而损坏。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年4 期 5 1 图5 工模具的应力分布情况 F i g ．5 T h ed i s t r i b u t i o no ft o o l sa n dd i es t r e s s 图6 为分流模上模的应力分布情况。从图6 可看 出，上模人口处所受应力较大，最大应力为l2 1 0M P a ， 工作过程中上模入口处温度为5 4 0 ℃左右，此温度下堵 头材料为H 1 3 钢的屈服极限为11 8 0M P a 左右，所以 在挤压过程中上模也会屈服而损坏。 图6 上模的应力分布情况 F i g ．6 T h ed i s t r i b u t i o no fu p p e rd i es t r e s s 3空心铜导体连续挤压过程中问题的 解决方案 以上分析可以看出，空心铜导体连续挤压过程 中存在的问题是堵头和上模在高温高压下屈服而损 坏，解决该问题有以下两种方案 1 由于上模和堵头处所受应力较高，用高温高 强合金制作靴座和上模，可以解决它们在高温、高压 下受力屈服的问题。但是高温高强合金由于硬度较 高，在实际生产中难于加工成靴座和上模等复杂形 状的零件；同时，高温高强合金的价格昂贵，如何降 低其成本是此方案具有可行性的关键； 2 为了解决上模受力屈服的问题，挤压过程中 可以采用对下模加热的方式来提高金属在焊合室中 的变形温度，使金属的变形抗力降低，从而降低上模 的应力。 变形温度的提高虽然降低了变形抗力，但同时 也会降低模具的屈服极限，因此不能无限制的提高 下模的温度。从上面模拟结果可以看出，正常情况 下焊合室中的温度为5 4 0 ℃左右，因此加热过程中 下模的温度要超过5 4 0 ℃，但是当工作温度超过 6 0 0 ℃时，H 1 3 钢的屈服极限随着温度的升高迅速 降低。所以模具温度不宜超过6 0 0 ℃。当温度在 5 0 0 ～6 0 0 ℃变化时，纯铜的流动应力有较大的下降 梯度[ 10 。，证明此方案有可行性。考虑到模具温度要 小于6 0 0 ℃，同时下模和模芯之间有一定的温度差， 在生产中将挤压过程中的下模温度保持在5 9 0 ℃进 行研究。 4结论 空心铜导体连续挤压过程中的主要问题是堵头 和上模在工作过程所受应力较大而屈服。采用对下 模进行加热的方式解决了上模受力屈服的问题，同 时采用镶块结构解决堵头处受力的问题。 参考文献 [ 1 ] 汪大年．金属塑性成形原理[ M ] ．北京机械工业出版 社，1 9 9 4 1 1 0 ． [ 2 ] 刘静安．铝型材挤压模具设计、制造、使用及维护[ M ] ． 北京冶金工业出版杜，1 9 9 9 ． [ 3 ] 钟毅．连续挤压技术及其应用[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 刘建生，陈慧琴，郭晓霞，等．金属塑性加工有限元模拟 技术与应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 3 ． [ 5 ] 赵颖．铝管连续挤压金属流动的数值模拟研究[ D ] ．大 连大连铁道大学硕士论文，2 0 0 6 ． [ 6 3 陈莉，宋宝韫，运新兵．铜扁线挤压模腔内材料成形的 数值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 1 3 8 4 3 ． [ 7 ] 谢玲玲。宋宝韫．铜母线连续挤压扩展成形过程的三维 有限元数值模拟口] ．锻压技术，2 0 0 5 3 7 2 7 5 ． [ 8 ] 何升立，张崇高，王心伟，等．C o n f o r m 连续挤压原理与 铜线挤压加工的影响因素[ J ] ．工具技术，2 0 0 5 ．3 9 3 2 7 3 0 ． [ 9 ] 鄢明，吴予才，何剑辉．利用单轮槽连续挤压机双进双 出生产挤压铜产品[ J ] ．稀有金属，2 0 0 6 ，3 0 1 7 2 ． [ 1 0 3 陈再枝，蓝德年．模具钢手册[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 2 ． 万方数据