銅鋁雙金屬管材擠壓成形工藝參數(shù)分析

宋繼順，馬靜云，張建民，李少光

(1．天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384;2．天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津 300384;3．中鋼集團(tuán)耐火材料有限公司，洛陽 471039)

0 前言

雙金屬材料是由兩種材料在它們的界面處結(jié)合而形成的［1］，是傳統(tǒng)復(fù)合材料的一個變體。雙金屬材料兼有兩種材料的優(yōu)勢，因此雙金屬管材既能滿足機(jī)械性能的要求，還能滿足對耐腐蝕性能、熱傳導(dǎo)性能等的要求。單一的金屬材料銅價格高且密度大，有必要開發(fā)研究一種復(fù)合材料取代銅［2］。Al/Cu覆層雙金屬管材和單一的銅管相比質(zhì)量減輕40%～60%，成本降低30% ～40%［3］。因此銅鋁雙金屬管材被廣泛地應(yīng)用在制冷設(shè)備的冷凝管中。

采用擠壓的方法來加工雙金屬產(chǎn)品，但是仍然存在著許多困難，因復(fù)合材料中兩種金屬的塑性性能相差較大，在擠壓過程中兩種金屬的流動不一致，導(dǎo)致可能產(chǎn)生一些缺陷，如芯層或覆層材料的破裂等［4］。本文提出了一種芯棒帶有錐角而凹模為通孔的新型模具結(jié)構(gòu)來成型雙金屬管材，同時借助FEM有限元軟件分析了不同錐角下的變形情況，獲得了合適的芯棒錐角以及內(nèi)外層管材的壁厚比。并通過對擠壓過程中芯棒的受力分析，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核，設(shè)計了雙金屬管材擠壓模具結(jié)構(gòu)。

1 擠壓無錐角芯棒的模具結(jié)構(gòu)及模擬結(jié)果

1.1 無錐角芯棒的擠壓模具結(jié)構(gòu)

在對雙金屬管材的擠壓工藝研究中，傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)是凹模帶有一定的錐角而芯棒為圓柱體(圖1a)，主要用于擠壓鋼結(jié)構(gòu)材料。在雙金屬擠壓研究的前期，采用模具結(jié)構(gòu)對銅鋁雙金屬管材進(jìn)行了擠壓。在進(jìn)一步的分析中，提出了凹模錐角末端1/4圓弧的模具結(jié)構(gòu) (圖1b)，以及凹模錐角末端1/4圓弧外加凸模結(jié)構(gòu)的變化的一種模具結(jié)構(gòu) (圖1c)。

圖1 凹模帶有錐角的模具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of concave die with cone angle

1.2 擠壓模擬結(jié)果

通過有限元軟件，分別對圖1所示的三種模具結(jié)構(gòu)擠壓雙金屬管材進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖2所示，當(dāng)凸模運行到一定的行程時，內(nèi)層坯料都發(fā)生了斷裂，可能是由于外層坯料對內(nèi)層坯料的側(cè)向力較大的原因，同時由于鋁層金屬的變形抗力與外層的銅金屬相差較大，鋁層金屬的加工硬化程度不能與外層的銅層抗衡，說明傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)并不適合變形抗力相差較大的銅鋁雙金屬管材的擠壓。通過反向思考，讓內(nèi)層的鋁金屬去擠壓銅，同時使鋁層的加工硬化程度加大，因此得到了一種芯棒帶有錐角而凹模為通孔的模具結(jié)構(gòu)。

2 帶錐角芯棒的擠壓模具結(jié)構(gòu)及模擬結(jié)果

2.1 芯棒錐角45°時的有限元模擬結(jié)果

由于所用的模具是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此試驗中取模具結(jié)構(gòu)的四分之一為研究對象。如圖3所示，芯棒的錐角用α表示。從圖1可以看出當(dāng)α=0°時，作用在坯料上的壓力最大。此時坯料很難擠出來;當(dāng)α=90°時，作用在坯料上的壓力近似為0。因此實驗中先選擇一個特殊位置 (α=45°)進(jìn)行模擬。

試驗所用的內(nèi)層金屬材料為純鋁Al1100，外層金屬材料為CuAl8。有限元模擬擠壓過程中的參數(shù)如表1所示。

表1 模擬擠壓的參數(shù)設(shè)定Fig.1 Parameters of extrusion simulation

將表1中的參數(shù)導(dǎo)入有限元軟件Deform中進(jìn)行變形模擬，起始的雙金屬管材坯料的厚度比值為1∶1。為了使兩種原始坯料在擠壓之前能夠緊密配合，內(nèi)層管坯的外徑要比外層金屬管坯的內(nèi)徑大0.1 mm。內(nèi)層管坯的內(nèi)徑為φ20 mm，外徑為 φ29.1 mm;外層管坯的內(nèi)徑為 φ29 mm，外徑為φ38 mm;出口端壁厚為3 mm。此條件下的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 在芯棒錐角為45°時雙金屬坯料在各階段的變形情況Fig.4 Deformation of bimetal blank as cone angle of mandrel is 45°

從圖4可以看出，剛開始擠壓時，內(nèi)層鋁金屬由于流動應(yīng)力較小，流動速度要比外層的銅合金要快，隨著擠壓過程中口徑變小，兩種金屬受到較大的壓力作用，而坯料前端的鋁層還未來得及加工硬化到可以與銅層進(jìn)行抗衡的程度，就被銅層劃斷。隨著鋁層金屬被外層的銅層金屬所包圍，通過芯棒錐角部分得到一定的加工硬化，但是其硬化程度仍然達(dá)不到和銅層抗衡的能力，最終仍然還有破裂?？赡苡袃蓚€原因:其一，內(nèi)層坯料過薄;其二，芯棒錐角的大小選擇不合適芯棒錐角45°時。

2.2 芯棒錐角60°時的有限元模擬結(jié)果

為了得到較好的模擬效果，同時增大芯棒錐角和內(nèi)層坯料厚度。當(dāng)內(nèi)外層坯料厚度比值為5.5∶3.5，且芯棒錐角為60°時坯料的變形情況如圖5所示。

圖5 芯棒錐角60°，內(nèi)外層厚度比值5.5∶3.5情況下的變形情況Fig.5 Deformation of bimetal blank as cone angle of mandrel is 60°and thickness ratio of internal layer to external layer is 5.5:3.5

從圖5可以看出，當(dāng)芯棒錐角增大時，內(nèi)層坯料鋁管的運動速度變慢，且在凸模擠壓運動到一定的行程時鋁層都沒有被擠破，但是隨著凸模繼續(xù)擠壓的過程中，內(nèi)層鋁管發(fā)生了斷裂。此時內(nèi)外層坯料擠出后的厚度比值較均勻，且接近于1∶1，說明其斷裂的原因可能還是錐角不能滿足要求，因此，繼續(xù)加大錐角觀察其變形情況。

2.3 芯棒錐角75°時的有限元模擬結(jié)果

將芯棒錐角增大到75°，保持內(nèi)外層坯料厚度比值仍為5.5∶3.5，模擬對雙金屬坯料的擠壓，模擬結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，內(nèi)層坯料在整個運動過程中都未發(fā)生破裂，說明模具結(jié)構(gòu)和初始坯料厚度比值合理，能夠滿足不發(fā)生斷裂的要求。

圖6 芯棒錐角75°，內(nèi)外層坯料厚度比值5.5:3.5條件下的模擬情況Fig.6 Simulation results of bimetal blank as cone angle of mandrel is 75°and thickness ratio of internal layer to external layer is 5.5:3.5

3 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在對雙金屬坯料進(jìn)行擠壓時，垂直方向的擠壓力都作用在了芯棒上，且承受的力非常大。因此需要對芯棒的強(qiáng)度進(jìn)行校核，芯棒與坯料接觸部分的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖7所示。此芯棒使用的材料為Cr12，芯棒的強(qiáng)度校核公式為

圖7 芯棒與坯料接觸部分的結(jié)構(gòu)以及尺寸Fig.7 Structure of contact segment of mandrel and blank

式中，σy為芯棒承受的壓應(yīng)力，MPa;Pmax為芯棒承受的最大擠壓力，可取模擬后處理中的最大擠壓力，Pmax=67.3 kN;Fg為芯棒的橫截面積，凸模Fg=314 mm2;ψ為折減系數(shù)，為了簡化計算可取0.9;［σy］為材料的許用壓應(yīng)力，MPa，Cr12的許用應(yīng)力大于200 MPa。

將以上數(shù)據(jù)帶入式 (1)中計算得出σy=106 MPa＜［σy］。所以此芯棒的強(qiáng)度符合要求。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示，圖中的18為套在芯棒前端的護(hù)套，能夠使芯棒在下模板上很好的固定，不發(fā)生搖擺。

圖8 新型模具的結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of new die

4 結(jié)論

(1)芯棒錐角的合理角度為大于75°，內(nèi)外層坯料的厚度比為5.5∶3.5，此種前提條件下的擠出物不發(fā)生斷裂且擠出物內(nèi)外層厚度均一。

(2)通過對芯棒強(qiáng)度進(jìn)行校核，得到了相應(yīng)的模具裝置結(jié)構(gòu)。

(3)芯棒帶有錐角而凹模未通孔的模具結(jié)構(gòu)避免了擠壓過程中產(chǎn)生的缺陷，說明此種結(jié)構(gòu)是合理的，且結(jié)構(gòu)非常簡單，并已經(jīng)申請專利。

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