模腔摩擦情況對(duì)鋁護(hù)套連續(xù)擠壓包覆過程的影響

吳斌　王如見　杜春雷

摘 要：基于Deform-3D模擬分析鋁護(hù)套連續(xù)包覆成形過程，摩擦因子的增加使模腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻的區(qū)域增加，導(dǎo)流模上下兩部金屬的流動(dòng)逐漸均勻，隨著模腔摩擦因子增加，金屬成形最高溫度也降低，而連續(xù)擠壓包覆的工模具材料都為H13鋼，當(dāng)溫度超過600℃時(shí)性能急劇下降。因此，腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

關(guān)鍵詞：鋁護(hù)套 連續(xù)擠壓包覆 模腔摩擦情況

中圖分類號(hào)：TG376 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0083-02

金屬壓力加工中的外摩擦是指工模具與變形金屬界面上產(chǎn)生的摩擦，這種外摩擦場(chǎng)與一般的摩擦場(chǎng)相比具有以下特點(diǎn)[1]：（1）接觸面上的單位壓力非常大。工模具通過界面作用到變形金屬上的單位壓力很大，以滿足金屬塑性條件的要求，發(fā)生塑性變形。（2）摩擦過程中金屬表面不斷變化。由于金屬的不斷塑性變形，金屬接觸面積不斷增加，不斷出現(xiàn)的新生表面粘著能力很強(qiáng)，加劇了工模具的粘著磨損。（3）界面溫度條件更惡劣。摩擦場(chǎng)的溫度有三種概念：摩擦場(chǎng)的平均溫度，平均表面溫度以及表面局部區(qū)域的表面凸起變形或切斷時(shí)產(chǎn)生的閃發(fā)溫度。金屬坯料的體積溫度可以由加熱過程及變形熱效應(yīng)產(chǎn)生，如鋁及鋁合金通常為400 ℃～500 ℃。由于體積溫度、表面溫度以及必然存在的溫度梯度，與變形過程中的應(yīng)力場(chǎng)共同作用，又使與原子遷動(dòng)有關(guān)的再結(jié)晶過程以及原子的定向擴(kuò)散過程得以進(jìn)行，這對(duì)于改變摩擦面間的接觸性質(zhì)，相互間的金屬粘結(jié)與磨損，也有很大的影響。

連續(xù)擠壓包覆成形是以摩擦力為驅(qū)動(dòng)力，對(duì)摩擦直接加以利用，使金屬塑性成形和摩擦生熱。而在連續(xù)擠壓包覆型腔中金屬的流動(dòng)非常復(fù)雜，模腔的摩擦情況往往對(duì)金屬的流動(dòng)有很大的影響。因此，在連續(xù)擠壓包覆成形過程中，模腔的摩擦情況是模腔中金屬流動(dòng)變形的主要影響因素之一。DEFORM-3D軟件提供了庫倫摩擦模型和常摩擦模型兩種摩擦模型。而摩擦系數(shù)是速度、溫度和變形量函數(shù)的摩擦力驅(qū)動(dòng)模型[2]實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓過程的數(shù)值模擬。因此，本文建立的連續(xù)擠壓包覆成形過程數(shù)值模型中，選用了常摩擦模型，通過改變模腔摩擦因子實(shí)現(xiàn)摩擦力的改變，可以研究模腔摩擦情況對(duì)連續(xù)包覆成形的影響。

根據(jù)連續(xù)擠壓包覆變形的特點(diǎn)，以 Φ9.5 mm的1100鋁為坯料，其它初始參數(shù)設(shè)置不變，其中擠壓輪的轉(zhuǎn)速為6 rpm，只考慮模腔摩擦情況對(duì)金屬成形的影響，分別設(shè)模腔摩擦因子m為0.1、0.2、0.3和0.4四種情況下擠出外徑為16 mm，壁厚為1 mm的鋁護(hù)套進(jìn)行模擬分析。

1 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

1.1 金屬流動(dòng)速度分布

圖1為模腔摩擦因子不同時(shí)模腔中金屬流動(dòng)速度分布圖。從圖1中速度分布來看，4種連續(xù)擠壓包覆模腔的摩擦因子下，由于金屬坯料受到模腔內(nèi)壁摩擦作用，金屬從?？谶M(jìn)入模腔，金屬的流動(dòng)速度逐漸降低，?？诘乃俣仁悄Ｇ簧喜克俣炔畈欢?倍，而在模腔焊合室中，導(dǎo)流模上下部金屬流動(dòng)速度有很大差別，導(dǎo)流模下部是上部差不多4倍。

如圖1（a）所示，模腔的摩擦因子為0.1，金屬坯料與模腔內(nèi)壁的摩擦很小，與其它摩擦情況相比，模腔中金屬的流動(dòng)速度明顯高于其它摩擦情況。從圖1（a）、（b）、（c）可以看出，隨著金屬坯料與模腔內(nèi)壁的摩擦因子的增大，摩擦力逐漸增大。而摩擦力的作用使金屬在連續(xù)擠壓包覆型腔中的流動(dòng)逐漸變得均勻[3～4]，這主要是因?yàn)榻饘倥髁吓c模腔內(nèi)壁的摩擦力的增大，外摩擦力對(duì)金屬流動(dòng)的不利影響增加，降低了金屬坯料在模腔中的流動(dòng)速度。雖然模腔中導(dǎo)流模的上下兩部分金屬流動(dòng)速度的最大值與最小值的比值變化不大，但是外摩擦力的增加使模腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻的區(qū)域增加，導(dǎo)流模上下兩部金屬的流動(dòng)逐漸均勻。

而從圖1（d）可知，雖然金屬坯料與模腔內(nèi)壁的摩擦阻力可以降低模腔內(nèi)金屬流動(dòng)差別，但是它不能完全改變連續(xù)擠壓包覆型腔內(nèi)導(dǎo)流模上下部速度差別，也不能減小模腔內(nèi)金屬流動(dòng)不均勻區(qū)域，通過提高金屬坯料與模腔內(nèi)壁的摩擦來提高型腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻性是不可行的。另外金屬坯料與模腔內(nèi)壁的摩擦是引起的工模具的磨損、塑性變形等失效形式的主要因素，模腔摩擦情況的提高，工模具的損耗增加。因此，模腔與金屬坯料的摩擦在選擇摩擦因子為0.3時(shí)較為合適。

1.2 坯料最高溫度

圖2為在連續(xù)擠壓包覆過程中模腔摩擦情況與金屬坯料最高溫度的關(guān)系曲線，隨著模腔摩擦因子的增加，金屬坯料的最高溫度逐漸降低，這主要是因?yàn)樵诔ＤΣ聊Ｐ椭心Σ烈蜃拥牟煌从吵瞿Σ燎闆r的不同，模腔摩擦因子的增加使金屬坯料所受到外摩擦力相應(yīng)增加，增加的外摩擦力阻礙了金屬流動(dòng)，使模腔中金屬坯料流動(dòng)速度降低。

在連續(xù)擠壓包覆過程中?？谂c堵頭之間金屬的剪切變形最劇烈，坯料的最高溫度往往在堵頭附近，金屬塑性變形熱占金屬坯料所得熱量很大部分。外摩擦的增加使金屬流動(dòng)速度的降低，剪切變形熱也相應(yīng)降低，而在相同變形程度時(shí)，金屬流動(dòng)速度的降低使流動(dòng)時(shí)間相應(yīng)增加，金屬坯料散失的熱量相應(yīng)增加。因此，隨著模腔摩擦因子增加，金屬成形最高溫度也降低。

如圖2所示，在模腔摩擦因子m取0.1時(shí)，坯料的最高溫度為648 ℃，隨著摩擦因子的增加，坯料的最高溫度逐漸降低，m取0.3時(shí)坯料最高溫度為600 ℃，m取0.4時(shí)為578 ℃，而連續(xù)擠壓包覆的工模具材料都為H13鋼，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)性能急劇下降。因此，模腔的摩擦情況在摩擦因子m取0.3或0.4較為合適。

1.3 擠壓輪扭矩

圖3為在連續(xù)擠壓包覆過程中模腔的摩擦情況與擠壓輪扭矩的關(guān)系曲線，隨著模腔摩擦因子的增加，擠壓輪的扭矩逐漸增加。這主要是因?yàn)殡S著模腔摩擦因子的增加，包覆型腔與金屬坯料的摩擦情況增強(qiáng)，金屬流動(dòng)的摩擦阻力增加，阻礙金屬的流動(dòng)，而擠壓輪是連續(xù)擠壓包覆成形的動(dòng)力源，摩擦阻力的增加也使擠壓輪所受切向摩擦力增加，因此隨著摩擦因子的增大，擠壓輪的扭矩也逐漸增大。endprint

由上文可知，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率等于擠壓輪扭矩和擠壓輪轉(zhuǎn)速的乘積，即。當(dāng)擠壓輪的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率與擠壓輪扭矩成正比關(guān)系。因此，隨著模腔的摩擦情況提高，擠壓輪扭矩逐漸增加，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率也逐漸增加，而模腔內(nèi)金屬的流動(dòng)卻逐漸降低。因此，模腔的摩擦因子過高會(huì)造成擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)，甚至造成堵?，F(xiàn)象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情況對(duì)連續(xù)擠壓包覆成形有很大影響，對(duì)模腔摩擦條件的有效控制直接影響連續(xù)擠壓包覆成形結(jié)果，腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形。因此，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，由分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

2 結(jié)論

（1）摩擦因子的增加使模腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻的區(qū)域增加，導(dǎo)流模上下兩部金屬的流動(dòng)逐漸均勻。（2）隨著模腔摩擦因子增加，金屬成形最高溫度也降低。連續(xù)擠壓包覆的工模具材料都為H13鋼，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)性能急劇下降。因此，模腔的摩擦情況在摩擦因子m取0.3或0.4較為合適。（3）腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚若浩.金屬壓力加工中的摩擦與潤(rùn)滑[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990：33-34.

[2] 儲(chǔ)燦東，王東哲，彭穎紅.連續(xù)擠壓成形過程的溫度場(chǎng)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（1）：9-12.

[3] Ying Zhao，Baoyun Song，Jinyang Pei.Study on Metal Flow in Continuous Extrusion Cladding of Cable Aluminum Sheath Using FEM Analysis[J].Advanced Materials Research，2011：189-193.

[4] Zhao Ying，Song Bao-yun，Yun xin-bing.Effect of process parameters on sheath forming of continuous extrusion sheathing of aluminum[J].The National Science Foundation of China，2012，22：3073-3080.endprint

由上文可知，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率等于擠壓輪扭矩和擠壓輪轉(zhuǎn)速的乘積，即。當(dāng)擠壓輪的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率與擠壓輪扭矩成正比關(guān)系。因此，隨著模腔的摩擦情況提高，擠壓輪扭矩逐漸增加，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率也逐漸增加，而模腔內(nèi)金屬的流動(dòng)卻逐漸降低。因此，模腔的摩擦因子過高會(huì)造成擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)，甚至造成堵?，F(xiàn)象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情況對(duì)連續(xù)擠壓包覆成形有很大影響，對(duì)模腔摩擦條件的有效控制直接影響連續(xù)擠壓包覆成形結(jié)果，腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形。因此，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，由分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

2 結(jié)論

（1）摩擦因子的增加使模腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻的區(qū)域增加，導(dǎo)流模上下兩部金屬的流動(dòng)逐漸均勻。（2）隨著模腔摩擦因子增加，金屬成形最高溫度也降低。連續(xù)擠壓包覆的工模具材料都為H13鋼，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)性能急劇下降。因此，模腔的摩擦情況在摩擦因子m取0.3或0.4較為合適。（3）腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

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由上文可知，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率等于擠壓輪扭矩和擠壓輪轉(zhuǎn)速的乘積，即。當(dāng)擠壓輪的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率與擠壓輪扭矩成正比關(guān)系。因此，隨著模腔的摩擦情況提高，擠壓輪扭矩逐漸增加，擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率也逐漸增加，而模腔內(nèi)金屬的流動(dòng)卻逐漸降低。因此，模腔的摩擦因子過高會(huì)造成擠壓輪驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)，甚至造成堵?，F(xiàn)象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情況對(duì)連續(xù)擠壓包覆成形有很大影響，對(duì)模腔摩擦條件的有效控制直接影響連續(xù)擠壓包覆成形結(jié)果，腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形。因此，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，由分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

2 結(jié)論

（1）摩擦因子的增加使模腔內(nèi)金屬流動(dòng)均勻的區(qū)域增加，導(dǎo)流模上下兩部金屬的流動(dòng)逐漸均勻。（2）隨著模腔摩擦因子增加，金屬成形最高溫度也降低。連續(xù)擠壓包覆的工模具材料都為H13鋼，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)性能急劇下降。因此，模腔的摩擦情況在摩擦因子m取0.3或0.4較為合適。（3）腔體與金屬坯料間的摩擦因子越低或越高，都不適合連續(xù)擠壓包覆成形，選擇合理的摩擦因子是連續(xù)擠壓包覆成形的關(guān)鍵因素，分析可知摩擦因子選0.3是較為合適。

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