工藝參數(shù)對連續(xù)擠壓銅/鋁復(fù)合接觸線成形的數(shù)值模擬研究

趙鴻金，胡玉軍，李濤濤，彭 孜

(江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，承擔(dān)著全國70%以上的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)和50%以上客運(yùn)周轉(zhuǎn)，而接觸線又是保證鐵路正常運(yùn)營最重要的部件.隨著列車牽引質(zhì)量上升，電力機(jī)車功率的提高和車速的加快，對接觸線的性能提出了更高的要求.為適應(yīng)電氣化鐵路的發(fā)展，接觸線向復(fù)合金屬化發(fā)展已成為世界接觸線發(fā)展的必然方向［1－3］.

銅鋁復(fù)合接觸線(如圖1)是一種雙金屬層狀復(fù)合線材，聚集了多種金屬的優(yōu)異性能，具有高強(qiáng)、高導(dǎo)、高耐磨等特點，可滿足我國日益增長的鐵路交通運(yùn)輸?shù)男枨?，同時還節(jié)省了寶貴的銅資源.

目前，銅鋁復(fù)合接觸線雖然可以通過擠壓拉伸復(fù)合生產(chǎn)，但擠壓拉伸復(fù)合具有:生產(chǎn)效率低、成品率低;對坯料要求嚴(yán)格，結(jié)合面往往不緊密;潤滑液被擠入結(jié)合面等缺點.而相比之下，若采用Conform連續(xù)擠壓包覆技術(shù)加工銅鋁復(fù)合接觸線，則可回避上述問題［4－6］.

圖1 銅鋁復(fù)合接觸線產(chǎn)品截面圖

此結(jié)構(gòu)的接觸線為層狀包覆，與其他制品連續(xù)包覆過程不同.利用Conform連續(xù)擠壓包覆技術(shù)制備該銅鋁復(fù)合接觸線試驗過程中，坯料流動規(guī)律與模具結(jié)構(gòu)對接觸線能否順利成形和成形后銅鋁結(jié)合緊密度有較大的影響.針對試驗初始階段出現(xiàn)的銅鋁復(fù)合成形不成功(圖2(a))和接觸線制品銅鋁結(jié)合面存在較大縫隙現(xiàn)象(圖2(b))，本文通過數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場試驗，重點研究金屬成形過程中不同模芯端部導(dǎo)流角、復(fù)合變形區(qū)長度、坯料與模具表面狀態(tài)和擠壓輪轉(zhuǎn)速對銅鋁復(fù)合接觸線包覆質(zhì)量的影響，為銅鋁復(fù)合接觸線工模具設(shè)計和擠壓包覆生產(chǎn)實踐提供理論指導(dǎo).

圖2 銅鋁復(fù)合接觸線試驗產(chǎn)品圖

1 連續(xù)擠壓包覆工作原理

連續(xù)擠壓包覆(CONCLAD)工藝原理如圖3所示，可以看到:隨著擠壓輪的不停旋轉(zhuǎn)，包覆坯料在輪槽、坯料、壓實輪間的摩擦力共同作用下被連續(xù)不斷地拽入擠壓輪槽，隨后進(jìn)入模腔發(fā)生塑性變形，并與從另一進(jìn)料口進(jìn)入芯料在包覆模內(nèi)進(jìn)行包覆，形成雙金屬復(fù)合導(dǎo)線或光纜、電纜等的護(hù)套［7－8］.根據(jù)不同的擠壓?？壮叽缫?guī)格，就可以生產(chǎn)各種線材、管材和異型材等產(chǎn)品.這種工藝技術(shù)有效地利用了加工過程中的摩擦熱使坯料升溫到再結(jié)晶溫度上下進(jìn)行塑性變形，有效降低了能耗節(jié)省了能源［9－10］.

圖3 銅鋁復(fù)合接觸線連續(xù)擠壓示意圖

2 數(shù)值模擬建模及模擬參數(shù)的設(shè)定

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

鐵路用銅鋁復(fù)合接觸線與其他雙金屬線材不同，它不僅是異型線，也是半包式結(jié)構(gòu)，因此，根據(jù)試驗采用TLJ340擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)工藝的特點，自主設(shè)計的銅鋁復(fù)合接觸線擠壓模具如圖3所示，圖中，θ為模芯端部導(dǎo)流角度;L為復(fù)合變形區(qū)的長度;X為定徑帶的長度;R為定徑帶的半徑;r為銅線坯厚度.

為了研究設(shè)計出的模具各參數(shù)和坯料狀態(tài)對接觸線連續(xù)擠壓成形過程和銅鋁結(jié)合面緊密度的影響，本文采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)對稱性原則取整個模型的二分之一，利用Deform－3D進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)擠壓機(jī)特點和設(shè)計模具的結(jié)構(gòu)建立了三維有限元模型如圖4所示.

圖4 有限元模擬三維模型

2.2 模擬試驗參數(shù)的設(shè)定

本試驗計算過程中將鋁桿坯和銅線坯視為剛粘塑性體，其他部件視為剛性體［11－13］，模擬擠壓已進(jìn)入穩(wěn)定階段.根據(jù)實際生產(chǎn)現(xiàn)場情況和初期二維模擬實驗結(jié)果，設(shè)定鋁坯料溫度為300℃，銅坯料為20℃，模具及腔體初始溫度為400℃，擠壓輪半徑170 mm，定徑帶長度X為5 mm，定徑帶的半徑R 為12.74 mm，銅線坯厚度 r為4.5 mm.結(jié)合擠壓實際中各物體主動從動關(guān)系和相關(guān)文獻(xiàn)［13－15］，設(shè)定擠壓輪與鋁坯間摩擦因子0.9，腔體模具與鋁坯間摩擦因子0.3，鋁坯料與銅線間摩擦因子0.5.

3 銅鋁復(fù)合連續(xù)擠壓包覆過程的數(shù)值模擬

3.1 模型端部導(dǎo)流角對結(jié)合面緊密度的影響

在研究模芯端部導(dǎo)流角度θ對銅鋁結(jié)合面影響時，選取 θ等于 60°、45°、30°，其他試驗參數(shù)為:L為5 mm，銅線與模具的摩擦因子取0.2，擠壓輪速度為0.5 rad/s.

由圖5不同模芯端部導(dǎo)流角度銅鋁結(jié)合面效果可知，銅坯和鋁坯基本可以形成包覆，整個結(jié)合面無較大的縫隙，緊密程度較高.

圖5 不同模芯端部導(dǎo)流角度銅鋁結(jié)合面效果

圖5中雖然表現(xiàn)出了縫隙，但都出現(xiàn)在銅鋁結(jié)合面拐角較大的地方，主要原因是模擬實驗過程中有限元四面體單元網(wǎng)格劃分不細(xì)，造成大的拐角處幾何形狀失真.

另外，足夠的銅線橫向載荷是實現(xiàn)銅鋁成功包覆，獲得符合要求的產(chǎn)品的前提.銅線所受的等效應(yīng)力大小，反映了其變形程度，也影響著銅鋁結(jié)合面的緊密度.表1為3種不同模芯端部倒流角銅線的主要受力情況:銅線橫向載荷在θ為45°和30°時較高，且兩者相差不大;銅線的等效應(yīng)力隨著θ的減小逐漸增大，說明θ減小銅鋁間的變形越劇烈，產(chǎn)品包覆越好，由圖6的3種模芯端部導(dǎo)流角度下銅線的等效應(yīng)力分布可知，θ為30°時銅線上產(chǎn)生了最大的等效應(yīng)力，但45°時銅線上等效應(yīng)力分布更均勻.

表1 不同模芯端部導(dǎo)流角度的受力情況

圖6 不同模芯腔角銅線上的等效應(yīng)力分布

3.2 復(fù)合變形區(qū)長度對結(jié)合面緊密度的影響

在研究復(fù)合變形區(qū)長度L對銅鋁結(jié)合面影響時，根據(jù)初期探索試驗結(jié)果，選取復(fù)合變形區(qū)長度L等于0、3.5、5 和6.5 mm.其他試驗參數(shù):θ為45°，銅線與模具的摩擦因子取0.1，擠壓輪速度為0.5 rad/s.

由圖7不同復(fù)合變形區(qū)長度L銅鋁結(jié)合面效果可知:當(dāng)復(fù)合變形區(qū)長度L為0時，銅鋁復(fù)合接觸線產(chǎn)品結(jié)合面縫隙很大，不能滿足產(chǎn)品使用要求;隨著L的增加，銅鋁結(jié)合面縫隙逐漸減小，緊密度逐漸變好.

圖7 不同復(fù)合變形區(qū)長度的結(jié)合面

由圖8不同復(fù)合變形區(qū)長度L下金屬鋁的等效應(yīng)變分布可知:應(yīng)變集中在堵頭、靴座通道和模腔中，隨著L的增加，等效應(yīng)變分布的區(qū)域逐漸增大，分布更為均勻.說明隨著L的增加，金屬塑性變形區(qū)域增大，死區(qū)減少，變形不均勻性降低，有利于金屬的填充變形和產(chǎn)品結(jié)合面緊密度.

圖8 不同復(fù)合變形區(qū)長度的等效應(yīng)變分布

由表2不同復(fù)合變形區(qū)長度的銅線受力情況可知:隨著L的增加，銅線橫向載荷和銅線等效應(yīng)力都迅速增大，說明在復(fù)合變形區(qū)內(nèi)金屬鋁的變形越劇烈，結(jié)合面緊密度越好;而擠壓輪扭矩在L的改變下基本保持不變，說明L對擠壓力基本沒有影響;但隨著L的增加，銅線所受的橫向載荷變大，增加了銅線與模具間的摩擦，不利于銅線的出模，銅鋁的同步出線情況變差.

表2 不同復(fù)合變形區(qū)長度受力情況

3.3 表面狀態(tài)對銅線出線的影響

根據(jù)初期二維模擬試驗發(fā)現(xiàn)，銅鋁雙金屬擠壓包覆時，銅鋁的同步流動對接觸線制品的形成十分關(guān)鍵，除受模芯端部導(dǎo)流角度、復(fù)合變形區(qū)長度等影響外，坯料及模具表面狀態(tài)對其也有著很大的影響.研究坯料與模具表面狀態(tài)對銅鋁復(fù)合的影響主要是研究銅坯與模具表面的摩擦因子對銅鋁復(fù)合的影響.實驗選取銅坯與模具表面的摩擦因子 m 分別為0.1、0.2，其他參數(shù):θ為45°，L為5 mm，擠壓輪速度為0.5 rad/s.

由圖9不同摩擦因子銅鋁流動情況可知:銅坯與模具表面的摩擦因子m為0.1時，銅鋁基本可以實現(xiàn)同步流動;m為0.2時，鋁向前流動時銅基本保持不動，與現(xiàn)場試驗中出口模外鋁線很長，銅線很短這一情況相似(圖2).

圖9 不同摩擦因子銅鋁流動情況

又因為鋁坯對銅坯的摩擦力是銅線向前運(yùn)動的動力，模具對銅坯的摩擦力是銅線向前運(yùn)動的阻力，因此，提高銅線與鋁線之間的摩擦，增加銅線出模動力，降低模具與銅線之間的摩擦，減小銅線出模阻力，有利于實現(xiàn)銅鋁的流動的同步性和復(fù)合接觸線成形.

3.4 擠壓輪轉(zhuǎn)速對溫度及結(jié)合面緊密度的影響

連續(xù)擠壓過程中，隨著擠壓輪的不斷轉(zhuǎn)動，鋁坯被不斷地拽入擠壓輪槽，摩擦熱和變形熱的作用使坯料升溫到再結(jié)晶溫度上下進(jìn)行塑性變形，但不同的擠壓速率必然會導(dǎo)致在相同時間里摩擦熱和變形熱的不同，從而影響著變形金屬的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和接觸線的順利成形.為此，實驗選取擠壓速率分別為0.5，1，其他參數(shù):θ為45°，L 為5 mm，銅線與模具的摩擦因子取0.1時，研究擠壓輪轉(zhuǎn)速對金屬溫度場和銅鋁結(jié)合面緊密度的影響.

由圖10不同擠壓輪轉(zhuǎn)速下坯料的溫度分布可知:隨著擠壓輪轉(zhuǎn)速的提高，坯料的變形速率增大，單位時間變形熱和摩擦熱增加，進(jìn)而變形金屬溫度升高，且最高溫度發(fā)生在堵頭處.

圖10 不同擠壓輪轉(zhuǎn)速下坯料的溫度場

此外，擠壓輪轉(zhuǎn)速從0.5 rad/s提高到1 rad/s時，銅線橫向載荷由 6.30×103N 增加到 6.91×103N，擠壓輪扭矩由 3.36×106N·mm 增加到3.96×106N·mm.因此，擠壓輪轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致擠壓輪受力增大，但有利于銅鋁結(jié)合面緊密度的提高.

4 銅鋁接觸線連續(xù)擠壓包覆生產(chǎn)試驗

經(jīng)過上述三維模擬試驗，獲得了連續(xù)擠壓包覆銅鋁復(fù)合接觸線成形過程中的模型端部導(dǎo)流角、復(fù)合變形區(qū)長度、坯料與模具間摩擦和擠壓輪轉(zhuǎn)速對接觸線成形中銅鋁結(jié)合面緊密度影響的特點.根據(jù)數(shù)值模擬試驗結(jié)果，改進(jìn)了銅鋁復(fù)合接觸線連續(xù)擠壓生產(chǎn)的模具設(shè)計、調(diào)整了生產(chǎn)工藝參數(shù)，成功生產(chǎn)出質(zhì)量合格(“國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心按照Q/YWT01－2007標(biāo)準(zhǔn)測試”接觸線Cu/Al層復(fù)合緊密，單位長度結(jié)合力≥60 N/mm(結(jié)合面長度100 mm))的銅鋁復(fù)合接觸線產(chǎn)品(圖11).

圖11 銅鋁復(fù)合接觸線產(chǎn)品圖

5 結(jié)論

1)模芯端部導(dǎo)流角度θ在60°～30°時，銅鋁結(jié)合面基本無縫隙，且45°～30°銅鋁結(jié)合面緊密度高，包覆效果好.

2)隨著復(fù)合變形區(qū)長度L的增長，塑性變形區(qū)變大，變形金屬填充能力增強(qiáng)，包覆效果變好，但不利于銅線的出模，銅鋁的同步出線情況變差.

3)提高銅線與鋁線之間的摩擦，降低模具與銅線之間的摩擦，能增加銅線出模動力，減小銅線出模阻力，有利于實現(xiàn)銅鋁的流動同步性和復(fù)合接觸線成形.

4)隨著擠壓輪轉(zhuǎn)速的增加，模腔中變形金屬溫度和擠壓力增大，銅鋁結(jié)合面緊密度的提高，產(chǎn)品包覆質(zhì)量變好.

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