新型等通道轉(zhuǎn)角模具擠壓純銅的有限元分析

張小飛，張　慶

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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新型等通道轉(zhuǎn)角模具擠壓純銅的有限元分析

張小飛，張慶

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：為了初步探索ECAP產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可能，設(shè)計(jì)了一種新型的等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具，采用DEFORM-3D軟件對(duì)T2純銅在室溫下的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了在新型模具和傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)下純銅試樣的擠壓載荷的變化、等效應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，并對(duì)兩種模具的擠壓沖頭的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，模擬結(jié)果顯示新型模具能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)尺寸的棒材的擠壓。

關(guān)鍵詞：ECAP；純銅；數(shù)值模擬;長(zhǎng)尺寸

0引言

等通道轉(zhuǎn)角擠壓 ( Equal Channel Angular Pressing)簡(jiǎn)稱ECAP， 是一種當(dāng)前普遍應(yīng)用的用于獲得超細(xì)晶塊體材料的加工技術(shù)，由于該技術(shù)能夠細(xì)化材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、大幅提高材料性能，受到國(guó)際納米材料領(lǐng)域的高度重視，近些來快速發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。然而目前國(guó)際上對(duì)大型ECAP的研究卻不多，使得ECAP技術(shù)大型化、產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

目前，ECAP技術(shù)在模具結(jié)構(gòu)方面有一定局限性，擠壓模具的沖頭在工作時(shí)要承受非常大的載荷，容易失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞，在擠壓長(zhǎng)尺寸的材料時(shí)，由于沖頭要更長(zhǎng)，沖頭失穩(wěn)尤為明顯。因此ECAP的材料長(zhǎng)度受到限制，而試樣長(zhǎng)度的局限性將ECAP限定為不連續(xù)、低生產(chǎn)效率、高成本的過程，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為了解決上述現(xiàn)有模具存在的不足，初步探索ECAP產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可能，本文提供一種新型等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具[1-3]，對(duì)模具上模進(jìn)行改進(jìn)使得壓桿不易失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞，同時(shí)大幅減少擠壓時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，實(shí)現(xiàn)擠壓長(zhǎng)尺寸的材料。為了比較新模具的擠壓效果，取傳統(tǒng)模具作為分析的對(duì)比對(duì)象。

1ECAP有限元模型

目前數(shù)值模擬等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程主要使用LS—DYNA、DEFORM、ABQUSE、MARC等有限元軟件。本文采用DEFORM—3D軟件對(duì)T2純銅的ECAP加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬過程中所需的棒材為經(jīng)過240°退火1小時(shí)處理的T2純銅，其流動(dòng)應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。模擬所用新型等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具擠壓原理圖如圖2所示。

圖1　純銅流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2　新模具等通道轉(zhuǎn)角擠壓示意圖

(1) 建模

對(duì)新模具和傳統(tǒng)模具進(jìn)行三維建模，兩個(gè)模型中擠壓模具的擠壓入口通道和出口通道的截面為32×32(mm)，等通道的內(nèi)角為φ=90°，外角ψ=10°。在建立模具和變形體的三維模型如圖3、圖4所示，模具通道截面尺寸和變形體截面尺寸相同，變形體的幾何尺寸為32mm×32mm×500mm。采用剛塑性有限元法，沖頭、凹模設(shè)定為剛性接觸體，忽略它們的變形，變形體的單元的類型取軟件默認(rèn)的四面體單元，在數(shù)值模擬進(jìn)行的同時(shí)，網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)重劃分，擠壓速度設(shè)定為0.4mm/s。

圖3　新模具的三維擠壓模型

圖4　傳統(tǒng)模具的三維擠壓模型

(2)摩擦條件

一般認(rèn)為塑性變形過程中有兩種摩擦模型，一種是庫(kù)倫摩擦模型，另一種是剪切摩擦模型。庫(kù)倫摩擦模型一般適用于塑性變形時(shí)正壓力不太大、變形量比較小的情況，由于ECAP過程變形量很大，所以采用剪切摩擦模型較為合適[4]，其表達(dá)形式為：

2ECAP模擬結(jié)果及分析

2.1沖頭擠壓載荷

圖5為DEFORM-3D模擬的傳統(tǒng)模具沖頭的載荷—位移曲線圖，圖6為DEFORM-3D模擬的新型模具沖頭的載荷—位移曲線圖。試樣的載荷一位移曲線基本上可以分為3個(gè)區(qū)間：I，初始期：II，過渡期；Ⅲ，穩(wěn)定期[5]。

初始期：如圖5所示，可以看出，在擠壓的初始階段，試樣的擠壓載荷隨著擠壓行程的增大迅速增大。在沖頭的作用下，擠壓試樣頂部的金屬逐漸充滿變形區(qū)，模具通道拐角處的金屬發(fā)生少量剪切變形以便彼此協(xié)調(diào)。隨著擠壓過程的進(jìn)行，在通道拐角底部，傳統(tǒng)模具的擠壓試樣出現(xiàn)了金屬滯留區(qū)(即死區(qū))。位于死區(qū)內(nèi)的金屬流速慢于其他區(qū)域的金屬，滯留金屬堆積導(dǎo)致變形體拐角底部的網(wǎng)格被嚴(yán)重拉長(zhǎng)而側(cè)面網(wǎng)格急劇壓縮[6]，同時(shí)擠壓載荷隨著滯留金屬的不斷堆積而急劇增大達(dá)到峰值150t(見圖5)。而新模具由于擠壓試樣與模具間的摩擦面只有一個(gè)，大大減小了摩擦力對(duì)擠壓的影響，所需最大載荷僅為70t，且試樣變形較為均勻，載荷逐漸增加沒有出現(xiàn)峰值。

過渡期：沖頭擠壓載荷在達(dá)到最大值后，在沖頭的繼續(xù)作用下，通道拐角處滯留的金屬開始逐漸向出口方向流出，金屬堆積產(chǎn)生的應(yīng)力集中逐漸得到釋放，因而載荷由峰值快速下降。而新模具載荷過渡平穩(wěn)，載荷下降幅度非常小且過程平穩(wěn)。過渡期一方面是應(yīng)力集中的體現(xiàn)，另一方面對(duì)擠壓模具的強(qiáng)度要求增高，對(duì)金屬變形和模具壽命均不利，應(yīng)盡量避免[7]。

穩(wěn)定區(qū)：沖頭的擠壓載荷隨擠壓行程的增加而逐漸下降，ECAP進(jìn)入穩(wěn)定期，經(jīng)過轉(zhuǎn)角處的金屬發(fā)生著連續(xù)穩(wěn)定的劇烈剪切變形。擠壓載荷下降的原因是ECAP垂直通道內(nèi)試樣的下移，試樣與模壁的接觸面積減少，進(jìn)而摩擦力下降所致。穩(wěn)定期是ECAP變形過程的主要階段[8]。老模具擠壓載荷下降幅度很大，載荷由150t下降到70t。而新模具下降幅度相對(duì)較小，擠壓載荷由70t下降到60t。

圖5　傳統(tǒng)模具載荷—時(shí)間曲線

圖6　新模具載荷—時(shí)間曲線

2.2等效應(yīng)變分布云圖

(1)

由式(1)可知，當(dāng)φ=90°，ψ=0°時(shí)，擠壓一道次的等效應(yīng)變量為1.15，這只是計(jì)算得到的不考慮摩擦因數(shù)的平均等效應(yīng)變值。

圖7為傳統(tǒng)模具擠壓結(jié)束后試樣縱截面上的等效應(yīng)變分布云圖，試樣大部分區(qū)域的等效應(yīng)變值都大于1.15，這是由于考慮到摩擦作用，試樣變形還受到摩擦力的作用。由于試樣長(zhǎng)度較長(zhǎng)，摩擦力對(duì)試樣前半部分的影響遠(yuǎn)大于后半部分，這就造成了老模具等效應(yīng)變?cè)诳v向上的分布不均，試樣后發(fā)生剪切變形區(qū)域的等效應(yīng)變遠(yuǎn)大于先變形區(qū)域的等效應(yīng)變。

圖7　傳統(tǒng)模具擠壓結(jié)束時(shí)等效應(yīng)變分布

圖8為新模具擠壓結(jié)束后試樣縱截面上的等效應(yīng)變分布云圖，同樣，考慮到摩擦作用，試樣大部分區(qū)域的等效應(yīng)變值大于1.15。試樣的等效應(yīng)變?cè)跈M向上呈階梯分布，由底部到頂部逐漸減小，而在縱向上則分布均勻。由于摩擦力的減少，使得等效應(yīng)變的分布更加均勻，有效變形區(qū)域更大，變形過程更接近純剪切過程[10]。

圖8　新模具擠壓結(jié)束時(shí)等效應(yīng)變分布

2.3等效應(yīng)力分布云圖

傳統(tǒng)模具和新模具擠壓工程中的等效應(yīng)力分布圖如圖9、圖10所示，試樣在轉(zhuǎn)角變形區(qū)附近的應(yīng)力分布差別不大，擠壓件靠近轉(zhuǎn)角內(nèi)拐角處及其下部的表層金屬所受等效應(yīng)力最為集中，可知模具通道拐角區(qū)域所受應(yīng)力很大。兩種模具試樣未變形區(qū)域的應(yīng)力值及分布有很大差距，老模具的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在試樣的頂部，而新模具最大應(yīng)力分布在轉(zhuǎn)角處的剪切變形區(qū)，從剪切變形去向試樣的頭部和尾部方向，應(yīng)力逐漸減小。兩種模具轉(zhuǎn)角變形區(qū)應(yīng)力分布差別不大，但是試樣頂部應(yīng)力分布差距很大，老模具試樣頂部的最大應(yīng)力為505MPa，新模具試樣頂部最大應(yīng)力值則只有250MPa，可知老模具沖頭頂部應(yīng)力值遠(yuǎn)大于新模具沖頭。

圖9　傳統(tǒng)模具擠壓過程中等效應(yīng)力分布

圖10　新模具擠壓過程中等效應(yīng)力分布

3模具沖頭穩(wěn)定性校核

分別對(duì)新、傳統(tǒng)模具的沖頭進(jìn)行穩(wěn)定性校核，傳統(tǒng)模具的沖頭尺寸為32×32×700(mm)，用ANSYS進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖11所示，沖頭在擠壓載荷達(dá)到145.6T時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，而老模具沖頭的擠壓載荷峰值達(dá)到150T，可知，模具沖頭在擠壓過程中極有可能失穩(wěn)。新模具的沖頭尺寸為50×50×700(mm)，ANSYS的穩(wěn)定性分析如圖12所示，模具沖頭在擠壓載荷達(dá)到867T時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，而新模具沖頭的擠壓載荷峰值為70T，沖頭的穩(wěn)定安全系數(shù)很高，能夠完成長(zhǎng)尺寸純銅試樣的擠壓。

圖11　傳統(tǒng)模具沖頭穩(wěn)定性分析

圖12　新模具沖頭穩(wěn)定性分析

4結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)模具相比，新模具擠壓過程中載荷保持平穩(wěn)，沒有峰值，可以有效降低擠壓載荷，提高模具的使用壽命。

(2)與傳統(tǒng)模具相比，新模具有效變形區(qū)域更大，等效應(yīng)變分布更加均勻。

(3)傳統(tǒng)模具加工長(zhǎng)尺寸的試樣時(shí)沖頭很容易失穩(wěn)導(dǎo)致破壞，新模具沖頭穩(wěn)定安全系數(shù)很高，能夠完成長(zhǎng)尺寸試樣的擠壓。

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(編輯李秀敏)

Equal Channel Angular Extrusion of Copper under New Die Design by Finite Element Method

ZHANG Xiao-fei，ZHANG Qing

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract：This paper introduces a new type of die channel angle extrusion in order to explore the possible application of ECAP industrialization，using DEFORM-3D software to simulate Equal Channel Angular Extrusion(ECAP)of Pure Copper in the normal temperature，analyzed the change of pure copper extrusion load and the distribution of equivalent stress and strain，and analyzed the stability of the two kinds of extrusion punch die. The result of numerical simulation shows that the new extrusion mold can achieve the extrusion of long size bar.

Key words：ECAP; pure copper; numerical simulation;long size

中圖分類號(hào)：TH164;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張小飛(1989—)，男，江蘇淮安人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，(E-mail)805307194@qq.com。

收稿日期：2015-05-26；修回日期：2015-07-01

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0013-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.004