擠壓輪轉速對鋁護套連續擠壓包覆過程的影響

吳斌++王如見++杜春雷

摘 要：基于Deform-3D模擬分析鋁護套連續包覆成形過程，擠壓輪轉速的增加不利于導流模處金屬流動的均勻性，隨著擠壓輪轉速的提高，可能會造成模腔的失效，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。綜合考慮連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高，擠壓輪的轉速為4～6 rpm較為合適。

關鍵詞：鋁護套 連續擠壓包覆 擠壓輪轉速

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

連續擠壓包覆技術（Continuous Extrusion Cladding）是在連續擠壓技術基礎上發展起來的一種新型塑性加工技術，廣泛應用于雙金屬復合導線、電纜護套、光纜護套等的生產上[1]。但是連續包覆成形是一個非常復雜的過程，首先其擠壓輪槽為擴展型，極易出現拱起現象使坯料與輪槽脫離接觸，摩擦驅動力降低，再者坯料進入模腔后溫度急劇升高，高于純鋁再結晶溫度使坯料與模腔內壁的粘著現象出現，坯料與模腔摩擦力急劇升高，兩者同時作用使純鋁坯料流動速度急劇降低，在實際生產出現堵模和卷曲現象，所以通過有限元數值模擬分析鋁護套生產金屬流動過程有十分重要的意義。

1 有限元模型建立

鋁護套連續包覆成形過程采用有限元數值模擬軟件Deform-3D進行模擬分析，連續包覆過程中坯料塑性變形劇烈，彈性變形對整個變形過程影響很小，則可以采用剛-粘塑性有限元法。連續包覆鋁護套生產采用單輪雙槽式結構，模型具有對稱性，為提高有限元模擬計算速度，取其一半作為研究對象，如圖1所示。根據連續擠壓包覆變形的特點，以Φ9.5 mm的1100鋁為原料，只分析擠壓輪速對金屬變形的影響，選取擠壓輪轉速為2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四種情況下擠出外徑為16 mm，壁厚為1 mm的電纜鋁護套進行模擬分析。

連續包覆過程中的摩擦是一個較為復雜的摩擦過程，摩擦是在變壓力、變溫度作用下產生的，而且連續包覆中的摩擦是伴隨著工件塑性變形，摩擦因子應為速度、溫度和變形量的函數[2]，但在應用DEFORM-3D有限元軟件模擬加工時，根據其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定變形體與同一接觸體之間為一個不變量。各摩擦因子和其它初始條件設置如表1[3]所示。但在實際當中，由于摩擦的狀態在不斷發生變化，因此摩擦問題總是最終影響計算結果偏差較大的一個關鍵原因之一[4]。

2 數值模擬結果與分析

2.1 金屬流動速度分布

圖2為在不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔內坯料的速度分布圖。

從圖2中速度分布來看，隨著擠壓輪轉速的不同，模腔內金屬的流度也不同。金屬的流動速度的增加倍數與擠壓輪轉速增加的倍數大致相當。這主要是由于擠壓輪的轉動是整個連續擠壓包覆過程中一切金屬變形的動力源，擠壓輪轉速的增加后，模腔內金屬坯料也會相應增加。由圖2的四個不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔中金屬坯料的流動速度可以看出，擠壓輪轉速的變化不能改變導流模上下兩部分金屬流動速度差，隨著擠壓輪轉速的增加，導流模上下兩部分金屬流動的最高速度與最低速度的比值大致保持在3～4，沒有太大變化，但是由于整個模腔內金屬流動速度的增加，則導流模上下兩部分金屬流動速度差的絕對值隨著擠壓輪轉速的增加逐漸增大。因此，擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

2.2 坯料最高溫度

圖3為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與金屬坯料最高溫度的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，金屬坯料的最高溫度也相應升高，這主要是因為擠壓輪轉動是整個連續擠壓包覆過程的動力源，擠壓輪的轉速增加，則單位時間內金屬與擠壓輪接觸面的摩擦熱和塑性變形熱增大。隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高。在整個連續擠壓包覆過程中，當擠壓速度為2 rpm時，坯料的最高溫度出現在連續擠壓包覆模腔中，而當擠壓輪轉速從4 rpm增加到8 rpm時，金屬坯料的最高溫度在堵頭處。這主要是因為擠壓輪轉速很小時，進入模腔前金屬坯料的溫度不是很高，而模腔的預熱溫度為450 ℃，模腔內的金屬坯料受到模腔的熱傳導，溫度繼續升高。另外，當擠壓輪轉速為8 rpm時，堵頭與模口之間的臺階處，坯料的溫度上升到647 ℃，此處為金屬變形死區，應力非常集中，而模具材料為H13鋼，溫度超過600 ℃時，性能急劇降低，可能會造成模腔的失效。因此，在實際生產中，擠壓輪的轉速采用4 rpm和6 rpm較為合適。

2.3 擠壓輪扭矩

圖4為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與擠壓輪扭矩的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪扭矩先減小后增大，擠壓輪轉速為6 rpm時是扭矩變化的拐點。

而擠壓輪的驅動功率W（KW）為：

（1）

式中：M為擠壓輪扭矩；n為擠壓輪轉速。

表2所示為利用式（1）計算得到擠壓輪的驅動功率。由表2可以看出，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪的驅動功率也相應增加。因此，在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。

3 結論

（1）擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

（2）隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高，可能會造成模腔的失效。

（3）在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。在綜合考慮了連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高后，擠壓輪的轉速為4～6rpm較為合適。

參考文獻

[1] 宋寶韞，樊志新，劉元文，等.銅、鋁連續擠壓技術特點及工業應用[J].稀有金屬，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 儲燦東，彭穎紅，阮雪榆.連續擠壓成形過程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大學學報，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱偉，張質良.有限元數值模擬的若干關鍵技術[J].計算機仿真，2004，22（3）：88-91.endprint

摘 要：基于Deform-3D模擬分析鋁護套連續包覆成形過程，擠壓輪轉速的增加不利于導流模處金屬流動的均勻性，隨著擠壓輪轉速的提高，可能會造成模腔的失效，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。綜合考慮連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高，擠壓輪的轉速為4～6 rpm較為合適。

關鍵詞：鋁護套 連續擠壓包覆 擠壓輪轉速

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

連續擠壓包覆技術（Continuous Extrusion Cladding）是在連續擠壓技術基礎上發展起來的一種新型塑性加工技術，廣泛應用于雙金屬復合導線、電纜護套、光纜護套等的生產上[1]。但是連續包覆成形是一個非常復雜的過程，首先其擠壓輪槽為擴展型，極易出現拱起現象使坯料與輪槽脫離接觸，摩擦驅動力降低，再者坯料進入模腔后溫度急劇升高，高于純鋁再結晶溫度使坯料與模腔內壁的粘著現象出現，坯料與模腔摩擦力急劇升高，兩者同時作用使純鋁坯料流動速度急劇降低，在實際生產出現堵模和卷曲現象，所以通過有限元數值模擬分析鋁護套生產金屬流動過程有十分重要的意義。

1 有限元模型建立

鋁護套連續包覆成形過程采用有限元數值模擬軟件Deform-3D進行模擬分析，連續包覆過程中坯料塑性變形劇烈，彈性變形對整個變形過程影響很小，則可以采用剛-粘塑性有限元法。連續包覆鋁護套生產采用單輪雙槽式結構，模型具有對稱性，為提高有限元模擬計算速度，取其一半作為研究對象，如圖1所示。根據連續擠壓包覆變形的特點，以Φ9.5 mm的1100鋁為原料，只分析擠壓輪速對金屬變形的影響，選取擠壓輪轉速為2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四種情況下擠出外徑為16 mm，壁厚為1 mm的電纜鋁護套進行模擬分析。

連續包覆過程中的摩擦是一個較為復雜的摩擦過程，摩擦是在變壓力、變溫度作用下產生的，而且連續包覆中的摩擦是伴隨著工件塑性變形，摩擦因子應為速度、溫度和變形量的函數[2]，但在應用DEFORM-3D有限元軟件模擬加工時，根據其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定變形體與同一接觸體之間為一個不變量。各摩擦因子和其它初始條件設置如表1[3]所示。但在實際當中，由于摩擦的狀態在不斷發生變化，因此摩擦問題總是最終影響計算結果偏差較大的一個關鍵原因之一[4]。

2 數值模擬結果與分析

2.1 金屬流動速度分布

圖2為在不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔內坯料的速度分布圖。

從圖2中速度分布來看，隨著擠壓輪轉速的不同，模腔內金屬的流度也不同。金屬的流動速度的增加倍數與擠壓輪轉速增加的倍數大致相當。這主要是由于擠壓輪的轉動是整個連續擠壓包覆過程中一切金屬變形的動力源，擠壓輪轉速的增加后，模腔內金屬坯料也會相應增加。由圖2的四個不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔中金屬坯料的流動速度可以看出，擠壓輪轉速的變化不能改變導流模上下兩部分金屬流動速度差，隨著擠壓輪轉速的增加，導流模上下兩部分金屬流動的最高速度與最低速度的比值大致保持在3～4，沒有太大變化，但是由于整個模腔內金屬流動速度的增加，則導流模上下兩部分金屬流動速度差的絕對值隨著擠壓輪轉速的增加逐漸增大。因此，擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

2.2 坯料最高溫度

圖3為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與金屬坯料最高溫度的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，金屬坯料的最高溫度也相應升高，這主要是因為擠壓輪轉動是整個連續擠壓包覆過程的動力源，擠壓輪的轉速增加，則單位時間內金屬與擠壓輪接觸面的摩擦熱和塑性變形熱增大。隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高。在整個連續擠壓包覆過程中，當擠壓速度為2 rpm時，坯料的最高溫度出現在連續擠壓包覆模腔中，而當擠壓輪轉速從4 rpm增加到8 rpm時，金屬坯料的最高溫度在堵頭處。這主要是因為擠壓輪轉速很小時，進入模腔前金屬坯料的溫度不是很高，而模腔的預熱溫度為450 ℃，模腔內的金屬坯料受到模腔的熱傳導，溫度繼續升高。另外，當擠壓輪轉速為8 rpm時，堵頭與模口之間的臺階處，坯料的溫度上升到647 ℃，此處為金屬變形死區，應力非常集中，而模具材料為H13鋼，溫度超過600 ℃時，性能急劇降低，可能會造成模腔的失效。因此，在實際生產中，擠壓輪的轉速采用4 rpm和6 rpm較為合適。

2.3 擠壓輪扭矩

圖4為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與擠壓輪扭矩的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪扭矩先減小后增大，擠壓輪轉速為6 rpm時是扭矩變化的拐點。

而擠壓輪的驅動功率W（KW）為：

（1）

式中：M為擠壓輪扭矩；n為擠壓輪轉速。

表2所示為利用式（1）計算得到擠壓輪的驅動功率。由表2可以看出，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪的驅動功率也相應增加。因此，在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。

3 結論

（1）擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

（2）隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高，可能會造成模腔的失效。

（3）在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。在綜合考慮了連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高后，擠壓輪的轉速為4～6rpm較為合適。

參考文獻

[1] 宋寶韞，樊志新，劉元文，等.銅、鋁連續擠壓技術特點及工業應用[J].稀有金屬，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 儲燦東，彭穎紅，阮雪榆.連續擠壓成形過程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大學學報，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱偉，張質良.有限元數值模擬的若干關鍵技術[J].計算機仿真，2004，22（3）：88-91.endprint

摘 要：基于Deform-3D模擬分析鋁護套連續包覆成形過程，擠壓輪轉速的增加不利于導流模處金屬流動的均勻性，隨著擠壓輪轉速的提高，可能會造成模腔的失效，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。綜合考慮連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高，擠壓輪的轉速為4～6 rpm較為合適。

關鍵詞：鋁護套 連續擠壓包覆 擠壓輪轉速

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0069-02

連續擠壓包覆技術（Continuous Extrusion Cladding）是在連續擠壓技術基礎上發展起來的一種新型塑性加工技術，廣泛應用于雙金屬復合導線、電纜護套、光纜護套等的生產上[1]。但是連續包覆成形是一個非常復雜的過程，首先其擠壓輪槽為擴展型，極易出現拱起現象使坯料與輪槽脫離接觸，摩擦驅動力降低，再者坯料進入模腔后溫度急劇升高，高于純鋁再結晶溫度使坯料與模腔內壁的粘著現象出現，坯料與模腔摩擦力急劇升高，兩者同時作用使純鋁坯料流動速度急劇降低，在實際生產出現堵模和卷曲現象，所以通過有限元數值模擬分析鋁護套生產金屬流動過程有十分重要的意義。

1 有限元模型建立

鋁護套連續包覆成形過程采用有限元數值模擬軟件Deform-3D進行模擬分析，連續包覆過程中坯料塑性變形劇烈，彈性變形對整個變形過程影響很小，則可以采用剛-粘塑性有限元法。連續包覆鋁護套生產采用單輪雙槽式結構，模型具有對稱性，為提高有限元模擬計算速度，取其一半作為研究對象，如圖1所示。根據連續擠壓包覆變形的特點，以Φ9.5 mm的1100鋁為原料，只分析擠壓輪速對金屬變形的影響，選取擠壓輪轉速為2 rpm、4 rpm、6 rpm和8 rpm四種情況下擠出外徑為16 mm，壁厚為1 mm的電纜鋁護套進行模擬分析。

連續包覆過程中的摩擦是一個較為復雜的摩擦過程，摩擦是在變壓力、變溫度作用下產生的，而且連續包覆中的摩擦是伴隨著工件塑性變形，摩擦因子應為速度、溫度和變形量的函數[2]，但在應用DEFORM-3D有限元軟件模擬加工時，根據其提供的常摩擦因子模型，只能采用假定變形體與同一接觸體之間為一個不變量。各摩擦因子和其它初始條件設置如表1[3]所示。但在實際當中，由于摩擦的狀態在不斷發生變化，因此摩擦問題總是最終影響計算結果偏差較大的一個關鍵原因之一[4]。

2 數值模擬結果與分析

2.1 金屬流動速度分布

圖2為在不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔內坯料的速度分布圖。

從圖2中速度分布來看，隨著擠壓輪轉速的不同，模腔內金屬的流度也不同。金屬的流動速度的增加倍數與擠壓輪轉速增加的倍數大致相當。這主要是由于擠壓輪的轉動是整個連續擠壓包覆過程中一切金屬變形的動力源，擠壓輪轉速的增加后，模腔內金屬坯料也會相應增加。由圖2的四個不同擠壓輪轉速下連續擠壓包覆模腔中金屬坯料的流動速度可以看出，擠壓輪轉速的變化不能改變導流模上下兩部分金屬流動速度差，隨著擠壓輪轉速的增加，導流模上下兩部分金屬流動的最高速度與最低速度的比值大致保持在3～4，沒有太大變化，但是由于整個模腔內金屬流動速度的增加，則導流模上下兩部分金屬流動速度差的絕對值隨著擠壓輪轉速的增加逐漸增大。因此，擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

2.2 坯料最高溫度

圖3為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與金屬坯料最高溫度的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，金屬坯料的最高溫度也相應升高，這主要是因為擠壓輪轉動是整個連續擠壓包覆過程的動力源，擠壓輪的轉速增加，則單位時間內金屬與擠壓輪接觸面的摩擦熱和塑性變形熱增大。隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高。在整個連續擠壓包覆過程中，當擠壓速度為2 rpm時，坯料的最高溫度出現在連續擠壓包覆模腔中，而當擠壓輪轉速從4 rpm增加到8 rpm時，金屬坯料的最高溫度在堵頭處。這主要是因為擠壓輪轉速很小時，進入模腔前金屬坯料的溫度不是很高，而模腔的預熱溫度為450 ℃，模腔內的金屬坯料受到模腔的熱傳導，溫度繼續升高。另外，當擠壓輪轉速為8 rpm時，堵頭與模口之間的臺階處，坯料的溫度上升到647 ℃，此處為金屬變形死區，應力非常集中，而模具材料為H13鋼，溫度超過600 ℃時，性能急劇降低，可能會造成模腔的失效。因此，在實際生產中，擠壓輪的轉速采用4 rpm和6 rpm較為合適。

2.3 擠壓輪扭矩

圖4為在連續擠壓包覆過程中擠壓輪的轉速與擠壓輪扭矩的關系曲線，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪扭矩先減小后增大，擠壓輪轉速為6 rpm時是扭矩變化的拐點。

而擠壓輪的驅動功率W（KW）為：

（1）

式中：M為擠壓輪扭矩；n為擠壓輪轉速。

表2所示為利用式（1）計算得到擠壓輪的驅動功率。由表2可以看出，隨著擠壓輪轉速的增加，擠壓輪的驅動功率也相應增加。因此，在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。

3 結論

（1）擠壓輪轉速的增加不利于連續擠壓包覆模腔內導流模金屬流動的均勻性。

（2）隨著擠壓輪轉速的提高，則擠壓速度也相應提高，擠壓包覆過程中熱量不易散失，坯料的最高溫度也相應升高，可能會造成模腔的失效。

（3）在連續擠壓包覆過程中，不考慮其它因素下，提高擠壓輪的轉速有利于連續擠壓包覆生產率的提高。在綜合考慮了連續擠壓包覆工模具的使用壽命和生產效率的提高后，擠壓輪的轉速為4～6rpm較為合適。

參考文獻

[1] 宋寶韞，樊志新，劉元文，等.銅、鋁連續擠壓技術特點及工業應用[J].稀有金屬，2004（1）：28：257.

[2] JR Cho，H S Jeong. Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis [J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：53-60.

[3] 儲燦東，彭穎紅，阮雪榆.連續擠壓成形過程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大學學報，2001，35（7）：993-997.

[4] 朱偉，張質良.有限元數值模擬的若干關鍵技術[J].計算機仿真，2004，22（3）：88-91.endprint