新型等通道轉角模具擠壓純銅的有限元分析

張小飛，張　慶

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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新型等通道轉角模具擠壓純銅的有限元分析

張小飛，張慶

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

摘要：為了初步探索ECAP產業化應用的可能，設計了一種新型的等通道轉角擠壓模具，采用DEFORM-3D軟件對T2純銅在室溫下的等通道轉角擠壓(ECAP)過程進行了數值模擬，對比分析了在新型模具和傳統模具結構下純銅試樣的擠壓載荷的變化、等效應力和應變的分布情況，并對兩種模具的擠壓沖頭的穩定性進行了分析，模擬結果顯示新型模具能夠實現對長尺寸的棒材的擠壓。

關鍵詞：ECAP；純銅；數值模擬;長尺寸

0引言

等通道轉角擠壓 ( Equal Channel Angular Pressing)簡稱ECAP， 是一種當前普遍應用的用于獲得超細晶塊體材料的加工技術，由于該技術能夠細化材料的內部組織結構、大幅提高材料性能，受到國際納米材料領域的高度重視，近些來快速發展，應用越來越廣泛。然而目前國際上對大型ECAP的研究卻不多，使得ECAP技術大型化、產業化的應用進展緩慢。

目前，ECAP技術在模具結構方面有一定局限性，擠壓模具的沖頭在工作時要承受非常大的載荷，容易失穩而導致破壞，在擠壓長尺寸的材料時，由于沖頭要更長，沖頭失穩尤為明顯。因此ECAP的材料長度受到限制，而試樣長度的局限性將ECAP限定為不連續、低生產效率、高成本的過程，很難實現產業化應用。為了解決上述現有模具存在的不足，初步探索ECAP產業化應用的可能，本文提供一種新型等通道轉角擠壓模具[1-3]，對模具上模進行改進使得壓桿不易失穩而導致破壞，同時大幅減少擠壓時產生的摩擦力，實現擠壓長尺寸的材料。為了比較新模具的擠壓效果，取傳統模具作為分析的對比對象。

1ECAP有限元模型

目前數值模擬等通道轉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T2純銅的ECAP加工過程進行數值模擬。模擬過程中所需的棒材為經過240°退火1小時處理的T2純銅，其流動應力—應變曲線如圖1所示。模擬所用新型等通道轉角擠壓模具擠壓原理圖如圖2所示。

圖1　純銅流動應力-應變曲線

圖2　新模具等通道轉角擠壓示意圖

(1) 建模

對新模具和傳統模具進行三維建模，兩個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的四面體單元，在數值模擬進行的同時，網格進行自適應重劃分，擠壓速度設定為0.4mm/s。

圖3　新模具的三維擠壓模型

圖4　傳統模具的三維擠壓模型

(2)摩擦條件

一般認為塑性變形過程中有兩種摩擦模型，一種是庫倫摩擦模型，另一種是剪切摩擦模型。庫倫摩擦模型一般適用于塑性變形時正壓力不太大、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]，其表達形式為：

2ECAP模擬結果及分析

2.1沖頭擠壓載荷

圖5為DEFORM-3D模擬的傳統模具沖頭的載荷—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個區間：I，初始期：II，過渡期；Ⅲ，穩定期[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，模具通道拐角處的金屬發生少量剪切變形以便彼此協調。隨著擠壓過程的進行，在通道拐角底部，傳統模具的擠壓試樣出現了金屬滯留區(即死區)。位于死區內的金屬流速慢于其他區域的金屬，滯留金屬堆積導致變形體拐角底部的網格被嚴重拉長而側面網格急劇壓縮[6]，同時擠壓載荷隨著滯留金屬的不斷堆積而急劇增大達到峰值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，大大減小了摩擦力對擠壓的影響，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峰值。

過渡期：沖頭擠壓載荷在達到最大值后，在沖頭的繼續作用下，通道拐角處滯留的金屬開始逐漸向出口方向流出，金屬堆積產生的應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，載荷下降幅度非常小且過程平穩。過渡期一方面是應力集中的體現，另一方面對擠壓模具的強度要求增高，對金屬變形和模具壽命均不利，應盡量避免[7]。

穩定區：沖頭的擠壓載荷隨擠壓行程的增加而逐漸下降，ECAP進入穩定期，經過轉角處的金屬發生著連續穩定的劇烈剪切變形。擠壓載荷下降的原因是ECAP垂直通道內試樣的下移，試樣與模壁的接觸面積減少，進而摩擦力下降所致。穩定期是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較小，擠壓載荷由70t下降到60t。

圖5　傳統模具載荷—時間曲線

圖6　新模具載荷—時間曲線

2.2等效應變分布云圖

(1)

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

圖7為傳統模具擠壓結束后試樣縱截面上的等效應變分布云圖，試樣大部分區域的等效應變值都大于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。由于試樣長度較長，摩擦力對試樣前半部分的影響遠大于后半部分，這就造成了老模具等效應變在縱向上的分布不均，試樣后發生剪切變形區域的等效應變遠大于先變形區域的等效應變。

圖7　傳統模具擠壓結束時等效應變分布

圖8為新模具擠壓結束后試樣縱截面上的等效應變分布云圖，同樣，考慮到摩擦作用，試樣大部分區域的等效應變值大于1.15。試樣的等效應變在橫向上呈階梯分布，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，使得等效應變的分布更加均勻，有效變形區域更大，變形過程更接近純剪切過程[10]。

圖8　新模具擠壓結束時等效應變分布

2.3等效應力分布云圖

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

圖9　傳統模具擠壓過程中等效應力分布

圖10　新模具擠壓過程中等效應力分布

3模具沖頭穩定性校核

分別對新、傳統模具的沖頭進行穩定性校核，傳統模具的沖頭尺寸為32×32×700(mm)，用ANSYS進行穩定性分析。如圖11所示，沖頭在擠壓載荷達到145.6T時發生失穩，而老模具沖頭的擠壓載荷峰值達到150T，可知，模具沖頭在擠壓過程中極有可能失穩。新模具的沖頭尺寸為50×50×700(mm)，ANSYS的穩定性分析如圖12所示，模具沖頭在擠壓載荷達到867T時發生失穩，而新模具沖頭的擠壓載荷峰值為70T，沖頭的穩定安全系數很高，能夠完成長尺寸純銅試樣的擠壓。

圖11　傳統模具沖頭穩定性分析

圖12　新模具沖頭穩定性分析

4結論

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

(2)與傳統模具相比，新模具有效變形區域更大，等效應變分布更加均勻。

(3)傳統模具加工長尺寸的試樣時沖頭很容易失穩導致破壞，新模具沖頭穩定安全系數很高，能夠完成長尺寸試樣的擠壓。

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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：TH164;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：張小飛(1989—)，男，江蘇淮安人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為機械工程，(E-mail)805307194@qq.com。

收稿日期：2015-05-26；修回日期：2015-07-01

文章編號：1001-2265(2016)03-0013-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.004