變通道轉角擠壓成形鉬絲的有限元模擬研究

任治國 石磊 劉爽 陳程陽

摘要：為了確定變通道轉角擠壓鉬絲的工藝特征場的變量分布，通過有限元模擬和試驗開展了以直徑10mm鉬絲擠出直徑6mm鉬絲的研究。試驗驗證了擠出過程中擠壓力隨行程的變化規律.分析了擠壓速度對變形工件速度場的影響規律;分析了溫度和等效應變的分布規律。結果表明：有限元模擬時最大擠壓力的誤差為9.20%;在通道轉角處存在有梯度的增速區域和金屬流動死區;通道轉角區域的溫度升高約100℃;擠出鉬絲橫截面上等效應變分布不均勻，剛性端的等效應變較小，其余部分上半區域的等效應變小于下半部分。

關鍵詞：鉬絲;變通道轉角;擠壓;有限元模擬

中圖分類號：TG 132文獻標志碼：A

鉬絲具有高強度、高耐磨性等優良性能，應用于電光源和電火花加工等諸多領域。一般通過粉末冶金方法獲得棒材，再通過擠壓、軋制、拉拔等塑性成形方法獲得鉬絲。電光源領域對燈具使用壽命的要求越來越高，對鉬絲成形質量的要求也越來越嚴苛。特別是燈具中燈絲常在各種震蕩環境下工作，因此其支撐結構和纖芯均要求具有更高的抗彎折能力，傳統的加工方法已經達到一個相對穩定的性能，抗彎折強度很難進一步提高。

鉬絲強度的穩定性很大程度上取決于坯料的微觀組織、成形時的拉拔速度和拉拔力。當提高拉拔力時，拉拔速度隨之升高，而拉拔力過大時，會造成斷絲現象。在拉拔時，原料的晶粒尺寸是影響其成形能力的主要因素之一，當原料的晶粒更細小時，拉拔速度適當提高可以減少拉拔過程中的回火次數，更重要的是可以通過細化晶粒來提高鉬絲的強度。

在金屬棒料的制備工藝中，等通道轉角擠壓（equal channel angular pressing，ECAP）有助于細化晶粒。但是由于擠出通道和進給通道的直徑相同，擠出的棒材多有節瘤和裂紋。本文采用了變通道轉角擠壓（unequal-channel angular pressing，UCAP）工藝，當進給通道的直徑大于擠出通道的直徑時，坯料會在三向壓應力的作用下變形，經過通道轉角后較少出現上述缺陷，且可以明顯地細化晶粒。

本文針對鉬絲在UCAP成形過程中的工序展開研究，旨在為后續拉拔工序提供直徑6mm的合格坯料。建立UCAP鉬絲的有限元模型，針對有限元模型開展試驗驗證，通過模擬獲得擠壓力和各場變量的規律。

1 有限元模型及試驗驗證

1.1 UCAP模具結構及其有限元模型的簡化說明

UCAP是放在圓柱形型腔內的圓柱形坯料受到擠壓桿擠壓變形時，從垂直于坯料放置腔的連通通道擠出，與傳統ECAP系統的區別是，坯料腔和擠出通道的截面直徑不同。擠出通道的截面直徑較小。本研究中坯料和擠壓桿的直徑為10mm，擠出通道的直徑為6mm。UCAP結構示意圖如圖1所示。

為了提高模擬的效率和精度，在不影響金屬變形狀態的條件下進行以下設置。

（1）模具系統和擠壓桿都為剛體，沒有變形，坯料為塑性材料。

（2）為了防止有限元模擬時的網格畸變問題，根據文獻，合金流動發生徑縮區域或方向改變區域宜采用圓角過渡，根據本文研究的原始坯料和擠出件的尺寸關系和文獻中的計算方法，在坯料腔和擠出通道相接處采用圓弧過渡，圓弧半徑為0.5mm。

1.2有限元模型的建立

原始坯料的長度為100mm，直徑為10mm，擠出鉬絲的直徑為6mm，因此存在徑縮。徑縮擠壓比的計算公式：

λ=A₁/A₂（1）

式中：λ為徑縮擠壓比;A₁和A₂分別為坯料腔和擠出通道的橫截面面積。

根據式（1）確定λ為2.78。本文研究的坯料為經過塑性變形后的鉬絲，根據測試，在應變速率≤60s^-1時，未發生開裂。結合本文既定的模具結構，確定了擠壓速度≦35mm·s^-1，設置擠壓桿行進速度分別為15，20，25和30mm·s^-1。純鉬的再結晶溫度為700-1 100℃，在高于1 000℃時有氧化現象發生，因此為了保證能在較高的溫度下變形又不發生氧化，選擇坯料溫度為950℃。采用Solidworks軟件繪制上述擠壓模具結構和坯料等工件的三維圖，另存為STL文件格式，將STL文件導人Deform-3D有限元軟件中建立有限元模型;由于模擬過程中需要輸入坯料的應力一應變關系，因此采用Gleeble-3500試驗機研究鉬坯料在850-1 200℃、壓縮應變速率為0.01-60.00s^-1的應力一應變關系，導人Deform-3D有限元模擬軟件中的材料數據庫。選用Newton-Raphson迭代法，步長小于或等于最小網格尺寸的3/10。由于金屬坯料在高壓接觸時的摩擦因數較大，因此設計了0.25-0.35的靜水壓力梯度摩擦因數，結合傳熱、接觸、網格局部細化（變形區）等處理，建立了如圖2所示的有限元模型。

1.3有限元模型的驗證

按照1：1的尺寸進行試驗驗證，模具采用金剛模，其裝置如圖3所示。擠壓速度為15mm·s^-1，其余工藝參數和1.2中設定的相同。有限元模型中的摩擦因數為0.3，模具內壁用石墨水劑潤滑。采用250t立式液壓機加壓。記錄擠壓桿位移與擠壓力的對應關系，并將模擬和試驗記錄的擠壓力數據進行對比，驗證有限元模型的可靠性。

圖4為擠壓載荷隨行程變化的曲線。模擬和試驗獲得的峰值擠壓力分別是1519511和1391 509N，模擬的峰值擠壓力較高，存在一定的誤差，但在合理的范圍內，最大誤差為9.20%;但模擬的擠壓力-行程曲線下降較快，這可能與摩擦因數的梯度設計誤差有關;試驗獲得的擠壓力達到峰值后下降平穩，在坯料減少時，擠壓力下降可能跟發生摩擦的表面積減少有關。試驗證明，本文建立的有限元模型是可靠的。

2UCAP變形鉬絲的有限元仿真結果

2.1 速度的分布規律

通過Deform-3D有限元模擬軟件獲得的鉬絲在變形過程中的速度場變化如圖5所示。在豎直的坯料區，與擠壓桿接觸的上端有少量合金的節點速度很低，這是由于少量合金進入擠壓桿與坯料腔之間的縫隙導致的。在坯料的下端靠近出口的右半部到出口，節點速度逐漸增大;相反地，在坯料下端的左半部，由于無法流動導致了金屬流動的死區。經過轉角變形區以后，坯料為水平方向上的剛性流動，在擠壓桿速度為15，20，25和30mm·s^-1時，擠出的較細鉬絲水平速度分別為42.01，56.18，69.19和83.99mm·s^-1。上述速度值為10個網格節點數據的平均值，與通過擠壓比的理論計算速度相比，誤差較小，不超過1%。

2.2溫度的分布規律

圖6是UCAP成形過程中坯料的外表面溫度分布。從圖6中可以看出，在坯料和擠壓桿接觸的區域，由于陷入擠壓桿和坯料縫隙之間的坯料發生了較大的摩擦，使坯料上端有明顯的溫升。在轉角變形區，塑性應變產生的溫升更明顯;坯料的溫度為950℃，在坯料與型腔的摩擦作用下，進入轉角變形區的溫度逐漸升高至1049℃。剛擠出模具的坯料處于空氣中，由于輻射散熱和傳導散熱的共同作用，溫度快速下降。

2.3等效應變的分布規律

等效應變的分布情況如圖7所示。坯料在擠壓過程中各個區域的應變不同，在坯料與擠壓桿接觸的區域由于摩擦和擠壓的作用會產生不同程度的應變。轉角處，應變按照一定的梯度逐漸增大。按照等效應變的分布規律，將經過通道變形以后擠出的鉬絲分為3個區域。I區為剛性端，該區域的總體應變較小，由于變形量小，無法達到本文研究對象的大應變標準，應為廢料區域。去除剛性端以外的鉬絲為大應變區域，是合格區，見圖7中的II區和III區。該區域的上半部分應變值相對較小為1.88-4.38，下半部分區域應變值大于4.5。由此可見，若想使得該鉬絲縱截面上的應變均勻，還需要進行后續的UCAP變形。

3討論

在UCAP變形區域，溫度升高，擠壓速度增大，等效應變疊加作用突出。由于應變的存在，使得塑性變形產生的熱量和徑縮最終影響到鉬絲的狀態。文獻提到的通過一個道次加工的ECAP擠出棒材組織和應變不均勻，其應變不均勻與本文研究的結果有相似性。文獻研究鋁等通道球形轉角擠壓過程中也發現擠壓的道次對微觀組織結構影響明顯。

通過一個道次UCAP加工獲得的微觀組織和應變呈現不均勻的特點，使鉬絲在橫截面圓周方向上的性能不均勻，而其不均勻性符合圖7中的特點。根據文獻，在后續的研究中將通過具有定位圓周方向的ECAP多道次擠壓解決這一問題，使最終獲得的鉬絲周向同性。

4結論

坯料區的流速慢，經過轉角處的徑縮變形后速度變快，在通道轉角處存在有梯度的增速區域，在通道轉角處存在金屬流動死區。

通道轉角區域由于金屬流動方向發生改變導致的溫度升高現象明顯，最大約100℃;在坯料與擠壓桿接觸的地方由于摩擦作用溫度升高明顯。

在擠出材料的端部等效應變較小，為剛性端;通道轉角處的應變按照一定的梯度逐漸增大。擠出鉬絲橫截面上等效應變分布不均勻，上半部分區域等效應變小于下半部分。