摩擦因數與模角對扭轉擠壓模具影響的研究

南京理工大學機械工程學院 南京 210094

1 研究背景

大塑性變形工藝可以大幅度提高材料在常溫下的變形量，從而獲得晶粒尺寸較小的超細晶材料。超細晶材料具有高硬度、高強度、耐腐蝕等優良性能，這些性能使其成為制備高鐵接觸線、地鐵接觸線的首選材料。因此，研發新大塑性變形工藝和模具是國內外材料和機械工程領域的熱門課題之一［1-3］。經查閱文獻，筆者發現對扭轉擠壓模具的研究很少，基于純銅材料的研究更少。筆者以T2純銅材料為坯料，改變模具的摩擦因數和模角［4］，通過Deform-3D軟件分析模具模角和扭轉速度對成形過程中擠壓桿載荷、等效應變和模具磨損的影響［5］，為扭轉擠壓模具的設計及參數優化提供科學依據。

2 扭轉擠壓模具有限元模型

扭轉擠壓工藝涉及的零件模型有坯料、擠壓桿、上模及下模。扭轉擠壓成形原理如圖1所示，擠壓桿向下正向擠壓，正向擠壓速度為V，出料口出料速度為V0，同時擠壓模進行扭轉運動，其扭轉速度為ω。此過程中坯料會受到擠壓扭轉變形。模具模角結構如圖2所示，其中ψ為模角。

2.1 建模

由于Deform-3D軟件不具有幾何模型的創建功能，因此使用Pro/E軟件對坯料、擠壓桿、上模及下模進行三維建模，將幾何數據轉換成.STL格式導入Deform-3D軟件［6-7］。筆者主要分析坯料的變形情況，不需要考慮擠壓桿、上模和下模的變形，因此將坯料定義為塑性體，其它定義為剛性體。對扭轉擠壓模具進行網格劃分，得到的有限元模型如圖3所示。

▲圖1 扭轉擠壓成形原理

▲圖2 模具模角結構

▲圖3 扭轉擠壓有限元模型

2.2 模擬參數

本次模擬原始坯料采用經退火處理的T2純銅棒料，坯料尺寸為φ12 mm×45 mm，棒料模具出口尺寸為φ9 mm。由于Deform-3D軟件的材料庫中沒有T2純銅的材料數據，因此需要自行定義。將應變率為0.1和0.01的材料的應力應變數據輸入軟件的自定義材料庫中，得到如圖4所示材料的流動應力應變特性曲線［8］。

▲圖4 材料流動應力應變特性曲線

因為是常溫下進行扭轉擠壓，所以模具和坯料的初始溫度都定為20℃。 擠壓桿的行程為 30 mm，模角分別為 60°、80°、100°、120°，擠壓桿擠壓速度 V 為 3 mm/s，下模扭轉速度ω為0.5 rad/s。

2.3 摩擦條件

研究塑性變形過程，一般有兩種摩擦模型：剪切摩擦模型和庫倫摩擦模型。因為庫倫摩擦模型只適用于正壓力不太大、變形量較小的變形，而扭轉擠壓工藝坯料變形量很大，所以采用剪切摩擦模型［9］。μ為摩擦因數，0≤μ≤1，本次模擬時摩擦因數 μ 取 0、0.3、0.6。

3 模擬結果與分析

3.1 不同摩擦因數

選模角為 120°，摩擦因數為 0、0.3、0.6，其它參數條件不變，對成形過程中擠壓桿載荷、坯料應變、坯料溫度及模具磨損進行分析對比。

3.1.1 載荷和位移

從圖5中可以看出，擠壓桿載荷隨摩擦因數的增大而增大，變化幅度很大，并且摩擦因數越大，載荷穩定性越差。因此，在增大摩擦因數的同時，應當注意擠壓桿載荷的變化，避免擠壓桿強度不足。

▲圖5 擠壓桿載荷位移曲線

3.1.2 坯料溫度

T2純銅溫度達到200℃以上時，坯料發生晶粒再結晶，會影響坯料的強度和硬度。模擬初始溫度為常溫，分析坯料的溫度［10］。如圖6所示，坯料的最大溫度隨摩擦因數的增大而升高，溫度分別為115℃、157℃、184℃，增幅較大。因此，在實際情況下應當注意溫度的變化，盡量減小摩擦因數。

3.1.3 坯料等效應變

等效應變的大小直接反映了坯料的變形程度，圖7為扭轉擠壓完成后，不同摩擦因數下坯料的等效應變云圖。

▲圖6 坯料溫度云圖

▲圖7 坯料等效應變云圖

從圖7中可以看出，坯料的等效應變隨摩擦因數的增大而增大，等效應變分別為6.01%、11.5%、15.9%，增幅較大，說明增大摩擦因數可以顯著增大坯料的等效應變，提高制品的強度。但是，摩擦因數增大，坯料的溫度會升高很多，因此，需要綜合考慮溫度的影響。

3.1.4 磨損

模具在工作時，與金屬坯料發生相對運動，會造成磨損。當模具因為磨損而改變表面狀態或尺寸，進而不能滿足成形要求時，稱作磨損失效［11］。在擠壓成形中，磨損失效是模具主要的失效形式。

在Deform-3D軟件的前處理模塊中勾選工具磨損項，并選擇Archard模型，為后續的計算提供理論算法［12］。如圖8所示，W 為磨損深度，p為模具截面壓力，v為滑動速度，t為時間，a、b、c為修正因數，K 為與材料性質相關的常數，H為模具材料硬度。對于模具鋼而言，一般取 a=1，b=1，c=2，K=0.000 002，H=58。

▲圖8 磨損分析模型

從圖9中可以看出，擠壓模的磨損量隨摩擦因數的增大而增大，磨損量分別為 1.04×10-5mm、2.26×10-5mm、3.00×10-5mm，變化幅度很大。因此，在增大摩擦因數的同時需要考慮模具的磨損。

▲圖9 擠壓模磨損云圖

3.2 不同模角

3.2.1 最大載荷

取摩擦因數為 0.3， 模具模角為 60°、80°、100°、120°進行對比。取最大擠壓桿壓力值，得出最大載荷依次為 150 kN、163 kN、170 kN、175 kN，如圖 10所示。

從圖10中可以看出，擠壓桿的最大載荷隨模具模角的增大而增大，但其變化幅度越來越小。同時，增大模角會使坯料的擠壓死區變大。

3.2.2 最高溫度

擠壓完成后，得到各個模角下的坯料最高溫度分別為 80.3℃、95.4℃、119.1℃、157℃，如圖11所示。

從圖11中的變化趨勢可以看出，坯料的最高溫度隨著模角的增大而升高，并且升高幅度越來越大。可見，增大模角需要考慮坯料溫度的變化。

▲圖10 擠壓桿最大載荷曲線

▲圖11 坯料最高溫度曲線

3.2.3 等效應變

擠壓完成后，得到不同模角下坯料的等效應變分別為 3.7%、5.13%、7.25%、11.5%，如圖 12所示。

從圖12中可以看出，增大模角能增大坯料的等效應變，這正是筆者研究的目的。在擠壓桿載荷、坯料溫度都在合適的范圍內時，通過增大模角來提高坯料的變形量。

▲圖12 坯料等效應變曲線

3.2.4 磨損

當模角為 60°、80°、100°、120°時，擠壓模磨損情況變化如圖 13 所示，其值依次為 19.3 μm、20.1 μm、21.7 μm、22.6 μm。

從圖13中可以看出，磨損量隨模角的增大而增大，但變化幅度不大，并且有減緩的趨勢。可見，通過增大模角能增大坯料的變形量，而且對擠壓模磨損的影響不是很大。

▲圖13 擠壓模磨損量曲線

4 結論

筆者模擬分析了扭轉擠壓模具在不同摩擦因數和不同模角的情況下，擠壓桿載荷、坯料應變、坯料溫度及模具磨損的變化規律，得出結論如下。

（1）增大摩擦因數會增大擠壓桿載荷、坯料變形量、模具磨損量，升高坯料溫度，并且所有變化幅度都比較明顯。如果通過增大摩擦因數來增大坯料的變形量，其帶來的溫升和磨損較大，不宜采用。與此同時，模具潤滑條件應是良好的。

（2）增大模具模角會增大擠壓桿載荷、坯料溫度、模具磨損量，但上述參數的上升幅度與坯料變形量相比還是比較小的，同時模角大小容易控制，所以通過增大模角來增大坯料的變形量是可行的。