模腔摩擦情况对铝护套连续挤压包覆过程的影响

吴斌　王如见　杜春雷

摘 要：基于Deform-3D模拟分析铝护套连续包覆成形过程，摩擦因子的增加使模腔内金属流动均匀的区域增加，导流模上下两部金属的流动逐渐均匀，随着模腔摩擦因子增加，金属成形最高温度也降低，而连续挤压包覆的工模具材料都为H13钢，当温度超过600℃时性能急剧下降。因此，腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

关键词：铝护套 连续挤压包覆 模腔摩擦情况

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（b）-0083-02

金属压力加工中的外摩擦是指工模具与变形金属界面上产生的摩擦，这种外摩擦场与一般的摩擦场相比具有以下特点[1]：（1）接触面上的单位压力非常大。工模具通过界面作用到变形金属上的单位压力很大，以满足金属塑性条件的要求，发生塑性变形。（2）摩擦过程中金属表面不断变化。由于金属的不断塑性变形，金属接触面积不断增加，不断出现的新生表面粘着能力很强，加剧了工模具的粘着磨损。（3）界面温度条件更恶劣。摩擦场的温度有三种概念：摩擦场的平均温度，平均表面温度以及表面局部区域的表面凸起变形或切断时产生的闪发温度。金属坯料的体积温度可以由加热过程及变形热效应产生，如铝及铝合金通常为400 ℃～500 ℃。由于体积温度、表面温度以及必然存在的温度梯度，与变形过程中的应力场共同作用，又使与原子迁动有关的再结晶过程以及原子的定向扩散过程得以进行，这对于改变摩擦面间的接触性质，相互间的金属粘结与磨损，也有很大的影响。

连续挤压包覆成形是以摩擦力为驱动力，对摩擦直接加以利用，使金属塑性成形和摩擦生热。而在连续挤压包覆型腔中金属的流动非常复杂，模腔的摩擦情况往往对金属的流动有很大的影响。因此，在连续挤压包覆成形过程中，模腔的摩擦情况是模腔中金属流动变形的主要影响因素之一。DEFORM-3D软件提供了库伦摩擦模型和常摩擦模型两种摩擦模型。而摩擦系数是速度、温度和变形量函数的摩擦力驱动模型[2]实现连续挤压过程的数值模拟。因此，本文建立的连续挤压包覆成形过程数值模型中，选用了常摩擦模型，通过改变模腔摩擦因子实现摩擦力的改变，可以研究模腔摩擦情况对连续包覆成形的影响。

根据连续挤压包覆变形的特点，以 Φ9.5 mm的1100铝为坯料，其它初始参数设置不变，其中挤压轮的转速为6 rpm，只考虑模腔摩擦情况对金属成形的影响，分别设模腔摩擦因子m为0.1、0.2、0.3和0.4四种情况下挤出外径为16 mm，壁厚为1 mm的铝护套进行模拟分析。

1 数值模拟结果与分析

1.1 金属流动速度分布

图1为模腔摩擦因子不同时模腔中金属流动速度分布图。从图1中速度分布来看，4种连续挤压包覆模腔的摩擦因子下，由于金属坯料受到模腔内壁摩擦作用，金属从模口进入模腔，金属的流动速度逐渐降低，模口的速度是模腔上部速度差不多8倍，而在模腔焊合室中，导流模上下部金属流动速度有很大差别，导流模下部是上部差不多4倍。

如图1（a）所示，模腔的摩擦因子为0.1，金属坯料与模腔内壁的摩擦很小，与其它摩擦情况相比，模腔中金属的流动速度明显高于其它摩擦情况。从图1（a）、（b）、（c）可以看出，随着金属坯料与模腔内壁的摩擦因子的增大，摩擦力逐渐增大。而摩擦力的作用使金属在连续挤压包覆型腔中的流动逐渐变得均匀[3～4]，这主要是因为金属坯料与模腔内壁的摩擦力的增大，外摩擦力对金属流动的不利影响增加，降低了金属坯料在模腔中的流动速度。虽然模腔中导流模的上下两部分金属流动速度的最大值与最小值的比值变化不大，但是外摩擦力的增加使模腔内金属流动均匀的区域增加，导流模上下两部金属的流动逐渐均匀。

而从图1（d）可知，虽然金属坯料与模腔内壁的摩擦阻力可以降低模腔内金属流动差别，但是它不能完全改变连续挤压包覆型腔内导流模上下部速度差别，也不能减小模腔内金属流动不均匀区域，通过提高金属坯料与模腔内壁的摩擦来提高型腔内金属流动均匀性是不可行的。另外金属坯料与模腔内壁的摩擦是引起的工模具的磨损、塑性变形等失效形式的主要因素，模腔摩擦情况的提高，工模具的损耗增加。因此，模腔与金属坯料的摩擦在选择摩擦因子为0.3时较为合适。

1.2 坯料最高温度

图2为在连续挤压包覆过程中模腔摩擦情况与金属坯料最高温度的关系曲线，随着模腔摩擦因子的增加，金属坯料的最高温度逐渐降低，这主要是因为在常摩擦模型中摩擦因子的不同反映出摩擦情况的不同，模腔摩擦因子的增加使金属坯料所受到外摩擦力相应增加，增加的外摩擦力阻碍了金属流动，使模腔中金属坯料流动速度降低。

在连续挤压包覆过程中模口与堵头之间金属的剪切变形最剧烈，坯料的最高温度往往在堵头附近，金属塑性变形热占金属坯料所得热量很大部分。外摩擦的增加使金属流动速度的降低，剪切变形热也相应降低，而在相同变形程度时，金属流动速度的降低使流动时间相应增加，金属坯料散失的热量相应增加。因此，随着模腔摩擦因子增加，金属成形最高温度也降低。

如图2所示，在模腔摩擦因子m取0.1时，坯料的最高温度为648 ℃，随着摩擦因子的增加，坯料的最高温度逐渐降低，m取0.3时坯料最高温度为600 ℃，m取0.4时为578 ℃，而连续挤压包覆的工模具材料都为H13钢，当温度超过600 ℃时性能急剧下降。因此，模腔的摩擦情况在摩擦因子m取0.3或0.4较为合适。

1.3 挤压轮扭矩

图3为在连续挤压包覆过程中模腔的摩擦情况与挤压轮扭矩的关系曲线，随着模腔摩擦因子的增加，挤压轮的扭矩逐渐增加。这主要是因为随着模腔摩擦因子的增加，包覆型腔与金属坯料的摩擦情况增强，金属流动的摩擦阻力增加，阻碍金属的流动，而挤压轮是连续挤压包覆成形的动力源，摩擦阻力的增加也使挤压轮所受切向摩擦力增加，因此随着摩擦因子的增大，挤压轮的扭矩也逐渐增大。endprint

由上文可知，挤压轮驱动功率等于挤压轮扭矩和挤压轮转速的乘积，即。当挤压轮的转速一定时，挤压轮驱动功率与挤压轮扭矩成正比关系。因此，随着模腔的摩擦情况提高，挤压轮扭矩逐渐增加，挤压轮驱动功率也逐渐增加，而模腔内金属的流动却逐渐降低。因此，模腔的摩擦因子过高会造成挤压轮驱动功率的浪费，甚至造成堵模现象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情况对连续挤压包覆成形有很大影响，对模腔摩擦条件的有效控制直接影响连续挤压包覆成形结果，腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形。因此，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，由分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

2 结论

（1）摩擦因子的增加使模腔内金属流动均匀的区域增加，导流模上下两部金属的流动逐渐均匀。（2）随着模腔摩擦因子增加，金属成形最高温度也降低。连续挤压包覆的工模具材料都为H13钢，当温度超过600 ℃时性能急剧下降。因此，模腔的摩擦情况在摩擦因子m取0.3或0.4较为合适。（3）腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

参考文献

[1] 姚若浩.金属压力加工中的摩擦与润滑[M].北京：冶金工业出版社，1990：33-34.

[2] 储灿东，王东哲，彭颖红.连续挤压成形过程的温度场研究[J].塑性工程学报，2001，8（1）：9-12.

[3] Ying Zhao，Baoyun Song，Jinyang Pei.Study on Metal Flow in Continuous Extrusion Cladding of Cable Aluminum Sheath Using FEM Analysis[J].Advanced Materials Research，2011：189-193.

[4] Zhao Ying，Song Bao-yun，Yun xin-bing.Effect of process parameters on sheath forming of continuous extrusion sheathing of aluminum[J].The National Science Foundation of China，2012，22：3073-3080.endprint

由上文可知，挤压轮驱动功率等于挤压轮扭矩和挤压轮转速的乘积，即。当挤压轮的转速一定时，挤压轮驱动功率与挤压轮扭矩成正比关系。因此，随着模腔的摩擦情况提高，挤压轮扭矩逐渐增加，挤压轮驱动功率也逐渐增加，而模腔内金属的流动却逐渐降低。因此，模腔的摩擦因子过高会造成挤压轮驱动功率的浪费，甚至造成堵模现象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情况对连续挤压包覆成形有很大影响，对模腔摩擦条件的有效控制直接影响连续挤压包覆成形结果，腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形。因此，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，由分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

2 结论

（1）摩擦因子的增加使模腔内金属流动均匀的区域增加，导流模上下两部金属的流动逐渐均匀。（2）随着模腔摩擦因子增加，金属成形最高温度也降低。连续挤压包覆的工模具材料都为H13钢，当温度超过600 ℃时性能急剧下降。因此，模腔的摩擦情况在摩擦因子m取0.3或0.4较为合适。（3）腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

参考文献

[1] 姚若浩.金属压力加工中的摩擦与润滑[M].北京：冶金工业出版社，1990：33-34.

[2] 储灿东，王东哲，彭颖红.连续挤压成形过程的温度场研究[J].塑性工程学报，2001，8（1）：9-12.

[3] Ying Zhao，Baoyun Song，Jinyang Pei.Study on Metal Flow in Continuous Extrusion Cladding of Cable Aluminum Sheath Using FEM Analysis[J].Advanced Materials Research，2011：189-193.

[4] Zhao Ying，Song Bao-yun，Yun xin-bing.Effect of process parameters on sheath forming of continuous extrusion sheathing of aluminum[J].The National Science Foundation of China，2012，22：3073-3080.endprint

由上文可知，挤压轮驱动功率等于挤压轮扭矩和挤压轮转速的乘积，即。当挤压轮的转速一定时，挤压轮驱动功率与挤压轮扭矩成正比关系。因此，随着模腔的摩擦情况提高，挤压轮扭矩逐渐增加，挤压轮驱动功率也逐渐增加，而模腔内金属的流动却逐渐降低。因此，模腔的摩擦因子过高会造成挤压轮驱动功率的浪费，甚至造成堵模现象。

由上文分析可知，模腔的摩擦情况对连续挤压包覆成形有很大影响，对模腔摩擦条件的有效控制直接影响连续挤压包覆成形结果，腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形。因此，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，由分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

2 结论

（1）摩擦因子的增加使模腔内金属流动均匀的区域增加，导流模上下两部金属的流动逐渐均匀。（2）随着模腔摩擦因子增加，金属成形最高温度也降低。连续挤压包覆的工模具材料都为H13钢，当温度超过600 ℃时性能急剧下降。因此，模腔的摩擦情况在摩擦因子m取0.3或0.4较为合适。（3）腔体与金属坯料间的摩擦因子越低或越高，都不适合连续挤压包覆成形，选择合理的摩擦因子是连续挤压包覆成形的关键因素，分析可知摩擦因子选0.3是较为合适。

参考文献

[1] 姚若浩.金属压力加工中的摩擦与润滑[M].北京：冶金工业出版社，1990：33-34.

[2] 储灿东，王东哲，彭颖红.连续挤压成形过程的温度场研究[J].塑性工程学报，2001，8（1）：9-12.

[3] Ying Zhao，Baoyun Song，Jinyang Pei.Study on Metal Flow in Continuous Extrusion Cladding of Cable Aluminum Sheath Using FEM Analysis[J].Advanced Materials Research，2011：189-193.

[4] Zhao Ying，Song Bao-yun，Yun xin-bing.Effect of process parameters on sheath forming of continuous extrusion sheathing of aluminum[J].The National Science Foundation of China，2012，22：3073-3080.endprint