摩擦因数与模角对扭转挤压模具影响的研究

南京理工大学机械工程学院 南京 210094

1 研究背景

大塑性变形工艺可以大幅度提高材料在常温下的变形量，从而获得晶粒尺寸较小的超细晶材料。超细晶材料具有高硬度、高强度、耐腐蚀等优良性能，这些性能使其成为制备高铁接触线、地铁接触线的首选材料。因此，研发新大塑性变形工艺和模具是国内外材料和机械工程领域的热门课题之一［1-3］。经查阅文献，笔者发现对扭转挤压模具的研究很少，基于纯铜材料的研究更少。笔者以T2纯铜材料为坯料，改变模具的摩擦因数和模角［4］，通过Deform-3D软件分析模具模角和扭转速度对成形过程中挤压杆载荷、等效应变和模具磨损的影响［5］，为扭转挤压模具的设计及参数优化提供科学依据。

2 扭转挤压模具有限元模型

扭转挤压工艺涉及的零件模型有坯料、挤压杆、上模及下模。扭转挤压成形原理如图1所示，挤压杆向下正向挤压，正向挤压速度为V，出料口出料速度为V0，同时挤压模进行扭转运动，其扭转速度为ω。此过程中坯料会受到挤压扭转变形。模具模角结构如图2所示，其中ψ为模角。

2.1 建模

由于Deform-3D软件不具有几何模型的创建功能，因此使用Pro/E软件对坯料、挤压杆、上模及下模进行三维建模，将几何数据转换成.STL格式导入Deform-3D软件［6-7］。笔者主要分析坯料的变形情况，不需要考虑挤压杆、上模和下模的变形，因此将坯料定义为塑性体，其它定义为刚性体。对扭转挤压模具进行网格划分，得到的有限元模型如图3所示。

▲图1 扭转挤压成形原理

▲图2 模具模角结构

▲图3 扭转挤压有限元模型

2.2 模拟参数

本次模拟原始坯料采用经退火处理的T2纯铜棒料，坯料尺寸为φ12 mm×45 mm，棒料模具出口尺寸为φ9 mm。由于Deform-3D软件的材料库中没有T2纯铜的材料数据，因此需要自行定义。将应变率为0.1和0.01的材料的应力应变数据输入软件的自定义材料库中，得到如图4所示材料的流动应力应变特性曲线［8］。

▲图4 材料流动应力应变特性曲线

因为是常温下进行扭转挤压，所以模具和坯料的初始温度都定为20℃。 挤压杆的行程为 30 mm，模角分别为 60°、80°、100°、120°，挤压杆挤压速度 V 为 3 mm/s，下模扭转速度ω为0.5 rad/s。

2.3 摩擦条件

研究塑性变形过程，一般有两种摩擦模型：剪切摩擦模型和库伦摩擦模型。因为库伦摩擦模型只适用于正压力不太大、变形量较小的变形，而扭转挤压工艺坯料变形量很大，所以采用剪切摩擦模型［9］。μ为摩擦因数，0≤μ≤1，本次模拟时摩擦因数 μ 取 0、0.3、0.6。

3 模拟结果与分析

3.1 不同摩擦因数

选模角为 120°，摩擦因数为 0、0.3、0.6，其它参数条件不变，对成形过程中挤压杆载荷、坯料应变、坯料温度及模具磨损进行分析对比。

3.1.1 载荷和位移

从图5中可以看出，挤压杆载荷随摩擦因数的增大而增大，变化幅度很大，并且摩擦因数越大，载荷稳定性越差。因此，在增大摩擦因数的同时，应当注意挤压杆载荷的变化，避免挤压杆强度不足。

▲图5 挤压杆载荷位移曲线

3.1.2 坯料温度

T2纯铜温度达到200℃以上时，坯料发生晶粒再结晶，会影响坯料的强度和硬度。模拟初始温度为常温，分析坯料的温度［10］。如图6所示，坯料的最大温度随摩擦因数的增大而升高，温度分别为115℃、157℃、184℃，增幅较大。因此，在实际情况下应当注意温度的变化，尽量减小摩擦因数。

3.1.3 坯料等效应变

等效应变的大小直接反映了坯料的变形程度，图7为扭转挤压完成后，不同摩擦因数下坯料的等效应变云图。

▲图6 坯料温度云图

▲图7 坯料等效应变云图

从图7中可以看出，坯料的等效应变随摩擦因数的增大而增大，等效应变分别为6.01%、11.5%、15.9%，增幅较大，说明增大摩擦因数可以显著增大坯料的等效应变，提高制品的强度。但是，摩擦因数增大，坯料的温度会升高很多，因此，需要综合考虑温度的影响。

3.1.4 磨损

模具在工作时，与金属坯料发生相对运动，会造成磨损。当模具因为磨损而改变表面状态或尺寸，进而不能满足成形要求时，称作磨损失效［11］。在挤压成形中，磨损失效是模具主要的失效形式。

在Deform-3D软件的前处理模块中勾选工具磨损项，并选择Archard模型，为后续的计算提供理论算法［12］。如图8所示，W 为磨损深度，p为模具截面压力，v为滑动速度，t为时间，a、b、c为修正因数，K 为与材料性质相关的常数，H为模具材料硬度。对于模具钢而言，一般取 a=1，b=1，c=2，K=0.000 002，H=58。

▲图8 磨损分析模型

从图9中可以看出，挤压模的磨损量随摩擦因数的增大而增大，磨损量分别为 1.04×10-5mm、2.26×10-5mm、3.00×10-5mm，变化幅度很大。因此，在增大摩擦因数的同时需要考虑模具的磨损。

▲图9 挤压模磨损云图

3.2 不同模角

3.2.1 最大载荷

取摩擦因数为 0.3， 模具模角为 60°、80°、100°、120°进行对比。取最大挤压杆压力值，得出最大载荷依次为 150 kN、163 kN、170 kN、175 kN，如图 10所示。

从图10中可以看出，挤压杆的最大载荷随模具模角的增大而增大，但其变化幅度越来越小。同时，增大模角会使坯料的挤压死区变大。

3.2.2 最高温度

挤压完成后，得到各个模角下的坯料最高温度分别为 80.3℃、95.4℃、119.1℃、157℃，如图11所示。

从图11中的变化趋势可以看出，坯料的最高温度随着模角的增大而升高，并且升高幅度越来越大。可见，增大模角需要考虑坯料温度的变化。

▲图10 挤压杆最大载荷曲线

▲图11 坯料最高温度曲线

3.2.3 等效应变

挤压完成后，得到不同模角下坯料的等效应变分别为 3.7%、5.13%、7.25%、11.5%，如图 12所示。

从图12中可以看出，增大模角能增大坯料的等效应变，这正是笔者研究的目的。在挤压杆载荷、坯料温度都在合适的范围内时，通过增大模角来提高坯料的变形量。

▲图12 坯料等效应变曲线

3.2.4 磨损

当模角为 60°、80°、100°、120°时，挤压模磨损情况变化如图 13 所示，其值依次为 19.3 μm、20.1 μm、21.7 μm、22.6 μm。

从图13中可以看出，磨损量随模角的增大而增大，但变化幅度不大，并且有减缓的趋势。可见，通过增大模角能增大坯料的变形量，而且对挤压模磨损的影响不是很大。

▲图13 挤压模磨损量曲线

4 结论

笔者模拟分析了扭转挤压模具在不同摩擦因数和不同模角的情况下，挤压杆载荷、坯料应变、坯料温度及模具磨损的变化规律，得出结论如下。

（1）增大摩擦因数会增大挤压杆载荷、坯料变形量、模具磨损量，升高坯料温度，并且所有变化幅度都比较明显。如果通过增大摩擦因数来增大坯料的变形量，其带来的温升和磨损较大，不宜采用。与此同时，模具润滑条件应是良好的。

（2）增大模具模角会增大挤压杆载荷、坯料温度、模具磨损量，但上述参数的上升幅度与坯料变形量相比还是比较小的，同时模角大小容易控制，所以通过增大模角来增大坯料的变形量是可行的。