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铜的热挤压有限元模拟
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 陈义武 陈敬超 张昆华点击:
引言
现在铜的挤压生产工艺已经比较成熟，而且对铜在挤压过程中金属的流动情况也有很多研究方法：视塑性法、坐标网格法、低倍和高倍组织法、偏振光法、云纹法等。但利用有限元模拟仿真软件模拟铜的挤压流动过程的研究见诸报导的较少。本文采用能较真实地反映材料加工过程的塑性大变形软件MSC.Superform建立了挤压模型，采用热力耦合法研究了铜在热挤压过程中的金属流动情况，分析了金属变形情况和应力分布情况，并且和实验结果进行比较分析。
1 计算模型的建立
1.1有限元模型的建立
根据实验所用铜棒挤压过程中的几何参数和形状，铜棒、及挤压轴的几何模型如图1所示(轴剖面图)。这是一个典型的轴对称零件成型，所以只需建立半个几何模型即可，把它当作轴对称问题处理。
建立有限元模型后，进行网格划分。网格大小和实验所刻画网格相同，以便于比较分析，如图2所示。
铜锭坯(变形体)和模具(刚体)之间的摩擦因数为0.25。初始温度定为800℃。
1.4 施加载荷
挤压轴(刚体)在X方向的速度为12mm/s。模具固定不动。挤压时间为1s，分500步挤压完成。
1.5 材料特性
采用纯铜T1材料，在挤压过程中，初始温度定多800℃，温度变化不大，所以不考虑温度对材料性能合影响，在800℃时T1材料参数为:杨氏模量E=7.9x10*4mg/ ( s2·mm )，泊松比μ= 0.33，密度p=8.7 x10-*9mg/mm3，比热c=5.85 x 10*8mm2/( s2·℃)，热导率k=50mg·mm/ ( S3·℃)，热膨胀因数为2.1 x 10-*5℃.弹塑性变形，满足弹塑性材料的基本假设和力学基本方程;材料的屈服强度σs= 220mg/ ( s2·mm)。所有单位采用模拟仿真软件MSC. Superform的单位。
2 挤压实验
为了验证模拟结果，笔者进行了挤压实验。挤任所用材料为纯铜，铜棒几何尺寸为:D=26mm, L=40mm。将铜棒从轴剖面分割开，在两个剖面上划分22 x 33的网格，在网格缝中填加云母，以防止挤压划程中网格闭合。挤压实验所用设备是YT32-315(315kN)四柱液压机。挤压时先将模具和锭坯加热尹800℃左右，再进行挤压。
3 模拟结果分析
3.1流线
流线模拟结果如图3所示，实验结果如下：
3.2温度及应力分布
图5是挤压后温度分布云图，图6是挤压后等效应力分布云图。
图5中最高温度为858.8℃，位于刚离开模具的锭坯边缘上，而锭坯脱离模具后，温度呈下降趋势，可见摩擦产生热在模拟过程中也有很好的反映。从图6中可以看出最大、最小等效应力分别为423. 2和53.12mg/ ( s2·mm}，即423.2和53.12MPa。应力最大值出现在锭坯进入定径带附近。
图7、图8分别为金属流动第499步与500步之间X、Y方向上的位移增量云图。很明显可以看出在X方同上曲线d右边的位移增量最大，为1.238mm，而曲线h以上的位移增量最小，为0.2731 mm。在Y方向上，绝对位移增量最小的是曲线a，为-0. 05328mm，最大的为曲线i，为-0. 5049mm。两图直接地说明金属的流动速度情况，在X方向上表层金属在进入变形区时由于有剪切力，并且摩擦力增大，所以流动速度最小。而锭坯中心的金属流动速度相对大些。当金属挤出定径带后速度最大。在Y方向上，金属进入变形区后，由于剪切力的作用，开始有Y方向的速度，在将要进人定径带的表层区域，金属的Y方向速度最大。
挤压轴上所受的力如图9所示。
4 结论
1)在准确建立几何模型和计算条件的基础上，采用热力藕合弹塑性有限元分析模块，可以再现热挤压过程的变形，得出热挤压后流线、温度、等效应力、位移及挤压力等重要参数的模拟值。
2)该流线模拟结果与实验结果基本相符，说明采用有限元软件模拟金属流动过程是比较成功的，这为优化挤压工艺了更为可靠的依据。并且为难挤压材料的挤压研究提供了一条有效的途径。(end)
现在铜的挤压生产工艺已经比较成熟，而且对铜在挤压过程中金属的流动情况也有很多研究方法：视塑性法、坐标网格法、低倍和高倍组织法、偏振光法、云纹法等。但利用有限元模拟仿真软件模拟铜的挤压流动过程的研究见诸报导的较少。本文采用能较真实地反映材料加工过程的塑性大变形软件MSC.Superform建立了挤压模型，采用热力耦合法研究了铜在热挤压过程中的金属流动情况，分析了金属变形情况和应力分布情况，并且和实验结果进行比较分析。
1 计算模型的建立
1.1有限元模型的建立
根据实验所用铜棒挤压过程中的几何参数和形状，铜棒、及挤压轴的几何模型如图1所示(轴剖面图)。这是一个典型的轴对称零件成型，所以只需建立半个几何模型即可，把它当作轴对称问题处理。
图1 挤压几何模型
建立有限元模型后，进行网格划分。网格大小和实验所刻画网格相同，以便于比较分析，如图2所示。
图2 有限元模型及网格划分
铜锭坯(变形体)和模具(刚体)之间的摩擦因数为0.25。初始温度定为800℃。
1.4 施加载荷
挤压轴(刚体)在X方向的速度为12mm/s。模具固定不动。挤压时间为1s，分500步挤压完成。
1.5 材料特性
采用纯铜T1材料，在挤压过程中，初始温度定多800℃，温度变化不大，所以不考虑温度对材料性能合影响，在800℃时T1材料参数为:杨氏模量E=7.9x10*4mg/ ( s2·mm )，泊松比μ= 0.33，密度p=8.7 x10-*9mg/mm3，比热c=5.85 x 10*8mm2/( s2·℃)，热导率k=50mg·mm/ ( S3·℃)，热膨胀因数为2.1 x 10-*5℃.弹塑性变形，满足弹塑性材料的基本假设和力学基本方程;材料的屈服强度σs= 220mg/ ( s2·mm)。所有单位采用模拟仿真软件MSC. Superform的单位。
2 挤压实验
为了验证模拟结果，笔者进行了挤压实验。挤任所用材料为纯铜，铜棒几何尺寸为:D=26mm, L=40mm。将铜棒从轴剖面分割开，在两个剖面上划分22 x 33的网格，在网格缝中填加云母，以防止挤压划程中网格闭合。挤压实验所用设备是YT32-315(315kN)四柱液压机。挤压时先将模具和锭坯加热尹800℃左右，再进行挤压。
3 模拟结果分析
3.1流线
流线模拟结果如图3所示，实验结果如下：
图4 挤压实验后的网格流线
3.2温度及应力分布
图5是挤压后温度分布云图，图6是挤压后等效应力分布云图。
图5中最高温度为858.8℃，位于刚离开模具的锭坯边缘上，而锭坯脱离模具后，温度呈下降趋势，可见摩擦产生热在模拟过程中也有很好的反映。从图6中可以看出最大、最小等效应力分别为423. 2和53.12mg/ ( s2·mm}，即423.2和53.12MPa。应力最大值出现在锭坯进入定径带附近。
图6 挤压后等效应力分布云图
图7、图8分别为金属流动第499步与500步之间X、Y方向上的位移增量云图。很明显可以看出在X方同上曲线d右边的位移增量最大，为1.238mm，而曲线h以上的位移增量最小，为0.2731 mm。在Y方向上，绝对位移增量最小的是曲线a，为-0. 05328mm，最大的为曲线i，为-0. 5049mm。两图直接地说明金属的流动速度情况，在X方向上表层金属在进入变形区时由于有剪切力，并且摩擦力增大，所以流动速度最小。而锭坯中心的金属流动速度相对大些。当金属挤出定径带后速度最大。在Y方向上，金属进入变形区后，由于剪切力的作用，开始有Y方向的速度，在将要进人定径带的表层区域，金属的Y方向速度最大。
图8 Y方向位移增量云图
挤压轴上所受的力如图9所示。
图9 挤压轴上所受的力
4 结论
1)在准确建立几何模型和计算条件的基础上，采用热力藕合弹塑性有限元分析模块，可以再现热挤压过程的变形，得出热挤压后流线、温度、等效应力、位移及挤压力等重要参数的模拟值。
2)该流线模拟结果与实验结果基本相符，说明采用有限元软件模拟金属流动过程是比较成功的，这为优化挤压工艺了更为可靠的依据。并且为难挤压材料的挤压研究提供了一条有效的途径。(end)
