硬质合金拉伸模具挤压模具

王如见++盛春敏++于兵

[摘 要]以TLJ350连续包覆机模腔为模型，将连续挤压包覆模腔划分为4个区域，使用上限法对各区域挤压力建立相应力学模型，计算得出每个区域挤压力及模腔入口的总挤压力，以及各个区域金属的流动速度。结果表明，汇合室金属分流的不均匀是模腔导流模上下部分金属流速不均匀的主要原因，并且探讨了以金属流动速度均匀性为目的，铝护套连续挤压包覆模腔的优化方法。

[关键词]铝护套；连续挤压包覆；模腔；上限法

中图分类号：TG379 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0101-03

连续挤压包覆技术是在连续挤压技术基础上发展而来的一种新型塑性加工技术，已广泛应用于双金属复合导线、电缆及光缆护套等的生产上[1]。这种技术利用挤压轮与原料之间的摩擦力作为驱动力实现了连续生产，具有高效和节能的优势。因此，连续挤压包覆技术是一种理想的铝护套生产技术。

连续挤压包覆模具与传统分流模不同，模腔的几何形状非常复杂，因此在整个连续挤压包覆成形过程中金属流动也是非常复杂的。刘原文等[2，3]根据导流模上下部位静水应力平均值相等的原则对型腔进行设计。贺幼良等[4-6]研究了连续挤压包覆模具几何形状尺寸对模具压力分布的影响，以凹模面压力均匀分布为优化目标，进行了优化实验，又使用光塑性法和有限元法模拟研究了型腔内应力应变分布以及金属流动规律。杨鑫华等[7]提出了以汇合室-焊合室过渡处金属轴向流速均匀为目标的型腔几何参数优化方案，对型腔几何参数进行了优化。赵颖等[8，9]运用有限元法分析得出模腔非对称结构和上部和底部的温差导致模腔内金属流动不均匀，挤压包覆模芯半径和水平流道长度的增加可以提高金属流动的均匀性。

针对铝护套连续挤压包覆成形过程中出现的扭曲和弯折等现象，本文以TLJ350连续包覆机模腔为模型，在研究分析连续挤压包覆生产过程中变形金属形态基础上，使用上限法建立相应挤压力的上限解力学模型，分析模腔各区域的挤压力和金属流动过程，为铝护套连续挤压包覆成形的模腔设计和力能计算提供理论依据。

1.变形区域的划分

根据连续挤压包覆型腔的结构以及金属在型腔内流动的规律，将型腔变形区分为4个区域，如图1所示。区域Ⅰ为锥形流道，该区域金属在X方向几乎没有变化，主要变形发生在YZ平面内，在YZ平面内可以建立区域Ⅰ的上限法模型；区域Ⅱ为型腔汇合室，该区域金属受到模腔内壁的限制，在Y方向没有变化，主要变形发生在XZ平面内，在XZ平面内可以建立区域Ⅱ的上限法模型；区域Ⅲ为转向过渡区，该区域金属流动类似于侧向缩径挤压且沿轴向对称，同样在YZ平面内也可以建立区域Ⅲ的简化上限法模型；区域Ⅳ为焊合室，金属坯料已经充满型腔且沿轴向对称，类似于平模正向挤压，在YZ平面内也可以建立区域Ⅳ的上限法模型。

2.变形力的计算

2.1 区域Ⅰ的变形力计算

区域Ⅰ如图2所示被划分为三个刚性块，分别为A、B、C。块A以挤压力P1和速度V推动块B以速度Vob沿ob方向运动，刚性块B再以速度Vob推动块C以速度Voc沿oc方向运动，即刚性块C以速度Voc和挤压力P2运动到区域Ⅱ，假设速度V已知。图2中，V是连续挤压包覆型腔入口金属流动速度，L为连续挤压包覆模腔模口宽度的1/2，H1为锥形流道的长度，L1为区域Ⅱ入口宽度的1/2，腔体入口长度为L2，Z1为变量，通过上限功率的最小化求得其最优值，θ、β、Φ、γ为可变角。令速度间断面上材料的剪切屈服应力为K1，则速度间断面上剪切功率为：

（1）

其中速度间断线长度分别为：

各间断速度分别为：

则区域Ⅰ的剪切功率为：

坯料与工模具之间的摩擦按常摩擦模型计算，摩擦因子为m，摩擦功率为：

（2）

式（2）中刚性块面积分别为：

由上限载荷P计算式，得：PV=E1+E2

则区域Ⅰ挤压载荷为：

P=（E1+E2）/V （3）

令，求出使上限功率最小的Z1的最佳值，从而得到P的极小值，就是所需的挤压载荷为P1。

2.2 区域Ⅱ的变形力计算

区域Ⅱ如图3所示，根据金属在模腔汇合室中流动规律，金属被分为两股流动，分别进行计算，向模腔下部流动的这一股金属命名为1，向模腔上部流动的第二股金属命名为2。区域Ⅱ被分为四个刚性块和死区，分别为I、J、K、L和O。在第一股金属流动区域，块I以挤压力P2和速度Voc推动块J以速度Vjq沿jq方向运动，块J再以速度Vjq推动块K沿ok方向运动，块K再以速度VK推动块L在死区O共同作用下以速度VL沿向着圆心方向运动，即刚性块L以速度VK和挤压力P31运动到区域Ⅲ；在第二股金属流动区域，块Q在Ⅰ区块C以挤压力P2和速度Voc和Ⅱ区块J以Vjq共同作用下以速度VQ沿向着圆心方向运动，即刚性块Q以速度VQ和挤压力P32运动到区域Ⅲ。两股金属流动的速度简化为所在圆弧的中心线方向的速度，圆弧上其它速度只是方向不同，大小相等。

图3中，Voc为区域Ⅱ入口金属流动速度，L1为区域Ⅱ入口长度的1/2，第一股金属流动区域长度为L，则第二股金属流动区域长度为L2-L，L2为区域Ⅱ入口宽度，R、R0分别为模腔汇合室内壁半径和导流模外径，H为分流区高度，θ为死区角，Z3为变量，通过上限功率的最小化求得其最优值，α、β、γ、δ、η为可变角。速度间断线长度分别为：

各间断速度为：

不妨设定下文以V2i进行运算。

令速度间断面上的材料的剪切屈服应力为K2，则速度间断面上剪切功率为：

（4）

金属与模腔内壁接触部位的面积为：

令坯料与工模具之间的摩擦因子为m，坯料与工模具之间的摩擦功率为：

（5）

区域Ⅲ挤压载荷为：

（6）

2.3 区域Ⅲ的变形力计算

区域Ⅲ如图4所示被划分为两个刚性块，分别为D、E，刚性块D以挤压力P3i和速度V2i推动刚性块E以速度V3i向区域Ⅳ运动。2L1为区域Ⅲ入口的宽度，H2为0点到1点水平距离，R0、R1、R2分别为导流模上0点、1点、2点的半径，α、β、γ、φ、θ为可变角。各间断速度为：

速度间断面的面积分别为：

令速度间断面上的材料的剪切屈服应力为K2，则速度间断面上剪切功率为：

（7）

金属坯料与工模具接触部位的面积为：

令坯料与工模具之间的摩擦因子为m，坯料与工模具之间的摩擦功率为：

（8）

区域Ⅲ挤压载荷为：

（9）

2.4 区域Ⅳ的变形力计算

区域Ⅳ如图5所示被划分为三个刚性块和死区，分别为F、G、H、O。刚性块F以挤压力P4i和速度V3i推动刚性块G以速度Vog沿og运动，刚性块G以速度Vog推动刚性块H以速度V4i从定径带流出，得到产品。由上文可知，R0、R2分别为导流模模上点的半径，焊合室腔体的半径也为R0，H3为区域Ⅳ成形区高度，H4为区域Ⅳ高度，d为铝护套壁厚，Z2为变量，通过上限功率的最小化求得其最优值，α、β、γ、δ、θ为可变角。如图所示，各速度间断面的面积为：

间断速度为：

令速度间断面上金属坯料的剪切屈服应力为K3，则速度断面上的剪切功率为：

（10）

令金属坯料与工模具之间的摩擦因子为m，则金属坯料与工模具之间的摩擦功率为：

（11）

其中：

则上限载荷P4i为：

（12）

令，求出使上限功率最小的Z2的最佳值，进而求解出P4i的极小值，即为所需要挤压力。

2.5 连续挤压包覆模腔入口处的总挤压力

由三个区域挤压力可知，连续挤压包覆模腔入口处的总挤压力为：

Pk=P1+P2+P3i+P4i （13）

3.铝护套连续挤压包覆模腔优化的探讨

将铝护套连续挤压包覆模腔分为四个区域，分别进行力学计算，可以发现在区域Ⅱ中汇合室中金属被分为两股，由速度计算可知，汇合室中两股金属流动速度的不一致直接导致导流模上下两部分，进而造成了模口处上下部分金属流动不一致，所生产的铝护套产品出现弯折和扭曲等缺陷。模腔的特殊结构导致了模腔内金属流动的不一致，进而使生产产品出现缺陷。因此，可以通过对模腔的结构与尺寸进行优化，使金属的流动一致，分析四个区域的上限法的力学计算，以金属流动均匀为目标，可以得到如下优化方法。

（1）由区域Ⅱ的力学分析可知，两股金属流动速度分别为：

令V21=V22，可得优化方程：

（14）

（2）由区域Ⅲ的力学分析可知：

假设区域Ⅱ中，模腔的结构与尺寸一定，则L1与V2i的值确定，可以通过调整R2/R0的值来相对应改变V3i的值，即改传统规则的瓶式导流模为不规则的瓶式导流模，为了得到圆管式铝护套，R2的值必须确定，则当R0的值增大时，V3i的值相应减小。因此，可以在流速较慢区域，相应减小R0的值，或者在流速较快区域，相应增大R0的值，这些都可以通过计算机辅助设计实现。

（3）由区域Ⅳ的力学分析可知：

（15）

假设区域Ⅱ中，模腔的结构与尺寸一定，则L1与V2i的值确定，为得到确定规格的铝护套，R2与d也为确定值，可以通过调整区域Ⅳ焊合室的半径R0来相对应改变V4i的值。在薄壁铝型材的挤压成型中，往往通过增加二级焊合室方法来实现金属流速的均匀。在二级焊合室设计时，在型材截面上速度较慢的区域，二级焊合室的轮廓适当扩大；反之，在速度较快的区域，二级焊合室的轮廓被缩小[10]。由于随焊合室深度的增加而增加， 焊合面平均静水压力相应增加[11]。另外，水平流道长度增加，有助于金属流动的均匀性[12]。因此，可以通过合理增加焊合室的深度来建立二级焊合室，既增加金属流动的均匀性，又增加焊合面平均静水压力。

4.结论

（1）计算各区域挤压力P1、P2、P3及模腔入口的总挤压力Pk，各个区域金属的流动速度。

（2）通过计算分析发现汇合室金属分流的不均匀是模腔导流模上下部分金属流速不均匀的主要原因。

（3）根据计算结果，探讨了以金属流动速度均匀性为目的，铝护套连续挤压包覆模腔的优化方法。可以通过优化方程，在流速较慢区域以及合理增加焊合室的深度建立二级焊合室等方法优化铝护套连续挤压包覆模腔。

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作者简介

王如见（1986-），男，江苏泰州人，硕士，主要研究方向：连续挤压工艺及数值仿真；