连续挤压流动特征的模拟与实验研究

作     者：王凌博 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李冰

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：连续挤压 流动特征 物理模拟 数值模拟 

摘      要：我国是铜合金生产与消费大国,提高铜合金产品质量与性能是我国工业经济进一步发展的必然选择,其加工工艺的升级与优化越来越受到重视。连续挤压技术作为有色金属加工工艺,也是成形铜合金线材的一种先进加工技术,已经广泛应用到工业生产中。连续挤压产品质量的高低则取决于成形过程中金属流动速度是否均匀,因此研究流动特征解决金属流速不均等问题具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文以H62黄铜合金为例,对其分别进行了正向挤压、侧向挤压、摩擦驱动侧向挤压和连续挤压的物理模拟研究,以探明摩擦驱动方式对坯料流动规律的影响,为掌握连续挤压流动特征奠定坚实基础。物理模拟研究可以通过不同坯料颜色的变化,直观表达出坯料的流动特征。研究表明:在驱动力不同的情况下,金属表现出不同的流动趋势;后端驱动的正挤压,产品中心流速最快,向四周递减,最外侧流速最慢;侧向驱动的侧挤压,产品中心区域流速大于四周,但产品出口下方流速大于上方;摩擦驱动侧挤压的摩擦驱动力不连续,产品流动特征与侧向挤压相似,但在挤压筒内部坯料会出现剪切混合现象;连续挤压的摩擦驱动力为连续的,腔体下部流速大于上部,且腔体下部坯料向上流动,并对产品组织分布产生影响。对于物理模拟无法分析的各种挤压及不同产品的变形温度、变形抗力和流动均匀性等问题,本文又进行了DEFORM数值模拟,在观察了速度场、温度场、等效应力场、等效应变场的同时,着重对其流速均方差(SDV)进行了对比分析,研究发现:正挤压产品流速最快,均匀性最差;摩擦驱动侧挤压产品流速最慢,均匀性最佳;在等截面积的圆棒、四方、六方三者中,圆棒流动速度最快,均匀性最差,四方产品流速均匀性最佳。针对等截面积的圆棒、四方、六方产品,进行了连续挤压实验。以棒材产品为例,通过物理模拟、数值模拟与产品金相组织图对比,得出连续挤压金属流动特征:金属流速不均,腔体中心位置流速最快向四周逐渐减小,上下两侧非对称分布,下侧流动速度大于上侧,靠近模具口处金属流动速度大于靠近挤压轮一侧,同时腔体下侧金属会出现上翻现象;腔体横截面死区呈环形状,纵截面死区呈三角状,上下两侧死区范围大于左右两侧,下侧死区范围大于上侧;对φ8mm坯料挤压φ5mm圆棒产品的实验,腔体截面死区分界线符合对数函数与二次函数关系,其中横截面死区分界线函数关系式为y=ln(2106.3x-982.35),纵截面死区分界线函数关系式为y=0.12x+0.13x+0.29,通过定积分运算,横截面死区面积占比约为30%,纵截面死区面积占比约为11%。