引言

現在銅的擠壓生產工藝已經比較成熟，而且對銅在擠壓過程中金屬的流動情況也有很多研究方法：視塑性法、坐標網格法、低倍和高倍組織法、偏振光法、云紋法等。但利用有限元模擬仿真軟件模擬銅的擠壓流動過程的研究見諸報導的較少。本文采用能較真實地反映材料加工過程的塑性大變形軟件MSC.Superform建立了擠壓模型，采用熱力耦合法研究了銅在熱擠壓過程中的金屬流動情況，分析了金屬變形情況和應力分布情況，并且和實驗結果進行比較分析。

1 計算模型的建立

1.1有限元模型的建立

根據實驗所用銅棒擠壓過程中的幾何參數和形狀，銅棒、模具及擠壓軸的幾何模型如圖1所示(軸剖面圖)。這是一個典型的軸對稱零件成型，所以只需建立半個幾何模型即可，把它當作軸對稱問題處理。

圖1 擠壓幾何模型

1.2 網格劃分
 
建立有限元模型后，進行網格劃分。網格大小和實驗所刻畫網格相同，以便于比較分析，如圖2所示。

圖2 有限元模型及網格劃分

1.3 初始條件

銅錠坯(變形體)和模具(剛體)之間的摩擦因數為0.25。初始溫度定為800℃。

1.4 施加載荷

擠壓軸(剛體)在X方向的速度為12mm/s。模具固定不動。擠壓時間為1s，分500步擠壓完成。

1.5 材料特性

采用純銅T1材料，在擠壓過程中，初始溫度定多800℃，溫度變化不大，所以不考慮溫度對材料性能合影響，在800℃時T1材料參數為:楊氏模量E=7.9x10*4mg/ ( s2·mm )，泊松比μ= 0.33，密度p=8.7 x10-*9mg/mm3，比熱c=5.85 x 10*8mm2/( s2·℃)，熱導率k=50mg·mm/ ( S3·℃)，熱膨脹因數為2.1 x 10-*5℃.彈塑性變形，滿足彈塑性材料的基本假設和力學基本方程;材料的屈服強度σs= 220mg/ ( s2·mm)。所有單位采用模擬仿真軟件MSC. Superform的單位。

2 擠壓實驗

為了驗證模擬結果，筆者進行了擠壓實驗。擠任所用材料為純銅，銅棒幾何尺寸為:D=26mm, L=40mm。將銅棒從軸剖面分割開，在兩個剖面上劃分22 x 33的網格，在網格縫中填加云母，以防止擠壓劃程中網格閉合。擠壓實驗所用設備是YT32-315(315kN)四柱液壓機。擠壓時先將模具和錠坯加熱尹800℃左右，再進行擠壓。

3 模擬結果分析

3.1流線

流線模擬結果如圖3所示，實驗結果如下：

圖4 擠壓實驗后的網格流線

從圖4、圖5可以看出模擬結果與實驗結果基本吻合，兩圖中錠坯中心的縱向網格線明顯向擠壓方向突出，說明中心的金屬流動速度比模具邊緣的金屬流動速度快。沿徑向上，中心的網格縱向延伸成為近似矩形，而外層的網格變為近似的平行四邊形。這說明外層金屬不僅承受了縱向延伸變形，還因為和模具的摩擦作用而承受了附加的剪切變形。可見應用大型有限元模擬軟件在模擬銅的熱擠壓流線問題上是可行且比較成功的。

3.2溫度及應力分布

圖5是擠壓后溫度分布云圖，圖6是擠壓后等效應力分布云圖。

圖5中最高溫度為858.8℃，位于剛離開模具的錠坯邊緣上，而錠坯脫離模具后，溫度呈下降趨勢，可見摩擦產生熱在模擬過程中也有很好的反映。從圖6中可以看出最大、最小等效應力分別為423. 2和53.12mg/ ( s2·mm}，即423.2和53.12MPa。應力最大值出現在錠坯進入定徑帶附近。

圖6 擠壓后等效應力分布云圖

3.3 位移

圖7、圖8分別為金屬流動第499步與500步之間X、Y方向上的位移增量云圖。很明顯可以看出在X方同上曲線d右邊的位移增量最大，為1.238mm，而曲線h以上的位移增量最小，為0.2731 mm。在Y方向上，絕對位移增量最小的是曲線a，為-0. 05328mm，最大的為曲線i，為-0. 5049mm。兩圖直接地說明金屬的流動速度情況，在X方向上表層金屬在進入變形區時由于有剪切力，并且摩擦力增大，所以流動速度最小。而錠坯中心的金屬流動速度相對大些。當金屬擠出定徑帶后速度最大。在Y方向上，金屬進入變形區后，由于剪切力的作用，開始有Y方向的速度，在將要進人定徑帶的表層區域，金屬的Y方向速度最大。

圖8 Y方向位移增量云圖

3.4 擠壓力
 
擠壓軸上所受的力如圖9所示。

圖9 擠壓軸上所受的力

從圖9中可看出，剛開始擠壓階段擠壓力很小，接近0，當金屬進入變形區后，擠壓力逐漸增大，當最前端的金屬進人定徑帶后擠壓力趨于平衡，最大值為5.693 x 105 m群 ( s2·mm)，即5. 693 x 105 MPa。

4 結論

1)在準確建立幾何模型和計算條件的基礎上，采用熱力藕合彈塑性有限元分析模塊，可以再現熱擠壓過程的變形，得出熱擠壓后流線、溫度、等效應力、位移及擠壓力等重要參數的模擬值。

2)該流線模擬結果與實驗結果基本相符，說明采用有限元軟件模擬金屬流動過程是比較成功的，這為優化擠壓工藝了更為可靠的依據。并且為難擠壓材料的擠壓研究提供了一條有效的途徑。