周财丽1 单利剑2 王波3
北方华安工业集团有限公司 黑龙江齐齐哈尔161046
摘要：铜材以其优异的导电、传热、耐蚀等性能广泛应用于国民经济的各个领域，为电子电气、信息、机械制造、交通运输、建筑、能源等领域提供强有力的支撑，成为发展现代工业、科技、国防不可缺少的基础材料。本文详细探讨了转速对铜材连续挤压产品组织性能的影响。
关键词：转速；铜材；连续挤压；产品组织性能
连续挤压法作为一种高效、优质、经济的塑性成形方法，在工业上得到了广泛的应用，使挤压生产从不连续变为连续。与传统挤压法相比，连续挤压法可节能降耗，简化生产工艺，提高生产效率和产量，特别是在铜扁线的工业生产中，连续挤压技术已基本取代传统工艺。随着电动机制造技术的进步及发展，对铜扁线的综合性能提出了更高的要求。但在实际生产中发现，连续挤压生产的铜扁线硬度普遍较高，在绕线时易回弹，导致工人工作强度增加，绕组产品质量下降。由于产品的力学性能很大程度上取决于金属的微观组织，而在热变形中，金属的显微组织会受到变形条件的影响，因此在实际生产中通过调整工艺参数来控制产品性能。
一、连续挤压工作原理
连续挤压工作部分由挤压轮和腔体、导板构成，在挤压轮圆周上有一环形沟槽，铜杆料可由此沟槽喂入。当装有进料导板及模腔的靴座合上并压紧后，进料导板及模腔的工作弧面与挤压轮的圆周相吻合并保持一个合理的工作间隙。工作中挤压轮在主轴电机驱动下按图示方向旋转。经压料轮压实在环形沟槽中的杆料，在摩擦力作用下被连续咬入，在腔体的挡料块前，沟槽中的坯料运动受阻，于是因摩擦而升温、变形，被挤入模腔中，进而通过模腔内的挤压模具孔挤出，形成产品。
二、数值模拟
对20mm×5mm铜扁线进行连续挤压，利用Deform-3D软件模拟了不同挤压轮转速下金属的流动过程。研究了转速对金属温度场及工具温度场的影响，并将模拟结果与工程实验结果进行比较。
1、铜扁线连续挤压模型。工模具尺寸由TLJ300型连续挤压机实际尺寸确定；模拟中采用的变形材料为纯铜；工模具材料采用AISI-H13钢；毛坯为刚性塑体，模具等工件为刚性体；挤压轮转速n分别为4、7、10r·min-1；坯料与工模具接触面上的摩擦力采用剪切摩擦模型。由于连续挤压模型结构对称，取整个模型的1/2进行模拟计算。
2、数值模拟结果
1)坯料温度分布。转速下，金属的温度在腔室入口处均匀升高；到达腔体内部达到最高温度；在扩展变形区，温度逐渐降低；模具入口处温度中高两侧低；直到模具出口处，产品温度均匀分布。不同的是，随着转速的增加，金属的最高温度升高。根据提取的数据，腔体中金属的最高温度为520℃、610℃、670℃，模具出口处的产品温度约为460℃、530℃、551℃。这是因挤压轮转速越高，挤压速度越快，即变形速率越快，热效应越高，因此金属温度会升高。
2)模具温度分布。最高温度分布在模具出口处，最高温度约为358℃、500℃、549℃，转速提高后温度相应升高了40%及10%；在较低转速下，模具温度对转速更为敏感；随着转速的提高，最高温度与高温区的温度分布范围逐渐扩大，模具的磨损程度增加，从而降低其使用寿命。
三、工程实验
1、实验材料与过程。实验设备和工艺参数与数值模拟相对应。实验过程中，将红外测温装置固定在挤压机上，并与计算机相连，时刻记录产品出口处的温度，然后将挤出产品直接冷却至室温，最后对稳态挤压铜扁线进行取样分析。首先，利用OLYMPUS数字图像采集光学显微镜对其进行横截面采集和分析，腐蚀溶液为FeCl3+HCl+酒精水溶液；再采用AG-IS系列落地型拉伸试验机及瑞士博赛硬度计对其力学性能进行测试。
2、实验结果与分析
1)温度和电流。
产品出口处的温度由4 r·min-l时的455℃上升到7 r·min-l时的490℃，增加了7.7%，而主机电流值由4r·min-l时的116.9A降低到110.4A；当挤压轮转速为10r·min-l时，产品出口温度上升到530℃,升高8.2%，主机电流降至100.5A。由此可见，随着挤压轮转速的提高，产品出口处温度逐渐升高，主机电流值逐渐降低。同时，模拟产品的出口温度与实验产品出口温度，以及由实验电流计算出的实际转矩与模拟得到的转矩变化规律相同，充分说明了仿真参数的设置基本合理，以及计算结果的准确性。其中，模拟温度高于实测温度，主要原因是模拟中未考虑工装的水冷散热；模拟扭矩小于实际扭矩的原因是实际生产中机械传动的损耗。
上述变化规律主要是由于挤压轮转速的提高使金属内部储能增加，变形区产生的热量增多，同时，这部分热量来不及向外扩散并在变形物体中积聚，因此产品出口处的温度逐渐升高。同时，温度的升高使塑性成形更容易，因而电流值逐渐减小。
2)显微组织。在挤压轮转速为4、7、10r·min-l时，进行了纯铜连续挤压试验。对在线水冷淬火后的挤压制品进行了横截面分析，并对制品中心部位的显微组织进行了分析，最后获得了不同挤压轮转速下铜扁线的显微组织。结果表明，金属中发生了回复再结晶。连续挤压过程中会发生剧烈的剪切、挤压变形，产生大量的变形热及摩擦热，为动态再结晶提供驱动力及温度条件，使金属再结晶。当挤压轮转速较低，即4r·min-l时，晶粒较细小，晶粒尺寸随挤压轮转速的增大而增大。其原因是随着挤压轮转速的提高，变形区温度逐渐升高，晶界扩散与迁移能力增强，晶粒易发生长大，导致晶粒粗化。
当挤压轮转速为4r·min-l时，产品出口温度为455℃，晶粒尺寸相对细小，金属内部发生部分再结晶，并出现孪晶结构，但组织不是很均匀。挤压轮转速较慢时，挤压温度低，金属中能量低，新相自由能与母相自由能相差值小，不利于再结晶形核；当挤压轮转速为7r·min-l时，产品出口温度达到490℃,回复再结晶程度进一步提高，显微组织趋于均匀。其原因是随着挤压轮转速的提高，挤压温度升高，位错攀移及交滑移更容易，亚晶界易迁移长大，亚晶也易转动聚合，并发展成为动态再结晶的核心，使热变形时形核率增大，使动态再结晶更加充分，晶粒更加均匀。当挤压轮转速达到10r·min-l时，产品出口温度达到530℃,晶粒明显粗化。挤压温度越高，动态再结晶越充分，组织越均匀，但晶界扩散及迁移能力增强，晶粒易于长大和粗化。因此，提高挤压轮转速可增加金属的再结晶程度，但同时过高的转速会使晶粒粗化。
3)力学性能。当挤压轮转速由4r·min-l提高到7r·min-l时，拉伸强度由219.8MPa下降到204MPa，下降了7.2%；屈服强度由116.6MPa下降到100.2MPa；伸长率由60.0%下降到57.5%；硬度从61.5HB下降到57.14HB。当挤压轮转速提高到10r·min-l时，拉伸强度下降到191.1MPa，下降了6.3%；屈服强度降至93.1MPa；伸长率下降到55.75%；硬度降至56.3HB。由此可见，随着挤压轮转速的提高，拉伸、屈服强度明显下降，硬度及延伸率也有所下降，但下降程度有限。
材料的塑性与晶粒尺寸密切相关。随着挤压轮转速的提高，金属温度升高，促进了纯铜的动态再结晶。温度越高，动态再结晶越充分，缺陷越少，位错运动阻力越小，强度越低。同时，转速升高引起的温升会促进晶粒长大，降低强度和伸长率。
四、结论
1、在连续挤压成形中，金属的温升主要集中在腔体中，最高温度出现在腔体内部；模具出口处温度降低，分布均匀。
2、随着挤压轮转速的提高，挤压变形速率加快，其热效应越大，变形金属的温度越高；模具的最高温度及高温区逐渐增大，增加了模具的磨损；同时，在较低转速下，模具温度对转速更为敏感。
3、随着挤压轮转速的提高，金属回复再结晶程度逐渐增大，晶粒长大；产品的抗拉、屈服强度明显下降，硬度及伸长率也有所下降，但降低程度有限。
4、在满足生产效率的同时，可将挤压轮的转速调节在适当的范围内，从而控制温度延长模具的使用寿命，改变零件的力学性能。
参考文献：
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[2]刘元文.铜扁线连续挤压技术[J].锻压技术，2015(03)．
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