铜排是一种大电流以及超大电流导电型材,广泛应用于冶金、电镀和化工等行业,可用于制造高低压电器、配电设备、开关触头和母线槽等.作为大电流导电产品,铜排表面必须光滑,无毛刺、凹坑、棱角,以防在尖端或凹坑部分放电,造成短路.铜排的主要生产方法及相应的产品尺寸见表 1.高精度异形铜带用于半导体塑封三极管的引线框架的制作^[1],断面有U形、T形、L形、W形和阶梯形.U形铜带规格中宽厚比最大为179,最小为135.异形铜带的生产方法有锤锻法、异形孔型轧制法和铣削法.锤锻法生产的产品表面光滑,尺寸精度高,但要求每分钟锤锻2 000余次,对设备要求较高;异型孔型轧制法生产的产品尺寸不均,易产生毛刺,导致放电;铣削法生产的产品表面留有痕迹.铝及铝合金大型壁板型材在宇航、航空、船舶上层结构、列车厢体、城市地铁、城市轻轨、汽车厢体、现代建筑、集装箱、导弹以及机场跑道等方面应用广泛.整体壁板已成为一门独立的专业技术,作为衡量各国航空工业发展的重要标志之一^{[2, 3]}.大型整体壁板的热挤压法的挤压能力及产品尺寸见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 4种挤压法生产能力及产品尺寸 Tab. 1 Production capacities and product sizes of four kinds of extrusion method 挤压方法 挤压力/t 挤压筒规格/mm 最大宽度/mm 最小厚度/mm 最大宽厚比 圆筒挤压 20 000 Φ1 100.0 1 000.0 9.0 111 扁筒挤压 20 000 Φ450×1 200 1 100.0 18.0 61 宽展挤压 12 500 Φ650 680.0 3.5 194 连续挤压 TJ550 — 204.5 7.5 27

表 1 4种挤压法生产能力及产品尺寸 Tab. 1 Production capacities and product sizes of four kinds of extrusion method

由表 1可知,圆筒挤压法、扁筒挤压法和宽展挤压法挤压力很大,易损坏模具模腔;连续挤压法挤压宽度小,最大宽厚比小.因此，这4种方法均不适合用于生产大型壁板型材.

Extrolling是Avitzur于1974年4月16日提出的用于线材制备的方法^[4],并于1976年1月27日取得专利授权.Extrolling是一种较为新颖的材料加工方法,到目前为止,相关报道很少,也未见应用于工业.但是若能利用轧挤法生产大宽厚比型材,则其具有不可替代的优点:产品尺寸及宽厚比不受限制.目前对Extrolling的研究较少,谢建新、刘静安^[5]指出Extrolling由于挤压型腔长度短、接触摩擦面积小等缺点,难以获得足够大的挤压力,很难用于材料成形.Festykovskii^[6]讨论了成形模具前沿距两辊中心连线的距离对挤出成形的影响,并给出了最有效的成形区域.Stahlberg和Göransson^[7]从理论上分析了Extrolling的过程,并用速端图分析对比区别轧挤与轧制过程中金属流动的差异.Alexander^[8]利用电脑程序对Extrolling过程进行理论计算,分析讨论了Extrolling与Rolling的区别.

物理模拟法已被广泛应用于金属的变形研究^{[9, 10, 11, 12]}.Altan等^[9]利用橡皮泥代替金属,模拟金属的挤压变形过程,并以此为基础计算挤压力的大小.Jain等^[10]采用物理模拟法模拟金属的大塑性变形过程,并把模拟结果与计算机模拟结果对比,得到了很好的吻合.Sofuoglu^[11]利用橡皮泥代替金属材料模拟轧制过程中金属的流动性质和相关参数的变化.Aydin等^[12]利用物理模拟法和数值模拟法模拟金属在传统挤压法中的变形形态.

本文利用二辊轧机改装的连续轧挤设备,用橡皮泥作为模拟材料,模拟大型壁板型材的成形,并且对Extrolling进行了工程法力学分析.

Extrolling的工作原理如图 1所示,轧挤辊轮作旋转运动,在轧挤辊轮圆周上有一环形扁平槽,挤压模腔工作圆弧与轧挤辊轮的圆周相配合,挤压模腔内装有挤压模具.坯料首先经轧挤辊轮轧制,在摩擦力的作用下被连续送入挤压腔,坯料在挤压腔内流动受阻,产生堆积.堆积的坯料在轧挤滚轮挤压力和摩擦力的作用下通过挤压模具挤出产品.

图 1

图 1 连续轧挤工作原理 Fig.1 Operating principle of extrolling

连续轧挤设备由两辊轧机改造而来,主要由传动电机、减速箱、分速箱、压下装置和机架等原有构件以及轧挤辊轮、挤压模腔、挤压模具等新设计的部件组成.轧挤辊轮、挤压模腔和挤压模具构成了连续轧挤设备的核心部分,其装配图如图 2(a)所示.

图 2

图 2 连续轧挤设备 Fig.2 Extrolling device

轧挤辊轮的主要工作部分为中间带有扁平槽的圆柱体,其两端直径为200 mm,中间直径为194 mm,槽宽100 mm.装配时,两端大圆柱面相互接触,并用压下装置压紧,中间较小的圆柱面及侧边形成一个缝隙.该缝隙即为轧制阶段的轧缝,缝高为6 mm,两小圆柱表面即为轧制阶段的轧制面和挤压阶段的挤压面,侧面即为防止坯料侧溢的阻挡面.连续轧挤过程中坯料与轧制面、挤压面和阻挡面之间的有效摩擦提供成形的动力.

挤压模腔的结构如图 2(b)所示,其两端外切圆弧与轧挤辊轮两端大圆柱表面内切配合,在轧挤辊轮与挤压模腔之间构成一个具有唯一通道的空间,此空间为模具安装的空间.

挤压模具结构相对简单,装配在挤压模腔的通道内.轧挤辊轮、挤压模腔和挤压模具装配后在其内部形成挤压腔,挤压腔内的坯料在摩擦力与挤压力的水平分力作用下通过挤压模具成形.

选橡皮泥代替铜作为模拟材料模拟大宽厚比铜排的试验,原因在于橡皮泥和铜具有相同的变形特性,即在变形过程中首先经历弹性变形,达到弹性极限后开始塑性变形^{[13 ,14]}.

橡皮泥做成200 mm×100 mm×10 mm规格的板状.

模具成形部分(定径带)截面尺寸分别为:宽98 mm,厚1 mm,定径带的长度4 mm.

电机的转速为730 r/min,减速箱速比为31.5,最终轧挤辊轮的转速为23 r/min.

用橡皮泥模拟大型壁板型材的成形,轧挤出的片状橡皮泥样品见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 试验样品参数 Tab. 2 The experimental sample parameters 样品 宽/mm 厚/mm 宽/厚 1 98 1 98

表 2 试验样品参数 Tab. 2 The experimental sample parameters

模拟过程中轧挤出的片状橡皮泥见图 3.

图 3

图 3 宽厚比为98的物理模拟 Fig.3 The physical simulating of processing slab with the width-thickness ratio as 98

轧挤辊轮与坯料之间的摩擦视为黏性摩擦,如图 4所示.摩擦力的表达式为

图 4

图 4 Extrolling工程法力学分析 Fig.4 Force analysis of blank in extrolling

积分后摩擦力为

坯料通过模具轧挤成形所需的挤压力为

若要连续轧挤理论可行,则

即

所以,只要调整参数R、α₁、α₂、λ、H₂、L_a、D_a和β,使其满足不等式(5)即可理论证明Extrolling的可行性.

本连续轧挤的试验参数见表 3.把和表 3中的数据代入式(5),得到48.35≥11.满足不等式的要求,进一步说明本试验的可行性.

表 3(Table 3)

表 3 Extrolling的试验参数 Tab. 3 Experimental parameters of extrolling R/mm α1/(°) α2/(°) λ H2/mm La/mm Da/mm β/(°) 100 12 16 14.26 14.26 1 1 60

表 3 Extrolling的试验参数 Tab. 3 Experimental parameters of extrolling

Extrolling最终靠模具成形,制备的大型壁板型材具有尺寸精度高和表面质量好等优点,且可以制备各种截面形状的大型壁板型材.从理论上说,Extrolling坯料经过轧制和挤压后通过模具成形,在此过程中,坯料受到剧烈的剪切作用,最终产品的组织要好于轧制法得到的各向异性的组织.

Extrolling过程中,轧挤辊轮与坯料的摩擦力方向如图 5所示,坯料受到总的驱动力为

图 5

图 5 连续轧挤与Conform坯料受力分析图 Fig.5 Force diagrams of billets in extrolling and conform

而在Conform中,坯料受到总的驱动力为

由于 f₂、f₄ 小近似相等,方向相反,即

所以f_总可表示为

因此,与Conform相比,Extrolling能源利用率高.

Extrolling的原坯料可以为杆材,也可以为板材.采用Extrolling进行大型壁板型材的生产,其特色在于只要板材坯料的宽度和大型型材的宽度相同,则坯料在挤压模腔内无需扩展,直接通过模具成形.因此,与扩展模技术相比,Extrolling生产的产品尺寸不受限制,理论上可以生产任何宽度的产品,这是扩展模技术无法达到的.

(1) 橡皮泥模拟试验成功试验了宽度为98 mm、厚度为1 mm的样品,证明了连续轧挤法用于制备有色金属大型壁板型材的可行性.

(2) 工程法分析Extrolling的力学过程,摩擦力的水平分力可以通过调整参数大于轧挤成形所需的力,理论上证明了Extrolling的可行性.

(3) Extrolling过程中,坯料4面受到的轧挤辊轮的摩擦力均为动力,摩擦力利用充分,能源效率更高.

(4) 只要坯料的宽度与产品的宽度相同,坯料在挤压腔内无需扩展,理论上可以生产任何宽度和宽厚比的大型壁板型材.