随着高压电力、电子、信息、高速铁路工业的发展,铜及铜合金棒、线材尤其是高精度铜棒材的需求日益旺盛。高精度铜棒的关键品种为高压、超高压真空开关内的动导杆和静导杆,高压电器及超高压电器控制器的接触器、导体及导体接头、汇流接头体等大流量导体器件,高速电气化铁路器件等。连续挤压周向扩展成形技术,有效地利用坯料与挤压轮之间的摩擦力,通过以小截面坯料挤压大截面产品的加工方法,无需加热即可实现圆棒材近净挤压成形。然而,在大面积扩展比的连续挤压铜棒材距表面一定深度范围内或多或少存在内部夹杂、分层缺陷。因此,揭示连续挤压周向扩展变形机理,确定变形工艺条件与分层缺陷的关系,对推动铜材连续挤压技术进步具有积极的意义。本文基于TLJ400连续挤压机,针对T2纯铜,采用解析计算、数值模拟、物理模拟和试验研究的方法,研究了面积扩展比、挤压轮转速、流动通道长度、模具结构等工艺参数对铜棒材连续挤压成形及微观组织的影响规律,揭示了分层缺陷产生机理,得到如下研究结果:利用主应力法建立了铜棒材连续挤压周向扩展成形过程型腔区的力学模型,推导出工艺参数与腔体入口单位挤压力的关系,获得腔体入口处的单位挤压力计算公式:(?)以挡料块极限载荷为目标,利用MATLAB软件分析了工艺参数对腔体入口单位挤压力的影响规律。计算结果表明:腔体入口的单位挤压力随着模具收缩角的增加而增加。当扩展腔扩展角为π/2时,单位挤压力最小;扩展角越大,扩展模长度对单位挤压力的影响则越小。根据推导的力学模型可得到在挡料块极限载荷下各参数的极限范围并进行了试验验证。利用DEFOEM-3D模拟软件对铜棒材连续挤压周向扩展成形过程进行数值模拟,模拟结果表明:挡料块载荷行程主要分为三个阶段,送料阶段、填充阶段和稳定阶段,稳定阶段时挡料块载荷约为1.53×10~5 N。连续挤压周向扩展成形过程中,金属流动速度在直角变形区达到最大值,在挡料块处有明显的紊流特征。直角变形区是整个连续挤压过程中变形最剧烈的区域,温度达到了最高值,横截面上两侧的温度高于中间。挤压轮转速对直角变形区的速度影响较大,当转速为2 rpm和10 rpm时,此处同一截面的速度差分别为10 mm/s和100 mm/s。当面积扩展比为1.0时,腔体入口到出口的速度变化最大;面积扩展比为6.25和9.0时,最大扩展截面中心与边缘的速度差较小,仅为2 mm/s。增加流动通道长度可以减小腔体入口到模具出口的速度梯度,改善金属流动的均匀性。优化的C型挡料块结构阻流效果最好,可有效改善紊流状态,金属经过直角变形区时流动速度差及温度差最小。当扩展角为50°、收缩角为40°时,扩展模与挤压模之间的死区最小,腔体内的金属流动速度最均匀。物理模拟结果表明:坯料经过直角弯曲区后有向上流动的趋势,导致坯料在腔体横截面处的上、下流动不均,在初始扩展处的横截面上可以看出在坯料存在偏心现象。在纵剖面上可以看出,腔体内的死区并非一直存在,随着新的坯料不断送入可逐渐替换掉原来的坯料。面积扩展比越小,在模具出口处坯料流动速度越快,产生的分层线越少。通过对连续挤压周向扩展全过程组织演变分析可知,在镦粗区,金属内部产生高密度位错,位错线通过运动与交互作用形成位错缠结,随着变形量的增加,位错不断增殖并发生聚集,由位错缠结构成的胞状结构在加温过程中胞壁逐渐平直化,并形成亚晶。随着变形量的增大,拉长的晶粒被破碎成为细小的再结晶核心。较大的应变速率差导致了在镦粗区,粘着区以及直角变形区的不同位置晶粒尺寸存在着较大差异。金属在腔体入口处同一横截面上流动速度差较大,导致金属的下边缘发生剧烈剪切作用,从而形成分层缺陷,在腔体内最大扩展处分层宽度最大,最大扩展处由于死区的存在导致边缘区域组织晶粒尺寸有较大差别,分层随着金属的流动一直带入到产品中。挤压轮转速越高,产品下边缘分层缺陷越明显,分层的厚度越大,当转速超过8 rpm时,下边缘开始出现开裂的现象。边缘的分层宽度随着面积扩展比的增加而加宽。模腔角度直接影响了腔体内死区的范围,对于铜棒材扩展成形有着显著影响,扩展模和挤压模角度越大,产品分层的厚度越宽。优化工装模具结构可以改善分层缺陷,采用圆拱形挡料块结构可有效减小腔体入口处的分层缺陷,采用圆弧形模具结构消除死区可有效的减少分层缺陷,两种结构配合使用成功挤压出无缺陷的Φ50 mm圆铜棒产品。