摘要:針對(duì)80MN海綿鈦壓機(jī)所壓制的電極塊從凸模中脫模困難及電極塊密度分布不均的問(wèn)題，通過(guò)有限元軟件模擬分析了電極塊在脫模過(guò)程中，凸模和電極塊的應(yīng)力場(chǎng)、主應(yīng)力、速度場(chǎng)分布情況，定量分析了電極塊所受的摩擦力，找出了脫模困難的原因。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了凸模成型面形狀，模擬分析了優(yōu)化后凸模尖角處的強(qiáng)度、脫模過(guò)程及電極塊的密度分布情況。優(yōu)化后的凸模不僅徹底解決了電極塊脫模困難的問(wèn)題，而且電極塊密度不均勻的情況得到了改善。

　　關(guān)鍵詞：海綿鈦電極塊；凸模；脫模；有限元模擬

　　工業(yè)上一般采用模具壓制海綿鈦電極塊，然后用于制備自耗電極。用于壓制海綿鈦電極塊的模具，不僅要求所壓制的電極塊密度、強(qiáng)度、尺寸滿足要求，而且要求電極塊在成型過(guò)程中易于脫模，成型后的電極塊易于堆垛、裝夾和焊接。

　　西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司采用80MN油壓機(jī)壓制鈦及鈦合金電極塊，所壓制的電極塊質(zhì)量在115~200kg之間。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在電極塊壓制成型過(guò)程中，當(dāng)電極塊的上頂面與模腔的下底面平齊時(shí)，電極塊易卡在凸模中，無(wú)法在重力作用下從凸模的成型面內(nèi)脫出，如圖1所示。這時(shí)需要滑塊帶動(dòng)凸模向上回程300mm，進(jìn)入模腔，再下行300mm，退出模腔，連續(xù)2~3次，利用電極塊與模腔之間的摩擦力將電極塊從凸模的成型面剝離。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)脫模，導(dǎo)致電極塊生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低。此外，從所壓制的電極塊表面質(zhì)量來(lái)看，其頂部海綿鈦顆粒變形量小，且排列疏松，而與凸模兩側(cè)尖角接觸部分的海綿鈦顆粒變形量大，且排列緊湊，如圖2所示。這種電極塊經(jīng)過(guò)焊接制成自耗電極后，在熔煉過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，不利于鑄錠合金成分的均勻化。為了減少脫模時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也為保證鑄錠熔煉過(guò)程成分的均勻性，避免自耗電極掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，則需要對(duì)電極塊壓制模具進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

圖1 電極塊卡在凸模中的示意圖

圖2 凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化前電極塊宏觀照片

　　1、電極塊壓制過(guò)程模擬分析

　　為了找出電極塊脫模困難的原因，采用有限元軟件對(duì)電極壓制過(guò)程和模具受力情況進(jìn)行分析。

　　因電極塊形狀左右對(duì)稱，視其為平面應(yīng)變問(wèn)題，選用2D模擬。模型單元為四邊形四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，并對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化劃分，如圖3所示。基于粉末塑性力學(xué)方法建立材料模型。對(duì)電極壓制過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)：①電極壓制過(guò)程為X、Y平面應(yīng)變問(wèn)題(因電極塊出型腔后只與凸模接觸，不考慮X、Y平面邊界條件）；②凸模與底模按彈性模型設(shè)定（模具材料為Cr12MoV)，其余設(shè)定為剛體；③電極材料視為可壓縮的連續(xù)體，按多孔介質(zhì)Porous模型設(shè)定；④壓制過(guò)程考慮變形熱及熱傳遞；⑤考慮重力的影響（與脫模落料相關(guān))。模型選用有限元軟件中的Porous模型。所壓制的物料為海綿鈦顆粒和中間合金顆粒的混合體，根據(jù)海綿鈦及合金顆粒的大小、孔隙等裝料實(shí)際情況，經(jīng)計(jì)算確定材料初始相對(duì)密度為0.318。在壓制初期，材料處于低密度的松散狀態(tài)，其準(zhǔn)確性較低。在壓制后期，高密度區(qū)域（相對(duì)密度≥0.7)能較好的解釋多孔介質(zhì)的變形行為。

圖3 電極塊有限元模型

　　模型邊界條件處理：因海綿鈦電極塊的壓制屬于冷擠壓塑性成型，故采用常系數(shù)剪切摩擦模型。海綿鈦顆粒與模具的摩擦系數(shù)設(shè)為 在電極塊壓制過(guò)程中，考慮變形熱的影響。

　　1.1優(yōu)化前電極塊及凸模截面尺寸

　　壓制的電極塊最大對(duì)角線尺寸為480mm，融化該電極的坩堝內(nèi)徑為560mm，單個(gè)電極塊規(guī)格為436mm×400mm×215mm，平均密度為3.6×103 kg/m3，質(zhì)量為115kg。圖4為電極塊截面及凸模截面尺寸示意圖。

圖4 優(yōu)化前電極塊及凸模的截面尺寸示意圖

　　1.2電極塊壓制過(guò)程模擬分析

　　在電極塊脫模過(guò)程中，電極塊上頂面和模腔下平面平齊時(shí)，電極塊已不受模腔的摩擦力作用，只受重力和凸模給它的作用力。顯然，凸模給電極塊的作用力大于電極塊所受重力，使其無(wú)法從凸模的圓弧成型面內(nèi)順利脫出。

　　選用Deform-3D軟件進(jìn)行有限元模擬。該軟件是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門用于分析各種成型過(guò)程中的金屬變形，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┕に嚪治鰯?shù)據(jù)。為簡(jiǎn)明扼要的說(shuō)明問(wèn)題，按軟件操作流程，在后續(xù)的分析過(guò)程中選取關(guān)鍵步驟與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行論述。

　　電極塊成型要經(jīng)過(guò)凸模加壓、保壓、卸壓、滑塊回程、模腔頂起、底模退出、電極塊脫模等過(guò)程。模具與電極塊在每個(gè)過(guò)程中所受的力各不相同，因而對(duì)這些相關(guān)過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

　　電極塊保壓階段，如圖5a所示，凸模左右兩側(cè)尖角因受電極塊的反作用力而張開并與型腔接觸，此時(shí)電極塊與凸模、底模及型腔充分接觸，凸模所受的最大等效應(yīng)力為1198MPa，位于凸模上部的螺紋孔處；凸模卸壓、模腔頂起、底模退出后，電極塊釋放內(nèi)部應(yīng)力，其與凸模僅在尖角圓弧過(guò)渡處接觸，電極塊前后面與型腔局部接觸，凸模左右兩側(cè)尖角處因彈性變形恢復(fù)與型腔脫離接觸，凸模等效應(yīng)力大幅度降低，最大等效應(yīng)力在凸模左右兩側(cè)的尖角處，為233MPa，如圖5b所示；電極塊的最大等效應(yīng)力在凸模尖角對(duì)應(yīng)的臺(tái)階處，由701 MPa降至672 MPa。

圖5 優(yōu)化前保壓與卸壓后凸模和電極塊的等效應(yīng)力分布圖

　　從電極塊壓制過(guò)程中保壓、卸壓及底模退出時(shí)的速度場(chǎng)變化(如圖6所示)可知，當(dāng)?shù)啄Ｍ顺鲂颓缓螅姌O塊迅速與凸模局部脫離。但凸模兩側(cè)尖角處向電極塊心部迅速回彈的速度更大，對(duì)電極塊產(chǎn)生強(qiáng)烈的夾持作用，直至電極塊頂部與模套下平面平齊時(shí)，夾持力依然存在，如圖7所示。因?yàn)殡姌O塊夾持反作用力作用于凸模尖端，并使其產(chǎn)生最大180MPa的等效應(yīng)力，如圖7a所示。沿Z方向(電極塊長(zhǎng)度方向)，如圖7b所示，單位長(zhǎng)度(1mm)X方向的夾持力 Nx=-86.7~148N，若摩擦系數(shù)μ取0.1，已知電極塊長(zhǎng)度L為400mm，由F阻=u×Nx×L得出脫模阻力為3468~5920N，這個(gè)力遠(yuǎn)大于電極塊自重(1127N)。此時(shí)，由圖7c所示凸模及電極塊速度場(chǎng)的分布情況可知，凸模尖角處繼續(xù)向內(nèi)回彈的速度m/s)雖小，但比電極塊的最大速度 mm/s)還要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而電極塊依然被夾持在凸模內(nèi)。當(dāng)電極塊頂部低于模套下平面時(shí)，凸模開始回程，電極塊又被凸模帶入型腔，電極塊與型腔發(fā)生局部接觸及摩擦，在重力作用下與凸模分離。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需回程2~3次，電極塊才能徹底與凸模分離進(jìn)而脫落。

圖6 優(yōu)化前凸模和電極塊在保壓、卸壓及底膜退出時(shí)的速度場(chǎng)

圖7 優(yōu)化前電極塊頂部與模套底面平齊時(shí)凸模和電極塊的應(yīng)力場(chǎng)、尖角處應(yīng)力分布及速度場(chǎng)

　　2、凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模擬分析

　　由以上對(duì)電極塊壓制過(guò)程的模擬分析可知，電極塊無(wú)法從凸模型腔中脫出是由于凸模尖角處回彈對(duì)電極塊的夾持作用造成的，即凸模尖角內(nèi)側(cè)對(duì)電極塊的摩擦力大于電極塊重力，阻礙了電極塊自由下落。

　　電極塊所受脫模阻力F阻=2Nμ（β為凸模尖角內(nèi)側(cè)處斜度），因此增大β角可減小脫模阻力。另外，減小尖角的長(zhǎng)度，可使海綿鈦在壓制過(guò)程中獲得更好的流動(dòng)性，即減小尖角插入海綿鈦顆粒中的深度，可使尖角處所受夾持力N減小，進(jìn)而內(nèi)側(cè)的摩擦力也會(huì)減小。

　　根據(jù)以上分析結(jié)果，在保證電極塊組合后對(duì)角線尺寸不變的條件下，對(duì)凸模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下優(yōu)化：①增大凸模夾持處側(cè)壁斜度，β增大至35°；②在保證電極塊外形尺寸在允許公差范圍內(nèi)的條件下，縮短凸模左右兩側(cè)尖角距型腔頂部的高度，使其降至118mm。優(yōu)化后的電極塊截面和凸模截面尺寸如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后電極塊和凸模的截面尺寸示意圖

　　為保證優(yōu)化后的凸模能夠滿足生產(chǎn)要求，對(duì)凸模進(jìn)行模擬分析與驗(yàn)證：①電極塊能否順暢脫模；②制備的電極塊平均密度能否滿足工藝要求；③優(yōu)化后尖角處(寬度變?yōu)?.9mm）強(qiáng)度能否滿足要求。

　　按照同樣方法，對(duì)優(yōu)化后的凸模進(jìn)行有限元建模，按壓制過(guò)程進(jìn)行模擬分析。在保壓階段，如圖9a所示，凸模左右兩側(cè)尖角受電極塊的反作用力張開，并與型腔內(nèi)壁接觸，該處等效應(yīng)力為700MPa，最大等效應(yīng)力位于凸模上部螺紋孔處，為1593MPa，此時(shí)電極塊與凸模、底模及型腔充分接觸。凸模卸壓、模腔頂起、底模退出后，如圖9b所示，電極塊釋放應(yīng)力，與凸模僅在左右兩側(cè)尖角處接觸，與型腔前后局部接觸；凸模尖角彈性恢復(fù)后與型腔脫離接觸，凸模等效應(yīng)力大幅降低，最大應(yīng)力等為110MPa，位于凸模左右兩側(cè)尖角處；電極塊的最大等效應(yīng)力值由830.57 MPa降至645.27 MPa，位于凸模尖角對(duì)應(yīng)的臺(tái)階處。凸模與電極塊分離時(shí)電極塊內(nèi)部等效應(yīng)力值范圍為150.22~541.34 MPa，最大值位于電極塊的臺(tái)階處，最小值位于在電極塊心部偏上處，如圖9c所示。

　　當(dāng)凸模卸壓、底模退出、模腔頂起后，電極塊頂部向下速度大于凸模頂部向下速度，電極塊迅速與凸模成型面脫離。凸模尖角處向內(nèi)回彈的速度小于電極塊下落速度，其對(duì)電極塊未產(chǎn)生夾持作用。電極塊雖與凸模脫離，但電極塊仍在模腔內(nèi)，因彈性后效，電極塊與模腔四周接觸，在摩擦力作用下停止下墜，速度場(chǎng)如圖10a所示。隨著凸模進(jìn)一步下壓，電極塊與凸模一起下行，速度場(chǎng)如圖10b所示。當(dāng)凸模頂部與模套底部平齊時(shí)，電極塊脫落型腔，自由下落，速度場(chǎng)如圖10c所示。

圖9 優(yōu)化后凸模和電極塊在保壓與底模退出時(shí)的等效應(yīng)力分布

圖10 優(yōu)化后電極塊脫模過(guò)程的速度場(chǎng)

　　對(duì)電極塊壓制過(guò)程中凸模的等效應(yīng)力和最大應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示。從圖11a可以看出，凸模尖角最大等效應(yīng)力780MPa，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凸模材料屈服強(qiáng)度，2MPa；凸模尖角最大主應(yīng)力在外側(cè)尖角處，為-819.09 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓模材料抗壓強(qiáng)度 070MPa.因此凸模也不會(huì)發(fā)生開裂。使用優(yōu)化后的凸模已生產(chǎn)電極塊近千噸，凸模無(wú)損傷情況發(fā)生。

圖11  優(yōu)化后電極塊壓制過(guò)程中凸模的等效應(yīng)力及最大主應(yīng)力分布圖

　　圖12為凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后所壓制電極塊的相對(duì)密度分布圖。由圖12a可知，優(yōu)化前電極塊的最低相對(duì)密度為0.652，低于工藝要求，存在熔煉時(shí)掉塊的風(fēng)險(xiǎn)。低密度區(qū)域主要在電極塊左右兩側(cè)及臺(tái)階上50mm左右的圓弧面上。電極塊的最大相對(duì)密度為0.99，位于左右兩側(cè)的小臺(tái)階處，電極頂部相對(duì)密度為0.75，底部中心相對(duì)密度為0.78，底部尖角相對(duì)密度為0.71，平均相對(duì)密度為0.795。由圖12b可知，優(yōu)化后電極塊最低相對(duì)密度為0.765，最大相對(duì)密度為0.998，電極塊頂部相對(duì)密度為0.78，底部中心相對(duì)密度為0.80，底部尖角相對(duì)密度為0.78，整體上比優(yōu)化前提高了10%(此處為電極塊焊接點(diǎn)，較高的密度可以有效改善電極的焊接質(zhì)量，從而保證熔煉質(zhì)量和鑄錠的成分均勻性）；優(yōu)化后整體平均相對(duì)密度達(dá)到了0.80，極差較優(yōu)化前的0.3384降至0.2331。凸模經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后，所壓制的電極塊密度分布更加均勻，達(dá)到工藝要求（相對(duì)密度  0.70）。

圖12 凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后所壓制的電極塊相對(duì)密度分布圖

　　圖13為采用優(yōu)化后的凸模壓制的電極塊宏觀照片。從圖13可以看出，海綿鈦及中間合金顆粒之間結(jié)合緊密，無(wú)孔洞，電極塊表面光澤發(fā)亮，其密度明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

圖13 凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化后所壓制的電極塊宏觀照片

　　3、結(jié)論

　　(1)電極塊脫模困難主要是由于凸模成型面內(nèi)側(cè)阻力大于電極塊自重造成的。增大凸模夾持處內(nèi)壁斜度，可以降低摩擦阻力。

　　(2)利用海綿鈦顆粒的流動(dòng)性，在保證電極塊尺寸滿足工藝要求的情況下，減小凸模尖角插入海綿鈦及中間合金顆粒中的深度，可實(shí)現(xiàn)一次脫模，并且電極塊密度不均勻的情況得到明顯改善。

　　(3)優(yōu)化后的凸模應(yīng)用于生產(chǎn)，顯著提高了80MN海綿鈦壓機(jī)的生產(chǎn)效率。

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