金属玻璃丝的电辅助拔丝成形仿真和装置研究

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金属玻璃以其机械强度高、耐腐蚀能力强、电磁性能优异等优点被认为是极具发展潜力的新型金属材料,但金属玻璃丝的成形制备和应用范围却受限于其室温脆性和难以加工的缺点。在金属材料的成形过程中通入高密度的脉冲电流,能够显著降低变形应力,提高延伸率,人们将这种电塑性效应应用到金属的拔丝加工中开发出了一种新型的、节能低耗的金属丝制备工艺——电辅助拔丝成形。电辅助拔丝成形技术是否可应用于金属玻璃以实现金属玻璃丝的高质量、连续性生产是一个极具挑战而又具有广阔应用前景的难题。因此,本文以合金成分为Zr55Cu30Al10Ni5的金属玻璃为研究对象,对金属玻璃的电塑性效应机理、金属玻璃丝的电辅助拔丝成形装置和电拔丝过程进行了研究,主要研究内容如下:
  (1)利用ABAQUS对Zr55Cu30Al10Ni5的电辅助单轴拉伸实验进行仿真,发现焦耳热效应中的热膨胀可有效降低应力,而热软化可有效提高塑性。通过仿真与实验结果的比较,对金属玻璃的电塑性效应中的焦耳热效应和电迁移效应进行了解耦,结果表明,电迁移效应约占37.8%,而焦耳热效应约占62.2%。
  (2)对Zr55Cu30Al10Ni5金属玻璃丝的电辅助拔丝成形过程进行了有限元仿真。通过单模芯仿真研究了不同电流和拔丝参数对拔丝力的影响,确定了适用于Zr55Cu30Al10Ni5金属玻璃丝的工艺参数,持续施加的脉冲电流密度应小于43A/mm2、脉宽应尽可能小、减径率应低于15%;双模芯仿真结果表明在拔丝与加电一体化的结构中,电流能均匀分布在金属玻璃丝上,从而可有效抑制电火花,提高丝材表面质量,验证了双模芯拔丝减径成形的可行性。
  (3)基于仿真分析,研制了适合金属玻璃丝的电辅助拔丝成形装置。为了确保金属丝与加电单元的电接触优良,减少电火花问题,装置的模盒单元采用拔丝与加电一体化、双模芯串联并行的结构。装置的脉冲电源和样件的测温单元之间实现闭环通路,可以在拔丝成形过程中进行控温,静态测试证明样件的温度稳态误差小于5℃。
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