大型鋁擠壓機(jī)扁擠壓筒有限元分析

丁耀林，王麗薇，2

（1.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司 技術(shù)中心，天津 300452）

大型鋁擠壓機(jī)扁擠壓筒有限元分析

丁耀林1，王麗薇1，2

（1.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司 技術(shù)中心，天津 300452）

建立了扁擠壓筒三維模型，應(yīng)用有限元法進(jìn)行了熱－結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示內(nèi)襯在過(guò)盈預(yù)緊力、熱載荷與工作內(nèi)壓作用下，外壁在圓周方向上呈長(zhǎng)圓形，內(nèi)壁水平軸向各節(jié)點(diǎn)與垂直軸向各節(jié)點(diǎn)沿?cái)D壓方向變形具有分段性特征；內(nèi)壁圓弧處的受力過(guò)渡區(qū)極易出現(xiàn)應(yīng)力高值，內(nèi)壁直邊段的等效應(yīng)力值沿?cái)D壓方向明顯分為兩段，分段位置接近擠壓筒全長(zhǎng)二分之一，內(nèi)壁圓弧處的各等效應(yīng)力等值面幾乎平行。

擠壓機(jī)；扁擠壓筒；有限元；鋁材擠壓

扁擠壓筒是大型鋁擠壓機(jī)配備的關(guān)鍵部件，其主要用于生產(chǎn)薄壁、寬幅、復(fù)雜斷面的鋁合金型材，以適應(yīng)航天、航空和軌道列車等領(lǐng)域的綠色低碳發(fā)展需求。

扁擠壓筒通常為耐熱工具鋼制成的具有多層預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部件。大型鋁擠壓機(jī)配備的扁擠壓筒重約幾十t，甚至上百t，一旦失效，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，擠壓生產(chǎn)成本在很大程度上取決于扁擠壓筒的耐用性和服役壽命，而由于扁擠壓筒內(nèi)襯圓角處局部應(yīng)力集中嚴(yán)重[1-4]，其壽命更短，極大影響了扁擠壓筒的推廣應(yīng)用。提高扁擠壓筒服役壽命的課題也一直是業(yè)界研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

隨著有限元分析技術(shù)的成熟，擠壓筒設(shè)計(jì)更多地采用了數(shù)值方法校核。本文以我公司研制的大型鋁擠壓機(jī)用扁擠壓筒為案例，對(duì)扁擠壓筒在工作狀態(tài)下的應(yīng)力和變形進(jìn)行熱－結(jié)構(gòu)分析。

1 扁擠壓筒設(shè)計(jì)

扁擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁一般為直段和圓弧段組成的扁圓形，如圖1所示。A、B分別為內(nèi)襯內(nèi)壁的長(zhǎng)和寬，D為內(nèi)襯外徑。扁擠壓筒一般由兩層以上襯套過(guò)盈熱裝組合而成，相對(duì)過(guò)盈量可在1.5‰～2.5‰范圍內(nèi)選擇。

圖1 扁擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁示意圖

扁擠壓筒內(nèi)壁形狀設(shè)計(jì)與薄壁、寬幅鋁合金型材具有較大的幾何相似性，不僅有利于提高成形時(shí)的金屬流動(dòng)均勻性，還可降低擠壓力，同時(shí)易于保證產(chǎn)品組織性能更優(yōu)，成品率更高。因此，扁擠壓筒在擠壓薄壁扁寬型材上具有更大的優(yōu)越性[5]，大型鋁擠壓機(jī)通常都會(huì)配備扁擠壓筒來(lái)滿足薄壁扁寬型材的生產(chǎn)需求。

2 扁擠壓筒有限元分析

2.1 基本假設(shè)

扁擠壓筒筒體為均質(zhì)彈性體，各接觸層沿?cái)D壓方向過(guò)盈量相同；加熱孔對(duì)扁擠壓筒應(yīng)力分布及強(qiáng)度影響不計(jì)；扁擠壓筒端面上熱傳遞對(duì)溫度分布影響不計(jì)；扁擠壓筒與坯料之間的摩擦力、熱應(yīng)力對(duì)軸向應(yīng)力影響不計(jì)。

2.2 熱-結(jié)構(gòu)分析方法

過(guò)盈預(yù)緊力、熱載荷與工作內(nèi)壓作用下的扁擠壓筒應(yīng)力分析屬于熱－結(jié)構(gòu)問(wèn)題[6，7]，利用有限元軟件Marc，按扁擠壓筒實(shí)際結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，將內(nèi)襯、中襯與外套設(shè)為可變形接觸體，并在接觸條件中設(shè)置相對(duì)過(guò)盈量，相對(duì)過(guò)盈量等效于過(guò)盈預(yù)緊力作用，然后將溫度作為熱載荷直接施加于接觸體。

為進(jìn)一步提高分析精度，對(duì)單元類型、節(jié)點(diǎn)和數(shù)量考慮如下：①單元類型選用六面體單元；②保證接觸面單元節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；③內(nèi)壁圓弧段需劃分足夠單元數(shù)量，并且型腔直線段與圓弧段單元尺寸盡量接近。

2.3 計(jì)算模型

某大型鋁擠壓機(jī)配備的扁擠壓筒采用三層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，由內(nèi)襯、中襯和外套過(guò)盈熱裝組合而成。兼顧計(jì)算精度和效率，三層扁擠壓筒有限元分析采用1/ 4三維模型，共劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)136899個(gè)，單元124800個(gè)，如圖2所示。擠壓筒長(zhǎng)度2600mm，內(nèi)壁A=1600mm，B=400mm，坯料長(zhǎng)度2500mm。材料參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、屈服極限、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱。上述參數(shù)除密度、泊松比、屈服極限為常值，其他參數(shù)均以隨溫度變化曲線形式給出。

圖2 扁擠壓筒三維網(wǎng)格模型

2.4 熱-結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 內(nèi)壁變形

扁擠壓筒工作狀態(tài)下內(nèi)襯變形和內(nèi)壁端部變形如圖3、圖4所示，內(nèi)襯外壁X向變形最大值5.20mm，Y向變形最大值6.46mm，內(nèi)襯外壁Y軸變形大于X軸，在圓周方向上將呈長(zhǎng)圓形，內(nèi)襯內(nèi)壁模具側(cè)端面與擠壓桿側(cè)端面各節(jié)點(diǎn)變形趨勢(shì)一致，但數(shù)值存在差異，模具側(cè)端面內(nèi)壁X向變形最大值3.52mm，Y向變形最大值2.29mm，擠壓桿側(cè)內(nèi)壁X向變形最大值3.42mm，Y向變形最大值2.18mm。

圖3 扁擠壓筒內(nèi)襯變形云圖

圖4 扁擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁端部節(jié)點(diǎn)變形

內(nèi)襯內(nèi)壁水平軸向各節(jié)點(diǎn)X向變形和垂直軸向各節(jié)點(diǎn)Y向變形如圖5、圖6所示，水平軸向節(jié)點(diǎn)和垂直軸向節(jié)點(diǎn)沿?cái)D壓方向變形具有分段性特征，存在最大變形和最小變形，若以扁擠壓筒模具側(cè)為前段，擠壓桿側(cè)為后段，最大變形位置在內(nèi)壁后段，X向變形最大值距離內(nèi)壁擠壓桿側(cè)端面約200mm，Y向變形最大值距離內(nèi)壁擠壓桿側(cè)端面約300mm，最小變形位置在內(nèi)壁擠壓桿側(cè)端面；X向、Y向相對(duì)變形最大值分別為0.17mm、0.28mm。

圖5 扁擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁水平軸向節(jié)點(diǎn)X向變形

圖6 扁擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁垂直軸向節(jié)點(diǎn)Y向變形

2.4.2 內(nèi)襯應(yīng)力

扁擠壓筒工作狀態(tài)下內(nèi)襯等效應(yīng)力云圖和等值面圖如圖7、圖8所示，內(nèi)襯等效應(yīng)力最高值574.8MPa，位于擠壓墊與擠壓坯料接觸位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁圓弧處，此處在擠壓時(shí)與擠壓墊存在間隙，僅作用過(guò)盈載荷，而相鄰處則作用過(guò)盈載荷和擠壓載荷，由此，此位置屬受力過(guò)渡區(qū)，再加上圓弧的應(yīng)力集中作用，極易出現(xiàn)應(yīng)力高值。內(nèi)襯內(nèi)壁圓弧沿?cái)D壓方向上的等效應(yīng)力值介于464.2MPa～574.8MPa之間，按靜強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，H13鋼500℃時(shí)屈服強(qiáng)度值為，扁擠壓筒內(nèi)襯安全系數(shù)介于1.8～2.2之間。內(nèi)襯內(nèi)壁直邊段的等效應(yīng)力值沿?cái)D壓方向明顯分為兩段，分段位置接近擠壓筒全長(zhǎng)二分之一，若以扁擠壓筒模具側(cè)為前段，擠壓桿側(cè)為后段，則對(duì)于內(nèi)襯內(nèi)壁直邊段，其后段等效應(yīng)力值要高于前段，并向內(nèi)襯外壁面擴(kuò)展。由圖8可知，等效應(yīng)力等值面從模具側(cè)看，接近擠壓筒全長(zhǎng)一半處開(kāi)始擴(kuò)展，形如喇叭，從另一角度證實(shí)內(nèi)襯內(nèi)壁直邊段沿徑向的等效應(yīng)力變化，而內(nèi)襯內(nèi)壁圓弧處的等效應(yīng)力值從模具側(cè)看，各等值面幾乎平行，且沿徑向向內(nèi)襯外壁面逐層遞減。

圖7 扁擠壓筒等效應(yīng)力云圖

圖8 扁擠壓筒等效應(yīng)力等值面圖

3 結(jié)論

以某大型鋁擠壓機(jī)扁擠壓筒設(shè)計(jì)為案例，利用有限元軟件Marc建立了其三維有限元模型，并根據(jù)扁擠壓筒實(shí)際工況對(duì)扁擠壓筒進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)分析，得出如下結(jié)論：

（1）扁擠壓筒內(nèi)襯在過(guò)盈、加熱和擠壓載荷作用下，內(nèi)襯外壁在圓周方向上呈長(zhǎng)圓形，即內(nèi)壁直邊段對(duì)應(yīng)的外壁變形要大于圓弧段。

（2）內(nèi)襯內(nèi)壁模具側(cè)端面與擠壓桿側(cè)端面各節(jié)點(diǎn)變形趨勢(shì)一致，但數(shù)值存在差異，模具側(cè)端面變形大于擠壓桿側(cè)。

（3）內(nèi)襯內(nèi)壁水平軸向各節(jié)點(diǎn)與垂直軸向各節(jié)點(diǎn)沿?cái)D壓方向變形存在波動(dòng)，且水平軸向各節(jié)點(diǎn)變形波動(dòng)較大，即內(nèi)壁圓弧處變形沿?cái)D壓方向具有分段性特征。

（4）擠壓墊與擠壓坯料接觸位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁圓弧處屬受力過(guò)渡區(qū)，再加上圓弧的應(yīng)力集中作用，極易出現(xiàn)應(yīng)力高值。

（5）從模具側(cè)看，內(nèi)襯內(nèi)壁直邊段的等效應(yīng)力值沿?cái)D壓方向明顯分為兩段，分界位置接近擠壓筒全長(zhǎng)一半處，從分界處開(kāi)始擴(kuò)展，形如喇叭，而內(nèi)襯內(nèi)壁圓弧處的等效應(yīng)力值各等值面幾乎平行，且沿徑向向內(nèi)襯外壁面逐層遞減。

[1]謝水生，賀金宇，徐盈輝，等.扁擠壓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及分析研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2001，8（4）：26-29.

[2]王 勻.扁擠壓筒強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)方法研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2003.

[3]趙云路，薛榮敬，劉靜安.扁擠壓筒設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2005，30（3）：87-94.

[4]馮秋紅.組合式扁擠壓筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[5]石如磐，王麗薇.扁擠壓筒在36MN鎂擠壓機(jī)上的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2012，37（2）：122-124.

[6]谷澤林.組合結(jié)構(gòu)擠壓筒熱力耦合分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

[7]段麗華.擠壓筒內(nèi)孔變形分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

Finite Element Analysis of Flat Extrusion Container for Large Aluminum Extrusion Press

DING Yaolin1,WANG Liwei1,2
（1.Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi China；2.Technology Center，TZ（Tianjin）Binhai Heavy Machinery Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

It was built that finite element model of the flat extrusion container，and the thermal-structure analysis was carried out by using finite element.The results show that the outer wall of lining present a kind of long circular in circumferential direction under interference pre-tightening force，thermal load，and working pressure，the horizontal and vertical node's deformation has sectional characteristics along extrusion direction in inner wall of lining.The high-value stress is easy to occur at the loading transition region in arc position of lining，meanwhile.The equivalent stress value of straight edge position of lining along extrusion direction can be divided into two interval obviously，which position close to the half of full length of extrusion container，and the each equivalent stress iso-surface in arc position of lining display nearly parallel.

extrusion press；flat extrusion container；finite element

TG375

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.020

1672－0121（2016）04－0063－04

2016－04－10；

2016－06－29

丁耀林（1964－），男，高級(jí)工程師，從事塑性成形設(shè)備與工藝研究。E－mail：457511991＠qq.com