臥式擠壓機的擠壓筒溫度控制方法 研究與數(shù)值模擬

柴 星 張 君 楊 建 侯永超 胡陽虎 張宗元

(1.中國重型機械研究院股份公司；2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西710032)

在臥式擠壓機工作過程中，存在著許多可直接影響擠壓制品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量的因素，其中最關(guān)鍵的影響因素之一是擠壓筒的溫度控制。當(dāng)擠壓筒溫度發(fā)生波動時，可進行加熱或冷卻，以確保擠壓筒的溫度在整個擠壓過程中維持動態(tài)平衡，以下對大型臥式擠壓機的擠壓筒溫度控制方法進行研究和數(shù)值模擬。

1 熱量計算公式的建立

實際應(yīng)用中臥式擠壓機的擠壓筒通常為兩層(外筒和內(nèi)筒)或三層(外筒、中筒和內(nèi)筒)，三層筒使用更為普遍，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在大型臥式擠壓機工作中擠壓筒的工作溫度通常要保持在450～500℃之間。因此在擠壓筒正常工作時所需要的熱量分三個部分：1)將擠壓筒從室溫升至工作溫度的熱量；2)彌補擠壓筒在工作過程中的熱輻射散耗的熱量；3)彌補擠壓筒將熱量傳遞至接觸零件所散耗的熱量。

基于熱能傳導(dǎo)理論，結(jié)合實際擠壓筒的加熱過程，建立擠壓筒加熱所需熱量公式：

Qt=Qe+Qr+Qc

式中，Qt為加熱需要總熱量；Qe為從室溫升至工作溫度需要的熱量；Qr為熱輻射散耗的熱量；Qc為傳遞至接觸零件所散耗的熱量。

圖1 擠壓筒的典型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Typical structure of extrusion container

擠壓筒的加熱是非線性傳熱過程，因此只考慮從室溫加熱到工作溫度，所需熱量可按下式求得：

Qe=m(cleTle-cieTie)

式中，m為擠壓筒質(zhì)量；Cle為加熱至工作溫度的比熱容；Cie為室溫時的比熱容；Tle為工作溫度；Tie為室溫。

根據(jù)熱力學(xué)中Stefan-Boltzmann law，擠壓筒在工作中的熱輻射散耗熱量，可按下式計算：

式中，ε為黑體的輻射系數(shù)，ε=5.67 Wm2·K；Tm為擠壓筒工作溫度；Ta為室內(nèi)溫度；A為擠壓筒的散熱面積(前后端面面積之和)；ta為總加熱時間；3.6為修正系數(shù)。

擠壓筒加熱時與相連接的零件通過接觸方式傳導(dǎo)熱量，同時通過擠壓筒外殼向外散發(fā)熱量，將其簡化為圓筒壁傳遞熱量，根據(jù)圓筒壁的熱量傳導(dǎo)理論，擠壓筒將熱量傳遞至接觸零件，散耗的熱量用下式計算：

Qc=ql×l=kl(Tm-Tb)l

式中，ql為擠壓筒外殼的長度熱流密度；l為擠壓筒外殼的長度；Tb為相連接零件的溫度。擠壓筒外殼傳熱的長度系數(shù)kl為：

式中，h1為內(nèi)表面的傳熱系數(shù)；h2為外表面的傳熱系數(shù)；d1為內(nèi)徑；d2為外徑；λ為熱導(dǎo)率。加熱功率P為：

以36 MN擠壓機為例，對擠壓筒進行了設(shè)計，擠壓筒由三層構(gòu)成，長度為800 mm，內(nèi)襯內(nèi)徑為?230 mm，外筒外徑為?980 mm，按照以上公式進行計算，擠壓筒的加熱功率為48 kW。

2 擠壓筒冷卻量計算

在擠壓過程中，當(dāng)溫度高于工作溫度時，需要對擠壓筒進行冷卻，實際使用中一般選用空氣冷卻方式。

為了簡化計算，可將擠壓筒降溫所需冷卻量與擠壓筒加熱同等溫度差所需的熱量視為相同，由上述加熱所需熱量可得出所需冷卻量Ql為：

Ql=m(cheTh-cleTl)

式中，che為擠壓筒在溫度Th的比熱容；cle為擠壓筒在溫度Tl的比熱容；Th為未冷卻時的擠壓筒的溫度；Tl為冷卻后的擠壓筒溫度。

經(jīng)冷卻后，擠壓筒減少的熱量為：

Qa=Kc(Tw-Tf)A1tl

式中，Kc為傳熱系數(shù)；Tw為擠壓筒的溫度；Tf為冷媒的溫度；A1為冷卻面積；tl為冷卻時間。

一般選擇主動冷卻模式，冷卻空氣通過冷卻管流經(jīng)擠壓筒內(nèi)及周圍，將熱量帶走，此時的傳熱系數(shù)Kc可通過下式計算：

Kc=3.49v00.8de0.25

式中，v00.8為冷媒的標態(tài)流速；de為冷卻管內(nèi)徑。

通過計算得出需要換走的熱量后，可據(jù)此設(shè)計擠壓筒的冷卻系統(tǒng)。

按上述公式可計算出擠壓筒冷卻單位溫度所需帶走的熱量，以此設(shè)計擠壓筒的冷卻管道長度與直徑。以36 MN擠壓機為例，當(dāng)擠壓筒的冷卻管道內(nèi)徑為40 mm時，冷卻管道長度約為1500 mm。

根據(jù)上述研究，建立擠壓筒溫度控制理論基礎(chǔ)，進而設(shè)計擠壓筒的溫控系統(tǒng)。

3 擠壓筒溫度控制有限元數(shù)值模擬

擠壓筒的加熱是由外筒傳遞至中筒，再傳遞至內(nèi)筒，因此三層筒之間有溫度差，這樣會使三層筒兩兩之間產(chǎn)生應(yīng)力，隨著溫差的增大，該應(yīng)力值也會增大，為了防止擠壓筒因應(yīng)力過大而發(fā)生破壞，應(yīng)對擠壓筒加熱進行控制。

借助ANSYS有限元分析軟件的前處理功能對三層擠壓筒進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算結(jié)果的準確性，將擠壓筒使用6面體網(wǎng)格劃分。同時設(shè)置邊界條件，外筒與中筒配合的過盈量為3.2 mm，中筒與內(nèi)筒配合的過盈量為2.4 mm，在軟件中設(shè)置其相互之間的接觸關(guān)系，設(shè)置其三層筒的材料為H13，選用多場耦合物理學(xué)模塊對擠壓筒的加熱過程進行數(shù)值模擬。

擠壓筒的加熱棒位于外筒內(nèi)側(cè)，即接近中筒處，且由于外筒散熱面積大，因此在整個加熱過程中，中筒溫度升速最高，內(nèi)筒溫度升速次之，外筒溫度升速最慢。

在模擬加熱過程中，取兩個溫差點進行分析：1)外筒和中筒溫度差值為100℃；2)外筒和中筒溫度差值為50℃。

(1)擠壓筒的加熱過程中，模擬中筒率先到達450℃，內(nèi)筒內(nèi)側(cè)溫度400℃，外筒外側(cè)溫度350℃時，溫度差為100℃，三層擠壓筒溫度分布和應(yīng)力分布如圖2所示。

(a)三層擠壓筒的溫度分布 (b)三層擠壓筒的應(yīng)力分布

圖2 溫差為100℃時三層擠壓筒的溫度和應(yīng)力分布
Figue 2 Temperature and stress distribution of three container layers at 100℃ temperature difference

(2)當(dāng)中筒溫度在450℃，內(nèi)筒內(nèi)側(cè)溫度在400℃，外筒外側(cè)溫度在400℃時，溫度差達到50℃時，擠壓筒的三層筒應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 溫差為50℃時三層擠壓筒應(yīng)力分布Figure 3 Stress distribution of three container layers at 50℃ temperature difference

兩種溫差下三層擠壓筒的溫度與應(yīng)力值對比見表1。

表1 溫差分別為50℃和100℃時三層筒的應(yīng)力值Table 1 Respective stress values of three container layers at 50℃ and 100℃ temperature difference

從表1中可以看出，溫度差在100℃時，擠壓筒內(nèi)筒和中筒的應(yīng)力均不高，但外筒內(nèi)側(cè)靠近中筒處的最大應(yīng)力值為1300 MPa，超過H13材料在400～450℃時的許用應(yīng)力值(1100 MPa)，因此可推斷出，兩層筒之間溫差應(yīng)低于100℃。當(dāng)溫度差達到50℃時，擠壓筒內(nèi)筒應(yīng)力值降低至132 MPa，中筒的應(yīng)力值變化不大，此時外筒內(nèi)測靠近中筒處的最大應(yīng)力值降低至945 MPa，此應(yīng)力值在H13材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

通過對擠壓筒加熱過程進行數(shù)值模擬，根據(jù)在不同溫差情況下的分析結(jié)果，可以得到擠壓筒加熱過程中溫差對擠壓筒應(yīng)力的影響情況和趨勢，其關(guān)系曲線如圖4所示。

從以上擠壓筒加熱過程的數(shù)值模擬中，可以看出，擠壓筒加熱過程中，三層筒由于距加熱棒距離不同，且散熱面積不同，導(dǎo)致溫度升速有差異，中筒溫度升速最快，外筒溫度升速最慢；當(dāng)三層筒的溫度不同時，其各筒的膨脹量也不同，因此各層筒之間會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的過盈應(yīng)力相疊加，使筒的總應(yīng)力值增大。通過分析模擬結(jié)果，可以得出當(dāng)擠壓筒加熱時，需要控制各層筒之間的溫差不宜過大，以溫度差低于50℃為宜，以確保擠壓筒在加熱過程中不會因各層筒溫差過大引起應(yīng)力過大，而導(dǎo)致擠壓筒破壞。

圖4 擠壓筒兩層之間溫度差值和應(yīng)力峰值的關(guān)系曲線Figure 4 Relationship cuve of temperature differences and stress peak values between two container layers

4 結(jié)論

通過以上對擠壓筒加熱過程的數(shù)值模擬分析結(jié)果，得出，在擠壓筒的加熱過程中，應(yīng)進行溫度升速控制，防止三層筒之間溫差過大，而產(chǎn)生過高的應(yīng)力破壞擠壓筒。

建立了擠壓筒加熱和冷卻過程的數(shù)學(xué)模型，利用有限元軟件對擠壓筒加熱過程進行了數(shù)值模擬，分別對溫差為50℃和100℃時各筒的應(yīng)力值進行分析，得出擠壓筒加熱過程中溫差應(yīng)低于50℃，提出了擠壓筒加熱應(yīng)采取階梯式加熱，在各層筒之間溫差即將達到50℃時，降低加熱功率，使溫度高的中筒向溫度較低的外筒和內(nèi)筒傳熱，待溫差降至30℃時，提高加熱功率，對擠壓筒進行加熱，如此反復(fù)直至加熱至工作溫度?？刂茢D壓筒加熱過程中各筒的溫差，避免產(chǎn)生過高的應(yīng)力，破壞擠壓筒，為臥式擠壓機實現(xiàn)等溫擠壓奠定基礎(chǔ)。