鋁合金擠壓壁板用扁擠壓筒的優(yōu)化設(shè)計

趙云路，劉智遠(yuǎn)，劉靜安

（1.沈陽新鑫模具有限公司，沈陽 110043；2.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

擠壓筒是擠壓機(jī)的大型工具，由熱作模具鋼制作，常在高溫、高壓以及高摩擦的環(huán)境下頻繁工作。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒的矩形內(nèi)孔和扁寬、薄壁的鋁合金型材具有幾何相似性，因而可用較高的比壓擠壓大擠壓系數(shù)、大寬厚比的硬質(zhì)鋁合金薄壁型材，特別是對于大型扁寬薄壁的鋁合金壁板來說，扁擠壓筒較圓擠壓筒具有更大的優(yōu)越性。但是扁擠壓筒在擠壓過程中的應(yīng)力應(yīng)變場和溫度場受到很多因素影響而變得異常復(fù)雜，往往在危險斷面產(chǎn)生較高應(yīng)力。針對以上特點，結(jié)合幾十年的生產(chǎn)實踐，對扁擠壓筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算、材料選擇、熱處理等做了大量的研究，下面就扁擠壓筒結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計算做概括介紹。

1 扁擠壓筒結(jié)構(gòu)特點

（1）扁擠壓筒是由兩層或兩層以上襯套以過盈熱裝組合而成的。采用多層襯套組合式結(jié)構(gòu)可以改善扁擠壓筒的受力條件，使筒壁中的應(yīng)力分布均勻、降低應(yīng)力峰值、增加承載能力以及提高使用壽命。扁擠壓筒襯套的層數(shù)應(yīng)根據(jù)其工作內(nèi)套的最大應(yīng)力來確定。在工作溫度的條件下，當(dāng)最大應(yīng)力不超過擠壓筒材料屈服強(qiáng)度的40%～50%時，擠壓筒一般由兩層襯套組成；當(dāng)最大應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度的70%時，應(yīng)由三層或者四層組成。圖1示出了三層扁擠壓筒結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)的增多，各層的厚度變薄。由于各層套間的預(yù)緊壓力作用，使應(yīng)力分布越趨均勻、拉應(yīng)力下降，受力狀態(tài)趨于合理。

（2）由于扁擠壓筒內(nèi)孔局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中，為了改善這種情況，我公司提出了拼鑲式扁擠壓筒，并申請了國家專利，如圖2、圖3所示。

圖2 80 MN徑向拼鑲式扁擠壓筒內(nèi)襯及拼塊

圖2 為徑向拼鑲式及其拼塊擠壓筒內(nèi)襯，圖2（a）由拼塊1（2 件）和拼塊2（2 件）組成。這樣不僅可以減小內(nèi)應(yīng)力，而且如內(nèi)襯意外損傷還可更換部分組件，大大節(jié)省更換周期和成本。

圖2（b）為拼塊1的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和安裝方式，通過螺栓連接，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝和拆解。圖2（c）為拼塊2 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和安裝方式，通過螺栓連接，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝和拆解。

軸向拼鑲式扁擠壓筒見圖3。將擠壓筒內(nèi)襯在軸向方向設(shè)計成3個單元，通過螺栓連接組成一個整體，便于內(nèi)襯的維護(hù)。

2 扁擠壓筒內(nèi)孔斷面尺寸

扁擠壓筒具有小面為圓弧面，大面為平面的近似矩形內(nèi)腔。以A、B表示扁擠壓筒長短軸尺寸，則A/B可在3～4范圍內(nèi)變化。內(nèi)孔的長軸應(yīng)保證能獲得最大寬度的壁板，但內(nèi)孔長軸往往受內(nèi)襯在危險斷面處壁厚的限制。內(nèi)孔長軸與扁筒外徑最合適的比值為0.4～0.45。超過此數(shù)值范圍時，不能保證擠壓筒具有足夠的強(qiáng)度。扁筒內(nèi)孔短軸尺寸主要取決于所需要的比壓，即擠壓變形抗力最高、寬厚比最大的型材所需的最大單位擠壓力，同時應(yīng)考慮所生產(chǎn)型材規(guī)格中斷面的最大高度。當(dāng)擠壓比λ=15～50 時，扁擠壓墊上最大單位壓力不應(yīng)小于450～600 MPa，但B也不能太小，否則扁擠壓軸的強(qiáng)度得不到保證。

3 扁擠壓筒長度

扁筒長度Lt與內(nèi)孔尺寸和被擠壓合金性質(zhì)、擠壓力大小、擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)以及擠壓軸強(qiáng)度等因素有關(guān)。擠壓筒越長，可采用較長的坯料，提高生產(chǎn)率的同時也增大了擠壓力，削弱了扁擠壓軸的強(qiáng)度。一般情況下：

Lt=Lmax+Lm+Tp+δ

式中：Lmax-坯料最大長度，Lmax=（3～5）B扁；B扁為扁軸尺寸；Tp：擠壓墊片厚度；Lm-模子進(jìn)入筒內(nèi)孔的深度；δ-工藝余量，一般取15～20 ㎜，L筒/D筒=3～4。

4 扁擠壓筒各層襯套的厚度

扁筒襯套的層數(shù)、各層厚度及其比值對其熱裝應(yīng)力、等效應(yīng)力均有影響。層數(shù)越多，各層厚度比值越合理，則等效應(yīng)力就越低。

扁擠壓筒各層襯套的壁厚尺寸一般根據(jù)經(jīng)驗初定，然后通過強(qiáng)度校核進(jìn)行修正。與擠壓合金的性能、擠壓筒的比壓以及擠壓筒材料性能等因素相關(guān)，扁筒外徑等于內(nèi)孔長軸尺寸的3～5 倍，每層厚度則根據(jù)扁擠壓筒各層襯套外徑與內(nèi)徑之比相等的原則確定。但實際生產(chǎn)中，由于外層襯套里有加熱孔、鍵槽等會引起強(qiáng)度降低等因素，各層直徑應(yīng)保持D1/A

多層扁擠壓筒各層厚度依直徑最佳比確定。

若取K=DBN/DBW，DBN和DBW分別表示扁筒的第i層內(nèi)徑與外徑，則合理性K值主要取決于扁筒層數(shù)n和σt/[σ]。

σt為扁擠壓筒襯套第i層所受的拉應(yīng)力；

[σ]為第i層襯套材料的許用應(yīng)力，一般K=0.5～0.8。

5 扁擠壓筒過盈量的選擇

扁擠壓筒各層襯套通過過盈配合熱裝而成，自然冷卻后，外層套會對內(nèi)層套產(chǎn)生壓應(yīng)力。一般情況下，過盈量產(chǎn)生的應(yīng)力以不超過擠壓時最大單位擠壓應(yīng)力的70%為宜，且越靠近內(nèi)套的層次，其過盈量值應(yīng)該越大。通常過盈值為裝配對直徑的1.5‰～2.5‰。過盈量引起的裝配應(yīng)力P計算公式為：

式中：E為彈性模量；Δ為過盈量；a為內(nèi)襯半徑；b為外套半徑；c為內(nèi)襯和外襯結(jié)合面半徑。

6 扁擠壓簡有限元強(qiáng)度計算

現(xiàn)以36 MN三層扁擠壓筒為例，加以說明。

（1）三層扁擠壓筒主要結(jié)構(gòu)尺寸和材料

外筒φ1 350 mm×φ960 mm×890 mm（材料：5CrNiMo），中筒φ960 mm×φ700 mm×900 mm（材料：H13），內(nèi)筒φ700 mm×（內(nèi)孔長圓形450 mm×160 mm）×900 mm（材料：H13）。

（2）側(cè)向壓力計算

P=0.7×36/（π1602/4+290×160）=378.91 MPa。

（3）過盈配合

中、外筒間配合過盈量：1.3‰D1（中筒外徑），內(nèi)中筒間配合過盈量：2.3‰D2（內(nèi)筒外徑）。

（4）單元選擇

根據(jù)擠壓筒安裝和工作受力特點，用三維8節(jié)點實體單元和面接觸單元模擬。取1/4 模型共劃分267 583 個，單元總數(shù)569 870 個，其中實體單元547 470個，接觸單元22 400個，采用圓柱坐標(biāo)系。

（5）結(jié)果數(shù)據(jù)

表1、表2、表3按工況分別給出圖4所示各處在圓柱坐標(biāo)系中的各項數(shù)據(jù)：徑向變形Ur，徑向應(yīng)力σr，切向應(yīng)力σθ，軸向力σz，等效應(yīng)力σv（按第四強(qiáng)度理論折合）。

表1 36 MN三層扁擠壓筒工況1結(jié)果數(shù)據(jù)摘要

表2 36 MN三層扁擠壓筒工況2 結(jié)果數(shù)據(jù)摘要

表3 36 MN三層扁擠壓筒工況3 結(jié)果數(shù)據(jù)摘要

圖4 數(shù)據(jù)結(jié)果提取位置示意圖

通過有限元強(qiáng)度計算，找出內(nèi)襯的危險點應(yīng)力狀態(tài)，通過優(yōu)化設(shè)計，減小內(nèi)應(yīng)力，滿足使用要求。

7 結(jié)論

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，薄壁寬幅型材需求量快速增加，扁擠壓筒的優(yōu)勢日益凸顯。通過對扁擠壓筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有限元強(qiáng)度計算，把控材料質(zhì)量、熱處理等關(guān)鍵工序，可提高扁擠壓筒的壽命，有助于我國鋁擠壓行業(yè)的快速發(fā)展。