(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安 710032;

2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安 710032;

3.中國三安建設(shè)有限公司，陜西西安 710043

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安 710032;

2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安 710032;

3.中國三安建設(shè)有限公司，陜西西安 710043

針對某鋁擠壓機在擠壓過程中出現(xiàn)的鋁倒流現(xiàn)象，分析了該擠壓機固定墊的受力情況。由于擠壓墊達不到預期漲開量，使擠壓筒和擠壓墊之間產(chǎn)生了間隙，是引起鋁倒流的主要原因。采用有限元法模擬擠壓墊的工況，再應用位移協(xié)調(diào)公式計算組合擠壓筒的內(nèi)壁漲開量，對比計算結(jié)果并優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，提高固定擠壓墊的設(shè)計精度。實踐證明，優(yōu)化后的固定擠壓墊使用效果良好。

固定擠壓墊;漲量;修形方法;位移協(xié)調(diào)公式

0 前言

擠壓墊是擠壓機的一個重要部件。傳統(tǒng)擠壓機一般采用活動擠壓墊，需要輔助傳送設(shè)備將擠壓墊和殘料分離，并使得分離后的擠壓墊回到原來的工作位置。但是實踐證明采用活動擠壓墊在擠壓墊和殘料被主剪切割時，會產(chǎn)生不完全切掉現(xiàn)象，使得擠壓墊和殘料下落位置不準;擠壓桿會出現(xiàn)不帶擠壓墊進行擠壓的動作等［1］。為改善擠壓墊的使用效果，近些年采用固定擠壓墊進行擠壓。此種機構(gòu)與活動擠壓墊相比具有很多優(yōu)點［2］:提高生產(chǎn)效率，減少擠壓周期輔助時間;實現(xiàn)擠壓機順利自動運行;去除擠壓墊和殘料分離設(shè)備，減少設(shè)備費用。

但是固定擠壓墊的有效使用率不高，其制造難度和成本均比活動擠壓墊高，因此如何有效的設(shè)計和制造成為目前需要解決的問題。固定擠壓墊在高溫、高壓和高摩擦的工作環(huán)境下工作，既要保證漲開時能密封擠壓筒，不得使材料倒流，還要保證漲開的同時不能擦傷擠壓筒內(nèi)壁，所以固定擠壓墊的徑向漲開量成為設(shè)計的關(guān)鍵。

針對某擠壓機現(xiàn)場調(diào)試過程中，出現(xiàn)的擠壓墊達不到預期漲開量、無法密封擠壓筒、鋁倒流等現(xiàn)象。經(jīng)分析后認為在擠壓的過程中擠壓筒內(nèi)筒受熱受壓開漲，擠壓墊雖然已經(jīng)漲開，但是未達到擠壓筒內(nèi)筒的漲開量，在擠壓筒和擠壓墊之間產(chǎn)生了間隙，所以出現(xiàn)鋁倒流的現(xiàn)象。本文應用ABAQUS有限元分析軟件對固定擠壓墊進行研究，提出一種固定擠壓墊漲開量優(yōu)化計算的方法。

1 力學模型建立及分析

采用有限元模擬固定擠壓墊工作時的受力狀況，計算其漲開量。擠壓機工作時，擠壓桿在主缸的作用下前進，推動安裝在擠壓桿前端的固定擠壓墊對坯料施壓，由于坯料的反作用使得擠壓墊前部端口產(chǎn)生徑向漲量。當擠壓軸后退時反作用力撤消，擠壓墊前部端口彈性變形恢復，擠壓軸退出擠壓筒，擠壓墊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擠壓墊結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of dummy block

由于固定擠壓墊結(jié)構(gòu)對稱，取1/4模型進行計算分析。X、Y向約束為對稱約束，Z向約束緊固件1的一端。擠壓墊的前端為主要受力面，此處施加壓力，通過設(shè)定整個裝配體的溫度場由20℃升至450℃來實現(xiàn)工作溫度的變化。固定擠壓墊材料為H13，取泊松比0.3，彈性模量208 GPa。

經(jīng)計算分析后得到應力應變?nèi)鐖D2、圖3所示。固定擠壓筒的固定墊外套在一定壓力作用下發(fā)生徑向位移為2.385 mm;緊固件和固定墊芯片之間的設(shè)計時留有一定的間隙，芯軸和固定墊芯片受一定壓力作用下均產(chǎn)生軸向位移0.63 mm。

2 計算組合擠壓筒內(nèi)壁漲開量

擠壓筒工作時主要承受的是疲勞應力。內(nèi)襯和中襯上承受拉壓交變載荷，外套只受拉應力。工作時擠壓筒受到的應力是裝配應力與拉應力的疊加。

在擠壓筒的實際制造過程中，假設(shè)最內(nèi)層筒的內(nèi)半徑和最外層筒的外半徑在初始狀態(tài)是可以確定的，其余筒的半徑在不同的工作情況下是變化的?；趶椥粤W推導計算三層組合擠壓筒的應力公式，解方程組可求出任意點位置處的應力應變值［3］。組合擠壓筒受力示意圖如圖4所示。

圖4 組合擠壓筒受力示意圖Fig.4Forced diagram of combined extrusion cylinder

已知條件為裝配前內(nèi)筒內(nèi)徑r0，外筒外徑r3，過盈量Δδ1與Δδ2，裝配后兩個配合面的半徑r1與r2，所加內(nèi)壓P0、泊松比以及彈性模量。擠壓筒接觸應力和半徑用兩組計算公式，第一組(1)～(8)表示過盈配合后的狀態(tài)。第二組(9)～(14)反應了加載內(nèi)壓后的接觸應力和半徑變化情況。式(1)～(14)中的相關(guān)符號代表參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)符號代表參數(shù)Tab.1Relevant parameters

符號意義符號意義Δ δ 2中筒與外筒過盈量r″3施加內(nèi)壓后外筒外徑r ' 0過盈后內(nèi)筒內(nèi)徑P '12加內(nèi)壓后內(nèi)筒與中筒接觸壓力r″1過盈后內(nèi)筒與中筒配合半徑P ' 2 3加內(nèi)壓后中筒與外筒接觸壓力

3 分析結(jié)果對比

擠壓墊一般是在現(xiàn)場測量后修形，將擠壓墊的內(nèi)徑修磨至與擠壓筒內(nèi)徑一樣，在此前提下，即所受力情況和修磨量一樣的情況下，根據(jù)實際情況對彼此的漲開量進行模擬計算。對固定擠壓墊外徑的網(wǎng)格節(jié)點進行標號，共39個節(jié)點如圖5所示，有限元計算得出固定擠壓墊外徑的徑向位移量見表2。

圖5 網(wǎng)格Fig.5Finite element mesh

表2 外徑各點(共39個節(jié)點)的徑向位移量Tab.2Radial displacement of points on external diameter (a total of 39 nodes)

位移協(xié)調(diào)法計算的擠壓筒內(nèi)筒徑向位移為2.865 mm。由計算結(jié)果可以看出，在高溫高壓的工況下，擠壓筒內(nèi)筒的變形比固定擠壓墊的漲開量大，所以會出現(xiàn)倒鋁的情況。

4 結(jié)論

本文應用ABAQUS有限元分析軟件對固定擠壓墊進行研究，然后采用位移協(xié)調(diào)公式計算組合擠壓筒內(nèi)壁在受熱情況下的漲開量，對比調(diào)試狀況與計算結(jié)果，取合適的漲開量對設(shè)計進行修改?，F(xiàn)場應用后表明該修正方法節(jié)省了工作量，固定擠壓墊工作狀態(tài)良好，達到預期目標，對實際生產(chǎn)應用有一定的指導意義。

［1］劉靜安.輕合金擠壓工具與模具［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990.

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固定擠壓墊修形方法優(yōu)化

段麗華1，2，蘇振華1，2，邱立朋1，2，胡陽虎1，2，郭曉鋒1，2，張立波1，2，馬海寬1，2，張一凡3

Modify method optimization of fixed dummy block

DUAN Li-hua1，2，SU Zhen-hua1，2，QIU Li-peng1，2，HU Yang-hu1，2，GUO Xiao-feng1，2，ZHANG Li-bo1，2，MA Hai-kuan1，2，ZHANG Yi-fan3
(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710032，China; 2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，Xi'an 710032，China; 3.China Sanan Construction Co.Ltd.，Xi'an 710043，China)

It occurs in the extrusion process that aluminum reverse flow，when an aluminum extrusion machine is working.This paper analyzes the force of the extrusion press fixed dummy block.The main reason about aluminum reverse flow is that opening size of fixed dummy block is fail to meet the expected requirements，which lead to have a gap between extrusion cylinder and dummy block.Working condition of dummy block is simulated by finite element method，opening size of combined extrusion cylinder internal diameter is calculated by using displacement coordination formula.It improves accuracy of designing fixed dummy block，through comparing calculation results and optimizing relevant parameters.Practice proves that optimized block works well.

fixed dummy block;opening size;modify method;displacement coordination formula

TH39

A

1001-196X(2014)05-0060-04

2014-01-26;

2014-04-20

國家重大科技專項(04專項)(2009ZX04005-031 2011ZX04016-081)，陜西省重點科技創(chuàng)新團隊項目(2013KCT-10)

段麗華(1985-)，女，中國重型機械研究院股份公司工程師。