郭強

（太原重工油膜軸承分公司，山西太原030024）

引言

擠壓筒是重要的擠壓工具之一，擠壓筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外套、內(nèi)襯兩構(gòu)件組成。在工作時，擠壓筒內(nèi)襯中盛放高溫坯料，通過擠壓桿的作用使坯料最終成為所需模具的截面，在擠壓過程中擠壓筒需要承受高溫（內(nèi)表面溫度可達600℃）、高壓（由熱擠壓純鋁的150 MPa到擠壓高強鋁合金的1 500 MPa以上）、高摩擦（工作表面黏附一層變形金屬，形成一個完整的金屬套，金屬與擠壓筒內(nèi)壁之間服從庫倫摩擦定律，工作條件十分惡劣）[1-2]。

圖1 擠壓筒的結(jié)構(gòu)圖

擠壓筒的過盈是通過熱裝的形式進行組合，各層之間選擇一定的過盈值，選擇合適的過盈值，可以提高擠壓筒的使用壽命。

合理的過盈值與擠壓筒的比壓、厚度、層次等因素有關(guān)，擠壓筒的比壓越大，過盈值也應(yīng)選大些。但由過盈值引起的熱裝應(yīng)力以不超過擠壓筒工作時最大單位擠壓力的70%為宜[3]。但是過盈值過小，不能有效降低等效應(yīng)力值，對圓柱形筒有時會產(chǎn)生脫套現(xiàn)象。

因此選擇合適的擠壓筒過盈量，應(yīng)該考慮擠壓筒工作過程中的具體工況，如擠壓速率、擠壓力、坯料長度等。

1 不同擠壓力和過盈量下的擠壓筒等效應(yīng)力分布關(guān)系

為了研究擠壓力和過盈量對擠壓筒等效應(yīng)力分布的影響，在建立擠壓筒的有限元模型時需定義兩個參數(shù)，分別為擠壓應(yīng)力和擠壓筒內(nèi)襯和外套之間的穿透量（過盈量）。由于擠壓筒在工作過程當中擠壓速率是恒定的，可以認為擠壓力和擠壓坯料對擠壓筒內(nèi)襯的摩擦力是相等的，即f=F。其中f為擠壓坯料對擠壓筒內(nèi)襯的摩擦力，F(xiàn)為擠壓力。

擠壓應(yīng)力的施加是根據(jù)擠壓力計算得出，考慮到設(shè)計計算的可靠性，取擠壓坯料的長度和擠壓筒內(nèi)襯相等。擠壓應(yīng)力根據(jù)以下公式得出：

式中：σ為施加在擠壓筒內(nèi)襯上的擠壓應(yīng)力；r為擠壓筒內(nèi)襯的半徑值。

定義好參數(shù)設(shè)置后，需要對擠壓筒進行一次靜力學(xué)分析計算，考慮擠壓筒模型的對稱性能，取1/4擠壓筒模型作為研究對象，施加載荷除了擠壓應(yīng)力和摩擦力之外，還需要定義擠壓筒內(nèi)襯和外套之間的接觸關(guān)系，接觸力的施加是通過接觸穿透量（過盈量）來給定的。完成一次靜力學(xué)分析之后就可以在Workbench參數(shù)設(shè)計模塊下研究定義參數(shù)變化對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力分布的影響。

下頁圖2為定義的參數(shù)擠壓應(yīng)力和過盈量對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力分布的響應(yīng)曲面，從該響應(yīng)曲面可以看出隨著擠壓應(yīng)力和過盈量的增加，擠壓筒內(nèi)襯的等效應(yīng)力分布在增加，初始設(shè)計采用大的過盈量對改善擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力的分布是有益的。為了能夠直觀地觀察到這兩參數(shù)對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力分布的影響，可以查看多曲線平面圖來看這兩參數(shù)對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力的影響。

下頁圖3為不同壓應(yīng)力下過盈量和擠壓筒等效應(yīng)力的關(guān)系曲線組，可知過盈量隨著擠壓應(yīng)力的變化增長趨勢在變化。

下頁圖4為不同的過盈量下擠壓應(yīng)力和擠壓筒內(nèi)襯關(guān)系曲線組，從該圖可以看出不同的擠壓過應(yīng)力量對應(yīng)一個最佳的擠壓應(yīng)力。

圖2 擠壓應(yīng)力和過盈量對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力分布的響應(yīng)曲面

圖3 不同壓應(yīng)力下過盈量和擠壓筒等效應(yīng)力關(guān)系曲線組

圖4 不同過盈量下擠壓應(yīng)力和擠壓筒內(nèi)襯關(guān)系曲線組

2 基于DEFORM擠壓筒擠壓力模擬

完成擠壓應(yīng)力和擠壓筒過盈量對擠壓筒等效應(yīng)力分布影響關(guān)系曲線后，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際工況中所需的擠壓力來確定最佳的擠壓工具過盈量優(yōu)化。

為了能夠精確地模擬得出擠壓筒在工作過程中的擠壓力分布曲線，金屬利用塑性成形分析軟件Deform來模擬，根據(jù)實際工作中的擠壓工藝，擠壓筒擠壓過程中擠壓速率為2 mm/s，擠壓溫度為400℃。擠壓鋁錠的材料為Al6023，將參數(shù)帶入擠壓坯料材質(zhì)中就可通過設(shè)置擠壓速率來模擬得出擠壓力曲線。

圖5為模擬的出的在實際工藝設(shè)定的擠壓速率下，擠壓力的變化關(guān)系曲線，從該曲線可以看出在擠壓初始時，擠壓力在不斷增加，之后擠壓力趨于平衡，模擬得出的擠壓力變化曲線和理論分析趨勢是吻合的，模擬得出的最大擠壓力為17 MN，可知在該擠壓速率下的擠壓力，進而根據(jù)之前的參數(shù)分析得出最佳的擠壓筒過盈量。

圖5 Al2024在400℃、擠壓速率4 mm/s時的擠壓力曲線

擠壓筒的材料為熱模具鋼，在溫度升高情況下力學(xué)性能下降不明顯，但是也存在著減少弱的趨勢，表1為擠壓筒內(nèi)襯材料H13在不同溫度下的流動應(yīng)力變化，可知隨著溫度的升高，擠壓筒內(nèi)襯材料的強度在減小。

表1 不同溫度下擠壓筒流動應(yīng)力值、應(yīng)變值

下頁圖6為根據(jù)表格數(shù)據(jù)繪制的H13材料流動應(yīng)力和溫度變化關(guān)系曲線，以應(yīng)變形0.2%作為材料的屈服強度，可知溫度升高會使材料的屈服點降低。

3 最佳過盈量的優(yōu)化

可以將擠壓筒過盈量設(shè)置如下做優(yōu)化：

1）當擠壓筒比壓小于150 MPa時，選取的最佳過盈量為1.02 mm（直徑方向)；

2）當擠壓制品需要大的擠壓力時，如果擠壓筒比壓大于210 MPa，應(yīng)該選擇大的過盈量1.6 mm（直徑方向）來改善擠壓筒在實際過程中的應(yīng)力分布狀況。

擠壓筒在過盈量的優(yōu)化中必須滿足以下約束條件：

1）擠壓筒初始過盈量所產(chǎn)生的應(yīng)力值不得超過超過擠壓筒工作時最大單位擠壓力的70%；

2）擠壓筒的最大過盈值必須保證在熱裝溫度之下順利安裝；

3）過盈量的選擇應(yīng)保證在擠壓過程中，擠壓筒的等效應(yīng)力分布趨于最小，這樣才能更好地延長擠壓筒的使用壽命；

4）擠壓筒材料的屈服強度會隨著工作溫度的升高而下降，因此在計算過程中不能只單純考慮應(yīng)力值，而應(yīng)該將安全系數(shù)引入到計算中；

5）擠壓筒擠壓力在實際生產(chǎn)中，并非取到最大值，擠壓力的確定跟擠壓溫度、擠壓比、擠壓材料等都有關(guān)系，因此在過盈量優(yōu)化過程當中，需考慮到實際工況；

6）由于在擠壓筒工作過程當中，需要考慮到擠壓筒內(nèi)襯、外襯溫度不同時對初始過盈量的影響。

圖7為擠壓筒外襯與溫度變化關(guān)系曲線，在380℃下外襯最大的漲量為1.25 mm，換算成直徑方向漲量為2.5 mm，考慮到安裝時候的預(yù)留間隙0.9 mm，因此為了保證熱裝的順利，擠壓筒的過盈量必須小于1.6 mm（直徑方向）。

圖7 外襯外圓變形量與溫度關(guān)系曲線

36 MN為擠壓機最大的輸出擠壓力，根據(jù)擠壓墊片的直徑，可以求得最大擠壓力下，擠壓筒的最大比壓為450 MPa。根據(jù)約束條件1）擠壓筒過盈產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力應(yīng)不超過315 MPa。

圖8為擠壓筒內(nèi)襯和外套等效應(yīng)力關(guān)系曲線圖，通過迭代求解可以得知在等效應(yīng)力為311.6 MPa時，運行的最大過盈量為0.508 mm，即直徑方向最大過盈為1.02 mm。

圖9為擠壓筒過盈組裝完成后，內(nèi)襯內(nèi)孔直徑的位移和過盈量的關(guān)系曲線。

圖8 內(nèi)襯過盈量與最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線

圖9 內(nèi)襯內(nèi)孔直徑位移與過盈量關(guān)系曲線

表2為擠壓筒過盈量、擠壓應(yīng)力、等效應(yīng)力關(guān)系表，從表中可以看出當擠壓應(yīng)力大于210 MPa時，隨著過盈量的增加擠壓筒的等效應(yīng)力減小。當擠壓應(yīng)力小于210 MPa時，隨著過盈量的增加擠壓筒的等效應(yīng)力也在增加。

表2 擠壓筒過盈量、擠壓應(yīng)力、等效應(yīng)力關(guān)系表

確定擠壓過程當中的擠壓力之后，可以根據(jù)擠壓力來得出擠壓應(yīng)力值為225 MP，優(yōu)化參數(shù)分布曲線中可以得出該參數(shù)下，最佳的過盈量值為0.65 mm，這時擠壓筒內(nèi)襯的等效應(yīng)力值為311 MPa，圖10為優(yōu)化之后擠壓筒內(nèi)襯的等效應(yīng)力分布云圖。

圖10 優(yōu)化之后擠壓筒內(nèi)襯的等效應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

1）通過對擠壓筒有限元模型的參數(shù)化，研究得出了擠壓筒過盈量和擠壓應(yīng)力對擠壓筒內(nèi)襯等效應(yīng)力分布的曲線，可以根據(jù)這些曲線和具體的擠壓筒工作工況來確定最佳的過盈值。

2）在擠壓力的確定上，根據(jù)擠壓速率、擠壓溫度和擠壓坯料的塑性屬性利用DEFORM來模擬得出，使得數(shù)據(jù)更加真實，可靠性更高。

3）在數(shù)值的計算和分析上，利用了有限元分析的先進計算方法，不僅提高了產(chǎn)品設(shè)計計算效率，同時也提高了精度。

[1]郭溪泉，李樹青.現(xiàn)代大型軋機油膜軸承（理論與實踐）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]W.F.休斯，J.A.布萊頓.流體動力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]Zhao，H.Analysis of Load Distributions within Solid and Hollow Roller Bearings[J].Journal ofTribology，1998，120（1）：134-139.