成小樂(lè)，馮亞斌，肖錦祺，黃 勝，楊 建

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710613)

0 前言

大型扁寬薄壁板型材擠壓件具有比強(qiáng)度高、造型美觀、耐腐蝕性和氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)飛機(jī)、高鐵及地鐵等現(xiàn)代交通方面已廣泛應(yīng)用[1]。本文闡述了疲勞、蠕變等對(duì)扁擠壓筒的影響，分析了死區(qū)大小對(duì)摩擦力及擠壓力的影響機(jī)理，總結(jié)出提高扁擠壓筒壽命方法。

1 扁擠壓桶結(jié)構(gòu)缺陷分析

擠壓筒是擠壓設(shè)備的核心部件，擠壓筒的成本往往占擠壓總成本的30%以上[2]。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒內(nèi)孔形狀與壁板類型材幾何形狀相似。在擠壓同寬度的型材時(shí)，扁擠壓筒擠壓腔橫截面積比圓擠壓筒小很多，導(dǎo)致在擠壓過(guò)程中可以大幅降低擠壓力[3]，如表1所示，扁擠壓筒相比圓筒擠壓力下降56.27%。并且在很大程度上可以使制品橫截面上金屬的流動(dòng)速度均勻，產(chǎn)品質(zhì)量更高，擠壓筒結(jié)構(gòu)更加緊湊[4]。正是因?yàn)楸鈹D壓筒擠壓過(guò)程中擠壓力的降低，所以在相同擠壓能力下，扁擠壓筒允許擠出的最大板型材尺寸大于圓擠壓筒，低噸位的扁擠壓筒可以替代高噸位的圓擠壓筒生產(chǎn)同等寬度的板材，如表2。使得擠壓生產(chǎn)中所需設(shè)備噸位降低，更符合節(jié)能減排的理念，與“中國(guó)制造2025”綠色節(jié)能目的緊密貼合。

表1 圓筒與扁筒擠壓力對(duì)比

表2 圓擠壓筒與扁擠壓筒的擠壓能力對(duì)比

然而，由于扁擠壓筒擠壓腔形狀的不完全對(duì)稱，造成各部位厚度不均勻分布，導(dǎo)致扁擠壓筒在裝配與工作條件下，應(yīng)力分布極不均勻。擠壓腔兩端圓弧過(guò)渡處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處應(yīng)力峰值一般高出相同半徑下其他區(qū)域應(yīng)力值的10%以上[5]，嚴(yán)重影響了扁擠壓筒的使用壽命。以80 MN擠壓機(jī)用扁擠壓筒為例，通過(guò)有限元分析得到扁擠壓筒裝配及工作條件(工作應(yīng)力為520 MPa)下的應(yīng)力分布如圖1、圖2所示。建模及材料具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[1]?？梢钥吹綗o(wú)論裝配或工作條件下扁擠壓筒的應(yīng)力變化均很大，尤其是在工作條件下扁擠壓筒擠壓腔圓弧過(guò)渡處的應(yīng)力峰值已達(dá)1 402.79 MPa，是扁擠壓筒用材料H13鋼屈服強(qiáng)度的87%。

圖1 扁擠壓筒裝配時(shí)等效應(yīng)力分布云圖

圖2 扁擠壓筒工況時(shí)等效應(yīng)力分布云圖

扁擠壓筒的工作環(huán)境非常惡劣，需長(zhǎng)期承受高溫、高壓的作用。在工作過(guò)程中由于扁擠壓筒反復(fù)加熱和冷卻、反復(fù)加載和卸載，在激冷激熱和交變高壓載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，應(yīng)力集中區(qū)域更是如此[6-7]。并且扁擠壓筒在高溫環(huán)境下，蠕變變形開(kāi)始變得顯著，其加速了疲勞破壞[8]。另外，由于擠壓模具和扁擠壓筒之間形成死區(qū)，死區(qū)大小影響擠壓力的大小，從而影響扁擠壓筒承受的負(fù)荷，也是扁擠壓筒損壞的影響因素之一。

正因扁擠壓筒自身結(jié)構(gòu)的不完全對(duì)稱、高溫和高壓及其引起的蠕變和疲勞以及死區(qū)的綜合影響，使得扁擠壓筒往往達(dá)不到理論設(shè)計(jì)的工作時(shí)長(zhǎng)就提高失效，這樣既增加了擠壓成本，也降低了生產(chǎn)效率。

2 扁擠壓筒優(yōu)化方法

2.1 傳統(tǒng)扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

扁擠壓筒需長(zhǎng)時(shí)間在高壓下工作，所以一般被設(shè)計(jì)成過(guò)盈裝配且為兩層及其以上的預(yù)應(yīng)力組合筒，各層襯套間接觸面一般為圓柱。許多學(xué)者為了提高扁擠壓筒的使用壽命，在多方面對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如襯套層數(shù)、厚度及表面應(yīng)力集中現(xiàn)象的優(yōu)化，運(yùn)用程序語(yǔ)言結(jié)合智能算法對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，還有對(duì)扁擠壓筒孔型及過(guò)盈量的優(yōu)化。

利用有限元軟件對(duì)雙層、三層扁擠壓筒擠壓過(guò)程中的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬仿真，發(fā)現(xiàn)將兩層襯套增加為三層襯套，工況下的扁擠壓筒應(yīng)力最高點(diǎn)e等效應(yīng)力值由1 395 MPa降低為1 150.3 MPa[9]，如圖3所示。通過(guò)研究扁擠壓筒壁厚和最大等效應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示，發(fā)現(xiàn)改變壁厚也可以適當(dāng)改善扁擠壓筒應(yīng)力集中的現(xiàn)象[10,12]。并且對(duì)扁擠壓筒各層襯套表面易產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如：將扁擠壓筒端面線槽旋轉(zhuǎn)一定角度以避開(kāi)側(cè)線槽應(yīng)力薄弱區(qū)域，最終使線槽在過(guò)盈裝配時(shí)等效應(yīng)力由940 MPa降到580 MPa左右、工作時(shí)等效應(yīng)力由1 195 MPa降到680 MPa左右[13]，如圖5、圖6所示。為簡(jiǎn)單、快捷的設(shè)計(jì)出最佳性能的扁擠壓筒，結(jié)合有限元仿真，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法思想引進(jìn)扁擠壓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為復(fù)雜非線性問(wèn)題優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新方法。以80 MN扁擠壓筒為例，在各參數(shù)取值范圍內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)來(lái)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)取值范圍內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了一組最優(yōu)解[14-16]，如表3所示。

圖3 不同襯套層數(shù)下扁擠壓筒工作狀態(tài)的最大等效應(yīng)力

圖4 襯套各層厚度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

圖5 過(guò)盈裝配時(shí)線槽優(yōu)化前后等效應(yīng)力值

圖6 工作時(shí)線槽優(yōu)化前后等效應(yīng)力值

表3 80 MN扁擠壓筒各結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍及優(yōu)化后最優(yōu)解

扁擠壓筒擠壓腔的形狀是由兩條直線與兩個(gè)過(guò)渡圓弧構(gòu)成，其形狀會(huì)直接影響扁擠壓筒的使用壽命，分析在各種形狀下扁擠壓筒的應(yīng)力分布十分必要[4]。目前現(xiàn)有圓弧過(guò)渡(傳統(tǒng)形式)、兩段圓弧過(guò)渡、直線-圓弧過(guò)渡、組合圓弧過(guò)渡及計(jì)算機(jī)優(yōu)化圓弧過(guò)渡等五種形式，且每種形式均有降低應(yīng)力峰值、改善應(yīng)力分布的效果。

針對(duì)125 MN擠壓腔為850 mm×320 mm的4層扁擠壓筒，將傳統(tǒng)圓弧形過(guò)渡改為兩段圓弧過(guò)渡和直線-圓弧過(guò)渡如圖7所示，可以由表4看出，最大應(yīng)力由1 325.6 MPa降為1 048.5 MPa，最大下降幅度達(dá)20.9%[17]。

圖7 不同過(guò)渡形式

表4 不同過(guò)渡形狀的最大應(yīng)力值

運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)理論并結(jié)合有限元分析計(jì)算對(duì)此扁擠壓筒擠壓腔進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了擠壓腔最優(yōu)的過(guò)渡曲線，使內(nèi)套應(yīng)力集中降低，優(yōu)化前后曲線如圖8所示，采用修正優(yōu)化后的形線，扁擠壓筒內(nèi)套應(yīng)力明顯下降，下降幅度也達(dá)17.23%[18]。將傳統(tǒng)圓弧過(guò)渡改為雙圓弧過(guò)渡形式如圖9所示，其中R1為(0.7～0.8)·H，R2為(0.2～0.3)·H。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)此類型扁擠壓筒中的坯料流速分布更加均勻且應(yīng)力峰值有明顯降低[19-20]。

圖8 優(yōu)化前后形線

圖9 雙圓弧過(guò)渡形式

因?yàn)楸鈹D壓筒是一種預(yù)應(yīng)力組合筒，過(guò)盈裝配產(chǎn)生的預(yù)緊力在扁擠壓筒工況下與擠壓力相互抵消，最終起到保護(hù)扁擠壓筒的作用。但是由于扁擠壓筒結(jié)構(gòu)的特殊性決定了等過(guò)盈量配合必定會(huì)導(dǎo)致擠壓腔不均勻變形[21]，如圖10所示。所以對(duì)擠壓腔變形程度大的過(guò)盈配合區(qū)域使用較小的過(guò)盈量，而變形程度小的過(guò)盈配合區(qū)域使用較大的過(guò)盈量，即：變過(guò)盈量設(shè)計(jì)。這樣既改善了擠壓腔孔型變形不均勻分布，也保證預(yù)緊力[21]。并且由于擠壓腔長(zhǎng)短軸差異較大，長(zhǎng)軸中心法線方向扁擠壓筒的自重產(chǎn)生下?lián)?，加劇了擠壓腔變形的不均勻。所以在裝配完成后，需對(duì)擠壓腔進(jìn)行修模操作，應(yīng)該采用內(nèi)孔拋光工具，利用氣動(dòng)馬達(dá)安裝空心刀桿接千葉輪的方式對(duì)擠壓腔進(jìn)行拋光[22]，使得扁擠壓筒擠壓腔在裝配情況下保持原型。

圖10 80 MN扁擠壓筒裝配條件下擠壓腔變形規(guī)律

2.2 新型扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對(duì)扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)，為了能設(shè)計(jì)制造出性能更優(yōu)良的扁擠壓筒，在滿足約束條件下，按預(yù)定的目標(biāo)合理設(shè)計(jì)一些新型扁擠壓筒結(jié)構(gòu)，也是一種有效途徑。

通過(guò)改變傳統(tǒng)扁擠壓筒自身結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到降低應(yīng)力峰值、均勻應(yīng)力分布的作用。將扁擠壓筒內(nèi)襯外表面的橫截面由圓形改為橢圓形如圖11所示，使得內(nèi)襯外形與擠壓腔幾何上更加相似，并通過(guò)有限元分析得到，橢圓外形內(nèi)襯的扁擠壓筒在工況下最大等效應(yīng)力值下降8%左右并且擠壓腔變形不均勻得到改善[1，23，24]。

圖11 扁擠壓筒

將扁擠壓筒的內(nèi)襯由整體式改變?yōu)榉煮w式如圖12所示，其中內(nèi)套是由上下鑲塊組成，上下鑲塊對(duì)稱位于緊挨的中襯內(nèi)側(cè)，通過(guò)兩個(gè)鑲塊的弧面與中襯圓環(huán)的弧形內(nèi)壁相配合，改善工作腔直面與弧面交界處的應(yīng)力分布[25]。

圖12 一種扁擠壓筒的內(nèi)套及扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)

為內(nèi)襯減材，使內(nèi)中襯之間裝配過(guò)盈接觸面由原來(lái)的面接觸變?yōu)榫植棵娼佑|如圖13所示，通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)在同等條件下，可以使危險(xiǎn)部位的等效應(yīng)力降低30%以上[26]。在內(nèi)襯上開(kāi)設(shè)通孔，降低內(nèi)襯豎直方向的剛度如圖14所示，通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)扁擠壓筒相比，可使危險(xiǎn)部位的工作應(yīng)力降低12.1%[27]。通過(guò)對(duì)中襯外側(cè)減材，然后通過(guò)熱裝工藝對(duì)中外襯進(jìn)行裝配，同時(shí)在中襯去材部分注入軟金屬層如圖15所示，利用內(nèi)襯變形導(dǎo)致軟金屬層產(chǎn)生靜水壓力，由靜水壓力與內(nèi)部擠壓力平衡來(lái)降低等效應(yīng)力[28]。

圖13 局部預(yù)壓力結(jié)構(gòu)模型

圖14 內(nèi)襯開(kāi)通孔的扁擠壓筒

圖15 消除內(nèi)孔應(yīng)力集中的扁擠壓筒新結(jié)構(gòu)

將鋼絲纏繞技術(shù)引進(jìn)擠壓筒的設(shè)計(jì)中，為擠壓筒提供全預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的保護(hù)如圖16所示，可以提高擠壓筒的承載能力并使擠壓筒結(jié)構(gòu)更加緊湊[29]。并且將鋼絲纏繞擠壓筒的直端面改為斜端面如圖16所示，發(fā)現(xiàn)在相同工作內(nèi)壓下，斜端面結(jié)構(gòu)和平端面結(jié)構(gòu)在裝配或工況下芯筒應(yīng)力分布基本相同，但斜端面結(jié)構(gòu)的外徑與芯筒質(zhì)量小于平端面結(jié)構(gòu)，且所需預(yù)緊力更小，對(duì)應(yīng)的鋼絲使用量也可以減小[30]。

圖16 鋼絲纏繞擠壓筒的基本結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)扁擠壓筒的擠壓腔表面進(jìn)行保護(hù)，提高擠壓腔表面性能從而提高使用壽命。在扁擠壓筒擠壓腔表面增加高強(qiáng)度纖維來(lái)提高其強(qiáng)度，進(jìn)而降低其磨損，提高壽命[31]，如圖17所示。對(duì)扁擠壓筒擠壓腔內(nèi)壁表面施加WC-12Co涂層，結(jié)果表明在所選涂層厚度范圍內(nèi)，涂層厚度越大，扁擠壓筒所受的最大應(yīng)力越小[32]。對(duì)熱作工具鋼的表面進(jìn)行改性，包括氮化、滲鉻、激光熔融處理及物理氣相沉積等，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面處理過(guò)的熱工具鋼均降低了表面龜裂性[33]。對(duì)H13鋼在540～560 ℃離子滲氮8 h后再進(jìn)行550 ℃低溫鹽浴復(fù)合滲鉻，發(fā)現(xiàn)CrN化合物平均厚度為5 μm，顯微硬度為1 500 HV，耐腐蝕性能也比離子滲氮要好[34]。對(duì)H13鋼表面進(jìn)行激光熔融處理，研究發(fā)現(xiàn)處理后的表面更平滑、均勻致密，顯著提高了材料的抗磨損和腐蝕性能[35]。利用等離子轉(zhuǎn)移電弧工藝(PTA)在熱工具鋼上沉積Stellite 6涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層對(duì)熱工具鋼疲勞性能能產(chǎn)生非常有利的影響，大幅度提高熱工具鋼的使用壽命[36]。利用真空燒結(jié)法在H13表面制備了1～3 mm厚的三元硼化物基金屬陶瓷覆層組織，硬度達(dá)到了1 200 HV，有利于提高鋼的耐磨性[37]。

圖17 一種3D打印纖維局部增強(qiáng)的扁擠壓筒

3 扁擠壓筒新材料

擠壓筒用材料要求有高強(qiáng)度及硬度、高耐熱性、高穩(wěn)定性、高耐磨性及抗疲勞、蠕變性好等特點(diǎn)。所以高質(zhì)量的材料才能制造出高性能的扁擠壓筒，對(duì)扁擠壓筒用材料的改良研究一直是提高其使用壽命的熱點(diǎn)。國(guó)外的許多學(xué)者研究出了不少的新型熱作模具鋼，比如：設(shè)計(jì)了一種以鎢和鈷為合金元素的新型鋼SMR4，其具有較高的組織穩(wěn)定性、抗軟化性和較高的抗疲勞性能并且具有較高的韌性，使擠壓模具壽命提高了25%以上[38]；奧氏體熱作工具鋼B?hlerW750，其具有高耐熱性、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，通過(guò)在三個(gè)不同溫度下的銅坯料的擠出過(guò)程模擬，發(fā)現(xiàn)該新材料具有優(yōu)良的使用性能[39]。建立疲勞蠕變下非彈性應(yīng)變的熱粘塑性本構(gòu)模型，并結(jié)合有限元對(duì)W300 ISOBLOC和W400 VMR兩種材料的擠壓筒鋁擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)后者失效循環(huán)次數(shù)比前者高出3倍[40][41]；研發(fā)的MCG2006鋼相比于H13鋼，在長(zhǎng)時(shí)間較高溫度下的穩(wěn)定性要優(yōu)于H13鋼[42]。另外，我國(guó)開(kāi)發(fā)的SRM-1高溫高強(qiáng)熱擠壓工模具鋼，其高溫強(qiáng)度比H13鋼可提高一倍，有望替代H13成為新一代擠壓工模具材料[43]；還有研發(fā)的1.236 7材質(zhì)工模具鋼的熱穩(wěn)定性、高溫耐磨性和沖擊韌性及熱疲勞性能均優(yōu)于H13鋼，而且壽命是H13鋼的1.5～3倍，更適合于擠壓用工模具鋼[44]；研究的新型熱作模具鋼SDCM-SS的摩擦和磨損行為、磨損機(jī)理和顯微組織特性，結(jié)果表明新型鋼SDCM-SS比H13鋼具有更高的耐磨性[45]。

4 疲勞、蠕變對(duì)扁擠壓筒過(guò)盈量的影響研究

由于結(jié)構(gòu)影響，造成了扁擠壓筒在每次擠壓中均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，雖然扁擠壓筒所承受的應(yīng)力并未超過(guò)材料的屈服極限，但在連續(xù)擠壓過(guò)程中，隨著坯料不斷進(jìn)入與擠出而重復(fù)，使得扁擠壓筒內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，造成扁擠壓筒的疲勞破壞[46,47]。由于扁擠壓筒長(zhǎng)期受交變高壓的作用，會(huì)使扁擠壓筒產(chǎn)生疲勞損傷。同時(shí)，扁擠壓筒工作過(guò)程中要承受熱坯料、坯料和筒體的摩擦、加熱器等熱傳遞的影響，使得擠壓筒的溫度分布極不均勻，也產(chǎn)生蠕變損傷，但是各襯套間不同材料的高溫蠕變性能并不一樣，如圖18所示，長(zhǎng)期在高溫狀態(tài)下，不同材料的襯套間過(guò)盈量必然發(fā)生變化。并且擠壓過(guò)程是一個(gè)空間和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)過(guò)程，蠕變也與時(shí)間歷程相關(guān)，所以擠壓筒在工作一段時(shí)間后，各襯套間過(guò)盈量的變化沿軸向位置的分布也不一致，如圖19所示。

圖18 不同材料間的高溫蠕變曲線

圖19 擠壓過(guò)程中不同時(shí)刻的蠕變應(yīng)變分布

扁擠壓筒蠕變變形會(huì)造成各襯套間過(guò)盈量減小進(jìn)而影響到扁擠壓筒的應(yīng)力分布狀況，造成擠壓疲勞損傷不斷改變，應(yīng)力分布的改變又會(huì)影響到蠕變速率和蠕變量，使得疲勞與蠕變二者產(chǎn)生交互耦合[47]。并且疲勞-蠕變交互作用引起的筒體變形、開(kāi)裂已經(jīng)成為擠壓筒失效的主要原因，嚴(yán)重影響擠壓制品生產(chǎn)效率和成本[46]。然而疲勞-蠕變交互損傷的機(jī)理非常復(fù)雜，并且針對(duì)疲勞-蠕變損傷引起失效的相關(guān)研究十分有限。宋宗燾[47]研究了疲勞、蠕變和疲勞-蠕變交互作用三個(gè)方面對(duì)擠壓筒使用壽命的影響，發(fā)現(xiàn)疲勞-蠕變交互作用下的擠壓筒使用壽命為疲勞或蠕變破壞中的較小值。李一紅[48]分析了擠壓筒的結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)力及擠壓時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力組合擠壓筒過(guò)盈量的影響規(guī)律。并對(duì)不同材料組合形式下蠕變對(duì)擠壓筒過(guò)盈量的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擠壓筒各筒間選用不同材料時(shí)，由于材料的蠕變性能差異，使得過(guò)盈量的變化量增加。李一紅等[49]在傳統(tǒng)Lame公式的基礎(chǔ)上引入直接位移求解法，推導(dǎo)了考慮蠕變效應(yīng)的擠壓筒應(yīng)力/應(yīng)變分布解析模型，分析了各層筒應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明，交界面處各層筒的蠕變應(yīng)變有差別，造成徑向變形不一，從而使得過(guò)盈量減小。所以，扁擠壓筒各襯套的制造材料要在滿足使用要求的前提下，使它們的高溫蠕變曲線也應(yīng)盡量的一直。馬玲[8]建立了耦合損傷的粘塑性-蠕變本構(gòu)方程，運(yùn)用ABAQUS有限元仿真，對(duì)擠壓筒內(nèi)壁蠕變-疲勞損傷進(jìn)行了模擬研究，得到損傷演化曲線以及損傷演化速率曲線如圖20所示，可以看到損傷累積值最大點(diǎn)150號(hào)單元上，蠕變-疲勞損傷累積量隨著擠壓循環(huán)周次的增加而增加，并且損傷速率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖20 失效危險(xiǎn)點(diǎn)的蠕變-疲勞損傷累積及其速率演化曲線

5 DMZ對(duì)扁擠壓筒的影響研究

金屬擠壓成型是一個(gè)處在大變形、高溫、高壓、復(fù)雜摩擦條件下的非線性過(guò)程，材料的流動(dòng)十分復(fù)雜[50]，擠壓過(guò)程中的微觀組織演變?nèi)鐖D21所示。在坯料前端的拐角處，擠壓模具和扁擠壓筒之間形成了一個(gè)單獨(dú)的變形區(qū)B(稱為死區(qū)，DMZ)，在這里金屬不會(huì)發(fā)生流動(dòng)[51]。所以在未成型材料E、F與死區(qū)B之間形成了剪切區(qū)C。隨著擠壓的進(jìn)行，未成形材料E、F的表面金屬D(相對(duì)死區(qū)B而言)與死區(qū)B發(fā)生剪切行為，隨后E、F區(qū)材料與死區(qū)B發(fā)生滑動(dòng)直至擠壓結(jié)束[52]，最終進(jìn)入?？壮蔀樽冃萎a(chǎn)物A。接觸面上坯料與扁擠壓筒之間的摩擦逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕髁系膬?nèi)摩擦，使得接觸面上摩擦的性質(zhì)和行為發(fā)生變化。同時(shí)接觸面由微觀結(jié)構(gòu)上的不相稱(晶體尺度和取向不同，鋁與鐵性質(zhì)不同)自發(fā)地趨于相稱[53]，Robbins M.O.認(rèn)為當(dāng)接觸面上分子結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱時(shí)，分子勢(shì)能達(dá)到能量最低狀態(tài)，此時(shí)若要使兩個(gè)物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須要克服這個(gè)勢(shì)能壁壘，從而導(dǎo)致很大的摩擦[54]。

圖21 擠壓過(guò)程中的微觀組織演變

所以在變形剛開(kāi)始時(shí)，擠壓力的增加不僅是由于坯料和扁擠壓筒之間的摩擦力，還有坯料的剪切力和坯料內(nèi)部件的滑動(dòng)摩擦力。最終導(dǎo)致擠壓力加大，壓機(jī)負(fù)荷變高，扁擠壓筒承受載荷變大，加速了扁擠壓筒的損壞。

由圖21所示，若死區(qū)B變大，則剪切區(qū)C變大，導(dǎo)致剪切距離與坯料滑動(dòng)距離變長(zhǎng)，最終使剪切力與摩擦力變大。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)擠壓過(guò)程中死區(qū)行為與摩擦的問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了一些有意義的成果。魏立群[55]利用上限法對(duì)死區(qū)的形成及其影響因素進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)死區(qū)區(qū)域大小受到坯料/扁擠壓筒界面上的摩擦影響，隨著摩擦因數(shù)的增加而增加。鄧小民等對(duì)擠壓鋁合金時(shí)坯料/扁擠壓筒界面上的摩擦性質(zhì)和行為進(jìn)行了研究，并建立了擠壓鋁合金時(shí)的摩擦因數(shù)與不同擠壓溫度、速度條件下金屬變形抗力的關(guān)系式，為正確計(jì)算擠壓力提供了依據(jù)。Flitta, I等[56]研究了初始坯料溫度對(duì)摩擦及材料流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著初始坯料溫度的升高，死區(qū)變大，坯料/扁擠壓筒界面上摩擦因數(shù)增加導(dǎo)致擠壓力的增加。Qamar, S. Z.等[38]對(duì)三種不同材料以不同速度進(jìn)行擠壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，死區(qū)隨著擠壓比的增加而增加，隨著擠壓速度的增加而減小。G.E. Totten[57]等研究發(fā)現(xiàn)，較小的壓下率(a small reduction ratio)將產(chǎn)生較小的死區(qū)，從而降低擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的摩擦阻力。Solomon N[52]、李峰等[58]通過(guò)模具幾何形狀的合理設(shè)計(jì)，可以有效的控制死區(qū)的位置和大小，具體是在平模支承面處設(shè)置了導(dǎo)流角，使得死區(qū)、變形區(qū)摩擦力達(dá)到最小。Li F等[59]研究發(fā)現(xiàn)，在擠壓時(shí)使用內(nèi)錐沖頭，研究發(fā)現(xiàn)扁擠壓筒底部沒(méi)有金屬流動(dòng)界面，死區(qū)完全消失。

模角α(模具軸線與其工作端面之間構(gòu)成的夾角)越大，則金屬流動(dòng)越不均勻，死區(qū)就越大，消耗的擠壓力越大[60]，導(dǎo)致扁擠壓筒受負(fù)荷增大，加速其損耗。劉偉[61]提出了流線模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)模擬分析可以看出把流線模型應(yīng)用在分流模具上可以有效的降低型材擠壓時(shí)的擠壓力。這是因?yàn)榱骶€型模腔大大減小了模角α，使得金屬流動(dòng)更加均勻，死區(qū)越小，擠壓力隨之減小。又因?yàn)榱骶€模的模角是連續(xù)變化的，從正擠壓時(shí)金屬流動(dòng)的網(wǎng)格圖(圖22)可以看出，金屬的流動(dòng)本身就呈流線狀，因此采用流線模更有利于改善金屬的流動(dòng)[60]。還有胡龍飛等[62][63]引入流函數(shù)理論建立扁擠壓筒型腔到型材出口之間過(guò)渡曲面的邊界條件，并根據(jù)復(fù)變函數(shù)共形映射理論，利用三維造型軟件完成了復(fù)雜型材擠壓“流線型”過(guò)渡曲面的三維建模，并研究發(fā)現(xiàn)相同斷面縮減率下，流線型型腔在降低成型載荷上存在較大優(yōu)勢(shì)。舒潔[64]運(yùn)用上限法建立鋁合金棒材擠壓成型的流動(dòng)模型，推導(dǎo)了坯料在五種不同曲線型腔模具中變形時(shí)的功、能表達(dá)式，并以擠壓力最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，獲得最低能耗下的型腔曲線長(zhǎng)度。石磊[65]分析了傳統(tǒng)分流焊合擠壓、等通道轉(zhuǎn)角晶粒破碎細(xì)化擠壓、金屬流動(dòng)性好并且省力的扁擠壓筒擠壓的特點(diǎn)，并結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)集成創(chuàng)新，提出了扁擠壓筒等通道轉(zhuǎn)角分流大寬展擠壓的新原理如圖23所示，該擠壓方法可以形成較小的擠壓比有利于減小擠壓載荷和有利于金屬流動(dòng)。

圖22 正擠壓時(shí)金屬流動(dòng)的坐標(biāo)網(wǎng)格圖

圖23 扁擠壓筒等通道轉(zhuǎn)角分流大寬展擠壓

6 結(jié)論

6.1 設(shè)計(jì)原則

(1)為了更有效的提高扁擠壓筒的使用壽命，獲得更加精確的扁擠壓筒應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律是必要的，所以在進(jìn)行扁擠壓筒有限元分析時(shí)不僅要考慮高溫高壓，還要考慮疲勞、蠕變的影響。

(2)扁擠壓筒設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該盡量避免孔、槽等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置偏移、倒圓角等操作。

(3)利用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)目前現(xiàn)有的扁擠壓筒優(yōu)化方法進(jìn)行組合，致力于獲得更佳結(jié)構(gòu)的扁擠壓筒。

6.2 研究方向

(1)因?yàn)楸鈹D壓筒工作過(guò)程中承受高壓作用，然而有高溫的介入，會(huì)使筒的應(yīng)力峰值有所回落，但是高溫又會(huì)使蠕變變形加劇。所以，應(yīng)該研究溫度與扁擠壓筒工作過(guò)程中應(yīng)力峰值、蠕變變形的關(guān)系，找出各噸位扁擠壓筒的最佳工作溫度。

(2)因?yàn)楸鈹D壓筒在工程過(guò)程中要承受多個(gè)熱源的作用，造成扁擠壓筒的溫度分布極不均勻，又會(huì)加劇蠕變變形，加速扁擠壓筒的損壞。所以，應(yīng)該對(duì)扁擠壓筒采用先保溫后降溫的方法均勻溫度分布。

(3)扁擠壓筒各層襯套的材料應(yīng)該在滿足強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，盡可能選用蠕變曲線較相近的材料。