李鵬偉,董晶飛,何 強(qiáng),姜 珊,韓啟強(qiáng),蔣 敏,王向杰

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金型材具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在軌道交通、航空航天、船舶、機(jī)械等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上需求較多的船用鋁合金帶筋型材一般寬度較大。采用傳統(tǒng)擠壓模具生產(chǎn)的帶筋型材寬度小,無法直接滿足客戶要求,通常需將多個(gè)半成品進(jìn)行焊接組合成大寬幅帶筋型材,整個(gè)生產(chǎn)過程工序繁瑣、成本較高,并且組裝后的船板整體強(qiáng)度、耐腐蝕性不佳[1-3]。本文從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),研究大寬幅筋型材一次成型模具方案,以減少船用帶筋型材的焊接工序,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。由于傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是通過以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程中各要素進(jìn)行預(yù)估和判斷,既延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期,又要投入較大的試錯(cuò)成本。數(shù)值模擬技術(shù)可有效解決這一問題。本試驗(yàn)借助HyperMesh有限元分析軟件,對(duì)擠壓過程中模具的受力及位移情況進(jìn)行模擬分析,再結(jié)合擠壓生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從而得出較優(yōu)的模具結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)船用鋁合金寬幅帶筋型材一體成型。

1 試驗(yàn)方案

通常船用帶筋型材采用寬展擠壓法生產(chǎn),即在圓擠壓筒工作端增設(shè)寬展導(dǎo)流板,實(shí)心圓鑄錠在導(dǎo)流板的作用下產(chǎn)生預(yù)變形,高度降低,寬度逐漸增加到大于擠壓筒直徑,從而充分填充?？讛D出制品。圖1為遼寧忠旺集團(tuán)有限公司55 MN擠壓機(jī)生產(chǎn)的單筋型材的模具設(shè)計(jì)圖,單筋型材寬150 mm。以現(xiàn)有寬展擠壓法生產(chǎn)的型材寬度最大為擠壓筒直徑的30%,無法滿足市場(chǎng)需求。本試驗(yàn)研究的船用帶筋型材為5×××系鋁合金。

圖1 單筋型材模具設(shè)計(jì)圖

1.1 雙筋型材擠壓模具

雙筋型材擠壓模具采用普通平面模設(shè)計(jì),將兩個(gè)單筋型材合為一體,經(jīng)展平其寬度較單筋型材寬了一倍。采用55 MN擠壓機(jī)生產(chǎn),將雙筋型材截面進(jìn)行調(diào)整,改成“V”形結(jié)構(gòu),以利于擠壓生產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,鑄錠在模具中通過性良好,擠壓力適中,制品易擠壓成形,經(jīng)后續(xù)加工展平,可得到寬度較單筋型材寬一倍的高質(zhì)量雙筋型材。但實(shí)際運(yùn)用中,寬幅帶筋型材仍需多個(gè)雙筋型材焊接成形,無法解決生產(chǎn)成本高、效率低、制品強(qiáng)度不均勻等問題。模具結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙筋型材模具設(shè)計(jì)圖

1.2 “C”環(huán)帶筋型材擠壓模具

“C”環(huán)八筋擠壓模具采用普通平模設(shè)計(jì)。為減少后續(xù)焊接加工和展平工作,將帶筋型材結(jié)構(gòu)調(diào)整為多個(gè)數(shù)量、同一角度的截面包圍成的“C”形環(huán),擠壓后再加工展平,展平后帶筋型材寬可達(dá)1 200 mm。但由于“C”形帶筋型材特殊結(jié)構(gòu),造成擠壓模具芯部面積加大,模具受力面積增加,模具易產(chǎn)生塌陷等塑性變形,甚至擠壓模具斷裂失效。模具設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 “C”環(huán)八筋型材模具設(shè)計(jì)圖

1.3 無縫管擠壓模具

無縫管擠壓模具方案把帶筋寬幅型材改成圓管形狀,采用空心鑄錠,正向單動(dòng)擠壓,后經(jīng)線切割和展平加工,可得到寬幅帶筋型材。以往需要焊接拼裝的寬幅帶筋型材可一次成型,減少焊接工序,大大提高生產(chǎn)效率。無縫管擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無縫管擠壓模具設(shè)計(jì)圖

擠壓針通過連接軸與擠壓機(jī)擠壓桿連接,連接部位有擠壓墊套于擠壓針外圓,擠壓針穿過空心鑄錠,在擠壓桿的作用下,整體向擠壓模具方向移動(dòng),空心鑄錠通過模孔與擠壓針組成的腔體進(jìn)行擠壓,圖5是無縫管擠壓原理示意圖。

圖5 無縫管擠壓原理示意圖

2 有限元分析

2.1 “C”環(huán)帶筋板擠壓模具數(shù)值模擬分析

采用HyperMesh有限元分析軟件,通過建立精確的模具模型,準(zhǔn)確施加載荷,加載適合的邊界條件約束,從而得到有實(shí)際參考價(jià)值的模擬分析數(shù)據(jù)[4-6]。使用225 MN單動(dòng)臥式擠壓機(jī)生產(chǎn),鑄錠規(guī)格Φ784 mm×1 010 mm,加熱溫度490 ℃～510 ℃,擠壓速度0.2 m/min～0.6 m/min,模具溫度480 ℃。

1)位移

圖6為Z方向偏移量示意圖。模具芯部因?yàn)槭芰γ娣e大,模具產(chǎn)生7.089 mm的塑性變形,從模具下部?？走B接部位開始變形,變形位移逐漸向上部加大。

圖6 Z方向偏移量示意圖

2)應(yīng)力

圖7為應(yīng)力分布情況示意圖。最大應(yīng)力為1 438 MPa,結(jié)合模具的抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線(圖8)可知,模具承受最大應(yīng)力值與模具本身工作狀態(tài)下(480 ℃)的抗拉強(qiáng)度相接近,因此需要實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。

圖7 應(yīng)力分布情況示意圖

圖8 H13鋼抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線

2.2 無縫管擠壓模具數(shù)值模擬分析

采用HyperMesh有限元分析軟件,通過建立精確的模具模型,準(zhǔn)確施加載荷,加載適合的邊界條件約束,從而得到有實(shí)際參考價(jià)值的模擬分析數(shù)據(jù)。使用225 MN單動(dòng)臥式擠壓機(jī)生產(chǎn),鑄錠規(guī)格Φ784 mm×1 010 mm,加熱溫度490 ℃～510 ℃,擠壓速度0.2 m/min～0.6 m/min,模具溫度480 ℃。

1)位移

無縫管材正向擠壓,模具圓環(huán)和翅板位置連接處形變量較大,圖9為Z方向偏移量示意圖。模具產(chǎn)生0.609 9 mm的塑性變形。

圖9 Z方向偏移量示意圖

2)應(yīng)力

最大應(yīng)力為1 033 MPa,結(jié)合圖8分析可知,模具承受最大應(yīng)力值低于模具本身工作狀態(tài)下(480 ℃)的抗拉強(qiáng)度,因此可以進(jìn)行試制生產(chǎn)。圖10為應(yīng)力分布情況示意圖。

圖10 應(yīng)力分布情況示意圖

采用無縫管擠壓方案,大大降低了“C”環(huán)平模因局部受力不均導(dǎo)致模具損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,擠壓無縫管時(shí)所使用的擠壓針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。本次無縫管擠壓生產(chǎn)方案采用擠壓針和擠壓墊一體化結(jié)構(gòu),螺紋芯軸連接擠壓軸和擠壓墊部分結(jié)構(gòu)的壓針結(jié)構(gòu)[7]。圖11為壓針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行擠壓試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 “C”環(huán)帶筋板擠壓實(shí)驗(yàn)

圖12為C型環(huán)的截面圖,采用225 MN臥式擠壓機(jī)生產(chǎn),模具溫度480 ℃,擠壓筒溫度450 ℃,鑄錠規(guī)格Φ784 mm×1 010 mm,鑄錠溫度490 ℃～510 ℃,擠壓速度0.2 m/min～0.6 m/min。

圖12 C型環(huán)截面圖

圖13為C環(huán)模具擠壓實(shí)物圖。C環(huán)模具擠壓剛開始出現(xiàn)堵模情況,現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)停機(jī)處理后發(fā)現(xiàn)模具根部由于應(yīng)力集中出現(xiàn)裂紋,最終模具報(bào)廢。

圖13 C環(huán)模具擠壓后裂紋情況

3.2 無縫管擠壓實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)225 MN擠壓設(shè)備、連接配套工裝、鑄錠加熱設(shè)備進(jìn)行改造,然后通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù)選取擠壓效果最優(yōu)的配套參數(shù)。圖14為無縫管材斷面圖。

圖14 無縫管材斷面圖

模具加熱溫度設(shè)定為480 ℃,模具保溫時(shí)間設(shè)定為12 h,選用最短棒上機(jī)調(diào)試,鑄錠溫度設(shè)定由低到高逐步上升。擠壓溫度、擠壓速度隨著擠壓過程中制品表面情況、設(shè)備壓力變化情況進(jìn)行調(diào)整,最終得出適合實(shí)際生產(chǎn)的擠壓工藝參數(shù)。當(dāng)鑄錠擠壓溫度控制在490 ℃～510 ℃,擠壓速度控制在1.0 m/min～1.5 m/min時(shí),擠壓突破壓力平均23 MPa左右,低于設(shè)備額定壓力31 MPa,擠壓制品表面無波浪等缺陷。

圖15為經(jīng)改進(jìn)后的合格制品。多筋型材可一次成型擠出,且表面良好,無需整形。經(jīng)性能檢測(cè),拉伸性能、硬度均滿足客戶要求,質(zhì)量?jī)?yōu)異。該模具設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于船用多筋寬幅型材批量生產(chǎn)中。

圖15 無縫管擠壓制品

4 結(jié) 論

通過對(duì)帶筋型材擠壓模具的分析研究可得到如下結(jié)論:

1)根據(jù)有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知,C環(huán)帶筋型材擠壓模具生產(chǎn)方案不可行,模具根部極易應(yīng)力集中出現(xiàn)裂紋,導(dǎo)致模具報(bào)廢。

2)船用鋁合金帶筋寬幅型材采用無縫管擠壓模具可一次擠壓成型,后經(jīng)展平,無需焊接拼裝,可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序,降低成本,提高生產(chǎn)效率。

3)采用無縫管模具擠壓生產(chǎn)多筋型材時(shí),鑄錠溫度設(shè)定需采用由低到高逐步上升的方式。根據(jù)制品表面情況、設(shè)備壓力變化情況調(diào)整具體工藝參數(shù)。