李鵬偉,董晶飛,何 強,姜 珊,韓啟強,蔣 敏,王向杰

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

鋁合金型材具有重量輕、強度高、耐腐蝕性好等特點,廣泛應用在軌道交通、航空航天、船舶、機械等領域。目前市場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)擠壓模具生產的帶筋型材寬度小,無法直接滿足客戶要求,通常需將多個半成品進行焊接組合成大寬幅帶筋型材,整個生產過程工序繁瑣、成本較高,并且組裝后的船板整體強度、耐腐蝕性不佳[1-3]。本文從模具結構設計的角度出發(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,降低生產成本,提高生產效率。由于傳統(tǒng)的模具結構設計主要是通過以往經驗對設計過程中各要素進行預估和判斷,既延長了設計和生產周期,又要投入較大的試錯成本。數值模擬技術可有效解決這一問題。本試驗借助HyperMesh有限元分析軟件,對擠壓過程中模具的受力及位移情況進行模擬分析,再結合擠壓生產的實驗驗證,從而得出較優(yōu)的模具結構,實現(xiàn)船用鋁合金寬幅帶筋型材一體成型。

1 試驗方案

通常船用帶筋型材采用寬展擠壓法生產,即在圓擠壓筒工作端增設寬展導流板,實心圓鑄錠在導流板的作用下產生預變形,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為遼寧忠旺集團有限公司55 MN擠壓機生產的單筋型材的模具設計圖,單筋型材寬150 mm。以現(xiàn)有寬展擠壓法生產的型材寬度最大為擠壓筒直徑的30%,無法滿足市場需求。本試驗研究的船用帶筋型材為5×××系鋁合金。

圖1 單筋型材模具設計圖

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計,將兩個單筋型材合為一體,經展平其寬度較單筋型材寬了一倍。采用55 MN擠壓機生產,將雙筋型材截面進行調整,改成“V”形結構,以利于擠壓生產。在實際生產過程中,鑄錠在模具中通過性良好,擠壓力適中,制品易擠壓成形,經后續(xù)加工展平,可得到寬度較單筋型材寬一倍的高質量雙筋型材。但實際運用中,寬幅帶筋型材仍需多個雙筋型材焊接成形,無法解決生產成本高、效率低、制品強度不均勻等問題。模具結構圖如圖2所示。

圖2 雙筋型材模具設計圖

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計。為減少后續(xù)焊接加工和展平工作,將帶筋型材結構調整為多個數量、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1 200 mm。但由于“C”形帶筋型材特殊結構,造成擠壓模具芯部面積加大,模具受力面積增加,模具易產生塌陷等塑性變形,甚至擠壓模具斷裂失效。模具設計如圖3所示。

圖3 “C”環(huán)八筋型材模具設計圖

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,正向單動擠壓,后經線切割和展平加工,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,大大提高生產效率。無縫管擠壓模具結構如圖4所示。

圖4 無縫管擠壓模具設計圖

擠壓針通過連接軸與擠壓機擠壓桿連接,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,空心鑄錠通過?？着c擠壓針組成的腔體進行擠壓,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,準確施加載荷,加載適合的邊界條件約束,從而得到有實際參考價值的模擬分析數據[4-6]。使用225 MN單動臥式擠壓機生產,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。模具芯部因為受力面積大,模具產生7.089 mm的塑性變形,從模具下部模孔連接部位開始變形,變形位移逐漸向上部加大。

圖6 Z方向偏移量示意圖

2)應力

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

圖7 應力分布情況示意圖

圖8 H13鋼抗拉強度隨溫度變化曲線

2.2 無縫管擠壓模具數值模擬分析

采用HyperMesh有限元分析軟件,通過建立精確的模具模型,準確施加載荷,加載適合的邊界條件約束,從而得到有實際參考價值的模擬分析數據。使用225 MN單動臥式擠壓機生產,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。模具產生0.609 9 mm的塑性變形。

圖9 Z方向偏移量示意圖

2)應力

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

圖10 應力分布情況示意圖

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致模具損壞的風險。因此,擠壓無縫管時所使用的擠壓針的結構設計尤為重要。本次無縫管擠壓生產方案采用擠壓針和擠壓墊一體化結構,螺紋芯軸連接擠壓軸和擠壓墊部分結構的壓針結構[7]。圖11為壓針的結構設計方案。

3 試驗驗證

根據數值模擬分析結果進行擠壓試驗驗證。

3.1 “C”環(huán)帶筋板擠壓實驗

圖12為C型環(huán)的截面圖,采用225 MN臥式擠壓機生產,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)模具擠壓實物圖。C環(huán)模具擠壓剛開始出現(xiàn)堵模情況,現(xiàn)場及時停機處理后發(fā)現(xiàn)模具根部由于應力集中出現(xiàn)裂紋,最終模具報廢。

圖13 C環(huán)模具擠壓后裂紋情況

3.2 無縫管擠壓實驗

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

圖14 無縫管材斷面圖

模具加熱溫度設定為480 ℃,模具保溫時間設定為12 h,選用最短棒上機調試,鑄錠溫度設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、設備壓力變化情況進行調整,最終得出適合實際生產的擠壓工藝參數。當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,擠壓突破壓力平均23 MPa左右,低于設備額定壓力31 MPa,擠壓制品表面無波浪等缺陷。

圖15為經改進后的合格制品。多筋型材可一次成型擠出,且表面良好,無需整形。經性能檢測,拉伸性能、硬度均滿足客戶要求,質量優(yōu)異。該模具設計方案可應用于船用多筋寬幅型材批量生產中。

圖15 無縫管擠壓制品

4 結 論

通過對帶筋型材擠壓模具的分析研究可得到如下結論:

1)根據有限元分析及試驗驗證可知,C環(huán)帶筋型材擠壓模具生產方案不可行,模具根部極易應力集中出現(xiàn)裂紋,導致模具報廢。

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,后經展平,無需焊接拼裝,可簡化生產工序,降低成本,提高生產效率。

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