有色金屬大型壁板型材連續軋擠初探

有色金屬大型壁板型材連續軋擠初探

鐘毅, 陳業高, 潘昇旻, 葉蔚

(昆明理工大學 材料科學與工程學院, 云南 昆明650000)

摘要：利用自行設計改裝的連續軋擠設備模擬大型壁板型材的成形.以橡皮泥作為模擬試驗材料,在由二輥軋機改裝得到的連續軋擠設備上進行試驗,模擬了寬×厚為98 mm×1 mm的板材連續軋擠生產過程.橡皮泥模擬試驗及連續軋擠的工程法力學分析證明,利用連續軋擠法制備大型壁板型材是可行的,對大型壁板型材的制備有一定的指導作用.

關鍵詞：連續軋擠; 大寬厚比; 物理模擬; 大型壁板型材

收稿日期：2015-04-18

基金項目：云南省教育廳科學研究基金項目(2013Z115)

作者簡介：鐘毅(1964—),男,教授,主要研究方向為材料成形新工藝與新設備. E-mail:zy5125990@163.com

中圖分類號：TG375`+.25

文獻標志碼：A

Abstract：The processing of large thin-wall wainscot was simulated on the self-made ectrolling device by refitting two roll mills.Selected as simulating materials,plasticine was manufactured into the flat whose width and thickness are 98 mm×1 mm.The experiment and mechanical analysis proved that the extrolling method is feasible for the manufacturing of large wall profiles and physical simulating test plays a guiding role in the production of large thin-wall wainscot of real nonferrous.

Keywords：extrolling; huge width-thickness ratio; physical simulating; large thin-wall wainscot

A Preliminary Study on Extrolling to Manufacture Large Thin-wall Wainscot of Non-ferrousZHONG Yi, CHEN Yegao, PAN Shengmin, YE Wei

(School of Material Science and Engineering, Kunming University of

Science and Technology, Kunming 650093, China)

0引言

銅排是一種大電流以及超大電流導電型材,廣泛應用于冶金、電鍍和化工等行業,可用于制造高低壓電器、配電設備、開關觸頭和母線槽等.作為大電流導電產品,銅排表面必須光滑,無毛刺、凹坑、棱角,以防在尖端或凹坑部分放電,造成短路.銅排的主要生產方法及相應的產品尺寸見表1.高精度異形銅帶用于半導體塑封三極管的引線框架的制作[1],斷面有U形、T形、L形、W形和階梯形.U形銅帶規格中寬厚比最大為179,最小為135.異形銅帶的生產方法有錘鍛法、異形孔型軋制法和銑削法.錘鍛法生產的產品表面光滑,尺寸精度高,但要求每分鐘錘鍛2 000余次,對設備要求較高;異型孔型軋制法生產的產品尺寸不均,易產生毛刺,導致放電;銑削法生產的產品表面留有痕跡.鋁及鋁合金大型壁板型材在宇航、航空、船舶上層結構、列車廂體、城市地鐵、城市輕軌、汽車廂體、現代建筑、集裝箱、導彈以及機場跑道等方面應用廣泛.整體壁板已成為一門獨立的專業技術,作為衡量各國航空工業發展的重要標志之一[2-3].大型整體壁板的熱擠壓法的擠壓能力及產品尺寸見表1.

表1　4種擠壓法生產能力及產品尺寸

由表1可知,圓筒擠壓法、扁筒擠壓法和寬展擠壓法擠壓力很大,易損壞模具模腔;連續擠壓法擠壓寬度小,最大寬厚比小.因此，這4種方法均不適合用于生產大型壁板型材.

Extrolling是Avitzur于1974年4月16日提出的用于線材制備的方法[4],并于1976年1月27日取得專利授權.Extrolling是一種較為新穎的材料加工方法,到目前為止,相關報道很少,也未見應用于工業.但是若能利用軋擠法生產大寬厚比型材,則其具有不可替代的優點:產品尺寸及寬厚比不受限制.目前對Extrolling的研究較少,謝建新、劉靜安[5]指出Extrolling由于擠壓型腔長度短、接觸摩擦面積小等缺點,難以獲得足夠大的擠壓力,很難用于材料成形.Festykovskii[6]討論了成形模具前沿距兩輥中心連線的距離對擠出成形的影響,并給出了最有效的成形區域.Stahlberg和G?ransson[7]從理論上分析了Extrolling的過程,并用速端圖分析對比區別軋擠與軋制過程中金屬流動的差異.Alexander[8]利用電腦程序對Extrolling過程進行理論計算,分析討論了Extrolling與Rolling的區別.

物理模擬法已被廣泛應用于金屬的變形研究[9-12].Altan等[9]利用橡皮泥代替金屬,模擬金屬的擠壓變形過程,并以此為基礎計算擠壓力的大小.Jain等[10]采用物理模擬法模擬金屬的大塑性變形過程,并把模擬結果與計算機模擬結果對比,得到了很好的吻合.Sofuoglu[11]利用橡皮泥代替金屬材料模擬軋制過程中金屬的流動性質和相關參數的變化.Aydin等[12]利用物理模擬法和數值模擬法模擬金屬在傳統擠壓法中的變形形態.

本文利用二輥軋機改裝的連續軋擠設備,用橡皮泥作為模擬材料,模擬大型壁板型材的成形,并且對Extrolling進行了工程法力學分析.

1連續軋擠法原理

Extrolling的工作原理如圖1所示,軋擠輥輪作旋轉運動,在軋擠輥輪圓周上有一環形扁平槽,擠壓模腔工作圓弧與軋擠輥輪的圓周相配合,擠壓模腔內裝有擠壓模具.坯料首先經軋擠輥輪軋制,在摩擦力的作用下被連續送入擠壓腔,坯料在擠壓腔內流動受阻,產生堆積.堆積的坯料在軋擠滾輪擠壓力和摩擦力的作用下通過擠壓模具擠出產品.

2連續軋擠試驗設備

連續軋擠設備由兩輥軋機改造而來,主要由傳動電機、減速箱、分速箱、壓下裝置和機架等原有構件以及軋擠輥輪、擠壓模腔、擠壓模具等新設計的部件組成.軋擠輥輪、擠壓模腔和擠壓模具構成了連續軋擠設備的核心部分,其裝配圖如圖2(a)所示.

軋擠輥輪的主要工作部分為中間帶有扁平槽的圓柱體,其兩端直徑為200 mm,中間直徑為194 mm,槽寬100 mm.裝配時,兩端大圓柱面相互接觸,并用壓下裝置壓緊,中間較小的圓柱面及側邊形成一個縫隙.該縫隙即為軋制階段的軋縫,縫高為6 mm,兩小圓柱表面即為軋制階段的軋制面和擠壓階段的擠壓面,側面即為防止坯料側溢的阻擋面.連續軋擠過程中坯料與軋制面、擠壓面和阻擋面之間的有效摩擦提供成形的動力.

擠壓模腔的結構如圖2(b)所示,其兩端外切圓弧與軋擠輥輪兩端大圓柱表面內切配合,在軋擠輥輪與擠壓模腔之間構成一個具有唯一通道的空間,此空間為模具安裝的空間.

擠壓模具結構相對簡單,裝配在擠壓模腔的通道內.軋擠輥輪、擠壓模腔和擠壓模具裝配后在其內部形成擠壓腔,擠壓腔內的坯料在摩擦力與擠壓力的水平分力作用下通過擠壓模具成形.

3模擬試驗

選橡皮泥代替銅作為模擬材料模擬大寬厚比銅排的試驗,原因在于橡皮泥和銅具有相同的變形特性,即在變形過程中首先經歷彈性變形,達到彈性極限后開始塑性變形[13-14].

橡皮泥做成200 mm×100 mm×10 mm規格的板狀.

模具成形部分(定徑帶)截面尺寸分別為:寬98 mm,厚1 mm,定徑帶的長度4 mm.

電機的轉速為730 r/min,減速箱速比為31.5,最終軋擠輥輪的轉速為23 r/min.

4試驗結果與分析

4.1　試驗結果

用橡皮泥模擬大型壁板型材的成形,軋擠出的片狀橡皮泥樣品見表2.

表2　試驗樣品參數

模擬過程中軋擠出的片狀橡皮泥見圖3.

4.2　工程法力學分析

軋擠輥輪與坯料之間的摩擦視為黏性摩擦,如圖4所示.摩擦力的表達式為

(1)

式中:R為軋擠輥輪半徑;τ為坯料剪切強度;α1為咬入角;α2為擠出角.

積分后摩擦力為

F=Rτ(sinα1+sinα2)

(2)

坯料通過模具軋擠成形所需的擠壓力為

(3)

(4)

式中:σS為坯料屈服強度;β為坯料流動死區死角;λ為擠壓比;La為定徑帶長度;Da為產品厚度;H2為擠壓腔最大高度.

若要連續軋擠理論可行,則

F≥Q

即

(5)

所以,只要調整參數R、α1、α2、λ、H2、La、Da和β,使其滿足不等式(5)即可理論證明Extrolling的可行性.

表3　Extrolling的試驗參數

4.3　Extrolling優勢分析

Extrolling最終靠模具成形,制備的大型壁板型材具有尺寸精度高和表面質量好等優點,且可以制備各種截面形狀的大型壁板型材.從理論上說,Extrolling坯料經過軋制和擠壓后通過模具成形,在此過程中,坯料受到劇烈的剪切作用,最終產品的組織要好于軋制法得到的各向異性的組織.

Extrolling過程中,軋擠輥輪與坯料的摩擦力方向如圖5所示,坯料受到總的驅動力為

f總′=f1′+f2′+f3′+f4′

(6)

而在Conform中,坯料受到總的驅動力為

f總=f1+f2+f3+f4

(7)

由于f2、f4大小近似相等,方向相反,即

f2=-f4

(8)

所以f總可表示為

f總=f1+f3

(9)

因此,與Conform相比,Extrolling能源利用率高.

Extrolling的原坯料可以為桿材,也可以為板材.采用Extrolling進行大型壁板型材的生產,其特色在于只要板材坯料的寬度和大型型材的寬度相同,則坯料在擠壓模腔內無需擴展,直接通過模具成形.因此,與擴展模技術相比,Extrolling生產的產品尺寸不受限制,理論上可以生產任何寬度的產品,這是擴展模技術無法達到的.

5結論

(1) 橡皮泥模擬試驗成功試驗了寬度為98 mm、厚度為1 mm的樣品,證明了連續軋擠法用于制備有色金屬大型壁板型材的可行性.

(2) 工程法分析Extrolling的力學過程,摩擦力的水平分力可以通過調整參數大于軋擠成形所需的力,理論上證明了Extrolling的可行性.

(3) Extrolling過程中,坯料4面受到的軋擠輥輪的摩擦力均為動力,摩擦力利用充分,能源效率更高.

(4) 只要坯料的寬度與產品的寬度相同,坯料在擠壓腔內無需擴展,理論上可以生產任何寬度和寬厚比的大型壁板型材.

參考文獻:

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科技簡訊

全國首條600 kA鋁電解槽通過審評

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(摘自《中國鋁業網》)