大型鋁擠壓機扁擠壓筒有限元分析

丁耀林，王麗薇，2

（1.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司 技術中心，天津 300452）

大型鋁擠壓機扁擠壓筒有限元分析

丁耀林1，王麗薇1，2

（1.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司 技術中心，天津 300452）

建立了扁擠壓筒三維模型，應用有限元法進行了熱－結構分析，結果顯示內襯在過盈預緊力、熱載荷與工作內壓作用下，外壁在圓周方向上呈長圓形，內壁水平軸向各節點與垂直軸向各節點沿擠壓方向變形具有分段性特征；內壁圓弧處的受力過渡區極易出現應力高值，內壁直邊段的等效應力值沿擠壓方向明顯分為兩段，分段位置接近擠壓筒全長二分之一，內壁圓弧處的各等效應力等值面幾乎平行。

擠壓機；扁擠壓筒；有限元；鋁材擠壓

扁擠壓筒是大型鋁擠壓機配備的關鍵部件，其主要用于生產薄壁、寬幅、復雜斷面的鋁合金型材，以適應航天、航空和軌道列車等領域的綠色低碳發展需求。

扁擠壓筒通常為耐熱工具鋼制成的具有多層預應力的結構部件。大型鋁擠壓機配備的扁擠壓筒重約幾十t，甚至上百t，一旦失效，將造成巨大經濟損失。因此，擠壓生產成本在很大程度上取決于扁擠壓筒的耐用性和服役壽命，而由于扁擠壓筒內襯圓角處局部應力集中嚴重[1-4]，其壽命更短，極大影響了扁擠壓筒的推廣應用。提高扁擠壓筒服役壽命的課題也一直是業界研究的前沿熱點之一。

隨著有限元分析技術的成熟，擠壓筒設計更多地采用了數值方法校核。本文以我公司研制的大型鋁擠壓機用扁擠壓筒為案例，對扁擠壓筒在工作狀態下的應力和變形進行熱－結構分析。

1 扁擠壓筒設計

扁擠壓筒內襯內壁一般為直段和圓弧段組成的扁圓形，如圖1所示。A、B分別為內襯內壁的長和寬，D為內襯外徑。扁擠壓筒一般由兩層以上襯套過盈熱裝組合而成，相對過盈量可在1.5‰～2.5‰范圍內選擇。

圖1 扁擠壓筒內襯內壁示意圖

扁擠壓筒內壁形狀設計與薄壁、寬幅鋁合金型材具有較大的幾何相似性，不僅有利于提高成形時的金屬流動均勻性，還可降低擠壓力，同時易于保證產品組織性能更優，成品率更高。因此，扁擠壓筒在擠壓薄壁扁寬型材上具有更大的優越性[5]，大型鋁擠壓機通常都會配備扁擠壓筒來滿足薄壁扁寬型材的生產需求。

2 扁擠壓筒有限元分析

2.1 基本假設

扁擠壓筒筒體為均質彈性體，各接觸層沿擠壓方向過盈量相同；加熱孔對扁擠壓筒應力分布及強度影響不計；扁擠壓筒端面上熱傳遞對溫度分布影響不計；扁擠壓筒與坯料之間的摩擦力、熱應力對軸向應力影響不計。

2.2 熱-結構分析方法

過盈預緊力、熱載荷與工作內壓作用下的扁擠壓筒應力分析屬于熱－結構問題[6，7]，利用有限元軟件Marc，按扁擠壓筒實際結構建立三維有限元模型，將內襯、中襯與外套設為可變形接觸體，并在接觸條件中設置相對過盈量，相對過盈量等效于過盈預緊力作用，然后將溫度作為熱載荷直接施加于接觸體。

為進一步提高分析精度，對單元類型、節點和數量考慮如下：①單元類型選用六面體單元；②保證接觸面單元節點一一對應；③內壁圓弧段需劃分足夠單元數量，并且型腔直線段與圓弧段單元尺寸盡量接近。

2.3 計算模型

某大型鋁擠壓機配備的扁擠壓筒采用三層預應力結構，由內襯、中襯和外套過盈熱裝組合而成。兼顧計算精度和效率，三層扁擠壓筒有限元分析采用1/ 4三維模型，共劃分網格節點136899個，單元124800個，如圖2所示。擠壓筒長度2600mm，內壁A=1600mm，B=400mm，坯料長度2500mm。材料參數包括密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、屈服極限、熱傳導系數和比熱。上述參數除密度、泊松比、屈服極限為常值，其他參數均以隨溫度變化曲線形式給出。

圖2 扁擠壓筒三維網格模型

2.4 熱-結構分析

2.4.1 內壁變形

扁擠壓筒工作狀態下內襯變形和內壁端部變形如圖3、圖4所示，內襯外壁X向變形最大值5.20mm，Y向變形最大值6.46mm，內襯外壁Y軸變形大于X軸，在圓周方向上將呈長圓形，內襯內壁模具側端面與擠壓桿側端面各節點變形趨勢一致，但數值存在差異，模具側端面內壁X向變形最大值3.52mm，Y向變形最大值2.29mm，擠壓桿側內壁X向變形最大值3.42mm，Y向變形最大值2.18mm。

圖3 扁擠壓筒內襯變形云圖

圖4 扁擠壓筒內襯內壁端部節點變形

內襯內壁水平軸向各節點X向變形和垂直軸向各節點Y向變形如圖5、圖6所示，水平軸向節點和垂直軸向節點沿擠壓方向變形具有分段性特征，存在最大變形和最小變形，若以扁擠壓筒模具側為前段，擠壓桿側為后段，最大變形位置在內壁后段，X向變形最大值距離內壁擠壓桿側端面約200mm，Y向變形最大值距離內壁擠壓桿側端面約300mm，最小變形位置在內壁擠壓桿側端面；X向、Y向相對變形最大值分別為0.17mm、0.28mm。

圖5 扁擠壓筒內襯內壁水平軸向節點X向變形

圖6 扁擠壓筒內襯內壁垂直軸向節點Y向變形

2.4.2 內襯應力

扁擠壓筒工作狀態下內襯等效應力云圖和等值面圖如圖7、圖8所示，內襯等效應力最高值574.8MPa，位于擠壓墊與擠壓坯料接觸位置對應的內壁圓弧處，此處在擠壓時與擠壓墊存在間隙，僅作用過盈載荷，而相鄰處則作用過盈載荷和擠壓載荷，由此，此位置屬受力過渡區，再加上圓弧的應力集中作用，極易出現應力高值。內襯內壁圓弧沿擠壓方向上的等效應力值介于464.2MPa～574.8MPa之間，按靜強度失效設計準則，H13鋼500℃時屈服強度值為，扁擠壓筒內襯安全系數介于1.8～2.2之間。內襯內壁直邊段的等效應力值沿擠壓方向明顯分為兩段，分段位置接近擠壓筒全長二分之一，若以扁擠壓筒模具側為前段，擠壓桿側為后段，則對于內襯內壁直邊段，其后段等效應力值要高于前段，并向內襯外壁面擴展。由圖8可知，等效應力等值面從模具側看，接近擠壓筒全長一半處開始擴展，形如喇叭，從另一角度證實內襯內壁直邊段沿徑向的等效應力變化，而內襯內壁圓弧處的等效應力值從模具側看，各等值面幾乎平行，且沿徑向向內襯外壁面逐層遞減。

圖7 扁擠壓筒等效應力云圖

圖8 扁擠壓筒等效應力等值面圖

3 結論

以某大型鋁擠壓機扁擠壓筒設計為案例，利用有限元軟件Marc建立了其三維有限元模型，并根據扁擠壓筒實際工況對扁擠壓筒進行了熱-結構分析，得出如下結論：

（1）扁擠壓筒內襯在過盈、加熱和擠壓載荷作用下，內襯外壁在圓周方向上呈長圓形，即內壁直邊段對應的外壁變形要大于圓弧段。

（2）內襯內壁模具側端面與擠壓桿側端面各節點變形趨勢一致，但數值存在差異，模具側端面變形大于擠壓桿側。

（3）內襯內壁水平軸向各節點與垂直軸向各節點沿擠壓方向變形存在波動，且水平軸向各節點變形波動較大，即內壁圓弧處變形沿擠壓方向具有分段性特征。

（4）擠壓墊與擠壓坯料接觸位置對應的內壁圓弧處屬受力過渡區，再加上圓弧的應力集中作用，極易出現應力高值。

（5）從模具側看，內襯內壁直邊段的等效應力值沿擠壓方向明顯分為兩段，分界位置接近擠壓筒全長一半處，從分界處開始擴展，形如喇叭，而內襯內壁圓弧處的等效應力值各等值面幾乎平行，且沿徑向向內襯外壁面逐層遞減。

[1]謝水生，賀金宇，徐盈輝，等.扁擠壓筒結構參數優化及分析研究[J].塑性工程學報，2001，8（4）：26-29.

[2]王 勻.扁擠壓筒強度分析與設計方法研究[D].秦皇島：燕山大學，2003.

[3]趙云路，薛榮敬，劉靜安.扁擠壓筒設計[J].鍛壓技術，2005，30（3）：87-94.

[4]馮秋紅.組合式扁擠壓筒的結構優化設計[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[5]石如磐，王麗薇.扁擠壓筒在36MN鎂擠壓機上的應用[J].鍛壓技術，2012，37（2）：122-124.

[6]谷澤林.組合結構擠壓筒熱力耦合分析及結構優化研究[D].秦皇島：燕山大學，2014.

[7]段麗華.擠壓筒內孔變形分析及結構優化研究[D].重慶：重慶大學，2012.

Finite Element Analysis of Flat Extrusion Container for Large Aluminum Extrusion Press

DING Yaolin1,WANG Liwei1,2
（1.Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi China；2.Technology Center，TZ（Tianjin）Binhai Heavy Machinery Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

It was built that finite element model of the flat extrusion container，and the thermal-structure analysis was carried out by using finite element.The results show that the outer wall of lining present a kind of long circular in circumferential direction under interference pre-tightening force，thermal load，and working pressure，the horizontal and vertical node's deformation has sectional characteristics along extrusion direction in inner wall of lining.The high-value stress is easy to occur at the loading transition region in arc position of lining，meanwhile.The equivalent stress value of straight edge position of lining along extrusion direction can be divided into two interval obviously，which position close to the half of full length of extrusion container，and the each equivalent stress iso-surface in arc position of lining display nearly parallel.

extrusion press；flat extrusion container；finite element

TG375

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.020

1672－0121（2016）04－0063－04

2016－04－10；

2016－06－29

丁耀林（1964－），男，高級工程師，從事塑性成形設備與工藝研究。E－mail：457511991＠qq.com