36 MN擠壓筒過盈量的優化設計

郭強

（太原重工油膜軸承分公司，山西太原030024）

引言

擠壓筒是重要的擠壓工具之一，擠壓筒的結構如圖1所示，主要由外套、內襯兩構件組成。在工作時，擠壓筒內襯中盛放高溫坯料，通過擠壓桿的作用使坯料最終成為所需模具的截面，在擠壓過程中擠壓筒需要承受高溫（內表面溫度可達600℃）、高壓（由熱擠壓純鋁的150 MPa到擠壓高強鋁合金的1 500 MPa以上）、高摩擦（工作表面黏附一層變形金屬，形成一個完整的金屬套，金屬與擠壓筒內壁之間服從庫倫摩擦定律，工作條件十分惡劣）[1-2]。

圖1 擠壓筒的結構圖

擠壓筒的過盈是通過熱裝的形式進行組合，各層之間選擇一定的過盈值，選擇合適的過盈值，可以提高擠壓筒的使用壽命。

合理的過盈值與擠壓筒的比壓、厚度、層次等因素有關，擠壓筒的比壓越大，過盈值也應選大些。但由過盈值引起的熱裝應力以不超過擠壓筒工作時最大單位擠壓力的70%為宜[3]。但是過盈值過小，不能有效降低等效應力值，對圓柱形筒有時會產生脫套現象。

因此選擇合適的擠壓筒過盈量，應該考慮擠壓筒工作過程中的具體工況，如擠壓速率、擠壓力、坯料長度等。

1 不同擠壓力和過盈量下的擠壓筒等效應力分布關系

為了研究擠壓力和過盈量對擠壓筒等效應力分布的影響，在建立擠壓筒的有限元模型時需定義兩個參數，分別為擠壓應力和擠壓筒內襯和外套之間的穿透量（過盈量）。由于擠壓筒在工作過程當中擠壓速率是恒定的，可以認為擠壓力和擠壓坯料對擠壓筒內襯的摩擦力是相等的，即f=F。其中f為擠壓坯料對擠壓筒內襯的摩擦力，F為擠壓力。

擠壓應力的施加是根據擠壓力計算得出，考慮到設計計算的可靠性，取擠壓坯料的長度和擠壓筒內襯相等。擠壓應力根據以下公式得出：

式中：σ為施加在擠壓筒內襯上的擠壓應力；r為擠壓筒內襯的半徑值。

定義好參數設置后，需要對擠壓筒進行一次靜力學分析計算，考慮擠壓筒模型的對稱性能，取1/4擠壓筒模型作為研究對象，施加載荷除了擠壓應力和摩擦力之外，還需要定義擠壓筒內襯和外套之間的接觸關系，接觸力的施加是通過接觸穿透量（過盈量）來給定的。完成一次靜力學分析之后就可以在Workbench參數設計模塊下研究定義參數變化對擠壓筒內襯等效應力分布的影響。

下頁圖2為定義的參數擠壓應力和過盈量對擠壓筒內襯等效應力分布的響應曲面，從該響應曲面可以看出隨著擠壓應力和過盈量的增加，擠壓筒內襯的等效應力分布在增加，初始設計采用大的過盈量對改善擠壓筒內襯等效應力的分布是有益的。為了能夠直觀地觀察到這兩參數對擠壓筒內襯等效應力分布的影響，可以查看多曲線平面圖來看這兩參數對擠壓筒內襯等效應力的影響。

下頁圖3為不同壓應力下過盈量和擠壓筒等效應力的關系曲線組，可知過盈量隨著擠壓應力的變化增長趨勢在變化。

下頁圖4為不同的過盈量下擠壓應力和擠壓筒內襯關系曲線組，從該圖可以看出不同的擠壓過應力量對應一個最佳的擠壓應力。

圖2 擠壓應力和過盈量對擠壓筒內襯等效應力分布的響應曲面

圖3 不同壓應力下過盈量和擠壓筒等效應力關系曲線組

圖4 不同過盈量下擠壓應力和擠壓筒內襯關系曲線組

2 基于DEFORM擠壓筒擠壓力模擬

完成擠壓應力和擠壓筒過盈量對擠壓筒等效應力分布影響關系曲線后，可以根據現場的實際工況中所需的擠壓力來確定最佳的擠壓工具過盈量優化。

為了能夠精確地模擬得出擠壓筒在工作過程中的擠壓力分布曲線，金屬利用塑性成形分析軟件Deform來模擬，根據實際工作中的擠壓工藝，擠壓筒擠壓過程中擠壓速率為2 mm/s，擠壓溫度為400℃。擠壓鋁錠的材料為Al6023，將參數帶入擠壓坯料材質中就可通過設置擠壓速率來模擬得出擠壓力曲線。

圖5為模擬的出的在實際工藝設定的擠壓速率下，擠壓力的變化關系曲線，從該曲線可以看出在擠壓初始時，擠壓力在不斷增加，之后擠壓力趨于平衡，模擬得出的擠壓力變化曲線和理論分析趨勢是吻合的，模擬得出的最大擠壓力為17 MN，可知在該擠壓速率下的擠壓力，進而根據之前的參數分析得出最佳的擠壓筒過盈量。

圖5 Al2024在400℃、擠壓速率4 mm/s時的擠壓力曲線

擠壓筒的材料為熱模具鋼，在溫度升高情況下力學性能下降不明顯，但是也存在著減少弱的趨勢，表1為擠壓筒內襯材料H13在不同溫度下的流動應力變化，可知隨著溫度的升高，擠壓筒內襯材料的強度在減小。

表1 不同溫度下擠壓筒流動應力值、應變值

下頁圖6為根據表格數據繪制的H13材料流動應力和溫度變化關系曲線，以應變形0.2%作為材料的屈服強度，可知溫度升高會使材料的屈服點降低。

3 最佳過盈量的優化

可以將擠壓筒過盈量設置如下做優化：

1）當擠壓筒比壓小于150 MPa時，選取的最佳過盈量為1.02 mm（直徑方向)；

2）當擠壓制品需要大的擠壓力時，如果擠壓筒比壓大于210 MPa，應該選擇大的過盈量1.6 mm（直徑方向）來改善擠壓筒在實際過程中的應力分布狀況。

擠壓筒在過盈量的優化中必須滿足以下約束條件：

1）擠壓筒初始過盈量所產生的應力值不得超過超過擠壓筒工作時最大單位擠壓力的70%；

2）擠壓筒的最大過盈值必須保證在熱裝溫度之下順利安裝；

3）過盈量的選擇應保證在擠壓過程中，擠壓筒的等效應力分布趨于最小，這樣才能更好地延長擠壓筒的使用壽命；

4）擠壓筒材料的屈服強度會隨著工作溫度的升高而下降，因此在計算過程中不能只單純考慮應力值，而應該將安全系數引入到計算中；

5）擠壓筒擠壓力在實際生產中，并非取到最大值，擠壓力的確定跟擠壓溫度、擠壓比、擠壓材料等都有關系，因此在過盈量優化過程當中，需考慮到實際工況；

6）由于在擠壓筒工作過程當中，需要考慮到擠壓筒內襯、外襯溫度不同時對初始過盈量的影響。

圖7為擠壓筒外襯與溫度變化關系曲線，在380℃下外襯最大的漲量為1.25 mm，換算成直徑方向漲量為2.5 mm，考慮到安裝時候的預留間隙0.9 mm，因此為了保證熱裝的順利，擠壓筒的過盈量必須小于1.6 mm（直徑方向）。

圖7 外襯外圓變形量與溫度關系曲線

36 MN為擠壓機最大的輸出擠壓力，根據擠壓墊片的直徑，可以求得最大擠壓力下，擠壓筒的最大比壓為450 MPa。根據約束條件1）擠壓筒過盈產生的最大等效應力應不超過315 MPa。

圖8為擠壓筒內襯和外套等效應力關系曲線圖，通過迭代求解可以得知在等效應力為311.6 MPa時，運行的最大過盈量為0.508 mm，即直徑方向最大過盈為1.02 mm。

圖9為擠壓筒過盈組裝完成后，內襯內孔直徑的位移和過盈量的關系曲線。

圖8 內襯過盈量與最大等效應力關系曲線

圖9 內襯內孔直徑位移與過盈量關系曲線

表2為擠壓筒過盈量、擠壓應力、等效應力關系表，從表中可以看出當擠壓應力大于210 MPa時，隨著過盈量的增加擠壓筒的等效應力減小。當擠壓應力小于210 MPa時，隨著過盈量的增加擠壓筒的等效應力也在增加。

表2 擠壓筒過盈量、擠壓應力、等效應力關系表

確定擠壓過程當中的擠壓力之后，可以根據擠壓力來得出擠壓應力值為225 MP，優化參數分布曲線中可以得出該參數下，最佳的過盈量值為0.65 mm，這時擠壓筒內襯的等效應力值為311 MPa，圖10為優化之后擠壓筒內襯的等效應力分布云圖。

圖10 優化之后擠壓筒內襯的等效應力分布云圖

4 結論

1）通過對擠壓筒有限元模型的參數化，研究得出了擠壓筒過盈量和擠壓應力對擠壓筒內襯等效應力分布的曲線，可以根據這些曲線和具體的擠壓筒工作工況來確定最佳的過盈值。

2）在擠壓力的確定上，根據擠壓速率、擠壓溫度和擠壓坯料的塑性屬性利用DEFORM來模擬得出，使得數據更加真實，可靠性更高。

3）在數值的計算和分析上，利用了有限元分析的先進計算方法，不僅提高了產品設計計算效率，同時也提高了精度。

[1]郭溪泉，李樹青.現代大型軋機油膜軸承（理論與實踐）[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]W.F.休斯，J.A.布萊頓.流體動力學[M].北京：科學出版社，2013.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]Zhao，H.Analysis of Load Distributions within Solid and Hollow Roller Bearings[J].Journal ofTribology，1998，120（1）：134-139.