鋁合金擠壓壁板用扁擠壓筒的優化設計

趙云路，劉智遠，劉靜安

（1.沈陽新鑫模具有限公司，沈陽 110043；2.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

擠壓筒是擠壓機的大型工具，由熱作模具鋼制作，常在高溫、高壓以及高摩擦的環境下頻繁工作。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒的矩形內孔和扁寬、薄壁的鋁合金型材具有幾何相似性，因而可用較高的比壓擠壓大擠壓系數、大寬厚比的硬質鋁合金薄壁型材，特別是對于大型扁寬薄壁的鋁合金壁板來說，扁擠壓筒較圓擠壓筒具有更大的優越性。但是扁擠壓筒在擠壓過程中的應力應變場和溫度場受到很多因素影響而變得異常復雜，往往在危險斷面產生較高應力。針對以上特點，結合幾十年的生產實踐，對扁擠壓筒結構強度計算、材料選擇、熱處理等做了大量的研究，下面就扁擠壓筒結構及強度計算做概括介紹。

1 扁擠壓筒結構特點

（1）扁擠壓筒是由兩層或兩層以上襯套以過盈熱裝組合而成的。采用多層襯套組合式結構可以改善扁擠壓筒的受力條件，使筒壁中的應力分布均勻、降低應力峰值、增加承載能力以及提高使用壽命。扁擠壓筒襯套的層數應根據其工作內套的最大應力來確定。在工作溫度的條件下，當最大應力不超過擠壓筒材料屈服強度的40%～50%時，擠壓筒一般由兩層襯套組成；當最大應力大于材料屈服強度的70%時，應由三層或者四層組成。圖1示出了三層扁擠壓筒結構。隨著層數的增多，各層的厚度變薄。由于各層套間的預緊壓力作用，使應力分布越趨均勻、拉應力下降，受力狀態趨于合理。

（2）由于扁擠壓筒內孔局部會出現應力集中，為了改善這種情況，我公司提出了拼鑲式扁擠壓筒，并申請了國家專利，如圖2、圖3所示。

圖2 80 MN徑向拼鑲式扁擠壓筒內襯及拼塊

圖2 為徑向拼鑲式及其拼塊擠壓筒內襯，圖2（a）由拼塊1（2 件）和拼塊2（2 件）組成。這樣不僅可以減小內應力，而且如內襯意外損傷還可更換部分組件，大大節省更換周期和成本。

圖2（b）為拼塊1的詳細結構和安裝方式，通過螺栓連接，能夠實現快速安裝和拆解。圖2（c）為拼塊2 的詳細結構和安裝方式，通過螺栓連接，能夠實現快速安裝和拆解。

軸向拼鑲式扁擠壓筒見圖3。將擠壓筒內襯在軸向方向設計成3個單元，通過螺栓連接組成一個整體，便于內襯的維護。

2 扁擠壓筒內孔斷面尺寸

扁擠壓筒具有小面為圓弧面，大面為平面的近似矩形內腔。以A、B表示扁擠壓筒長短軸尺寸，則A/B可在3～4范圍內變化。內孔的長軸應保證能獲得最大寬度的壁板，但內孔長軸往往受內襯在危險斷面處壁厚的限制。內孔長軸與扁筒外徑最合適的比值為0.4～0.45。超過此數值范圍時，不能保證擠壓筒具有足夠的強度。扁筒內孔短軸尺寸主要取決于所需要的比壓，即擠壓變形抗力最高、寬厚比最大的型材所需的最大單位擠壓力，同時應考慮所生產型材規格中斷面的最大高度。當擠壓比λ=15～50 時，扁擠壓墊上最大單位壓力不應小于450～600 MPa，但B也不能太小，否則扁擠壓軸的強度得不到保證。

3 扁擠壓筒長度

扁筒長度Lt與內孔尺寸和被擠壓合金性質、擠壓力大小、擠壓機結構以及擠壓軸強度等因素有關。擠壓筒越長，可采用較長的坯料，提高生產率的同時也增大了擠壓力，削弱了扁擠壓軸的強度。一般情況下：

Lt=Lmax+Lm+Tp+δ

式中：Lmax-坯料最大長度，Lmax=（3～5）B扁；B扁為扁軸尺寸；Tp：擠壓墊片厚度；Lm-模子進入筒內孔的深度；δ-工藝余量，一般取15～20 ㎜，L筒/D筒=3～4。

4 扁擠壓筒各層襯套的厚度

扁筒襯套的層數、各層厚度及其比值對其熱裝應力、等效應力均有影響。層數越多，各層厚度比值越合理，則等效應力就越低。

扁擠壓筒各層襯套的壁厚尺寸一般根據經驗初定，然后通過強度校核進行修正。與擠壓合金的性能、擠壓筒的比壓以及擠壓筒材料性能等因素相關，扁筒外徑等于內孔長軸尺寸的3～5 倍，每層厚度則根據扁擠壓筒各層襯套外徑與內徑之比相等的原則確定。但實際生產中，由于外層襯套里有加熱孔、鍵槽等會引起強度降低等因素，各層直徑應保持D1/A

多層扁擠壓筒各層厚度依直徑最佳比確定。

若取K=DBN/DBW，DBN和DBW分別表示扁筒的第i層內徑與外徑，則合理性K值主要取決于扁筒層數n和σt/[σ]。

σt為扁擠壓筒襯套第i層所受的拉應力；

[σ]為第i層襯套材料的許用應力，一般K=0.5～0.8。

5 扁擠壓筒過盈量的選擇

扁擠壓筒各層襯套通過過盈配合熱裝而成，自然冷卻后，外層套會對內層套產生壓應力。一般情況下，過盈量產生的應力以不超過擠壓時最大單位擠壓應力的70%為宜，且越靠近內套的層次，其過盈量值應該越大。通常過盈值為裝配對直徑的1.5‰～2.5‰。過盈量引起的裝配應力P計算公式為：

式中：E為彈性模量；Δ為過盈量；a為內襯半徑；b為外套半徑；c為內襯和外襯結合面半徑。

6 扁擠壓簡有限元強度計算

現以36 MN三層扁擠壓筒為例，加以說明。

（1）三層扁擠壓筒主要結構尺寸和材料

外筒φ1 350 mm×φ960 mm×890 mm（材料：5CrNiMo），中筒φ960 mm×φ700 mm×900 mm（材料：H13），內筒φ700 mm×（內孔長圓形450 mm×160 mm）×900 mm（材料：H13）。

（2）側向壓力計算

P=0.7×36/（π1602/4+290×160）=378.91 MPa。

（3）過盈配合

中、外筒間配合過盈量：1.3‰D1（中筒外徑），內中筒間配合過盈量：2.3‰D2（內筒外徑）。

（4）單元選擇

根據擠壓筒安裝和工作受力特點，用三維8節點實體單元和面接觸單元模擬。取1/4 模型共劃分267 583 個，單元總數569 870 個，其中實體單元547 470個，接觸單元22 400個，采用圓柱坐標系。

（5）結果數據

表1、表2、表3按工況分別給出圖4所示各處在圓柱坐標系中的各項數據：徑向變形Ur，徑向應力σr，切向應力σθ，軸向力σz，等效應力σv（按第四強度理論折合）。

表1 36 MN三層扁擠壓筒工況1結果數據摘要

表2 36 MN三層扁擠壓筒工況2 結果數據摘要

表3 36 MN三層扁擠壓筒工況3 結果數據摘要

圖4 數據結果提取位置示意圖

通過有限元強度計算，找出內襯的危險點應力狀態，通過優化設計，減小內應力，滿足使用要求。

7 結論

隨著新能源汽車行業的快速發展，薄壁寬幅型材需求量快速增加，扁擠壓筒的優勢日益凸顯。通過對扁擠壓筒的結構設計，有限元強度計算，把控材料質量、熱處理等關鍵工序，可提高扁擠壓筒的壽命，有助于我國鋁擠壓行業的快速發展。