预应力钢丝缠绕技术在锻造／挤压压机上的应用

文章编号167201212010OL一003706田预应力钢丝缠绕技术在锻造挤压压机上的应用林峰。林智琳。张磊，颜永年，张人估清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室，北京100084摘要探讨了预应力钢丝缠绕技术应用于锻造挤压压机承载结构的关键因素预应力钢丝的蠕变特性及其影响。基于对65MN钢丝高应力低温蠕变的测量结果及预紧力损失计算，证明钢丝蠕变的影响主要集中在压机工作初期和立柱的局部区域，并可以通过增大预紧系数加以有效补偿。对世界第一台预应力钢丝缠绕25MN自由锻快锻液压机的温度进行了分析和实地测量，钢丝实际工作温度只有50。关键词机械制造；预应力钢丝缠绕；液压机；挤压机；应用中图分类号TG375文献标识码B1前言预应力钢丝缠绕技术自1939年由瑞典通用电器公司ASEA率先应用到世界上第一台140MN人造金刚石液压机后，得到了极大的发展【LJ。20世纪60年代后，前苏联采用该技术先后研制了IOMN150MN模锻液压机、60MN600MN板材成形液压机、10MN160MN人造金刚石液压机和20MN120MN冷热等静压机等，均取得了良好的效果2I。20世纪70年代，我国开始了预应力钢丝缠绕技术的研究，研制了我国首台15MN热等静压机、200MN橡皮囊板料成形压机等。1981年为研制650MN航空模锻压机，设计制造了10MN全功能模拟样机。随后，随着板式换热器技术的应用和发展，开始大量装备波纹板专用液压机，这种小台面、大吨位压机基本都采用了预应力钢丝缠绕结构设计的主缸和机架。据不完全统计，我国目前已建成的30MN400MN波纹板成形液压机已有100多台。进入21世纪，预应力钢丝缠绕结构又成功应用于陶瓷砖成形液压机上。有效解决了大吨位陶瓷砖压机突出的疲劳寿命问题，使批量生产的压机产品每台均超过1千万次工作循环寿命，并已达到年产百台以上的生产规模。近年来，国家加大了重型锻造液压机的装备建设。预应力钢丝缠绕技术由于其结构疲劳强度高、重量轻、制造难度低等优点，在重型自由锻、模锻、挤压等热成形压机上已逐渐得到应用。由于锻造挤压压机的工作环境较波纹板成形压机和陶瓷砖成形压机恶劣，而且主要体现在环境温度较高，工作时立柱钢丝层温度有可能升至100，从而会使高应力状态的预应力钢丝存在应力松弛或蠕变现象。因此，钢丝的高应力蠕变特性及其对预紧结构的影响就成为预应力钢丝缠绕技术应用于锻造挤压压机设计的关键技术基础。2钢丝高应力低温蠕变性能的测量预应力钢丝材料为65MN冷轧回火态扁钢带，截面尺寸为15MM5MM，抗拉强度OB1620MPA。考虑压机机架通常的工作温度，钢丝蠕变的温度范围为25C100C。因65MN材料的熔点温度约为1673K，本文探讨的钢丝蠕变温度T373KO3，属于低温蠕变范畴3J。目前我国尚无关于65MN钢丝蠕变测量的标准，根据缠绕钢丝的实际工作状态，设计了缠绕钢丝专用的高应力低温蠕变测量仪图1。仪器利用砝码通过杠杆对钢丝施加恒定张力，并有测力传感器澳4热波钡收稿日期20090928作者简介林峰1966一，男，博士，副教授，从事快速成形、生物制变造技术的教学与研究通重辆T图1单工位钢丝蠕变测量仪1杠杆2联接片3联接块4上钢丝卡具5立方钢管6导向块7引伸装置上压板8位移传感器9箍圈10联接管11钢丝12引伸装置下压板13下钢丝卡具L4力传感器15调整螺母12010080赠604O20O2O40608010O120140时间ILA60OC120H0删力、位移量、温度进行处理显示，并由RS485通讯接口与电脑终端相连；而8工位测量仪则采用大恒DHVX8000集成系统进行采集控制并存储记录。利用蠕变测量仪，对65MN钢丝的高应力低温蠕变的时间律、应力律、温度律和温度循环律进行测量和分析。对于锻造脐压压机设计影响最大的因素是温度及温度循环的影响。因此，本文重点介绍温度及温度循环条件下的钢丝蠕变特性。实验选取了6个温度水平，分别为60E、7O、75、80OC、100和1203，钢丝张力为1044MPA。测量的“温度一钢丝应变量一时间”曲线如图2所示。可以看到，加热开始后约140H，钢丝达到稳定蠕变阶段，其稳态应变增量见表1所示。表中可见，随温度升高，稳态蠕变应变增量8增大。待剔除由升温引起的膨胀应变增量占后，就0O登簧002O406O80L0O120140时间LC75C时间，HE1OO蚓时间，LLB70时间，HD80图2恒定温度的蠕变曲线时间，HF120OC咖皇咖赠加加M、赠舳加加M越赠加越赠表1张力为1044MPA时的65MN钢丝稳态应变增量温度载荷607075801OO1201044MPAIO67113OI295L52OI7672008得到钢丝的蠕变应变量，如图3所示。由图可以发现，当温度低于75C时，蠕变的应变量较小，小于5001L,；而当温度超过7512时，蠕变应变急剧增大，到80时即达到了1200IXO“。因此，752是预应力钢丝最佳工作温度的上限。咖目磐钢丝温厦C图3蠕变应变量的温度律由于锻造挤压压机的工作具有周期性，钢丝实际温度是处于周期循环状态，因此，钢丝在循环温度下的蠕变应变变化规律对缠绕预紧结构的长期稳定十分重要。图4记录了在稳定蠕变阶段，循环温度时蠕变应变的变化，实验选取了4个温度水平，分别为时间LLA6O,140时间，HC75OC兰咖咖EOULPUEN百盈60C、702、75OC和80OC，钢丝张力为1044MPA。由图可以发现钢丝冷却至室温后再次升温，钢丝应变量回复至降温前的水平，并仍处于稳定蠕变阶段，而且蠕变温度持续时间和室温持续时间X,L钢丝的蠕变速率及应变值没有影响。图5则记录了在不稳定蠕变阶段，循环温度下的蠕变应变变化。钢丝温度由室温约252升至80“2，钢丝张力1044MPA。由图可知，即使在蠕变的不稳定阶段，钢丝冷却至室温后若再次升温，钢丝应变量回复至降温前的水平，并继续蠕变过程，而且蠕变温度的持续时间和室温的持续时间，对蠕变速率没有影响。上述实验数据表明，锻造挤压压机的工作循环所引起的钢丝温度循环无论是发生在钢丝蠕变的初期即不稳定蠕变阶段还是发生在钢丝蠕变的稳定期，都不会改变钢丝蠕变的应变量和进程，不会造成钢丝蠕变应变的累积。65MN钢丝蠕变规律的测量说明预应力钢丝缠绕结构中钢丝蠕变主要发生在钢丝处于高温状态的初期累计约140H，此后钢丝蠕变进入稳定期，蠕变量极小。由于钢丝工作温度处于低温段，不会进入蠕变的第3阶段即破坏阶段。因此，只要预应力钢丝缠绕结构在最初的工作阶段不发生结构松弛或预紧力不足，此后即可安全地工作，并具有长期稳定性。时间，H图4稳定蠕变阶段循环温度蠕变曲线时间，HD8O。C兰蚓删、赠3B越赠越赠删1罹时L司，H图5不稳定蠕变阶段循环温度蠕变曲线根据目前对常用65MN预应力钢丝的测量，在预应力钢丝许用应力规范800MPA的应力状态下，80C的稳定蠕变应变增量为占620TX。假设某机架的预紧系数为716，钢丝层与立柱的刚度比为C0126，则预紧状态钢丝的平均应力为748MPA，对应钢丝的应变为占3579。若钢丝层整体发生蠕变，则蠕变应变的变化量为K告一，17313钢丝蠕变对预应力结构的影响钢丝蠕变后预紧结构将出现预紧力的损失，其损失量与钢丝蠕变应变的变化量K和预紧结构的刚度比C有关。利用预紧结构的载荷一变形图分析钢丝蠕变的影响，见图6。逛EC变形图6预紧结构的载荷一变形图图中。是蠕变发生前预紧件钢丝的载变形特性不发生改变，状态仍然处于CB。线上；而缠绕钢丝层则发生了蠕变，其变形增加而应力降低了。可以假设蠕变前后钢丝的弹性模量仍然保持不变，而原处于线弹性的变形有部分转变为永久变形，不承受任何载荷。因此，蠕变后钢丝层的载荷一变形轨迹是与A曰平行的4，且A为钢丝层的蠕变量，其对应的预紧力下降为曰E，且有曰LE11OOEL2TANOT3但预紧结构中被预紧件立柱的预紧压缩量得到部分释放，钢丝层又被撑长，其预紧力增加至新的平衡点曰点。点就是钢丝层蠕变后预紧结构新的预紧平衡点，而B0的高度就是预紧结构预紧力的损失。由图6中可知一C4曰1OTANOT、一将式3代人式4得BLO亩AIA2TANTX5则预紧结构的预紧损失相对量为KR等面A112TANO络6设钢丝层沿周长各处的钢丝应力相同，则钢丝层的总伸长量AE；缠绕钢丝层中温度可能升至蠕变温度的只有在工作台与动梁之间的立柱段，设其长度为，与钢丝周长比值为，即L，1。则钢丝层的稳定蠕变伸长量为；弘。代入式6，得预紧结构因钢丝蠕变引起的预紧力损失相对量为KR等斋K7根据锻造挤压压机钢丝缠绕机架的结构特点，一般025，C010020。对于前述某锻造压机025、C0126，K173，则有1733嬲84考虑钢丝蠕变影响的预紧力结构设计由上面的实验数据和计算可以看到，预应力钢丝缠绕结构因钢丝蠕变而造成的预应力损失一般较小，小于4。但前提是钢丝的温度不超过80OC，而且受模具和工件热影响的范围不超过压机的最大闭合高度，小于钢丝层周长的25。对于一般的锻造挤压压机，特别是大型模锻液压机和挤压机，由于机架结构大和表面积大，散热条件好，这两个条件都能得到满足。因此，无需采取特殊措施。但在压机设计时对本体进行工作状态的温度场、越赠计算，验证钢丝层的升温情况还是必要的。对于重要的压机，还可在钢丝层靠近模具的部位，预先埋入温度传感器，实时监测钢丝温度。对于那些不能满足上述两个条件的钢丝缠绕预应力结构，可采取在钢丝层内侧增加隔热层，在立柱内侧设置热辐射防护罩或防护链等措施加以防范。另外，可以通过适当提高预紧系数来弥补蠕变引起的预应力损失。假设需保证的最小预紧系数为叼，蠕变引起的预应力损失量为K，则考虑补偿的预紧系数应提高到叼，795应用与实践在掌握了预应力缠绕用65MN钢丝蠕变特性和蠕变对预紧结构影响的规律以后，为在锻造挤压压机上应用预应力钢丝缠绕技术提供了坚实的技术基础。结合预应力剖分一坎合技术和原位机器人缠绕施工技术，采用预应力钢丝缠绕技术已经相继设计了25MN自由锻快锻液压机、350MN模锻液压机、360MN垂直钢管挤压机、150MN制坯液压机和400MN航空模锻液压机等，其中25MN自由锻快锻液压机已运行了1年多，36OMN挤压机和150MN制坯压机也已经在调试中成功试挤出了第一根厚壁钢管。上述应用中25MN自由锻陕锻液压机是第一台预应力钢丝缠绕自由锻液压机。由于其机架结构相对较小112T，工件相对较大20T，工件对机架的热影响大。因此，在设计中，对压机进行了温度场计算。计算模型如图7所示。模型右侧在立柱动梁与下梁之间设有一厚度为10MM的防护罩，左侧没有，防护罩与右侧立柱间的间隙为30RAM。机架及钢丝的初始温度为30C，机架表面对流换热系数为510WMK，上下砧子与钢锭的接触表面初始温度为300OC。在上下砧子间有一直径1000RAM、长3600RAM、重20T的钢锭。钢锭温度设置模拟锻造工艺，其随时间的变化如图8所示。共三火，每火锻造时间为50MIN，温度由1250降至850C；每火间隔10RAIN，温度由850C升至1250C后进行下一火锻造，历时3H。考虑钢锭的热辐射，钢锭与左侧立柱及右侧防护罩间的热辐射发射率为065，防护罩与右侧立柱间的热辐射发射率为05。采用COSMOSWORKS对上述模型进行瞬态传热1412108642O左侧立柱缠绕钢丝层砧子翻田右侧立柱动梁锻件屏蔽罩图725MN自由锻，快速液压机温度场计算模型01234567891011时间S10图8钢锭的温度变化图计算。将左右立柱钢丝内层温度的变化提取显示如图9。可以看到随着锻造过程的进行，钢丝层温度逐渐升高。三火3H后，无防护罩的左侧立柱上的钢丝内层最高温度达127C，较初始温度升高97；有防护罩的右侧立柱上的钢丝层内层最高温度仅52，较初始温度升高22C。1401201OO80604020O件通工件蔽热工作快锻济南时间，SXL0图9钢丝层内层的温度变化温度场分析的结果表明锻造液压机工作时，工ZO_【、赠赠重柔性防护置图1025MN自由锻快锻液压机苏省常熟凯士达锻造技术有限公司。对该压机进行了现场温度测量，当时压机工作了一整夜，实测立柱外侧表面温度不超过54。6结论预应力钢丝在高温下的蠕变及其引起的预紧力松弛下降，一直是困扰预应力钢丝缠绕技术应用到锻造挤压压机的一个重要因素。通过对钢丝高应力低温蠕变特性的实验测量和分析，可以发现钢丝蠕变对压机预紧机架的影响是短暂的、局部的和可补偿的。实验表明65MN钢丝100C以下累积140H后即进入稳定蠕变期，而且温度波动不会影响进入稳定的累积时间和稳定蠕变应变量。这一特性说明钢丝蠕变的影响是短暂的，预应力钢丝缠绕机架只要在工作初期，处于高温的累积140H内不出现预紧力下降、结构松弛，此后即可长期稳定工作。工件及模具对机架的热影响主要是通过热辐射传递，热传导的作用较小。钢丝受热影响的部分主要集中在工作台与动梁之间的立柱段，其余部分因距离较远且结构的自然遮蔽温度基本保持不变。因此，蠕变只发生在缠绕钢丝的局部，在工作窗口的立柱段，其长度只占钢丝层周长的25或更少。当钢丝蠕变使预紧结构的预紧力损失较多时，可以通过适当提高预紧系数进行补偿。由于65MN钢丝的低温蠕变只发生在最初的140H，因此，补偿是长期有效的。基于对预应力钢丝蠕变特性的认识和掌握，预应力钢丝缠绕技术在锻造挤压压机上的应用将会越来越广，越来越成熟，形成具有中国特色的重型锻压设备设计制造技术。【参考文献】【1RUNEADOLFSSONNEWDEVELOPMENTSINHILGHCAPACITYPRESSDESIGNUTILIZI