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哈尔演理1 = 人学丁程硕卜学位论文 基于a n s y s 的大型铝挤压机挤压筒的强度研究 摘要 挤压加工是使金属处于三向压应力的状态而产生塑性变形的加工方法。 现代化社会需要大量的大型薄壁、宽幅、高精度、复杂断面的铝合金型材， 所以大型铝材挤压机是国内外市场的一种急需。穿孔系统决定着挤压机所挤 压制品的质量，挤压筒是穿孔系统的主要部件。其结构、强度影响着生产效 率、挤压产品的精度、机器性能等。挤压筒的研究对迸一步提高挤压管材、 空心型材的性能有十分重要的意义。挤压筒通常在高温、高压、高摩擦的恶 劣条件下工作，经常发生开裂。由于大型挤压简的正确设计与制造技术问题 直没有得到很好的解决，为了提高挤压筒的强度，延长其使用寿命，应对 挤压筒的受力、变形状况和设计方法迸行科学的分析研究。 本文以挤压筒为研究对象，综合采用数值模拟和物理模拟方法。首先运 用大型有限元a n s y s 软件三维建模，采用有限元分析方法，对挤压筒进行 静力学分析，接触非线性分析；接着系统研究了组合式挤压筒在仅受预紧力 状态下的变形和应力分布状态，又对挤压筒在预紧力与工作载荷共同作用下 的变形、应力分布状态做出了系统的研究。在此基础上，由于挤压筒处于高 温和高压的工况，对挤压简做耦合状态下的力一热有限元分析，得出其受力 规律，为挤压筒的强度设计提供依据。 在材料选择上，采用专项研制的4 c r 5 m o s i v i ( h 1 3 ) 优质高强度钢，其 韧性、耐磨性都比通常使用的3 c r 2 w 8 v 钢明显提高，使用寿命可提高2 倍 到3 倍。 本文的研究成果可以为挤压筒设计、优化和模型的建立提供技术帮助， 对于完善型材挤压设计理论具有指导意义。大型挤压机在研制中采用了本文 的研究成果，经调试、运行成功，挤压筒的强度达到了设计要求，各项技术 参数均达到了预期指标，现己正式投入使用。 关键词扁挤压筒；强度：有限元；a n s y s ：耦合 竺! ：堡呈三垒兰二至竺! ：兰竺丝塞 s t u d yo ns t r e n g t ho fl a r g e s c a l ef l a tr e c e p t a c l e b a s e do na n s y s a b s t r a c t a l u m i n u mh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c h 郁l i g h tm a s s ，h i g h p r e c i s i o n ，f i n e a i r t i g h t n e s s ，u n f a i l i n gp e r f o f i n a n c e ，w h i c hm a k e si tu s e db r o a d l yi nm a n u f a c t u r e i n c r e a s i n g l y t h ec o m b i n e df l a tr e c e p t a c l ei st h ek e yp a r to fe x t r u d e rw h i c h p r o d u c e s t h ea l u m i n u m a n do f t e nc r a c k su n d e rs e v e r ec o n d i t i o no fh i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g h f r i c t i o n t h e a p p r o p r i a t ed e s i g na n d m a n u f a c m r et e c h n o l o g yo fl a r g ef i a tr e c e p t a c l ei sn o tr e s o l v e du n t i ln o w , s oi n o r d e rt oe n h a n c et h es i r e n g t ho ff i a tr e c e p t a c l ea n dp r o l o n gl i f e ，w es h o u l d a n a l y z ei t ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o nw i t ha c c u r a c y t h et h e s i st a k e st h ec o m b i n e df l a tr e c e p t a c l ea ss u b j e c ti n v e s t i g a t e dw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a ls i m u l a t i o n f i r s t l y , m o d e l si nt h r e e d i m e n s i o n u s i n gl a r g ef i n i t ee l e m e n ta n s y ss o f t w a r e ，a n a l y z e st h ef l a tr e c e p t a c l ei ns t a t i c s a n dc o n t a c tn o n l i n e a r i t y t h e nr e s e a r c h e st h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n o ff l a t r e c e p t a c l eu n d e rs h r i n kc o n d i t i o ns y s t e m a t i c a l l y , a n dd o e ss y s t e m a t i c s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rs h r i n ka n dw o r kl o a d o n t h eb a s eo fm e n t i o n e da b o v e ，o w i n gt ot h er e c e p t a c l ew o r k su n d e rt h ec o n d i t i o n o fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，t h et h e s i sd o e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f f o r c e h e a ti nc o u p l i n ga n de d u c e ss t r e s sr u l ew h i c hp r o v i d e sg i s tf o rs t r e n g t h d e s i g no f f a tr e c e p t a c l e c o m p a r i n gw i t h3 c r 2 w s vm a t e r i a lu s e db e f o r e ，t h et h e s i ss e l e c t sh i g h q u a l i t ys t e e l4 c r 5 m o s i v i ( h 1 3 ) w i t hh i g hs t r e n g t h i t st o u g h n e s sa n df i n e a i r t i g h t n e s sa r eb e t t e rt h a n3 c r 2 w 8 v s ot h e1 i f ei n c r e a s e so n eo rt w ot i m e s t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d et e c h n o l o g yh e l po nt h ed e s i g n ，o p t i m i z a t i o n a n dm o d e l i n ga n dh a v es o m ei n s t r u c t i o nf o rp e r f e c t i n gt h ed e s i g nt h e o r ya b o u t p r o f i l ee x t r u s i o n n el a r g e s c a l ee x t r u d e rh a sa d o p t e dt h er e s u l to ft h et h e s i s a n dh a sd e b u g g e da n dr u ns u c c e s s f u l l y t h es t r e n g t hd e s i g no ff l a t r e c e p t a c l e i i 坠竺堡! 三尘兰三至竺! ；兰丝篁圣 r e a c h e sd e m a n d s i t se v e r yt e c h n i q u ep a r a m e t e rr e a c h e sp r o s p e c t i v ei n d e x e s n o wt h ee x t r u d e rh a sr u ni nt h ep r o d u c t i o n k e y w o r d s f l a tr e c e p t a c l e ；s t r e n g t h ；f i n i t ee l e m e n t ；a n s y s ；c o u p l i n g - 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士学位论文基于a n s y s 的大型铝挤 压机挤压筒的强度研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读工程硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 名：f 一左胁厶。7 年6 月7 目 作者签名：( 专艺，t 一日期：鼢9 年d 月7 目 气 旷 、 1 y 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于a n s y s 的大型铝挤压机挤压筒的强度研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读工程硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。：c a 完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 一 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 名：乒彬上吼卅砒7 日 导师签名： 多长禾芬 日期： 力一一) | 年，月7 同 o ， 晴尔谤理t 大学t 程硕j 二学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的迅速提高，人们对铁路、航 空、船舶等交通运输业提出轻量化、高速化、节能降耗、减少环境污染等要 求。采用整体的半成品零件一铝合金整体壁板代替复杂的装配式部件作为车厢 地板、壁板、顶板等，具有重量轻、强度高、气密性好、可靠性强、制造工时 短等优点，可以获得最大比强度结构( 具有最小重量同时具有最高强度的结 构) ，因此，铝合金整体壁板( 以下亦简称壁板、型材) 作为一种新型的结构材料 日益受到航空、造船、汽车、建筑等行业的关注并获得广泛应用。生产铝合金 壁板的方法很多，就综合特性来看，挤压工艺是一种很有效的方法：用挤压生 产铝合金壁板的工艺方案很多，从综合效果来看，扁挤压简挤压是一种很有效 的成形方法。大型整体壁板挤压成形技术己成为当今塑性加工领域中的重点研 究课题。 当前制造业的一个重要发展方向是制造具有最小重量的高强度结构，即具 有最大比强度的结构，而且随着公路、铁路、航空、船舶运输的高速化。对节 能降耗、减轻环境污染的要求更加严格，研制大型整体壁板型材( 以下简称壁 板、型材) 作为车厢地板、壁板、顶板等结构材料以使车辆轻量化的作用就愈 加重要”。应用范围仅次于钢铁、号称“第二金属”的铝合金“”，由于优 异的综合性能，如质量轻、比强度高、可加工性好、物理和力学性能优良、耐 高低温性能好、电导率和热导率优良、外观质量和可处理性好等，成为交通运 输业中能部分替代钢铁的基础材料“”。据统计，车辆每减轻1 0 ，燃油效率 可以提高7 左右。因此世界各国争相将铝合金生产作为发展重点，如何提高 运输工具的铝材化程度成为车辆设计专家、制造专家和材料专家的一项十分重 要的任务。 随着铝合金用量的提高，国内外在各种高强度铝合金大端面型材和大型扁 宽类整体壁板的制造和应用方面加大了研究力度，同、德、美、法等发达国家 已经研制出全铝汽车、摩托车、自行车、赛艇、全铝高速客车车厢以及地铁车 辆铝合金挤压整体壁板型材，尤其是高强度铝合金壁板型材完全能够替代原来 复杂的装配式部件。作为一种结构材料来说，与装配式的铆接结构或焊接结构 哈尔滨理t 大学 程硕士学位论文 相比具有非常明显的优点；重量大大减轻，结构强度提高，减少了部件加迕 量。另外，由于需要铆接、螺栓连接和焊接的地方大为减少，提高了结构的气 密性和耐腐蚀性。铝合金整体壁板的上述优点使它在各个工业部门中获得了广 泛的应用，交通运输业对大型铝合金壁板的需求量尤其大。资料表明，自8 0 年代以来，在工业发达国家中，交通运输业用铝量占铝总的消费量的2 7 5 ， 其中汽车用铝量约占4 0 左右。日本尤为突出，客车中铝制车辆占有比例从 1 9 7 0 年的1 3 发展到本世纪初的5 0 左右。 我国铁路也于“八五”期间开行准高速列车，“九五”期间进行了高 速列车的研制，并在上海试运行了高速磁悬浮列车。因此，研究铝合金整体壁 扳以及相应的成形模具，对于进一步降低生产成本与完善制造土艺，提高安全 性能，更大限度地减轻车辆自重、提高速度，加速我国交通运输的现代化、高 速化和轻量化进程具有重要的意义。 1 2 挤压加工技术的概述和特点 1 2 1 挤压加工的概述 金属挤压加工属于压力加工的范畴，是金属成形的一种重要方法”，。 金属挤压加工就其本质而言，是用施加外力的方法，使处于耐压容器中承 受三向压应力的金属产生塑性变形，并从特设的孔或间隙中被挤出，从而得到 一定截面形状及尺寸挤压制品的压力成形过程。 为使金属变形，就要克服金属原子间的结合力，这种结合力就是金属的变 形抗力。 欲使金属通过压力加工达到塑性变形的目的，就必须具备一定的力学条 件，使金属在外力作用下，克服变形抗力，由弹性交形阶段过渡到塑性变形阶 段。 金属挤压加工必须具备如下的三个条件“1 。 1 使金属处于三向压应力状态； 2 建立足够的应力值，使金属能够产生塑性变形； 3 有能使金属流出的孔或间隙，提供一个阻力最小的方向。 通过图( 1 1 ) 可以了解挤压加工过程的基本情况。 f i 尔滨理_ 丁大学1 = 程顶f ：学位论文 1 锭坯；2 挤压筒外衬；3 模座：4 模具；5 挤压制品： 6 挤压轴；7 挤压筒内衬：8 挤压垫片 圉i - i 金属挤压方法示意图 f i g | 一ls k e t c hm a po f m e t a le x t r u s i o nm e t h o d 挤压轴( 也称挤压杆) 6 ，经挤压垫片8 ，使在挤压筒( 也称挤压容器) 7 中的金 属锭坯1 处于三向压应力的状态。挤压轴在挤压机主柱塞的推动下压向锭坯， 当使锭坯所受到的压力达到一定值时，锭坯便从模具4 的孔中被挤出，形成挤 压制品5 。 表征挤压加工过程的主要参数使延伸系数和加工率。 对于棒材挤压： 延伸系数 a = 鲁= 堕d 2 加工率：兰型1 0 0 ：_ a - 1x 1 0 0 a a 对于管材挤压： 延伸系数 加工率 兄=互=筹=丽9,2_d2a dd4 s ( d + ， 2 一2一s ) ：型。1 0 0 ：型。1 0 0 丘五 式中a 挤压延伸系数： g 加工率； 4 挤压筒孔径截面积( m m 2 ) ； _ 挤压制品截面积( m m 2 ) ； ( 1 1 ) 0 - 2 ) ( 卜3 ) 0 4 ) 坚查重堡：查兰三堡堡! ：兰丝丝圣 d 挤压筒内径( m m ) ； d 挤压制品外径( m m ) ； 以挤压管材内径( m m ) r 挤压管材壁厚( m m ) 1 2 2 挤压加工技术的特点 由于挤压加工的金属处于三项压应力状态，因而可以得到比轧制、锻压更 大的塑性变形。依据材料、挤压方法的不同，挤压的延伸系数可达5 - 5 0 0 ，甚 至更高。应用挤压方法可以加工的金属及其合金甚多，包括铅、铝、镁、锌等 及其合金；也包括普通钢、特殊钢、不锈钢“。 在生产过程中，改变挤压制品的品种、规格方便快捷，只需要改变挤压工 具即可实现，而不受批量的限制。可以生产用其他方法难以加工或根本无法加 工的复杂截面的型材。越是复杂的截面，挤压技术就越有优势。 挤压制品精度高，表面粗糙度可达r a 3 2 加8 p m 。挤压过程金属处于受三 向压应力状态，挤压制品具有较高的力学性能。 从锭坯到挤压制品可以一次成型，完成在瞬息之间，可以用秒来计量。特 别是大型铝及铝合金的型材制品，一次挤压就可以生产出用其他方法必须经多 道工序才能完成的过程，而且其性能、质量都比不上挤压制品。 挤压生产过程可以实现连续化、自动化生产。 从另一方面看，虽然挤压生产可以连续化，但有明显的周期性，而且辅助 时间相对较长，与轧制生产相比生产效率偏低。对于大多数金属，挤压温度较 高( 4 5 0 - 12 0 0 c ) ，挤压工具必须选用优质高强度耐热钢，挤压工具的消耗在挤 压生产成本中占有很大比重。在生产过程中，金属的损耗较大，与轧制相比成 材率较低。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 大型整体壁板挤压模具的研究和发展 铝型材挤压模具可分为大型基本工具和模具。大型基本工具包括挤压筒、 挤压轴、挤压垫片、针支承、压型嘴和模架等。模具包括模芯、模垫、穿孔针 等直接参与金属塑性成形的工具。其中挤压筒的尺寸、重量最大，工作条件最 恶劣，结构设计最复杂，加工最困难，价格最昂贵，是这些模具的基本组成部 分，也是最为重要的部件之一。 铝型材整体壁板挤压方法历经了圆挤压筒挤压、扁挤压筒挤压、宽展模挤 压的发展过程，壁板挤压模具也相应地经历了以上三个过程。 1 圆挤压筒挤压平板形壁板6 0 年代之前，铝型材整体壁板挤压采用的是 圆挤压筒，主要用于挤压平板形壁板，但是这种方式限制了壁板的宽度，因为 壁板的宽度w 必须满足如下关系式 w ( 8 0 9 5 ) d ( 】- 5 ) 式中卜挤压筒工作内套孔道直径 为了增加壁板宽度，美国和俄罗斯相继采用将壁板挤压成c 形、v 形和u 形的方法，例如挤压c 形件可以达到1 5 2 0 m m 的最大宽度，但是增加了工序和 后续设备。大型壁板的展开和矫直比较困难，而且由于模子的悬臂舌降低了模 具强度，模具寿命降低。 ， 卡夫曼和戴维斯也曾提出用实心圆铸锭挤压平板形壁板的方法，从而可以 挤压出宽度超过铸锭直径的壁板。但是圆形挤压筒挤压方式的挤压系数高，金 属流动很不均匀，导致壁板尺、形位公差难以保证，主要适用于简单形状的带 筋壁板( 筋条高度受到限制) 。 2 扁挤压筒挤压壁板所谓扁挤压筒壁板挤压法，就是将挤压筒内孔的横 断面形状设计为与型材相似的形状( 一般设计为由直线段和半圆弧段组成的近 椭圆形的内腔) ，将预热过的扁锭坯料置于保温状态下的扁挤压筒内，而后在 7 0 o s o m n 以上的大型挤压机上通过成形模具得到所需壁板的正挤压方法。 这一方法最早于6 0 年代后期由美国工程师k 斯温松提出并获得专利，它 改进了挤压壁板的生产工艺，适用于挤压各种复杂形状型材和带筋壁板。采用 扁挤压筒挤压时，最大容许宽度不受挤压机压力的限制，主要受挤压机结构特 点的限制。而且由于坯料和挤压制品存在几何相似性，可以降低挤压系数和挤 压力，在很大程度上可以使制品横截面上的金属流动速度更为均匀；同时因 为扁挤压筒面积较相应圆挤压筒面积小许多，挤压所需设备吨位大为降低，提 高了挤压设备的工作能力。 3 宽展模挤压宽展挤压是一种新型的挤压方法，其实质是在圆挤压筒出 口端加设个宽展模，使圆锭产生预变形，厚度变薄，宽度逐渐增大，起到与 扁挤压筒相似的效果。因此，该方法可部分代替扁挤压筒生产薄壁铝合金实心 壁板或空心壁板。用宽展模挤压法可生产比圆挤压简直径宽1 0 3 0 的壁板 碲尔滨理丁大学丁程硕 j 学位论文 型材，但总挤压力比一般挤压时增加2 0 2 5 “。宽展模挤压在同样工况下 加工所得的壁板宽度小于扁挤压筒加工的壁板宽度，而且宽展模仍可归属于扁 挤压筒挤压，因此对于大型壁板仍需采用扁挤压筒挤压技术。采用不同方法挤 压壁板所得宽度见表( 1 1 ) 。 表】1 不同方法挤压的壁板宽度 t a b l e l - 1w a i n s c o t w i d l h w i t hd i f f e r e n te x t r u s i o n m e t h o d s 宽展法生r。壁板宽度 挤压能力f m n挤压筒尺寸m m壁板宽度m m 宽度m m适合的合金 5 0 d 3 6 03 0 04 2 6 硬合金 5 0中4 2 0 3 6 05 2 0 硬合金 5 00 5 0 0 4 0 05 5 0 软合金 5 07 0 1 7 05 0 0 硬合金 1 2 01 0 0 2 4 08 0 0 硬合金 1 2 5 0 6 5 05 5 46 8 0 软合金 1 2 55 0 2 5 0 9 0 0 硬合金 1 2 5中8 0 07 2 0 9 0 0 软合金 从表( 1 1 ) 可以看出宽展挤压在同样工况下加工所得壁板宽度小于扁挤压筒 加工的，而目宽展模仍属于扁挤压筒挤压，因此对于大型壁板生产仍需扁挤压 筒挤压技术。 1 3 2 扁挤压筒强度分析及结构设计的研究方法 1 3 2 1 理论解析对于求解扁挤压筒的应力分布，由于其内孔近似椭圆，难以 采用常规厚壁圆筒l a m e 公式进行强度分析和校核，很难得到实用的解析解。 早期阶段为了求得扁挤压筒内部最大应力，l q e p n n h 提出保角变换求解扁 挤压筒的思路，h 1 4 m y c x e a n i r b m m 提出采用椭圆坐标求解不规则形状的力 学问题，但都未作出具体推导；m 3 e p m a r l o k 在此基础上推导了扁挤压简应 力求解的理论公式；此外，王匀根据保角映射法再次完整推导了扁挤压筒应力 计算公式，更诈了m 3 e p m a n o k 所给公式的错误， 并开发了应力计算程序， 实现了计算的程序化，从而可以快捷的计算出挤压筒内各点的应力。但是该理 论公式仅用于求解应力分布，没有导出相应的优化设计方法或公式。 1 3 2 2 数值模拟传统的设计和模具制造方法，大多需要反复试模和修模，不 哈尔演理t 大学t 程硕i ：学位论文 仅生产效率低成本高、周期长，而且产品质量也难以保证。随着有限元技术 的发展以及计算机技术的不断提高，一个融入计算机图形学、数值方法、塑性 成形理论与工艺等各类技术的模拟软件系统已成为研究挤压成形和模具优化的 强有力的工具。它的使用大大缩短了新产品开发周期，降低了开发成本，提高 了产品质量，增强了产品的市场竞争力。在美国和欧洲，几乎9 0 的主要型材 挤压件都要经过挤压模拟的检验。 目前，以有限元法为代表的数值模拟技术己被广泛用于铝型材挤压的变形 模拟、温度场模拟以及摩擦与润滑分析等方面”“。 】变形模拟在国外，b a b i l s k a 和r h e i n b o l d t ，c h o i 和p a r k ，z i e n k i e w i c z 和z h u ，l e e 和l o ，v a nr e n s ，p a r k 和y a n g 等人采用不同网格尺寸，对各种 铝型材热挤过程进行了不同层次的数值模拟，获得了力、功、能、平均压力和 平均温度、金属流动、应力、应变、应变速率以及温度等信息。在国内，刘静 安、裴强和谢建新应用上限单元技术对带筋薄壁圆管分流挤压变形过程进行数 值模拟。于沪平等借助塑性成形模拟软件d e f o r m ，用刚粘塑性有限元罚函 数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝合金 的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。刘汉武等借助a n s y s 软 件对生产建筑用中空方管铝型材的分流组合模的上模进行了计算与分析，通过 改变分流孔的形状和大小使原模具应力集中且分布极其不均的现象得以改进。 周飞等采用三维刚粘塑性有限元法对铝型材非等温挤压成形过程进行了模拟， 分析了成形各阶段的应力、应变和温度场分布倩况以及整个成形过程中模具载 荷随成形时间的变化情况，为铝型材挤压的模具设计和设备选取提供了重要的 依据。 。 2 温度场模拟在铝型材热挤压过程中，模具系统和变形金属之间的热平 衡状态非常复杂，既包括由金属变形产生的热，也包括模具内壁和金属之间摩 擦产生的热，还包括金属内部相互摩擦所产生的热。同时，各部分之间的热交 换也很复杂。在这方面，英国的赛拉德等人从2 0 世纪7 0 年代起，采用有限差 分法等方法进行热加工的温度场模拟和显微组织变化模拟：国内也进行了铝合 金挤压时温度变化的有限元分析阁。温度场模拟的主要思路是，用工程计算法 计算出热的发生源和发生量，用微分方程和有限元法计算出热的传导情况，并 以此为基础建立数学模型，选择和处理边界条件，再进行单元划分，围绕坯料 和挤压筒计算和确定坯料温升的热源、坯料内的热传导、坯料向模具和挤压筒 扩散的热、挤压简壁和模孔周围的温升、挤压筒内的温升等问题。 3 摩擦与润滑分析铝型材挤压过程中的高温、高压、高速等恶劣条件使 其中的摩擦与润滑十分复杂，对变形过程中的变形力能消耗、工模具磨损、制 品的表面与内在质量以及最终经济效益等均有很大影响。在这方面 b e r e z h n o yvl 于1 9 9 7 年提出了利用积极摩擦辅助直接或间接挤压成形高硬铝 合金型材的技术该技术在工程中得到了广泛的应用，获得了很高的生产效率 和质量。美国的s a h apk 于1 9 9 8 年对薄壁空心铝型材挤压成形过程中的热力 学性能和摩擦之间的关系进行了研究：采用热力学数值模拟法构造了3 种不同 的实验模型，分析了模具工作带和流动金属接触面上的摩擦特性，研究了坯料 温度和挤压过程中产生的热对模具工作带。 1 3 2 3 物理模拟物理模拟法通常是指或缩放比例，或简化条件，或采用替代 材料，用实验模型代替原型进行研究，包括坐标网格法、软材料实物模拟法、 视塑性法、密栅云纹法和光弹性实验法等。物理模拟可以提供与实际工艺因素 有关的数据和边界条件，这些数据和边界条件可用于建立精确的数学模型或本 构方程，揭示用数学模型难以求解和表达的物理现象和客观规律，指导工艺及 模具设计。同时，建立在实验基础上的物理模拟还可以检验理论解析和数值模 拟等方法的研究结果，因此物理模拟和数值模拟是相辅相成的。 1 3 2 4 综合方法各国学者还以有限元法为核心，将各种研究方法综合运用， 以求发挥不同方法的优点，获得最佳的研究效果。s h e p p a r dt 等综合运用有限 元法、上限元法和低倍光学技术分析了桥模挤压6 0 6 3 铝合金空心型材过程。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国学者综合了高温密栅云纹法、有限差分法和电子显 微分析技术，利用g j e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机等设备，探索出一套铝合金热挤压工 艺控制与质量控制的系统研究方法，确定了材料的本构关系、热挤压时的变 形、应变速率及应力分布、温度分布、显微组织变化规律，变形参数对材料内 部组织的影响以及材料的热挤压性能。近几年来，国内以p v c 为模拟变形材 料，以环氧树脂为挤压模具，用光弹性实验法得出几种典型模孑l 挤压时的表面 压力方程，并对模具进行了应力应变分析。清华大学、西南铝加工厂、东北轻 合金加工厂的研究人员对导流模的研发进行了联合攻关，通过型材挤压过程变 形流动状态的模拟实验，建立了导流模尺寸设计的数学模型并进行了实验验证： 同时，用三维刚粘塑性有限元法模拟了铝型材挤压过程通过研究，得知了挤压 过程中引起材料内部质点变形速度不均匀的主要原因是塑性变形区表面的摩擦 阻力，弄清了导流模控制金属流速的机制，提出了导流模的设汁要点。 哈尔演理t 大学t 稃硕j j 学位论文 1 3 3 整体壁板铝型材挤压模具参数优化的研究 研究大型整体壁板铝型材挤压成形规律的根本目的是对其挤压工艺和模具 参数进行优化设计。近年来，国内外学者以成形规律为研究依据，对影响铝型 材挤压的各种参数进行了研究。如赵云路、刘静安系统总结了各类型材挤压模 具的优化设计方法；刘汉武基于a n s y s 软件用静力有限元对分流模结构进行优 化；陈泽中对异型材挤压进行多工艺参数组合优化研究：还有学者以p v c 作为 仿真材料，以环氧树脂制作挤压模具，采用光弹应力冻结实验法和三维弹塑性 有限元法，对型材挤压模具结构及几何轮廓要素进行优化等。经过优化的模具 一般能改善受力条件，提高使用寿命以及型材挤压质量。但到目前为止，大型 整体壁板铝型材挤压模具设计尤其是对扁挤压筒的结构设计中还缺少一套切实 可行的优化设计方案，其参数优化领域中还有很多有待解决的问题。 1 4 扁挤压筒的强度和失效问题 扁挤压筒受力非常恶劣，主要承受以下应力： 1 承受很高的工作压力为了实现整体壁板挤压变形，处于内层的扁挤压 筒需要承受很高的工作压力。 2 承受长时间的温度应力因为毛坯要预热到一定的加工温度，挤压时金 属的变形还会产生大量的热，另外由于挤压筒和预紧圈的径向尺寸相差很大， 扁挤压筒与最外层的预紧圈的温差很大，从而产生较高的温度应力。 3 预紧力的作用挤压模具通常采用3 或者4 层组合式结构，在预紧力作 用下工作，改变了模具内部的应力分布 4 承受高摩擦作用由于高温高压的作用，型材在挤压时很容易和扁挤压 筒产生“粘结”作用，产生很大的摩擦力。 承受交变应力和较大局部拉应力由于扁挤压筒复杂的形状结构，容易产 生局部拉应力；另外，挤压循环操作的过程也使扁挤压筒处于交变应力的作用 下。 其主要失效和损坏形式有： 1 磨损由于与高温、高秸结性、高流动速度的金属相接触，扁挤压筒的 内衬是最易出现磨损的部位。主要磨损方式为热疲劳磨损和机械磨损( 擦伤、 划伤等) ，此外，还伴随着腐蚀磨损( 氧化磨损) 、磨科磨损( 冷会属颗粒、脆硬 化合物或其它外来磨料，等。 略尔滨理丁人学t 程硕l ：学位论文 2 塑性变形在相当高的载荷，特别是冲击载荷的作用下，扁挤压筒承受 的负荷超过材料的屈服强度时，会产生整体的或局部的塑性变形。以致在磨损 不大，也未出现裂纹的情况下，就因不能保证产品的尺寸精度而失效。主要的 变形形式有：挤压筒内衬、中衬或外衬鼓大肚( 即中部直径比曲端直径因塑性 变形鼓大l m m 以上) ，挤压筒端部压塌等。 3 脆性断裂( 机械断裂) 挤压模具因受冲击而呈现粗大裂纹造成的失效报 废现象称之为脆性断裂。挤压筒在挤压时常见的脆性断裂形式主要有纵向丌裂 和端部裂纹等。 4 热裂机械挤压过程中，由于挤压筒反复加热和冷却，受激冷激热的作 用，会产生热疲劳裂纹，同时还要承受交变的机械应力的作用，由这种交变的 热力学作用产生的裂纹统称为热裂。热裂通常发生在冷热变化较大和受力较大 的部位，尤其是在尖角、沟槽处首先产生裂纹，然后扩展，从而导致整个工具 开裂报废。 5 疲劳破坏在挤压过程中，工具在反复循环应力的作用下，特别是在有 应力集中源的地方会产生疲劳裂纹。疲劳破坏的形式主要有：挤压工具的表面 龟裂，横向断裂，挤压筒端部的掉块等。 在上述失效形式中，除磨损外，其他失效形式均有可能是由于结构尺寸设 计不当所引起，或因设计不当而造成失效过早地发生，可见对扁挤压筒进行结 构优化设计对于提高模具的使用寿命是至关重要的。 1 5 课题的来源 为了填补国内空白，代替进口，节约资金，研制大型铝材挤压机是满足国 内市场的一种急需，在市场调研，客户需求的基础上，上海重型机器厂有限公 司承制的大型铝材挤压机的研制开发工作。挤压筒是大型铝挤压机的重要部 件，关于他的研究、设计、分析方法还有许多不完善之处有待进一步研究解 决，本文的研究工作是新产品研发工作的部分内容。 1 6 目的和意义 在科技高度发达的今天，国民经济建设对材料的要求逐渐趋于高精度复 杂化，尤其是在国家所需要的航天、航空、宇宙空间站、造船、地铁、轻轨、 大型客车、磁悬浮列车车体等材料的应用上，必须选用轻型高强度的铝合会型 坠! ! 堡竺三：兰三堡堡! ：兰堡篁三 材。这是人类追求用低能耗，寻求更高速度的明智选择。由于目前制造能力和 加工设备的制约，这些材料大部分依靠进口。国内厂家由于制造能力的限制， 只能满足部分此类材料的需要。目前西安重型机械研究所设计和上海重型机器 厂联合研制的大型挤压机是填补加工大型、精密、关键铝合会型材部件的主要 设备。如台设备投产使用就可以加工大型铝合金型材3 万吨年以上，可以 大大缓解铝合金型材主要依靠进口材料的局面，对保证国民经济健康、有序、 和谐的发展具有深远的政治和经济意义。 大型铝挤压机穿孔系统决定着挤压机所挤压制品的质量，挤压筒是穿孔系 统的主要部件。其结构、强度影响着生产效率、挤压产品的精度、机器性能 等。挤压简的研究对进一步提高挤压管材、空心型材的性能有十分重要的意 义。挤压筒通常在高温、高压、高摩擦的恶劣条件下工作，经常发生开裂。由 于大型挤压筒的正确设计与制造技术问题一直没有得到很好的解决，为了提高 挤压筒的强度，延长其使用寿命，应对挤压筒的受力、变形状况和设计方法进 行科学的分析研究。 如果挤压简设计不够合理，所采用的挤压生产工艺制度、方法不正确，就 会造成大量的挤压成品内表面捺伤，偏心废品，降低管材的质量，严重时还容 易导致整个穿孔系统损坏，从而造成设备停机。所以需要采用现代设计方法利 用计算机辅助工程分析软件对挤压机的挤压简受力情况和机械强度进行一次系 统的分析，找到影响强度的主要因素，提出解决问题的有效措施。 挤压筒的三维有限元分析是个复杂而又有挑战性的课题。因为挤压筒在生 产过程中不仅有机械载荷和机械应力、还有接触问题，设计时既需要掌握挤压 筒的结构特点合理建模，又需要进行大量的边界条件测试分析以合理旌加边界 条件，还需要理解并运用好三维有限元分析技术，因此课题的任务是艰巨的。 要确保挤压筒有限元分析的准确性，所建立的挤压筒有限元模型应具有和实际 结构相对应的几何、材料、力学特性，对实际结构具有“真实”的模拟特性。 本课题拟采用a n s y s 软件对挤压筒进行有限元仿真分析。 1 7 研究的内容 本文的主要内容包括： 1 运用a n s y s 软件进行三维建模； 2 有限元分析受预紧力、预紧力一内压力状况下的扁挤压筒的变形和应力 分布状况； 竺玺堡垩三叁兰三至堡! ；兰竺篁蚤 3 应用耦合原理分析扁挤压筒在热载荷一预紧力一压力状况下的受力规 律； 4 选用高强度的4 c r 5 m o s i v i ( h 1 3 ) 优质钢，其韧性、耐磨性都比 3 c r 2 w s v 钢高，使用寿命可提高2 倍到3 倍。 氅玺堡塞二查兰三堡璧! ：耋堡鎏三 第2 章数值模拟的关键技术 壁板挤压用扁挤压筒承受热、工作内压和过盈预紧力的耦合作用，涉及接 触非线性，加上扇挤压筒内腔的特殊性，使得扁挤压筒的力学分析很复杂。另 一方而，随着计算机图形技术的逐渐成熟以及c a d 软件的出现，加上弹塑性 计算力学的发展，基于有限元方法的应力分析成为可能。有限元方法与其它理 论分析方法相比具有明显的优势，能够在保证精度的前提下处理任意边界和多 种材料模型，预测材料内部的应力和应交分布、变形力大小以及各种工艺参数 对金属流动的影响，因此采用有限元对扁挤压筒进行分析是可行的，甚至可以 模拟壁板挤压。但是在进行挤压筒有限元分析时，必须妥善解决好其中涉及的 问题，否则得不到正确的结果。本章主要就扁挤压筒有限元分析涉及的关键技 术作一阐述。 2 1 接触问题介绍 接触和碰撞是生产和生活中普遍存在的力学闫题。例如汽车车轮和路面的 接触，火车车轮和铁轨的接触，发电机活塞和气缸的接触，轴和轴承的接触， 以及齿轮传动过程中齿面的相互接触等，可以说是无处不在。接触过程中两个 物体在接触界面上的互相作用是复杂的力学现象，同时也是它们损伤直至失效 和破坏的重要原因。现代生产和科技的发展提出一系列有关接触和碰撞的重要 课题，例如金属构件的冲压成型，汽车的碰撞，飞行物对结构的冲击等。前者 关系到汽车、飞机、火箭等重要产业的产品质量；后者还关系到生翕财产的安 全。压铸机合模机构在工作中普遍存在接触现象，因此本章将重点介绍接触问 题。 有限元法及计算技术的发展为分析接触和碰撞问题( 以后一般情况下简称 接触) 提供了有力的工具，对接触的全过程进行计算杌数值模拟，现在不仅可 能实现，而且正逐步成为c a e ( c a d c a m ) 的一个重要组成部分”“。 接触过程在力学上常常同时涉及三种非线性，即大变形引起材料非线性和 几何非线性以外，还有接触界面的非线性，这是接触界面所特有的。接触界面 非线性来源于两个方面：( 1 ) 接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅 事先都是未知的，而且是随时间变化的，需要在求解过程中确定( 2 ) 接触条件 的非线性。接触条件包括：接触物体不可相互侵入；接触力的法向力分量只能 望尘堡! 三当茎三垄至：竺堡鎏耋 是压力；切向接触的摩擦条件 这些条件区别于一般约束条件，其特点是单边性的不等式约束，具有强烈 的非线性。 接触界面的事先未知性和接触条件的不等式约束决定了接触分析过程中需 要经常插入接触界面的搜寻步骤。接触条件的强烈非线性需要研究比其它非线 性问题更有效的求解方案和方法。 2 2 接触界面条件 2 2 1 符号和定义 图2 1 表示两个物体a 和b 相互接触的情形。d v 。和d 妒是它们接触前的 位形，和矿是它们在t 时刻相互接触时的位形：是该时刻两物体相互接 触的界面，此界面在两个物体中分别是j 和f 5 了。通常称物体a 为接触体 ( c o n t a c t o r ) ，物体b 为目标体或靶体( t a r g e t ) ：并称& ，和p 了分别为从接触面 和主接触面。 矿 沪 ，矿口 圈2 - i 两个物体相互接触 f i g 2 ic o n t to f t w oo b j e c t 为了进一步讨论接触界面上运动学和动力学的条件，需要在每一时刻接触 界面。上的每一点建立局部笛卡儿坐标系r ，。通常是将此坐标系建立 在主接触面上惩p 了，它的3 个方向的单位向量分别是0 i ，0 2 和锄。其中锄 和0 2 位于悠垆的切平面内， e 3 垂直于8 ，并指向它的外法线方向，如图( 2 2 ) 所示。它们之间存在如下关系： 。玎8 ；e 3 = e l + p 2 ( 2 1 ) 为使下面表述明显起见，将f 时刻相互接触的两个物体分开一定距离如图 2 3 所示。 望玺篁矍：查耋三堡堡：兰堡篁兰 接触面岱少和。，上在相互接触的两个点( 例如p 和q ) 称为接触点 对。并习惯地分别称为从、主接触点，或分别称为击打点( h i t t i n gp o i n t ) 和目标 点或靶点( 胁g c tp o i n t ) 。作用于p 点和q 点的接触力分别是0 一p 习和。f ( 为 简化起见，以后常省去点号p 和q ) 。接触点对的瞬时速度分别是7 矿和伊( 此 处也省去下标j p 和q ) 。上述接触力在该点的局部坐标系中可以表示为： e = r7 玎8 + 。e e 1 + e e 2 = r 7 + 。b 7 ( ，= a ，b )( 2 - 2 ) 式中饥7 ，f 产j ，在局部坐标系的分量： 0 ，i n 一i r 的法向分量和切向分量 泸 图2 - 2 接触界面上的局部坐标系图图2 - 3 接触界面上的力和位移 f i g 2 - 2l o c a lc o o r d i n a t es y s t e mo i l c o n l a c ti n t e r f a c e f i g 2 - 3f o r c ea n dd i s p l a c e m e n to n 并有 = 叩7 一 一叫研 ( 2 - 3 ) i 。b 7 = 。巳+ e ”e ： 对于在上已经处于接触的点对，相互作用的接触力i 一和f ，8 ，根据作 用反作用原理，应有 ，o + 。f 8 = 0 佗- 4 ) 同理，瞬时速度在局部坐标系中可以表示为 v = 7 胛丑+ v j 毛+ v 2 ，。p 2 = v 7 + 。v ，( r = 爿，b ) ( 2 5 ) 式中，v 7 ，产分别是局部坐标系下瞬时速度旷的分量。 、，t f 产一分别是v 的法向分量和切向分量，并有 v r = fv 7 疗口 ( 2 - 6 ) 哈尔滨理t 丈学t 狸硕 一学位论文 。v r 7 = v l r q + 。v 2 ，p 2 ( ，= 4 ，b ) 2 2 2 法向接触条件 ( 2 - 7 ) 法向接触条件是判定物体是否进入接触及进入接触应该遵循的条件，包括 运动学条件和动力学条件两个方面。 1 不可贯入性此条件是接触面间运动学方面的条件。不可贯入性是指物 体a 和物体b 的位形和矿在运动过程中不允许相互贯穿( 侵入或覆盖) 。 设为一上任一指定点p 在f 时刻的坐