（机械设计及理论专业论文）125mn双动铝挤压机穿孔针的有限元分析.pdf

j c ：l a s s i f i e di n d e x ：t g 3 7 5 + 4 2 ad i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s0 n p e r f o 脚i o nn e e d l eo f1 2 5 m n do u b l e d r i v ea l u m i n u m c a n d i d a t e ： e x t r u d e r s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gl i l i z h a n gy o n g j u n m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m a r c h ，2 0 0 7 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y l l 0 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 2 5 m n 双动铝材挤压机 穿孔针有限元分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 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。 作者签名：要力 日期：2 0 0 7 年弓月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 1 2 5 m n 双动铝材挤压机穿孔针有限元分析系本人在哈尔滨理工大 学攻读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。本 人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3 年解密后适用授权书。 i 不保密。 ( 请在以上相应方框内打) 1 _ | 产 作者签名：丑矽期日期：2 0 0 7 年乡月矿日 导师签名： 多衫未蜀 日期：2 0 0 7 年乡月扩e l 妒叫 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 5 m n 双动铝挤压机穿孔针的有限元分析 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1 2 5 m n 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，穿孔针是穿孔系统的主要部件之一。其结构、强度 影响着生产效率、挤压产品的精度、机器性能等。穿孔针的研究对进一步提 高挤压管材、空心型材的性能有十分重要的意义。 本文给出了1 2 5 m n 双动铝挤压机的结构特点和技术参数：分析研究了 1 2 5 m n 挤压机穿孔针及其承载；研究了1 2 5 m n 挤压机在采用固定针挤压和 随动针挤压时对穿孔针的影响，挤压机在使用空心锭坯挤压时穿孔针的承载 情况，给出穿孔针的承载状况；使用大型软件p r o e 对穿孔针三维建模，采 用有限元分析方法，运用大型通用有限元a n s y s 软件对穿孔针进行静力学 分析，接触非线性分析，根据静力学理论和接触单元理论得出穿孔针的在使 用空心锭坯固定针挤压时不同阶段的应力状态分布；提出了提高穿孔针强度 的措施，为穿孔针的设计提供一种更合理、更可靠、更高效的方法和途径。 1 2 5 m n 大型挤压机经调试、运行成功，穿孔针的强度设计达到了使用 要求。其各项技术参数均达到了预期指标，现已正式投入使用。 关键词挤压机；穿孔针；有限元；a n s y s ；接触分析 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so np e r f o r a t i o nn e e d l eo f 1 2 5 m nd o u b l ea c t i o na l u m i n u me x t r u d e r a b s t r a c t e x t r u s i o np r o c e s s i n gi sap r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hm a k e sm e t a lu n d e rt h e c o n d i t i o no fp r e s s u r ef r o mt h r e ed i r e c t i o n sa n dm a k e sm e t a lp l a s t i cd i s t o r t i o n t h em o d e ms o c i e t yn e e d sal o to ft h i n - w a l l ，w i d e ，h i g hp r e c i s i o n ，c o m p l e xc r o s s s e c t i o na l u m i n u ma l l o y s ，s ol a r g e12 5 m ne x t r u d e ri sau r g e n tn e e da th o m ea n d a b r o a d p e r f o r a t i o n s y s t e md e c i d e s t h e q u a l i t y o fe x t r u s i o n p r o d u c t s ，a n d p e r f o r a t i o nn e e d l ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fp e r f o r a t i o ns y s t e m t h e s t r u c t u r ea n ds t r e n g t ho ft h en e e d l ea f f e c t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , p r o d u c t p r e c i s i o n ，m a c h i n ep e r f o r m a n c e ，a n ds oo n t h es t u d yo np e r f o r a t i o nn e e d l eh a s q u i t ei m p o r t a n tm e a n i n gt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp i p ea n dh o l l o wp r o f i l e t h ep a p e rp r e s e n t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i q u ep a r a m e t e r so f 12 5 m ne x t r u d e r ；a n a l y z e sa n ds t u d i e sp e r f o r a t i o nn e e d l eo f12 5 m na l u m i n u m e x t r u d e ra n di t sc a r r y i n g t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c et ot h en e e d l ew h e n t h ee x t r u d e ra d o p t sf i x e dn e e d l et oe x t r u d ea n ds e r v on e e d l et oe x t r u d e ra n d r e s e a r c h e sc a r r y i n gc o n d i t i o no fn e e d l ew h e nt h ee x t r u d e rm a k e su s eo fh o l l o w i n g o ta n ds o l i di n g o t ，t h e np r e s e n t st h ec a r r y i n g t h ep a p e rm a k e su s eo fl a r g e s o f t w a r ep r o et od ot h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，a d o p t sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d ，u s e sa n s y ss o f t w a r et od os t a t i c sa n a l y s i so nt h ep e r f o r a t i o nn e e d l e a n dc o n t a c tn o n l i n e a ra n a l y s i sa n do b t a i n st h es t r e s sd i s t r i b u t i n gi nd i f f e r e n t m o m e n tu s i n gh o l l o wi n g o to nt h eb a s i so fs t a t i c st h e o r i e sa n dc o n t a c te l e m e n t t h e o r i e s t h ep a p e rp o s e ss o m em e a s u r e st oi m p r o v et h es t r e n g t ho ft h en e e d l e a n do f f e r sam o r er e a s o n a b l e ，m o r er e l i a b l e ，h i g he f f i c i e n tm e t h o da n da p p r o a c h i no r d e rt od e s i g nt h ep e r f o r a t i o nn e e d l e 12 5 m ne x t r u d e rh 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 f p e r f o r a t i o nn e e d l e 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 s p 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 i i h 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 k e y w o r d se x t r u d e r ；p e r f o r a t i o nn e e d l e ；f i n i t ee l e m e n t ；a n s y s ；c o n t a c t a n a l y s i s i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘善暮i a b s tr a c t i i 第1 章绪论。1 1 1 挤压加工的概述1 1 2 挤压加工技术的特点。2 1 3 有限元方法的发展3 1 4 课题的来源4 1 5 目的和意义4 1 6 研究的内容6 第2 章新型1 2 5 m n 铝材挤压机结构特点。7 2 11 2 5 m n 铝材挤压机概述7 2 2 设备的结构特点8 2 31 2 5 m n 铝材挤压机技术参数1 1 2 4 本章小结1 1 第3 章穿孔针的受力研究。1 2 3 1 穿孔系统参数。1 2 3 1 1 穿孔力1 2 3 1 2 穿孔行程1 2 3 1 3 穿孔回程力1 2 3 21 2 5 m n 挤压机的穿孔系统1 3 3 3 穿孔针概述1 4 3 3 1 穿孔针的作用1 4 3 3 2 穿孔针的结构和分类1 4 3 4 不同挤压方法对穿孔针的影响1 5 3 4 1 挤压机的分类1 5 3 4 2 不同挤压方法对穿孔针的影响1 5 3 5 空心锭坯挤压时穿孔针受力分析1 7 3 5 1 镦粗过程中穿孔针受力18 3 5 2 挤压过程中穿孔针受力2 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 6 穿孔针的强度计算2 3 3 6 1 抗拉强度计算2 3 3 6 2 抗弯强度计算。2 3 3 7 本章小结。2 4 第4 章有限元分析的基础理论2 5 4 1 弹性力学基本方程及有关概念一2 5 4 1 1 平衡方程2 5 4 1 2 几何方程2 6 4 1 3 物理方程2 7 4 1 4 虚功原理2 7 4 2 有限元分析的一般思路2 8 4 2 1 连续介质( 或求解区域) 离散化2 8 4 2 2 单元特性分析2 9 4 2 3 整体结构的特性分析。2 9 4 2 4 载荷处理3 0 4 2 5 边界条件的处理3 0 4 3a n s y s 的接触问题31 4 3 1 接触问题分类。31 4 3 2a n s y s 处理接触问题类型。3 1 4 3 3a n s y s 中接触行为的几种形式3 3 4 3 4 处理接触问题的几点建议。3 3 4 4 本章小结3 5 第5 章穿子l 针特性的有限元分析。3 6 5 1 穿孔针的有限元模型3 6 5 1 1 穿孔针的结构3 6 5 1 2 材料选择和材料的力学性能3 6 5 1 3 有限元分析3 7 5 2 提高穿孔针强度的主要措施4 7 5 2 1 合理的穿孔针长度4 7 5 2 2 合适长度的锭坯4 7 5 2 3 尽量减小摩擦力4 7 5 2 4 严格控制镦粗时的升压速度。4 8 5 2 5 调整好设备的对中4 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 5 2 6 减小锭坯与挤压筒的间隙4 8 5 31 2 5 m n 新型挤压机的现场调试运行4 8 5 4 本章小结。4 9 结论5 0 参考文献。5 2 攻读学位期间发表的学术论文。5 5 赘e 谢5 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 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，由弹性变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 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。 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 、 图1 1 金属挤压方法示意图 f i g 1 - ls k e t c hm a po f m e t a l e x t r u s i o nm e t h o d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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l 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乜1 。 对于棒材挤压： 延伸系数 名= 鲁= 笠d 2 舡率 占= 竽l o o = 等1 0 0 彳 允 对于管材挤压： 延伸系数 加工率 力=筹=丽ot2_d2a d + t 2 一d 。24 j ( d j ) 占：a , - a 1 0 0 ：盟1 0 0 4 旯 式中五挤压延伸系数5 占_ _ 加工率； 4 挤压筒孔径截面积( i n m ? ) 5 么挤压制品截面积( 删n 2 ) ； d 挤压筒内径( 埘衄) ； d 挤压制品外径( 舢呦； 以挤压管材内径( 枷吼) ； r 挤压管材壁厚( 删眦) 1 2 挤压加工技术的特点 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) ( 1 - 4 ) 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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 0 8 1 x 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 ) ，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 有限元方法的发展 早在1 9 4 3 年，数学家c o u r a n t 就采用分片插值的思想，用最小势能原理分 析了圣维南( s t v e n a n t ) 扭转问题。但由于即使一个小规模的工程问题，用有限 元分析都将产生较大的计算工作量。由于当时没有电子计算机作为计算手段， 没有用它来分析工程实际问题，因而没得到更多的重视和发展。1 9 5 6 年， t u r n e r ，c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p ，首先将平面结构人为地划分成很多三角形单 元，单元内以顶点位移线性插值，用近似方法找出合理的单元弹性特性，再用 结构力学中周知的直接刚度法组成整个结构的位移方程组加以求解。这是按物 理的观点，将连续结构近似为由单元组成的离散结构，再加以分析。他们将此 方法用于分析飞机结构，这是现代有限元法第一次成功的尝试。他们第一次给 出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，其研究工作打开了利用计算 机求解复杂平面问题的新局面。 随着计算机技术的发展，有限元分析这门特别依赖数值计算的学科才真正 进入了飞速发展阶段，并引起了数学界的注意。6 0 - 7 0 年代，人们对于有限元 离散化误差、有限元解法的收敛性、稳定性等方面的研究，巩固了有限元的数 学基础。与此同时，人们又发现，数学界中以分片插值作为实验函数以近似求 解的思想，与工程中有限元法的形成是并行发展的。6 0 年代，我国数学家冯 康，在研究变分问题的差分格式中，也独立地提出了分片插值的思想，并把它 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用于工程结构的分析，为有限元法的形成做出了贡献。1 9 6 3 1 9 6 4 年， b e s s e l i n g ，m e l o s h 和j o n e s 等证明有限单元法是基于变分原理的里兹法的另一 种形式，从而使里兹分析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法 是处理连续介质问题的一种普遍方法。 有限元法发展至今己有4 0 余年的历史了，己是比较成熟了，多数人认为 它已基本定型，不会像6 0 年代那样，有很多戏剧性的突破了。但在巩固有限 元方法的物理、数学基础方面，扩大其应用领域，以及求解诸如非线性、不同 物理作用相互耦合、动态分析以及由材料微观结构计算其力学性能等复杂问题 方面，有限元法还会不断发展并取得成功。在我国实现制造业信息化的过程 中，推广有限元的应用，以改进产品设计，提高产品性能，更是非常现实的问 题。 但是我国的有限元技术应用水平与国外先进国家的差距是较大的。我国在 有限元研究应用领域所开发的水平比较高的有限元软件水平与国外先进的c a e 软件相比，无论从应用领域还是应用水平上都有一定的差距，缺乏在大型工程 项目中运用和实践的实例。 1 4 课题的来源 1 2 5 m n 双动铝材挤压机是为了满足国内市场的一种急需，填补国内空 白，代替进口，节约资金，由辽宁忠旺集团委托研发的。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担了新型1 2 5 m n 铝材挤压机的研 发、制造工作。本人所做的研究工作是新产品研发工作的部分内容，有限元分 析穿孔针。它是目前世界最大的双动铝材挤压机。 1 5 目的和意义 1 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 金型材。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1 2 5 m n 挤压机就是填补加工大型、精密、关键铝合金型材 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 部件的主要设备。该设备如投产使用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。 2 穿孔针在挤压铝制管材和空心型材时，用于锭坯穿孔和确定管材内径。 穿孔针要承受高温、高压、高摩擦以及复杂应力的作用，其工作条件是及其恶 劣的。穿孔针在大约4 5 0 进入挤压筒，虽然通常状况下，都要在穿孔针表面 涂上润滑剂，但是热锭对穿孔针的剧烈摩擦还是很大。正向挤压的时候，穿孔 针的使用寿命大约为2 年，反向挤压的时候，穿孔针的使用寿命大约为3 5 年。相对于挤压机的其它部件，穿孔针的更换频率是非常高的。穿孔针的材 料，对于以前的挤压机大部分选用3 c r 2 w 8 v 钢，其在高温下的韧性、抗疲劳 强度极限、耐磨性都有一定的缺陷。对于1 2 5 m n 大型挤压机，采用了具有高 强度耐热的模具钢h 1 3 ，其力学性能要比3 c r 2 w s v 好很多，特别是温度对它 的性能没有什么影响。h 1 3 的市场价格很高，大约每吨1 2 万元1 4 万元。穿 孔针的重量约为l5 0 0 k g ，那么一根穿孔针就要大约2 0 万元。这个数字对于任 何一个使用者来说都不能说是一个小的开销。 如果穿孔针设计不合理，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擦伤，偏心废品，降低管材的质量，严重时还容易 发生断针事故。断针不仅增加了工具消耗，而且处理断针也很麻烦，首先需将 与针支承相连的部分从中取出。由于断针的位置绝大多数发生在与针支承相连 的螺纹根部，断在针支承中的部分不易取出，需停机将挤压轴卸下。这不仅影 响生产，还易造成设备中心偏移。另外，生产时需要重新加热新换的穿孔针， 与锭坯相连的断针则需将锭坯熔化后才能取出，增加了金属的烧损及能源消 耗。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穿孔 针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。 穿孔针的三维有限元分析是个复杂而又有挑战性的课题。因为穿孔针在生 产过程中不仅有机械载荷和机械应力、还有接触问题，设计时既需要掌握穿孔 针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施加边界 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。 要确保穿孔针有限元分析的准确性，所建立的穿孔针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 软件对穿孔针进行有限元仿真分析。 - l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 6 研究的内容 本文主要完成了以下几方面的工作： 1 1 2 5 m n 铝材挤压机的结构特点和相关参数； 2 讨论双动卧式挤压机挤压铝合金管材时，不同的挤压方法对挤压制品的 质量、成本及穿孔针强度的影响；分析研究用空心锭坯挤压铝合金管材时穿孔 针的承载状况； 、 3 建立有限元分析模型，确定单元类型，选择穿孔针的材料：运用大型 a n s y s 系统对穿孔针做有限元分析，分析穿孔针的应力应变情况； 4 提出提高穿孔针强度的措施。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章新型1 2 5 m n 铝材挤压机结构特点 2 11 2 5 m n 铝材挤压机概述 铝合金型材具有易加工及耐腐蚀性强等特点，在许多行业得到了广泛的应 用。1 2 5 m n 双动铝材挤压机是铝合金型材成型的关键设备，是目前世界上加 7 工能力最大的铝型材挤压机。该设备具有单机设备重( 主机重15 0 0 吨) ，单机 设备外型尺寸超大，是铝合金型材加工的超大型设备。图2 1 为1 2 5 m n 挤压 机的外观。 图2 一l1 2 5 m n 挤压机的外观 f i g 2 - 1a p p e a r a n c eo f1 2 5 m ne x t r u d e r 1 2 5 m n 泵直接传动铝挤压机，可以生产2 0 0 0 - - 7 0 0 0 系列的铝及铝合金型 材；挤压制品最大截面宽l0 5 0 m m 、高3 4 0 m m ；挤压制品最大长度为6 0 m ： 其代表性的铝型材产品的截面如图2 - 2 所示。大型挤压机设备是标志着一个国 家对有色金属或有色合金材料加工能力的一个象征。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 2 铝型材产品的截面 f i g 2 - 2s e c t i o no fa l u m i n u mp r o f i l ep r o d u c t i o n 2 2 设备的结构特点 1 2 5 m n 铝挤压机本体部分由机架、主缸系统、穿孔系统、挤压筒、移动 模架、挤压工具等组成。 1 预应力框架机架为卧式三梁四柱的预应力( 张力柱) 结构，由圆柱形拉 杆和受压的压套与前后梁用重达2 吨多的大螺母紧固成一个刚性的受力框架。 在安装好后，施加1 2 5 倍的预紧系数，使挤压机在满负荷工作时，框架内仍存 在有多于2 0 m n 的压应力。 由于四根压套的刚度很大，既作为预应力框架的支撑套，又可以直接利用 它们作为动梁和挤压筒移动的导轨支座。采用x 型平面移动导轨，其导轨面连 线交点通过挤压中心。 动梁的导向直接影响挤压轴和穿孔针的对中运动精度，挤压筒外壳的导向 直接关系着挤压筒内孔与模具中心的一致性，挤压轴是否在挤压筒中心上，直 接影响产品的几何精度，尤其是双动挤压机，对空心材的偏心率影响极大，同 时也影响挤压工具的使用寿命。 2 液压剪液压剪安装在前梁上方，垂直与挤压机轴线上下运动，用于分 离压余、挤压垫片和挤压制品。 3 穿孔装置1 2 5 m n 挤压机的穿孔装置采用“内置式 结构，及穿孔油缸 设在主柱塞的内腔，与传统的“外置式 结构比较，压机的整体结构小巧，更 显先进。是目前国际上先进的设计结构。关于穿孔系统后面还会详细介绍。 4 挤压筒挤压筒是盛装热锭，并在其中进行挤压的关键部件。为防止锭 坯冷却和挤压筒温度不均匀，挤压简要进行预热，通常温度在4 0 0 - - 4 5 0 * ( 2 范围 内，挤压时还有可能升高。 1 2 5 m n 挤压机的挤压筒是目前国内最大规格的挤压筒。内筒直径为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 9 0 0 ( 6 0 0 ) m l n ，中筒直径为l3 0 0 m m ，外简直径为l9 4 0 r a m 。其尺寸结构如图 2 3 所示。 cc c o、 茜 日胃 缓黝 图2 - 3 挤压筒的尺寸图 f i g 2 - 3t h ed i m e n s i o nm a po f t h ee x t r u d e rc a n i s t e r 三层组合筒之间采用过盈热配合，外筒、中筒的硬度小点，但塑性要好。 由于在挤压过程中筒内孔受热锭的剧烈摩擦，一般要消耗大量的功，其材料的 选择要慎重。简体的材料为4 c r 5 m o s i v l ，相当于美国的材料h 1 3 。它是一种 高强度的热工具钢，热处理后的综合性能极佳。其韧性、抗疲劳强度极限、耐 磨性都比3 c r 2 w 8 v ( 以往的挤压筒所用材料) 钢高，使用寿命可提高2 3 倍啼1 。 由于挤压筒在热状态下工作，为了防止散热，在外壳内压有一层保温材料 进行隔热。挤压筒为三层预应力组合结构。在挤压筒中衬中钻孔，插入铜棒， 用变压器控制其电流的大小，进行感应加热。在设定的温度下，挤压筒轴向和 径向温度分布不均匀。轴向靠近模具端温度高，径向大都外层温度比中、内层 温度低。 5 换模装置采用“两工位 ，并配置快速剪切装置。不但使结构十分紧 凑，且大大提高了生产效率。 6 特殊循环系统上锭、挤压垫的循环是专门设计的一套特殊系统，包括 从加热炉接锭、运输、垂直升降式两段升锭机，挤压垫片接收及循环系统，挤 压垫片润滑系统，穿孔针润滑装配等部分。配合挤压机的动作，完成挤压过程 的自动化循环，减少了固定的非挤压时间，提高了生产率。 7 密封件和控制阀油缸的密封件、系统的油泵及主要控制阀、控制系统 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 中的可编程序器等，分别选用德国红洪格尔公司、力士乐公司、西门子公司、 美国麦克公司等名牌原装件，确保整机的控制性能先进，同时大大提高其寿命 及可靠性。 8 挤压速度积压速度可调，0 2 2 0 m m s 。大型挤压机的挤压速度常在 5 m m s 以内，实际生产中大多数复杂截面的型材挤压速度在2 3 m m s ，只有在 挤压纯铝等形状简单的型材时才能到5 m m s 以上。 9 参数控制方式采用触摸屏来实现控制参数的输入和显示，具有控制过 程的监视、故障诊断等功能，完全可跟国外设备媲美。 1 0 工作制度操作分“单动 ，“单次循环自动 ，“全自动 等三种工作 制度。由于能实现全自动生产，使挤压制品的综合成品率达7 0 以上，达到了 国际先进水平1 。 1 1 牵引机1 万牛顿的牵引机装在挤压机出口的挤压机轴线上，牵引制品 沿其导轨直线进行，用以保证挤压制品的直线度，防止制品扭曲，防止制品表 面与出料台接触而造成损伤。牵引力能在一定程度上矫正挤压制品因截面不同 位置流出速度的差异而导致的变形。同时，在牵引力的作用下恒速移动使型材 均匀风冷或水淬，可减少型材的冷却变形。当达到要求的挤压长度时可以通知 挤压机停止挤压，其检测长度又可作为拉伸机的原始长度输给拉伸机便于准确 地确定拉伸量。 1 2 气水雾淬火1 2 5 m n 挤压机的气水雾在线淬火的效果可以满足大部 分铝型材的成型要求，淬火过程型材几乎不变形。该淬火装置在挤压铝型材长 度方向分为两段，每段又分为两个冷却区，一个冷却区长度约为2 4 m ，共有 四个冷却区。 1 3 移动式热锯1 2 5 m n 挤压机的移动式热锯安装在气水雾淬火装置与 出料轨道之间。热锯装在移动小车上，小车有专用的移动轨道，热锯做往复运 动。 移动式热锯可完成固定锯切及移动锯切两种不同的操作。固定锯切只能在 挤压机停止挤压时进行；移动锯切用于连续挤压过程，按预定长度切断挤压制 品。 1 4 6 0 m 长的出料平台。 1 5 张力矫直机作为在线的张力矫直机6 m n 是世界上最大的一台。该 机设有可回转的夹头，可以矫正挤压制品的弯、扭变形，消除挤压制品的部分 内应力，使挤压制品平直。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 31 2 5 m n 铝材挤压机技术参数 1 2 5 m n 铝材挤压机技术参数如表2 1 所示： 表2 - 11 2 5 m n 铝材挤压机技术参数 名称 规格单位 l 最大挤压力 1 2 5m n 2 主缸力 1 1 0m n 3侧缸( 2 个) 力 1 5m n 4最大穿孔力 3 0r n 5 工作压力 3 0伊a 6 主柱塞行程 42 0 0m m 7 穿孔行程 l8 5 0m m 8挤压速度 0 2 2 0m m s 9 穿孔速度 7 0m m s 1 0 回程速度 2 8 0m m s 1 1 挤压筒内径 6 0 0m m 1 2 挤压筒长度 l9 0 0m m 1 3 挤压筒加热温度 4 0 0 , 4 5 0 1 4 挤压筒加热功率 2 5 0k v a 1 5外形尺寸：( 长宽x 高) 2 3 7 1 1 8 1 0 9m 3 1 6 主剪力 4 6m n 1 7 主剪力行程 l8 0 0m m 1 8 横向滑移模座横剪力 3m n 1 9横向滑移模座移动行程 36 0 0m m 2 4 本章小结 1 2 5 m n 铝材挤压机是目前世界上同类设备中挤压力最大、结构最先进的 挤压机。采用了国际上最先进的预应力框架、感应加热、三层挤压、全自动控 制等。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章穿孔针的受力研究 3 1 穿孔系统参数 3 1 1 穿孔力 挤压机的穿孔力是挤压机的主要的技术参数之一。穿孔力的大小取决于工 艺要求，同时要主要到穿孔针本身的工作应力及工作温度。 在挤压机设计时，一般可以按挤压力的1 5 选定，对于一些大型挤压机可 取3 0 左右，即 疋= ( o 1 5 0 3 0 ) f ( 3 1 ) 式中e 穿孔力( m ； ，公称挤压力斛) 3 1 2 穿孔行程 穿孔行程与穿孔系统的配置方式有关，可分为以下两种情况。 1 内置式穿孔系统内置式穿孔系统设置在主柱塞内，因此穿孔行程只需 要大于挤压筒长度即可，一般取为： 砖= 厶+ ( 3 0 l o o ) ( 3 2 ) 式中最穿孔行程( 删m ： 厶挤压筒长度( m m ) 2 外置式穿孔系统外置式穿孔系统的穿孔行程应为主柱塞行程与穿孔针 相对于主柱塞行程二者之和，可按下式求出： s = s 抽+ (3-3)o 式中母外置式穿孔系统的行程( m m ) ； 如主柱塞行程( r 啪) ； 穿孔针相对于主柱塞的行程( m m ) 3 1 3 穿孔回程力 穿孔回程力，一般按下面的经验公式选取，即 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 瓦= 0 0 6 f 式中瓦穿孔回程力； 卜公称挤压力( m m 3 2 1 2 5 m n 挤压机的穿孔系统 ( 3 4 ) 1 2 5 m n 挤压机采用内置式，主缸柱塞又作为穿孔活塞的缸体，使得挤压 机本体长度缩短，穿孔活塞靠活塞杆腔的液压支撑实现穿孔针随动挤压和固定 挤压工艺。其结构如图3 1 所示。 1 穿孔缸；2 活塞；3 活塞杆：4 穿孔动梁：5 穿孔杆； 6 动梁部件；7 挤压轴：8 针支撑；9 穿孔针 图3 - i1 2 5 m n 挤压机的穿孔系统 f i g 3 1p e r f o r a t i o ns y s t e mo f12 5 m ne x t r u d e r 当随动挤压的时候，穿孔活塞缸前腔由比例溢流阀设定好支撑压力来保护 穿孔针，当穿孔针上所受的摩擦力过大，活塞的前腔通过溢流阀卸掉一定流 量，能在一定范围内使穿孔针比挤压杆速度较快地往前冲一定行程，不必马上 停止挤压，避免穿孔针受力过大而拉断。 当进行固定针挤压的时候，挤压杆前进时，穿孔活塞缸前腔通过比例流量 阀进油，后腔排油；使穿孔针以挤压杆同样的速率向后退，其定径带在模具口 内位置固定不变。穿孔针的固定位置精度在2 3 m m ，满足了无缝管和组合针 空心型材固定针挤压工艺的要求h 1 。 由于内置穿孔系统，并且没设有机械固定针机构，故不需要单独的穿孔动 梁在主动梁内运动，穿孔活塞缸活塞杆直接通过旋转芯轴与穿孔针座相连接， 穿孔系统大大缩短。穿孔针除后部针座处导向外，前部在挤压杆内导向，大大 提高了导向精度。由于整机的缩短，预应力受力框的刚度也相应加大了。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 穿孔针设有涡轮蜗杆旋转装置，其作用有二：一是穿孔针应该定期旋转， 避免挤出的管子前端出现管壁上薄下厚，使其变形均匀；二是当采用组合针挤 压空心型材时，需要精确定位组合针与模具的相对角度，通过旋转穿孔针来实 现阳1 。 3 3 穿孔针概述 3 3 1 穿孔针的作用 在用实心锭坯挤压管材或空心型材时，穿孔针用于锭坯穿孔和确定管材或 空心型材的内径：用空心锭坯挤压管材时，穿孔针只用于控制管材内径。穿孔 针也是确定管材或空心型材的形状和表面质量的重要工具。 3 3 2 穿孔针的结构和分类 穿孔针的结构取决于挤压机的结构、挤压方法和产品的种类。最常用的是 圆柱式针、瓶式针和组合针嘲。 圆柱式针沿其长度上带有很小的锥度，以减轻金属流动时作用在针上的摩 擦力，外形如图3 2 。这种针主要用于在无独立穿孔系统的挤压机上采用随动 针挤压管材。 瓶式针在铝合金管材最普遍地被采用。外形如图3 3 。在带独立穿孔系统 的卧式挤压机上通常都是利用瓶式针，采用固定针挤压管材。 图3 2 圆柱形穿孔针 图3 - 3 瓶形穿孔针 f i g 3 2 c y l i n d r i c a lp e r f o r a t i o nn e e d l ef i g 3