开题报告_陈群立-1.doc

北京科技大学硕士学位研究生选题报告及文献综述论文题目：大型大型卧式卧式挤压机本体参数化结构分析及优化结构分析和优化 学号：_作 者：_ 张清东（教授） 机械设计及理论专 业 名 称：_指 导 教 师：_2009年3月22日目录北京科技大学1硕士学位研究生1选题报告及文献综述11.文献综述31.1.挤压加工概述31.1.1.挤压加工基本理论31.1.2.挤压加工技术及挤压机的发展简史41.1.3.挤压加工技术的特点61.2.挤压机的基本参数81.2.1.挤压机吨位的选择81.2.2.穿孔力的选择91.2.3.主缸回程力的选择91.2.4.穿孔回程力的选择91.2.5.制品分离剪刀吨位选择101.2.6.残料分离剪吨位的选择101.3.挤压方法和挤压设备的组成101.3.1.挤压方法101.3.2.热挤压法111.3.3.挤压设备的组成132.课题来源和选题意义172.1.课题来源172.2.选题意义173.课题内容和时间安排183.1.课题内容183.2.时间安排18参 考 文 献19北京科技大学研究生开题报告1. 文献综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。实现金属挤压的主要工具是挤压机。随着挤压技术、挤压设备的进步，以及新工程材料的不断开发，在挤压技术早期发展曾经起了重要作用的立式挤压机正在明显让位于卧式挤压机。我国在挤压机的设计制造方面已经取得一些进步，但是影响力不够，与国外还是存在明显的差距。所以对卧式挤压机的设计进行参数化架构分析和优化，对我国挤压机设计的发展有十分重要的意义。1.1. 挤压加工概述1.1.1. 挤压加工基本理论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，而得到一定截面形状及尺寸挤压制品的压力成形过程。这里，所谓的挤压制品，既可以是挤压毛坯用于进一步加工，也可以是挤压成品直接用于工程结构。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。经过长期的生产时间、科学试验和理论研究证明，金属压力加工（包括挤压加工）过程，“单位变形能不变条件”的基本原理，是符合实际的。“单位变形能不变条件”指出，各个应力分量对变形金属的单位体积变形功（即单位体积变形能）达到一定值时，该单位体积才能从弹性变形阶段进入塑性变形阶段。换言之，要使金属产生塑性变形，不仅要使金属具备一定的塑性变形的应力状态，而且，还要使应力达到一定的数值。其次，金属在外力作用下，变形和应力的近似关系，可以用金属压力加工原理中的“最小阻力定律”来表述，即如果金属在变形过程中，其质点有各种方向移动的可能时，则金属各质点将向阻力最小的方向移动。总括上述，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。挤压加工方法适用于生产各种金属材料的棒材、线材、管材、型材等，即主要是长、直的半精制的挤压制品。1.1.2. 挤压加工技术及挤压机的发展简史挤压加工方法的发展过程中，从开始到现在已经有200多年了：1820年，T.布恩设计出了第一台液压挤压机。这台挤压机大体上包括了现在管材挤压机的基本构件，如挤压筒，可以更换的模具，带挤压垫片的挤压轴，以及用螺纹固定在挤压轴上的穿孔针等。1837年，J汉森设计出了可更换模桥和模舌的桥式模。1840年，W.阿姆斯特朗制造出了第一个液压蓄势器。1867年，法国人哈蒙研制了用煤气加热的双层挤压筒。1870年，出现了反向挤压的铅挤压机。1879年，第一台铠装电缆挤压机挤出了铠装电缆。1881年，克虏伯格鲁逊制成了双向铠装电缆挤压机。1894年，A.迪克制成了第一台用于挤压高熔点金属的6MN卧式挤压机，用于生产黄铜制品。该挤压机有一个可倾斜的挤压筒，液态金属倒入凝固成形后，挤压筒转回挤压轴线进行挤压。这种老式的挤压机效率很低，作用在挤压垫片上的最大单位压力只有350MPa。1896年，出现了多层挤压筒。1904年，克虏伯格鲁逊设计并制造了第一台完整的四张力柱挤压机。1910年，出现了铝挤压机。1917年，钢挤压机问世，挤压力为20MN。1921年，R.盖德尔发表了反向挤压的实验成果。1941年，发明了玻璃润滑剂，促进了钢的热挤压发展。1944，德马克液压公司和施劳曼西马克公司制造了当时世界上最大的125MN卧式挤压机，并改进了辅助设备，提高了机械化水平。1950年，英国人罗伯逊于1893年提出了超高压挤压原理，取得了实验成功。1952年，英国人布里奇曼发表了静液挤压实验报告。1955年，钢及难变形金属（钛、铍、锆、铀等）的挤压加工有了重大进展。20世纪4050年代，前苏联制造出了80MN双动铜挤压机和120MN、200MN大型挤压机。均为泵蓄势站传动。20世纪60年代初期，油泵直接传动挤压机受到了重视。1963年后日本制造的挤压机全部采用油泵直接传动，但挤压力基本在30MN以下，而且限于挤铝及铝合金的低速挤压机。同期，我国沈阳重型机器制造厂，制造出国内第一台125MN卧式双动泵蓄势器传动挤压机。这个自重近3000t的挤压机，改写了我国重型挤压设备制造的历史。也是我国有色金属挤压技术进步的一个重要标志。1971年8月，德国施劳曼公司为瑞士设计制造的72MN挤压机投入运行。同期，日本石川岛播磨重工（IHI），按德国施劳曼设计，制造出了油泵直接传动的95MN挤压机，从而，开创了用泵直接传动方式制造大型挤压机的先河。1999年我国太原重型机械集团有限公司设计、制造出了75MN泵直接传动铝挤压机。该机采用了德国西马克德马克的液压动力、液压控制及电气控制系统，引进了德马克计算机控制系统。采用了多项新技术，挤压速度实现了模拟等温挤压的闭环控制，建设了我国第一条高度自动化的铝及铝合金挤压生产线。2002年7月，由西安重型机械设计所设计，上海重型机械集团公司制造的油泵直接传动、PLC及计算机控制的100MN挤压机，在山东（龙口）丛林集团试车成功。它不仅显示了我国民办企业经济、技术的实力，也使我国重型机械制造业步入了国际先进行列的水平。2005年，由辽宁忠旺集团投资，西安重型机械研究所设计的油泵直接传动的125MN挤压机，在上海重型机械集团公司制造完成。为我国重型油泵直接传动、计算机控制的挤压机发展史谱写了新的一章。在工艺方面，各种金属及合金的挤压工艺更趋于完善，挤压机及辅助设备都有了很大的进步。目前，挤压机的挤压里完全可以达到200250MN，并有设计350600MN挤压机的设想，这是随着挤压技术的进步完全有可能对设备提出的要求。只有大型挤压机才能生产更大宽度、更大截面的轻金属有筋壁板。这是人类航天、航空、宇宙空间站、造船、铁路车辆、大型客车、磁悬浮列车、城市轻轨车辆等技术的发展，对轻体工程材料提出的必然要求，是人类追求用低能耗，寻求更高素的的明智选择。事实上，特别是近二十年，挤压制品，无论是规格、品种、产量都有了巨大的发展，已从简单的棒、管材挤压发展到各种复杂截面型材（空心或实心）的挤压。全世界可生产的铝及铝合金型材在50000种以上，其中大型型材不少于5000种。铜型材用于导电、热交换材料、建筑材料；以及利用其表面光亮耐腐蚀的特点用作建筑及家具装饰材料等，规格品种数量不及轻金属。由于电子、精密机械等工业的发展，也提出了对精密挤压制品的要求，截面的边长可小至2mm，壁厚薄至0.5mm以下，公差达到0.5mm，近于精密机械加工的精度。热挤压方法生产的棒材直径从3到250mm；管材直径从20mm（壁厚1.5mm）到620mm(壁厚15mm)。大型有：筋壁板宽度可达2000mm，长度可达15m(俄罗斯200MN泵蓄势站传动挤压机)；宽度1016mm，长度32m（美国改造后的145MN泵直接传动挤压机）；宽度970mm，长度30m（我国山东丛林集团100MN泵直接传动挤压机）。用冷挤压方法可以生产低熔点金属及合金的薄壁软管或复杂截面的型材，直径从3到100mm，最薄壁厚可在0.5mm以下；直径150mm时，壁厚仅为0.6mm；直径为350mm时，壁厚为3mm。静液挤压技术是近二十年左右的时间发展起来的一项新技术，从实验室正在步入工业小规模生产。静液挤压机已达到了40MN级的水平。尽管这项技术的进一步发展，还要克服一些技术上的难关，但用这种静液挤压方法加工难变形金属、包覆材料、粉末材料、超导和磁性材料，加工较为复杂而高精度零件，已经表现了明显的优越性，并积累了一些工业上的实用经验。随着电子技术的发展，电子计算机进入挤压生产管理、挤压过程控制已经成为现实。可以预见将来，电子计算机的应用，将会对挤压的生产管理、制品的质量控制、提高生产效率、减少金属消耗、降低废品率等方面发挥更重要的作用。据报道，美国、德国已有铝型材厂实现了从产品订单开始，到产品发货的全过程计算机管理（EDP控制）及工艺过程的智能化控制，可用于工艺参数和控制系统【PICOS】及正向挤压计算机辅助控制系统【CADEX】。在另一方面，随着挤压技术、挤压设备的进步，以及新工程材料的不断开发，在挤压技术早期发展曾经起了重要作用的立式挤压机正在明显让位于卧式挤压机；原以包铅、铝为主的铠装电缆挤压机，由于包装的材料已由铅、铝转为工程塑料，铠装挤压设备一般不再需要以前那么大（2040MN）的能力。有上百年历史的液压挤压机泵蓄势站传动方式，也出现了被泵直接传动取代的趋势；但对于挤压速度高的挤压机，泵蓄势站传动仍有一席之地。挤压技术、挤压设备近三十年的发展令人瞩目。我国在这一技术领域正在步入世界先进行列。德国西马克（SMS）、德马克（DEMAG），日本的宇部兴产（UBE），美国的沙顿（SUTTON），法国的克莱西姆（CLECIM）等知名公司；我国的太原重型机械集团有限公司，沈阳重型机器厂，上海重型机器厂，西安重型机器研究所等，对金属挤压机的发展和进步都起了重要的推动作用。挤压技术在人类的科技领域是分子级的组成部分，但在金属加工范畴，却占有极其重要的地位。这一技术的发展和人类的生存、文明密切相关，必将进一步发展。1.1.3. 挤压加工技术的特点由于挤压加工的金属处于三向应力状态，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，记忆啊的延伸系数可达5500,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、钛、铜、钼、锆、铀等极其合金；也包括普通钢、特殊钢、不锈钢；甚至包括铸铁、灰口铸铁之类的脆性材料。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，尺寸精度可以达到IT8IT11级（GB 1801-93），表面粗糙度可达3.20.8m。挤压过程金属处于受三向压应力状态，制品金相组织致密，具有较高的力学性能。从锭坯到挤压制品可以一次成形，完成在瞬息之间，可以用秒来计量。如将250mm450mm的紫铜锭坯挤成95mm5mm，长13m的管材，只需要67s的时间。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，性能、质量都比不上挤压制品。如飞机、铁道车辆用的大型有筋壁板要比铝板和铝型材铆接的结构力学性能优异很多，而且质量也会明显减小。挤压生产过程可以实现连续化、自动化生产。表征挤压加工过程的主要工艺参数是延伸系数和加工率。对于棒材挤压：延伸系数 加工率 对于管材：延伸系数 加工率 式中 挤压延伸系数； 加工率；挤压筒孔径截面积；A挤压制品截面积；挤压筒内径；d挤压制品外径；挤压管材内径；s 挤压管材壁厚。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（4501200），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。在挤压制品的长度方向上，金属的力学性能也存在一些差异。1.1.4. 挤压方法分类采用挤压加工方法可以生产金属棒材、管材、型材，截面的形状可以是不变的，也可以是逐渐变化的或阶梯变化的。根据挤压时金属流动方向与挤压轴运动方向之间的关系，常见的挤压方法有：（1） 正向挤压法正向挤压是挤压生产中应用最广泛的一种方法，主要特点是挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向一致。在挤压过程中挤压筒固定不动，锭坯在挤压轴压力的作用下沿着挤压筒内壁向前移动，使得锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈的摩擦并引起锭坯的温度升高。其生产热点是：制品的尺寸范围广，灵活性大，自动化简单，投资费用少，易分离残料；但由于挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁的激烈摩擦，从而使挤压力损失30%40%，同时，摩擦产生的温度使锭坯的温度不均匀，导致金属流动不均匀。为避免由于流动不匀造成制品产生裂纹等缺陷必须降低挤压速度，从而导致生产效率降低，挤压残料较厚。（2） 反向挤压法反向挤压法是针对针对正向挤压法在挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈摩擦的情况出现的另一种挤压方法。主要特点是：挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反，使挤压过程中的锭坯表面与挤压筒内壁之间无相对运动，改变了金属在挤压筒内流动的力学条件，减小了所需的挤压力，降低了变形的不均匀性。反向挤压生产的特点是：可减小总挤压力的30%40%，适用于硬合金挤压生产，金属的流动性较好，从而使挤压制品的组织和性能均匀，但由于受到挤压轴、挤压模的限制，使挤压制品的表面质量欠佳，而且对锭坯表面质量要求严格，分离残料困难。（3） 复合挤压法复合挤压法将正向挤压法和反向挤压法的特点结合起来，生产断面形状为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、环杯类和杆杆类挤压件，也可以制造等断面的不对称挤压件。复合挤压法是在挤压时使锭坯的一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反。（4） 其他挤压法除了以上三种主要的挤压方法外，还有减径挤压法、径向挤压法、镦挤复合挤压法等。1.2. 挤压机的基本参数挤压机的的基本参数包括：1. 工艺参数挤压材料如铝及铝合金，铜和铜合金,铸锭直径, 挤压筒直径, 铸锭长度, 挤压筒长度, 制品外接圆直径, 制品长度等；。2. 力学参数挤压机吨位, 穿孔力, 主缸回程力, 穿孔回程力, 容室锁紧力, 容室松开力, 制品剪切力, 残料分离力等。；3. 速度参数挤压速度, 空程速度, 回程速度, 以及各缸柱塞运行速度。工艺参数一般由生产工艺人员提出即设备设计任务书, 然后由设备设计人员决定力学参数和速度参数。各种参数制定完毕后, 就可以进行总图设计。1.2.1. 挤压机吨位的选择挤压机的公称吨位是挤压机的主要基本参数, 应该根据产品的规格, 合金状态, 加热温度等一系列因素, 按挤压力计算公式计算而来, 但实际上这样计算繁琐, 而且与实测挤压力相差较大, 所以,在实践中, 一般按简化公式（1）进行计算：式中：P挤压机公称吨位；q由材料, 制品形状, 尺寸等因素确定,；F挤压坯料截面积；R与传动类型有关的引入系数，水泵一蓄势站一R=0.750.85；泵直接传动R=0.90.95。用户可以按上述公式初步计算出挤压力后, 根据国家规定的挤压机吨位系列选取。表为各国挤压机吨位系列表, 可作为定购、引进挤压机时参考.另外一种挤压机公称吨位的选择法是根据用户提出的制品外接圆直径, 确定挤压筒直径, 然后根据挤压筒直径再确定挤压机的公称吨位。1.2.2. 穿孔力的选择生产工艺的不同, 管材生产可分为空心锭送针挤压和实心锭穿孔挤压, 空心锭送针挤压所需穿孔力较小, 一般要求在闷车挤压时金属作用在穿孔针台肩处的后退力应略小于穿孔力。因闷车时挤压速度近似为零, 即金属对针的前拉力也近似为零。实心锭穿孔挤压所需穿孔力较大, 它与穿孔针直径, 锭子长度, 加热温度, 材质情况有关, 实心锭穿孔时, 穿孔力穿的计算公式如下：式中： 穿孔针直径； 镦粗后锭子长度； 金属剪切强度；从目前国内外资料来看, 使用空心锭生产的轻金属挤压机（重金属铜挤压机穿孔除外）穿孔力一般低于15%挤压力,即而使用实心锭穿孔的挤压机, 穿孔力选择较大, 一般为：特殊情况, , 但实际使用价值不大。1.2.3. 主缸回程力的选择主缸回程力一方面要考虑挤压机的移动部分重量（活动横梁, 工具, 柱塞等）和各部分的摩擦阻力，另一方面要考虑到特殊的事故状态, 如金属倒流包住挤压轴薄。如20MN和12MN挤压机的回程力分别为1120KN和1140KN, 而它们整个设备总重量才分别为和, 远远大于活动部分的重量, 甚至大于真个设备的重量。因此，回程力的选择应考虑到事故状态。从目前国内外的统计资料来看，回程力按下式选取：一般取从正常生产角度来看, 回程力只占挤压力的4.3%的50MN挤压机经过30年的生产考验是行得通的, 但必须要求垫片尺寸合理, 否则, 金属倒流后无法回程。1.2.4. 穿孔回程力的选择穿孔回程力的选择不但应考虑穿孔动梁部分的移动重量和各部的摩擦阻力，还要适当考虑事故状态和特殊工艺要求（如挤压内控变断面管材在挤压过程中穿孔针需要在铸锭内和模孔内前进或后退一定尺寸，这样就必须加大穿孔回程力）。在一般情况下，穿孔回程力按6%的挤压力选取：1.2.5. 制品分离剪刀吨位选择制品分离剪刀吨位的选择应考虑合金状态, 加热温度, 制品的截面积。但是,至今尚无公式来计算分离剪刀力, 根据国内外挤压机的资料分析, 一般按经验进行选取。从资料中可以看出, 苏联选取的力量较大, 而且, 对于同吨位的挤压机, 不分型棒挤压机和管材挤压机, 均采用相同吨位的剪切力, 这显然是不合理的, 因为同吨位的管材挤压机和型棒挤压机, 管材的截面远比棒材的截面为小。但是考虑到系列的统一, 这种不合理性, 也是允许的。1.2.6. 残料分离剪吨位的选择残料分离剪的吨位选择应考虑合金的种类, 挤压筒的规格即垫片的大小和比压的大小, 在设备设计时均是根据同类型、同吨位的挤压机的残料分离剪吨位参照选择, 从资料统计分析得出如下关系式对于小分离剪刀, 由于结构上的原因,不能将柱塞直径作得太细, 如5000KN挤压机分离剪为110KN, 在压力为帕时, 其柱塞直径不到70mm, 因此, 分离剪吨位与挤压吨位的比值就显得过大, 所以一般按下式选取就行了。1.3. 挤压方法和挤压设备的组成1.3.1. 挤压方法采用挤压加工方法可以生产金属棒材、管材、型材，截面的形状可以是不变的，也可以是逐渐变化的或阶梯变化的。根据挤压时金属流动方向与挤压轴运动方向之间的关系，常见的挤压方法有：（5） 正向挤压法正向挤压是挤压生产中应用最广泛的一种方法，主要特点是挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向一致。在挤压过程中挤压筒固定不动，锭坯在挤压轴压力的作用下沿着挤压筒内壁向前移动，使得锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈的摩擦并引起锭坯的温度升高。其生产热点是：制品的尺寸范围广，灵活性大，自动化简单，投资费用少，易分离残料；但由于挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁的激烈摩擦，从而使挤压力损失30%40%，同时，摩擦产生的温度使锭坯的温度不均匀，导致金属流动不均匀。为避免由于流动不匀造成制品产生裂纹等缺陷必须降低挤压速度，从而导致生产效率降低，挤压残料较厚。（6） 反向挤压法反向挤压法是针对针对正向挤压法在挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈摩擦的情况出现的另一种挤压方法。主要特点是：挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反，使挤压过程中的锭坯表面与挤压筒内壁之间无相对运动，改变了金属在挤压筒内流动的力学条件，减小了所需的挤压力，降低了变形的不均匀性。反向挤压生产的特点是：可减小总挤压力的30%40%，适用于硬合金挤压生产，金属的流动性较好，从而使挤压制品的组织和性能均匀，但由于受到挤压轴、挤压模的限制，使挤压制品的表面质量欠佳，而且对锭坯表面质量要求严格，分离残料困难。（7） 复合挤压法复合挤压法将正向挤压法和反向挤压法的特点结合起来，生产断面形状为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、环杯类和杆杆类挤压件，也可以制造等断面的不对称挤压件。复合挤压法是在挤压时使锭坯的一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反。（8） 其他挤压法除了以上三种主要的挤压方法外，还有减径挤压法、径向挤压法、镦挤复合挤压法等。1.3.2. 热挤压法热挤压加工是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上的某个适当温度范围内进行挤压。表格 1为常见有色金属与部分碳钢的再结晶温度及熔点。表格 11金属的再结晶温度及熔点金属PbSnZnMgAlCuNiFeC0.1%钢C0.2%钢C0.45%钢再结晶温度/室温室温200150150200600450580600600630630650熔点/237.4232419.4650660108314551539热挤压工艺与冷挤压加工相比，它具有的特点：由于是在再结晶温度以上的某个温度范围内挤压，提高了金属塑性，减小了变形抗力，因此可以挤压强度较高、挤压断面形状复杂、尺寸较大的制品，生产方法也比较灵活，可以连续生产，但对模具材料有一定的耐热性要求，而且在热态下加工出的制品表面粗糙度不高，降低了制品的尺寸精度，材料利用率也不如冷挤压加工。热挤压工艺过程包括以下几个方面：锭坯的制备锭坯的加热表面润滑处理挤压模具预热挤压切压于和卸摸精加工。（1） 锭坯的制备用于热挤压生产的锭坯，一般都是铸造而成的圆锭，圆锭是用于圆挤压筒，对于扁挤压筒则要求与之相应的扁锭，然后根据计算切割成所需的长度。对于棒材、实心型材、排材的热挤压生产均用实心铸锭，在带有穿孔系统的挤压机上生产管材用实心铸锭，若无穿孔系统则采用空心锭坯，需要先在实心锭坯上钻孔或直接铸造出空心锭坯。如果锭坯表面质量较差，缺陷较多将严重影响挤压制品的质量，则需要对锭坯表面进行处理，如冷车削与冷削皮等。对于某些压力加工性能很差的合金，如镁合金，则需要对锭坯进行退火处理，以提高其可挤压性。（2） 锭坯的加热将准备好的锭坯放入电阻炉或工频感应加热炉中加热，加热时必须严格控制加热温度，当加热温度超过规定值时，必须冷却后才能挤压。加热过程中需要注意加热速度及保温时间，有的合金还需要注意加热气氛，如镍及镍合金的加热要在含硫较低的气氛中加热。（3） 表面润滑处理在挤压前对锭坯进行表面润滑处理主要针对变形抗力比较高的合金，如钛合金、镍合金等，以减小单位挤压力，提高产品质量。润滑的方式一般有两种：一种是使用润滑剂，常用的润滑剂有硬脂和石墨混合物、玻璃等；另一种方式是适用娇软的金属（如铜）作为挤压锭坯的衬套。表面润滑处理还包括对模具的工艺润滑处理，良好而恰当的工艺润滑是保证产品质量，提高生产效率，延长模具寿命的重要工艺措施。对采用不带润滑的正向挤压法生产时，挤压筒和挤压垫不润滑，穿孔针要润滑，模具则视具体情况有选择的进行润滑。（4） 模具的预热挤压模具的预热主要是指对模具、挤压筒、挤压轴、挤压垫及穿孔针的预热。这些模具的预热必须在挤压开始前完成。在整个挤压过程中，上述模具均应保持一定的温度，其目的在于减小挤压过程中的热应力及热疲劳，延长模具寿命，同时经预热的模具可以使挤压锭坯冷却缓慢，从而减小了变形抗力及模具的复合。在实际生产中预热的方法有很多，如用煤气喷灯或用炽热的锭坯放入挤压筒中等进行加热。虽然这些方法简单，成本低，但是不能保证模具热透，而且其表面有过热的危险。因此，现在应用最广的是各种不同结构的感应加热器。（5） 挤压将加热好的锭坯放入挤压筒中进行挤压，生产出制品。（6） 切压余和卸摸完成一个锭坯的挤压后，在模具前端留有一定数量的锭坯（压余），则将此部分锭坯切余，然后进行下一个锭坯的挤压。在完成一个规格的制品生产后，将模具从挤压机上卸下，清理后送回模具保管处。（7） 精加工这道工序是根据制品质量状况进行的，若制品的质量能满足要求，则无需进一步加工。精加工包括矫正，表面处理，内部组织调整等。1.3.3. 挤压设备的组成卧式挤压机由挤压机本体、液压传动与控制系统、机械化设备、挤压机自动检测与控制装置和电气控制系统等组成。(1) 挤压机本体结构型式与特点挤压机本体由组合框架、主工作缸、侧缸、挤压梁装置、挤压筒装置、挤压筒锁紧缸、移动模架装置、快换模装置、下导向架装置等部件构成，座于前、后横梁的基础垫板上。图 1 卧式挤压机的本体结构1 主缸 2 侧缸 3 后梁 4 锁紧缸 5 挤压梁 6 挤压杆7 压套 8 坯锭 9 挤压筒 10 主剪 11 前梁 12 螺母13 拉杆 14 快换模装置 15 模内剪 16移动模架装置（1）A.预应力结构组合框架挤压机本体的受力框架由整体式前梁和后梁、园柱拉杆和拉杆螺母、方形压套（焊接结构）组成一个封闭的预应力组合框架。采用专用液压预紧工具对拉杆全长施加超压拉力负荷，同时对压套施加压应力，从而使整个框架处于应力预紧状态。张立柱预应力在最大载荷的15%以上. 预应力框架还具有以下优点：(1)框架四根受力拉杆的中心间距对称于压机中心，使得整个机架受力均匀。进而可提高挤压制品的精度。（2）由于机架压套具有较大的抗弯截面，在挤压力的作用下，机架伸长和弯曲变形小，因此在下压套上可固定挤压梁. 挤压筒下部水平和垂直导向的导轨，对于挤压梁. 挤压筒和模具之间的对中调整非常方便，上压套可作为挤压筒的X型移动导轨。（3）在后横梁下部设有两套弹性锚固装置与基础锚固，使后梁固定可靠。（2）B. 主工作缸和侧缸主工作缸为柱塞缸，固定于后梁中心。柱塞密封采用V型圈组合密封，并在铜导套内导向。两个活塞式侧缸水平固定在后梁主工作缸的两侧。活塞头的双向密封和活塞杆密封均采用V型圈组合密封，并均由铜套导向。（3）C挤压筒锁紧缸四个活塞式锁紧缸固定在后梁上。组合式活塞头的双向密封和活塞杆密封均采用V型圈组合密封，并均由铜套导向。（4）D挤压梁装置挤压梁装置是由挤压梁和挤压垫板组成的传力构件，通过螺钉和圆螺母等紧固件，使其与主柱塞和侧缸活塞杆形成为一个整体。挤压垫板前端装有挤压杆。挤压梁两边设有可调节的水平导向和垂直导向结构。（5）E挤压筒装置挤压筒装置采用三键定位方式将挤压筒组件固定在挤压筒外壳中心，并通过圆螺母将外壳和挤压筒锁紧缸活塞杆连接成一体。挤压筒外壳通过设置于下方压套上的水平和垂直导向面导向，同时在上方的压套上设有外斜面辅助导向。挤压筒加热采用直管电阻式电热元件、分段加热方式，由热电偶测量和反馈各段温度。挤压筒组件与外壳之间添有隔热材料。（6）F前梁总装件在前梁上还装配有下列部件：下导向架装置由螺钉和键水平固定在前梁后立面上，为模架移动装置提供支承和导向。同时,在下导向架装有用于制品和模具分离的模内压余分离剪。模架移动装置水平布置在下导向架装置上，由一个带有滑块的活塞缸驱动做横向移动，用做换模和制品剪切。快换模装置则设置在前梁左侧，由另一个活塞缸驱动做纵向移动。换模时，一套处于挤压中心模座内即将被更换的模具由模架移动缸驱动，另一套处于换模位模座内的预热好的模具由快换模缸驱动，两个油缸按照规定的程序交叉换位，即可实现模具的快速更换。主剪装置为正装活塞缸驱动式，采用矩形导向滑块，由螺钉和键垂直安装固定在前梁中心正上方，用于制品和压余的分离。在主剪后部设有液动冲击槌打压余装置，并设有液动插销剪刀悬挂装置。在模具上方还设有模具垂直压紧油缸。(2)液压传动与控制系统（1）A泵站 挤压机的泵站采用集成化设计，集中布置在压机后部和主机本体基础标高处于同一水平的地坑内，由进口力士乐电液比例控制轴向柱塞变量泵、恒压变量轴向柱塞泵和中国产3G型三螺杆泵循环过滤冷却系统构成。（2）B压机主油路操纵系统由二通插装阀集成控制系统、压力控制与监视、冷却过滤循环系统、油箱及充液系统构成。（3）C油压管路管路系统和液压装置设计有必要的缓冲、防震措施；如设缓冲垫、软管或避震喉，能吸收振动的可曲挠式橡胶管接头。（4）（3）挤压机机械化设备挤压机机械化设备由运锭小车（从加热炉至供锭器）、推锭装置、供锭器、换模装置、压余溜槽、压余运输机、垫片润滑装置组成。坯锭运送小车采用变频电机控制，接受由加热炉的出炉装置送来的坯锭，并将坯锭运送至供锭器入口一侧，由推锭缸将坯锭推入供锭器的钳口。供锭器设置于挤压筒的后端面与挤压杆端面之间的挤压机中心线外侧，为活塞缸驱动直线式。加热炉的出炉装置将加热到挤压温度的坯锭完全推送到坯锭运送小车上，坯锭运送小车采用变频电机控制，将坯锭运送至供锭器入口一侧，由推锭装置将坯锭推入供锭器的钳口。供锭器为后上料夹钳式自适应可伸缩供锭机械手，为直线式活塞缸驱动，两段夹钳可根据坯锭长度伸缩。供锭器设置于挤压筒的后端面与挤压杆端面之间的挤压机中心线外侧，此时，处于闭合状态的挤压筒和回程状态的挤压杆的挤压垫前端之间留出一个略大于锭长的间距。可将坯锭水平送至压机的中心。挤压结束后，压余被主剪分离，经过压余溜槽，落入地坑中压余运输机的料斗内，然后，由压余运输机自动运输并倒入用户自备的压余收集箱中。坯锭润滑装置为火焰喷射方式，将燃烧生成物喷射在坯锭端面。（4）自动检测、控制装置（1）A.位置检测挤压杆、挤压筒、主剪和推锭缸行程采用储能卷取拉线式光电编码器连续检测和控制，由PLC采集位置数字量信号。其极限位置设有接近开关保护。其余各个机构的行程位置检测、发讯和联锁采用接近开关。（2）B.对中检测挤压梁和挤压筒外壳下方各装有四只和八只无接触感应传感器，在线分别监测挤压杆和挤压筒的水平、垂直运行偏差。二者的对中位置误差信号送入PLC，再由上位机屏幕数字化或偏差曲线显示，并超值警示。（3）C.压力检测主缸、侧缸和锁紧缸的集成阀块上分别设置了压力传感器，独立检测三缸的工作压力，进行联锁控制、安全保护和泄荷操作，并由上位机数字显示。压模缸压模力、供锭器压臂夹紧力、模座压紧缸压紧力的检测和联锁控制，以及控制泵和各主变量泵启动联锁压力检测和联锁控制则分别采用压力继电器发讯。循环泵的压力设定和主泵壳体压力操作台数显采用压力继电器发讯，超压时控制各泵停止。（4）D.速度控制通过比例阀控制器无级调节变量泵流量，实现挤压机主系统各机构运行速度的予设、调整和控制，以及挤压速度的设定、闭环控制和检测。实际操作通过操作台旋钮，并可在上位计算机上设定、数字显示、监视和修改。（5）E.挤压筒温度控制挤压筒分区电阻加热.功率控制采用可控硅控制，通过热电藕检测温度，由PLC分别控制电热元件的输出功率。信号送入PLC，再进入上位机，可进行温升速度控制，实现加热时筒内传热平衡，达到节能和延长电热元件寿命的目的，上位计算机可显示挤压筒温度曲线。（6）F.油箱油温检测和控制油箱上设置了两个电接点压力式温度计，分别检测油箱液压油循环进出口区域的油温，进行加热和冷却联锁控制。（5） 电气控制系统电气控制系统采用可编程序控制器（PLC），CPU具有大容量程序存储、高速度和PROFIBUS-DP（工业现场控制通讯总线）主从接口，可对挤压过程实现快速响应。软件程序采用STEP 7编程，模块化程序。各种输入/输出模块使PLC直接同电气发讯元件即按钮、限位开关、压力传感器、编码器、比例阀控制器等连接。电液阀线圈由PLC输出模块通过接触器隔离控制。机械化设备的各机构控制与主机共用一套PLC，确保各机构动作协调一致。参数化结构分析概述挤压机本体是挤压机的骨架，它的性能直接关系到挤压机的刚度、强度和振动等特性。为确保挤压机的性能满足要求，需对本体结构进行有限元分析。随着几何造型软件和有限元分析软件的相互渗透和融合，通过软件接口，模型数据在软件间的交换己不成问题。目前，一些通用有限元软件为有限元模型的参数化提供了功能全面的二次开发工具和开放式的开发环境，如ANSYS提供的APDL语言，它类似C，FORTAN语言，可供用户开发自编程序，完成有限元计算的参数化。借助于通用有限元的二次开发功能，对它们的前处理进行二次开发，实现参数化的有限元建模，己成为很多学者首选方案。从20世纪70年代以来.随着计算机技术的飞速发展，结构分析有了很大的突破，国外相继出现了许多大型通用有限元分析程序，如ANSYS、ALGOR等，这些程序具有良好的界面、方便的前后处理和强大的计算分析功能。ANSYS是顺应潮流而发展起来的CAE仿真设计工具，它牢牢把握了CAE的发展方向。提供了从通用到专用的全线CAE解决方案，同其它CAE软件一样，ANSYS具有完备的前后处理系统，并且与其它大部分CAD/CAE软件一样都具有专用的数据接口，具有丰富的单元类型、强大的计算分析功能以及开放的二次开发系统，在机械工程领域有广泛的应用前景。ANSYS作为大型通用有限元分析软件，与专业软件比较，其分析功能实现起来比较复杂。ANSYS提供的二次开发功能可以使用户开发出方便地分析某一类问题的专业程序。目前参数化有限元的研究主要是实现前处理的参数化。国内外许多学者在这方面做了一些探索性工作:国内对ANSYS进行二次开发的主要是高校和科研机构，已取得了很好的效果。如全国压力容器标准化技术委员会开发的压力容器自动化分析软件CPV-ANSYS在国内压力容器的设计计算得到了广泛的应用。它是运用ANSYS的APDL语言进行开发的，该软件包含40多类压力容器结构。南京航空航天大学的陈伟等利用有限元分析软件ANSYS提供的APDL语言，将参数化设计的思想融入有限元结构分析，实现了有限元建模和分析参数化，以典型构件波纹管的应力分析为例，给出了这一方法与基本步骤。结果表明，这种方法极大地减轻了有限元分析的工作量，提高了工作效率。国外在ANSYS二次开发方面有很多的应用。从以上的众多成功实例中可知，利用APDL进行二次开发是可行的，且经过二次开发提高了结构有限元分析的效率。2. 课题来源和选题意义2.1. 课题来源随着国内交通运输、航天航空、建筑和集装箱等行业的快速发展，对大型、薄壁、宽幅、高精度、复杂断面的铝合金型材及管材的需求不断增大，如铁路高速列车车辆、城市轨道交通车辆以及汽车车辆桁架式结构的车底架所需的空心、宽幅、大型、薄壁铝合金型材。近几年，国内许多铜加工企业，在生产轻工业和民用需求很大的紫铜管以外，还对其它工业上需求逐渐增加的青铜、白铜等管、棒材加大了生产。今后大通径铜管材需求将增加。国内许多铝、铜加工企业将会根据市场的需求,投资用于生产大型、薄壁铝合金型材或大通径铜管材的大吨位挤压机。太原重型机械集团有限公司是中国机械工业大型骨干企业，承担着为国民经济重点建设项目提供重大成套设备的任务,建厂五十年来,为国家冶金、矿山、化工、能源等基础工业提供了数千台(套)各类设备。太重是国内主要的挤压机生产基地，集设计、制造于一体，从1962年至今已经生产了150多台挤压机，特别是2000年以来，适应市场需求，已经制造了31.5MN至100MN的大型挤压机20余台，逐步形成了系列化产品，代表着我国挤压机的发展水平。但对大型卧式挤压机，太重是多数情况下属于单台设计和生产。，因而针对不同使用需求的设计就变成一项复杂的工程, 涉及到结构、控制、液压等方面重新设计,而且还要考虑到强度、成本和加工工艺性等因素, 使其设计具有难度大、周期长以及某些方面繁重的重复设计等特点。据统计,大量的设计工作往往是在原有基础上进行或是对原有设计工作的改进, 而且对某些结构和部件而言, 由于在设计阶段设计参数的选取、设计特征的设定都