56MN三层结构铝挤压筒的设计含6张CAD图
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56
MN
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结构
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56MN三层结构铝挤压筒的设计含6张CAD图,56,MN,三层,结构,挤压,设计,CAD
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摘 要挤压筒是铝材生产的关键模具之一，工作环境十分恶劣，而挤压筒作为昂贵的挤压工具其使用寿命对挤压生产成本影响很大，因此需要具有耐高温、耐摩擦、耐高压的特性。同时选用合适的适宜的结构参数可以改善挤压筒的受力条件，增大其承受能力，提高其使用寿命。关键词：挤压筒；结构参数；承受能力；使用寿命 1前 言挤压筒是容纳锭坯，承受挤压杆传给锭坯的压力并同挤压杆一起限制锭坯受压后只能从模孔挤出的挤压工具。在生产过程中，挤压筒需要承受高、温高压、高摩擦和复杂状态应力的作用。目前挤压筒由两层或两层以上的衬套通过过盈配合组装在一起构成的。挤压筒作为铝型材挤压机上的重要部件，其质量和使用寿命直接关系到挤压机的生产效率、生产成本及产品质量。铝型材挤压机工作原理简单的说是一种物理形变的原理。利用附属设备如电磁加热炉或者线圈感应加热炉将铝棒加热至450左右。然后通过挤压机进行挤压，挤压机原理为挤压筒内装置加热好的铝棒，一端是推进力输出的挤压杆，另一端是相应的模具，挤压杆在液压系统的压力输出下，将铝棒向模具方向推进，铝棒经过高温物理变形从模具口出来后就变成相应的铝型材，之后冷却、锯切转制下一步工序。所以挤压筒需要承受较高的压力、温度和摩擦力，因此挤压筒在设计中需要选择合适的材料、结构参数、以及加工工艺流程。2国内外相关研究挤压筒的设计与研究现状挤压筒是挤压机中的重要部件，是比较昂贵的工模具，占生产成本的30%左右。因此，提高挤压筒的使用寿命和质量对降低产品生产成本以及提高产品质量具有重大意义。对此国内外对许多研究人员和学者对挤压筒的设计机理进行了大量研究，主要从挤压筒的材料、结构尺寸等方面进行。挤压筒的结构形式 挤压筒可采用单层或多层筒通过过盈配合组装在一起组成。目前挤压筒大多采用多层筒组合而成，多层挤压筒通过过盈配合组装在一起，进而产生装配应力，可以有效降低挤压筒中的拉应力（尤其是内筒内壁），因此在相同的工作环境中，多层组合结构能增加承载能力。同时可以根据各层应力的分布采用不同材料；在挤压筒内衬失效破坏以后，只需要更换内衬就可以，从而降低了挤压筒材料的使用，节省了原材料的使用，减少了加工费用及周期，从而降低了生产成本。挤压筒的内衬从外表结构形状可分为圆柱形挤压筒、圆锥形挤压筒及台肩圆柱形挤压筒；按内衬形状可分为圆形、扁形和其他形状。圆柱形内衬主要应用在中小型挤压机上，主要优点是加工制造、尺寸测量方便，更换是尺寸配合问题少；工作部位磨损后可以掉头使用，从而提高了其使用寿命;但更换内套时，腿套较难如果过盈量选择不恰当容易造成配合面磨损；当挤压筒加热温度过高或内外温差较大时，从筒中推出压余或模座时，内套会比较容易顶出。圆锥形内衬套多用在20MN以上吨位的大型挤压机上，便于更换内套甚至在有的挤压机上便可直接进行装卸，减少停工时间，提高工作效率；但其锥面不易加工和检测；如果内外套的配合锥面加工尺寸精度不能保证，易造成受力不均。台肩圆柱形内套和圆柱形内套基本相同，其台阶可以防止内套从挤压筒中脱出。挤压筒用材料挤压筒工作环境十分恶劣，承受长时间的高温、高压、剧烈摩擦和反复循环应力，因此制作挤压筒的材料需要满足以下条件：(1) 具有高的硬度、强度以及耐磨性。(2) 具有高的硬度、强度以及耐磨性。(3) 较高的耐热性和稳定性，在高温环境下不产生退火、回火现象，有高的抗氧化稳定性。(4) 具有较好的加工工艺性能，具有抗激冷激热的适应能力、热导性高、持久强度高。 铝型材挤压工模具材料选用需注意一下原则：(1) 被挤压金属或合金的性能。不同金属或合金的化学性能不同挤压工艺不同，所以需要根据具体情况去进行选择，此时需要以材料合理性和经济性作为主要原则。国内目前以3Cr2W8V、 4Cr5MoSiV1（H13）、5CrNiMo、5CrMnMo等这些材料作为制作挤压筒的材料。(2) 产品规格。产品的种类、结构尺寸和规格对挤压筒的材料也提出不同的要求，挤制简单形状的圆棒和管材时、选取 5CrNiMo、5CrMnMo 等钢材来制造挤 压筒；而挤压复杂形状的型材时应选用 3Cr2W8V 或 4Cr5MoSiV1（H13）等钢材 来制造挤压筒。 一般情况下，选用 5CrNiW、5CrNiMo、5CrMnSiMoV 等钢材来制造挤压筒， 但是制造小型挤压筒、高比压挤压筒特别是扁挤压筒时，其内套应选用 3Cr2W8V 或 4Cr5MoSiV1 钢，外套可选用 45 号锻钢。为了适应新的生产需求，许多国家已经研究出了一些用于制造挤压筒的新型钢种，例如前苏联的：3X2B8、5XHB 钢，美国的 H11、H13 钢，德国的 W302、 W300 钢，以及我国的 5CrNiMo、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV（H11）钢等。外层套和中层套的材料选用首先需要考虑材料的蠕变性能，我国研发出了一种高温高强度新型挤压材料 SRM-1，其高温强度是 4Cr5MoSiV1（H13）钢的两倍，或将能够代替 4Cr5MoSiV1（H13）变成新型热挤压工模具材料。石如磐设计了可以用于 36MN 镁铝挤压机上的扁挤压筒，选取 4Cr5MoSiV1 （H13）作为内筒材料，5CrMnMo 作为外筒的材料，通过运算，内筒和外筒的最 大 Mises 应力均小于工作许用值，满足强度要求。薛荣敬指出挤压筒外套材料常采用 5CrMnMo 、 5CrNiMo 、 4Cr5MoSiV(H11) ， 挤 压 筒 中 套 材 料 常 采 用 4Cr5MoSiV(H11)；挤压筒内筒材料常采用 4Cr5MoSiV1。下面描述几种常见的挤压筒材料及其特性： 4Cr5MoSiV1（H13）是美国研究的 H13 空淬硬化的作模具钢。具备 高热强性、较高的韧性、较好的耐磨性、抗热疲劳性和较好的力学性能。与 3Cr2W8V 相比，韧性和热疲劳抗性更高，与传统材料、5CrMnMo 、5CrNiMo钢相比，H13 具备更好的热强性。 4Cr5MoSiV（H11）是美国空冷硬化型的韧性热作模具钢，钢中碳化物微小，分布较为匀称，具备较好的耐冷热疲劳性、抗溶蚀性、淬透性。在中等温度条件下 具备较好的热强性、韧性、耐磨性和抗氧化性，。 H13 与 H11 相比，钒的含量增加，因此在热强性、热稳定性、和硬度方面性 能更优。在中等温度下，抗热疲性、耐磨性和韧性较高。在低温下，奥氏体化后淬 火工艺的热处理形变量很小，抗氧化性强，同时抗熔融铝合金的侵蚀。 5CrNiMo是一种合金含量较低的韧性热作模具钢,也是传统的锤锻模具钢，具 有良好的韧性、强度和耐磨性、淬透性。5CrNiMo钢韧性较好、耐磨性好，在加 热到550时，回火后稳定性高，硬度仍能保持在30HRC。45号钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。 5CrMnMo是一种韧性模具钢。由于采用Mn元素替代了Ni元素，有效的节约了 贵重合金元素Ni。与5CrNiMo相比，力学性能相近，但是其耐热疲劳性能、塑性、 韧性、淬透性比5CrNiMo钢差。挤压筒的失效形式挤压筒的正常失效：由于挤压筒的工作环境十分恶劣，在工作过程中挤压筒和坯料反复摩擦，长期在热应力和工作应力的作用下，材料的屈服极限下降;冷热交替下，产。生疲劳裂纹；在工作应力的循环作用下产生疲劳破环。而发挤压筒的设计是有限次的疲劳设计，因此，挤压筒经过长时间的使用后，产生的内套磨损以及开裂均属正常失效。挤压筒非正常失效：如果新的挤压筒在不达设计寿命的情况下，便发生过度磨损、变形、内衬相对外套发生滑动、内衬外套发生鼓裂则属于非正常失效。(1) 内衬过度磨损。与材料的工作表面的热处理硬度和光洁度有关，同时还与使用环境有关。(2) 塑性变形。挤压筒的结构尺寸设计不当，如挤压筒端面和挤压模的密封接触面面压力过大材料选择不当、热处理后的硬度不够、使用温度过高等。(3) 内衬相对于外套发生窜动。当挤压筒内衬与外套材料不同时，由于不同材料的高温蠕变曲线不同，使内衬与外套的过盈量减少，挤压筒的受力情况发生变化，最终导致挤压筒内衬被破坏。(4) 内衬或外套发生鼓裂。挤压力在内筒内表面引起的峰值应力引起内筒破裂， 外筒受到拉应力的作用胀破。总 结 目前，世界上铝型材挤压技术发展迅速，世界上各发达国家都装备了不同结构、不同吨位的挤压机。挤压机也在朝着大型化、精密化、自动化等方发展。而挤压筒作为挤压机上的关键部件，其质量以及寿命严重影响到了产品质量和生产成本。在热挤压中，挤压筒需要在高温、高压力和高摩擦的环境下工作，因此，选择合适的材料及结构参数对提高挤压筒的质量和使用寿命至关重要。为了改善挤压筒的受力条件，使其受力更加均匀，因此挤压筒选择了多层设计，提高了挤压筒的寿命。并且在挤压筒磨损后更换其内衬便可继续使用，可节省原材料的消耗，同时还降低了生产成本。参考文献1刘莹莹，王庆娟.金属挤压、拉拔工艺及工模具设计,冶金工业出版社,2018.11,第13页.2廖健.铝合金挤压材生产与应用， 冶金工业出版社.3王岩, 郭凯, 于淳等. 挤压筒的设计J. 科海故事博览科技探索, 2011.4唐蓓娜, 郭存红, 鲍东南等. 挤压筒的简化设计J. 有色冶金设计与研究, 2011, 32(1):13- 15.5张宏辉, 王孟君, 李旭. 铝挤压生产技术M. 中南大学出版社, 2013.6刘静安, 谭炽东, 曾杰. 铝合金挤压工模具技术的现状与发展趋势J. 铝加工, 2008(
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