大型铝挤压机扁挤压筒有限元分析

丁耀林，王丽薇，2

（1.太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）滨海重型机械有限公司 技术中心，天津 300452）

大型铝挤压机扁挤压筒有限元分析

丁耀林1，王丽薇1，2

（1.太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）滨海重型机械有限公司 技术中心，天津 300452）

建立了扁挤压筒三维模型，应用有限元法进行了热－结构分析，结果显示内衬在过盈预紧力、热载荷与工作内压作用下，外壁在圆周方向上呈长圆形，内壁水平轴向各节点与垂直轴向各节点沿挤压方向变形具有分段性特征；内壁圆弧处的受力过渡区极易出现应力高值，内壁直边段的等效应力值沿挤压方向明显分为两段，分段位置接近挤压筒全长二分之一，内壁圆弧处的各等效应力等值面几乎平行。

挤压机；扁挤压筒；有限元；铝材挤压

扁挤压筒是大型铝挤压机配备的关键部件，其主要用于生产薄壁、宽幅、复杂断面的铝合金型材，以适应航天、航空和轨道列车等领域的绿色低碳发展需求。

扁挤压筒通常为耐热工具钢制成的具有多层预应力的结构部件。大型铝挤压机配备的扁挤压筒重约几十t，甚至上百t，一旦失效，将造成巨大经济损失。因此，挤压生产成本在很大程度上取决于扁挤压筒的耐用性和服役寿命，而由于扁挤压筒内衬圆角处局部应力集中严重[1-4]，其寿命更短，极大影响了扁挤压筒的推广应用。提高扁挤压筒服役寿命的课题也一直是业界研究的前沿热点之一。

随着有限元分析技术的成熟，挤压筒设计更多地采用了数值方法校核。本文以我公司研制的大型铝挤压机用扁挤压筒为案例，对扁挤压筒在工作状态下的应力和变形进行热－结构分析。

1 扁挤压筒设计

扁挤压筒内衬内壁一般为直段和圆弧段组成的扁圆形，如图1所示。A、B分别为内衬内壁的长和宽，D为内衬外径。扁挤压筒一般由两层以上衬套过盈热装组合而成，相对过盈量可在1.5‰～2.5‰范围内选择。

图1 扁挤压筒内衬内壁示意图

扁挤压筒内壁形状设计与薄壁、宽幅铝合金型材具有较大的几何相似性，不仅有利于提高成形时的金属流动均匀性，还可降低挤压力，同时易于保证产品组织性能更优，成品率更高。因此，扁挤压筒在挤压薄壁扁宽型材上具有更大的优越性[5]，大型铝挤压机通常都会配备扁挤压筒来满足薄壁扁宽型材的生产需求。

2 扁挤压筒有限元分析

2.1 基本假设

扁挤压筒筒体为均质弹性体，各接触层沿挤压方向过盈量相同；加热孔对扁挤压筒应力分布及强度影响不计；扁挤压筒端面上热传递对温度分布影响不计；扁挤压筒与坯料之间的摩擦力、热应力对轴向应力影响不计。

2.2 热-结构分析方法

过盈预紧力、热载荷与工作内压作用下的扁挤压筒应力分析属于热－结构问题[6，7]，利用有限元软件Marc，按扁挤压筒实际结构建立三维有限元模型，将内衬、中衬与外套设为可变形接触体，并在接触条件中设置相对过盈量，相对过盈量等效于过盈预紧力作用，然后将温度作为热载荷直接施加于接触体。

为进一步提高分析精度，对单元类型、节点和数量考虑如下：①单元类型选用六面体单元；②保证接触面单元节点一一对应；③内壁圆弧段需划分足够单元数量，并且型腔直线段与圆弧段单元尺寸尽量接近。

2.3 计算模型

某大型铝挤压机配备的扁挤压筒采用三层预应力结构，由内衬、中衬和外套过盈热装组合而成。兼顾计算精度和效率，三层扁挤压筒有限元分析采用1/ 4三维模型，共划分网格节点136899个，单元124800个，如图2所示。挤压筒长度2600mm，内壁A=1600mm，B=400mm，坯料长度2500mm。材料参数包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服极限、热传导系数和比热。上述参数除密度、泊松比、屈服极限为常值，其他参数均以随温度变化曲线形式给出。

图2 扁挤压筒三维网格模型

2.4 热-结构分析

2.4.1 内壁变形

扁挤压筒工作状态下内衬变形和内壁端部变形如图3、图4所示，内衬外壁X向变形最大值5.20mm，Y向变形最大值6.46mm，内衬外壁Y轴变形大于X轴，在圆周方向上将呈长圆形，内衬内壁模具侧端面与挤压杆侧端面各节点变形趋势一致，但数值存在差异，模具侧端面内壁X向变形最大值3.52mm，Y向变形最大值2.29mm，挤压杆侧内壁X向变形最大值3.42mm，Y向变形最大值2.18mm。

图3 扁挤压筒内衬变形云图

图4 扁挤压筒内衬内壁端部节点变形

内衬内壁水平轴向各节点X向变形和垂直轴向各节点Y向变形如图5、图6所示，水平轴向节点和垂直轴向节点沿挤压方向变形具有分段性特征，存在最大变形和最小变形，若以扁挤压筒模具侧为前段，挤压杆侧为后段，最大变形位置在内壁后段，X向变形最大值距离内壁挤压杆侧端面约200mm，Y向变形最大值距离内壁挤压杆侧端面约300mm，最小变形位置在内壁挤压杆侧端面；X向、Y向相对变形最大值分别为0.17mm、0.28mm。

图5 扁挤压筒内衬内壁水平轴向节点X向变形

图6 扁挤压筒内衬内壁垂直轴向节点Y向变形

2.4.2 内衬应力

扁挤压筒工作状态下内衬等效应力云图和等值面图如图7、图8所示，内衬等效应力最高值574.8MPa，位于挤压垫与挤压坯料接触位置对应的内壁圆弧处，此处在挤压时与挤压垫存在间隙，仅作用过盈载荷，而相邻处则作用过盈载荷和挤压载荷，由此，此位置属受力过渡区，再加上圆弧的应力集中作用，极易出现应力高值。内衬内壁圆弧沿挤压方向上的等效应力值介于464.2MPa～574.8MPa之间，按静强度失效设计准则，H13钢500℃时屈服强度值为，扁挤压筒内衬安全系数介于1.8～2.2之间。内衬内壁直边段的等效应力值沿挤压方向明显分为两段，分段位置接近挤压筒全长二分之一，若以扁挤压筒模具侧为前段，挤压杆侧为后段，则对于内衬内壁直边段，其后段等效应力值要高于前段，并向内衬外壁面扩展。由图8可知，等效应力等值面从模具侧看，接近挤压筒全长一半处开始扩展，形如喇叭，从另一角度证实内衬内壁直边段沿径向的等效应力变化，而内衬内壁圆弧处的等效应力值从模具侧看，各等值面几乎平行，且沿径向向内衬外壁面逐层递减。

图7 扁挤压筒等效应力云图

图8 扁挤压筒等效应力等值面图

3 结论

以某大型铝挤压机扁挤压筒设计为案例，利用有限元软件Marc建立了其三维有限元模型，并根据扁挤压筒实际工况对扁挤压筒进行了热-结构分析，得出如下结论：

（1）扁挤压筒内衬在过盈、加热和挤压载荷作用下，内衬外壁在圆周方向上呈长圆形，即内壁直边段对应的外壁变形要大于圆弧段。

（2）内衬内壁模具侧端面与挤压杆侧端面各节点变形趋势一致，但数值存在差异，模具侧端面变形大于挤压杆侧。

（3）内衬内壁水平轴向各节点与垂直轴向各节点沿挤压方向变形存在波动，且水平轴向各节点变形波动较大，即内壁圆弧处变形沿挤压方向具有分段性特征。

（4）挤压垫与挤压坯料接触位置对应的内壁圆弧处属受力过渡区，再加上圆弧的应力集中作用，极易出现应力高值。

（5）从模具侧看，内衬内壁直边段的等效应力值沿挤压方向明显分为两段，分界位置接近挤压筒全长一半处，从分界处开始扩展，形如喇叭，而内衬内壁圆弧处的等效应力值各等值面几乎平行，且沿径向向内衬外壁面逐层递减。

[1]谢水生，贺金宇，徐盈辉，等.扁挤压筒结构参数优化及分析研究[J].塑性工程学报，2001，8（4）：26-29.

[2]王 匀.扁挤压筒强度分析与设计方法研究[D].秦皇岛：燕山大学，2003.

[3]赵云路，薛荣敬，刘静安.扁挤压筒设计[J].锻压技术，2005，30（3）：87-94.

[4]冯秋红.组合式扁挤压筒的结构优化设计[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[5]石如磐，王丽薇.扁挤压筒在36MN镁挤压机上的应用[J].锻压技术，2012，37（2）：122-124.

[6]谷泽林.组合结构挤压筒热力耦合分析及结构优化研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

[7]段丽华.挤压筒内孔变形分析及结构优化研究[D].重庆：重庆大学，2012.

Finite Element Analysis of Flat Extrusion Container for Large Aluminum Extrusion Press

DING Yaolin1,WANG Liwei1,2
（1.Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi China；2.Technology Center，TZ（Tianjin）Binhai Heavy Machinery Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

It was built that finite element model of the flat extrusion container，and the thermal-structure analysis was carried out by using finite element.The results show that the outer wall of lining present a kind of long circular in circumferential direction under interference pre-tightening force，thermal load，and working pressure，the horizontal and vertical node's deformation has sectional characteristics along extrusion direction in inner wall of lining.The high-value stress is easy to occur at the loading transition region in arc position of lining，meanwhile.The equivalent stress value of straight edge position of lining along extrusion direction can be divided into two interval obviously，which position close to the half of full length of extrusion container，and the each equivalent stress iso-surface in arc position of lining display nearly parallel.

extrusion press；flat extrusion container；finite element

TG375

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.020

1672－0121（2016）04－0063－04

2016－04－10；

2016－06－29

丁耀林（1964－），男，高级工程师，从事塑性成形设备与工艺研究。E－mail：457511991＠qq.com