固定挤压垫修形方法优化

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032;

2.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安 710032;

3.中国三安建设有限公司，陕西西安 710043

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032;

2.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安 710032;

3.中国三安建设有限公司，陕西西安 710043

针对某铝挤压机在挤压过程中出现的铝倒流现象，分析了该挤压机固定垫的受力情况。由于挤压垫达不到预期涨开量，使挤压筒和挤压垫之间产生了间隙，是引起铝倒流的主要原因。采用有限元法模拟挤压垫的工况，再应用位移协调公式计算组合挤压筒的内壁涨开量，对比计算结果并优化相关参数，提高固定挤压垫的设计精度。实践证明，优化后的固定挤压垫使用效果良好。

固定挤压垫;涨量;修形方法;位移协调公式

0 前言

挤压垫是挤压机的一个重要部件。传统挤压机一般采用活动挤压垫，需要辅助传送设备将挤压垫和残料分离，并使得分离后的挤压垫回到原来的工作位置。但是实践证明采用活动挤压垫在挤压垫和残料被主剪切割时，会产生不完全切掉现象，使得挤压垫和残料下落位置不准;挤压杆会出现不带挤压垫进行挤压的动作等［1］。为改善挤压垫的使用效果，近些年采用固定挤压垫进行挤压。此种机构与活动挤压垫相比具有很多优点［2］:提高生产效率，减少挤压周期辅助时间;实现挤压机顺利自动运行;去除挤压垫和残料分离设备，减少设备费用。

但是固定挤压垫的有效使用率不高，其制造难度和成本均比活动挤压垫高，因此如何有效的设计和制造成为目前需要解决的问题。固定挤压垫在高温、高压和高摩擦的工作环境下工作，既要保证涨开时能密封挤压筒，不得使材料倒流，还要保证涨开的同时不能擦伤挤压筒内壁，所以固定挤压垫的径向涨开量成为设计的关键。

针对某挤压机现场调试过程中，出现的挤压垫达不到预期涨开量、无法密封挤压筒、铝倒流等现象。经分析后认为在挤压的过程中挤压筒内筒受热受压开涨，挤压垫虽然已经涨开，但是未达到挤压筒内筒的涨开量，在挤压筒和挤压垫之间产生了间隙，所以出现铝倒流的现象。本文应用ABAQUS有限元分析软件对固定挤压垫进行研究，提出一种固定挤压垫涨开量优化计算的方法。

1 力学模型建立及分析

采用有限元模拟固定挤压垫工作时的受力状况，计算其涨开量。挤压机工作时，挤压杆在主缸的作用下前进，推动安装在挤压杆前端的固定挤压垫对坯料施压，由于坯料的反作用使得挤压垫前部端口产生径向涨量。当挤压轴后退时反作用力撤消，挤压垫前部端口弹性变形恢复，挤压轴退出挤压筒，挤压垫结构如图1所示。

图1 挤压垫结构Fig.1Structure of dummy block

由于固定挤压垫结构对称，取1/4模型进行计算分析。X、Y向约束为对称约束，Z向约束紧固件1的一端。挤压垫的前端为主要受力面，此处施加压力，通过设定整个装配体的温度场由20℃升至450℃来实现工作温度的变化。固定挤压垫材料为H13，取泊松比0.3，弹性模量208 GPa。

经计算分析后得到应力应变如图2、图3所示。固定挤压筒的固定垫外套在一定压力作用下发生径向位移为2.385 mm;紧固件和固定垫芯片之间的设计时留有一定的间隙，芯轴和固定垫芯片受一定压力作用下均产生轴向位移0.63 mm。

2 计算组合挤压筒内壁涨开量

挤压筒工作时主要承受的是疲劳应力。内衬和中衬上承受拉压交变载荷，外套只受拉应力。工作时挤压筒受到的应力是装配应力与拉应力的叠加。

在挤压筒的实际制造过程中，假设最内层筒的内半径和最外层筒的外半径在初始状态是可以确定的，其余筒的半径在不同的工作情况下是变化的。基于弹性力学推导计算三层组合挤压筒的应力公式，解方程组可求出任意点位置处的应力应变值［3］。组合挤压筒受力示意图如图4所示。

图4 组合挤压筒受力示意图Fig.4Forced diagram of combined extrusion cylinder

已知条件为装配前内筒内径r0，外筒外径r3，过盈量Δδ1与Δδ2，装配后两个配合面的半径r1与r2，所加内压P0、泊松比以及弹性模量。挤压筒接触应力和半径用两组计算公式，第一组(1)～(8)表示过盈配合后的状态。第二组(9)～(14)反应了加载内压后的接触应力和半径变化情况。式(1)～(14)中的相关符号代表参数见表1。

表1 相关符号代表参数Tab.1Relevant parameters

符号意义符号意义Δ δ 2中筒与外筒过盈量r″3施加内压后外筒外径r ' 0过盈后内筒内径P '12加内压后内筒与中筒接触压力r″1过盈后内筒与中筒配合半径P ' 2 3加内压后中筒与外筒接触压力

3 分析结果对比

挤压垫一般是在现场测量后修形，将挤压垫的内径修磨至与挤压筒内径一样，在此前提下，即所受力情况和修磨量一样的情况下，根据实际情况对彼此的涨开量进行模拟计算。对固定挤压垫外径的网格节点进行标号，共39个节点如图5所示，有限元计算得出固定挤压垫外径的径向位移量见表2。

图5 网格Fig.5Finite element mesh

表2 外径各点(共39个节点)的径向位移量Tab.2Radial displacement of points on external diameter (a total of 39 nodes)

位移协调法计算的挤压筒内筒径向位移为2.865 mm。由计算结果可以看出，在高温高压的工况下，挤压筒内筒的变形比固定挤压垫的涨开量大，所以会出现倒铝的情况。

4 结论

本文应用ABAQUS有限元分析软件对固定挤压垫进行研究，然后采用位移协调公式计算组合挤压筒内壁在受热情况下的涨开量，对比调试状况与计算结果，取合适的涨开量对设计进行修改。现场应用后表明该修正方法节省了工作量，固定挤压垫工作状态良好，达到预期目标，对实际生产应用有一定的指导意义。

［1］刘静安.轻合金挤压工具与模具［M］.北京:冶金工业出版社，1990.

［2］赵云路，刘静安.固定挤压垫的设计及主要结构形式［J］.轻合金加工技术，1998，26(6):33-36.

［3］赵云路，刑再兴，薛荣敬，等.国内外固定挤压垫装置评述［J］.轻合金加工技术，2007，35(3):6 -15.

［4］张宏辉，方永康，周春荣.固定挤压垫的有效使用［J］.轻合金加工技术，2008，36(2):19-21.

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［6］赵腾伦，姚新军.ABAQUS6.6在机械工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［7］庄茁，张帆，岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例［M］.北京:科学出版社，2005.

［8］魏军.金属挤压机［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［9］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.

固定挤压垫修形方法优化

段丽华1，2，苏振华1，2，邱立朋1，2，胡阳虎1，2，郭晓锋1，2，张立波1，2，马海宽1，2，张一凡3

Modify method optimization of fixed dummy block

DUAN Li-hua1，2，SU Zhen-hua1，2，QIU Li-peng1，2，HU Yang-hu1，2，GUO Xiao-feng1，2，ZHANG Li-bo1，2，MA Hai-kuan1，2，ZHANG Yi-fan3
(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710032，China; 2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，Xi'an 710032，China; 3.China Sanan Construction Co.Ltd.，Xi'an 710043，China)

It occurs in the extrusion process that aluminum reverse flow，when an aluminum extrusion machine is working.This paper analyzes the force of the extrusion press fixed dummy block.The main reason about aluminum reverse flow is that opening size of fixed dummy block is fail to meet the expected requirements，which lead to have a gap between extrusion cylinder and dummy block.Working condition of dummy block is simulated by finite element method，opening size of combined extrusion cylinder internal diameter is calculated by using displacement coordination formula.It improves accuracy of designing fixed dummy block，through comparing calculation results and optimizing relevant parameters.Practice proves that optimized block works well.

fixed dummy block;opening size;modify method;displacement coordination formula

TH39

A

1001-196X(2014)05-0060-04

2014-01-26;

2014-04-20

国家重大科技专项(04专项)(2009ZX04005-031 2011ZX04016-081)，陕西省重点科技创新团队项目(2013KCT-10)

段丽华(1985-)，女，中国重型机械研究院股份公司工程师。