扁挤压筒优化设计方法研究

成小乐，冯亚斌，肖锦祺，黄 胜，杨 建

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710613)

0 前言

大型扁宽薄壁板型材挤压件具有比强度高、造型美观、耐腐蚀性和气密性好等优点，在我国飞机、高铁及地铁等现代交通方面已广泛应用[1]。本文阐述了疲劳、蠕变等对扁挤压筒的影响，分析了死区大小对摩擦力及挤压力的影响机理，总结出提高扁挤压筒寿命方法。

1 扁挤压桶结构缺陷分析

挤压筒是挤压设备的核心部件，挤压筒的成本往往占挤压总成本的30%以上[2]。与圆挤压筒相比，扁挤压筒内孔形状与壁板类型材几何形状相似。在挤压同宽度的型材时，扁挤压筒挤压腔横截面积比圆挤压筒小很多，导致在挤压过程中可以大幅降低挤压力[3]，如表1所示，扁挤压筒相比圆筒挤压力下降56.27%。并且在很大程度上可以使制品横截面上金属的流动速度均匀，产品质量更高，挤压筒结构更加紧凑[4]。正是因为扁挤压筒挤压过程中挤压力的降低，所以在相同挤压能力下，扁挤压筒允许挤出的最大板型材尺寸大于圆挤压筒，低吨位的扁挤压筒可以替代高吨位的圆挤压筒生产同等宽度的板材，如表2。使得挤压生产中所需设备吨位降低，更符合节能减排的理念，与“中国制造2025”绿色节能目的紧密贴合。

表1 圆筒与扁筒挤压力对比

表2 圆挤压筒与扁挤压筒的挤压能力对比

然而，由于扁挤压筒挤压腔形状的不完全对称，造成各部位厚度不均匀分布，导致扁挤压筒在装配与工作条件下，应力分布极不均匀。挤压腔两端圆弧过渡处存在严重的应力集中现象，此处应力峰值一般高出相同半径下其他区域应力值的10%以上[5]，严重影响了扁挤压筒的使用寿命。以80 MN挤压机用扁挤压筒为例，通过有限元分析得到扁挤压筒装配及工作条件(工作应力为520 MPa)下的应力分布如图1、图2所示。建模及材料具体参数参考文献[1]。可以看到无论装配或工作条件下扁挤压筒的应力变化均很大，尤其是在工作条件下扁挤压筒挤压腔圆弧过渡处的应力峰值已达1 402.79 MPa，是扁挤压筒用材料H13钢屈服强度的87%。

图1 扁挤压筒装配时等效应力分布云图

图2 扁挤压筒工况时等效应力分布云图

扁挤压筒的工作环境非常恶劣，需长期承受高温、高压的作用。在工作过程中由于扁挤压筒反复加热和冷却、反复加载和卸载，在激冷激热和交变高压载荷的作用下，会产生疲劳破坏，应力集中区域更是如此[6-7]。并且扁挤压筒在高温环境下，蠕变变形开始变得显著，其加速了疲劳破坏[8]。另外，由于挤压模具和扁挤压筒之间形成死区，死区大小影响挤压力的大小，从而影响扁挤压筒承受的负荷，也是扁挤压筒损坏的影响因素之一。

正因扁挤压筒自身结构的不完全对称、高温和高压及其引起的蠕变和疲劳以及死区的综合影响，使得扁挤压筒往往达不到理论设计的工作时长就提高失效，这样既增加了挤压成本，也降低了生产效率。

2 扁挤压筒优化方法

2.1 传统扁挤压筒结构优化

扁挤压筒需长时间在高压下工作，所以一般被设计成过盈装配且为两层及其以上的预应力组合筒，各层衬套间接触面一般为圆柱。许多学者为了提高扁挤压筒的使用寿命，在多方面对其结构进行了优化，如衬套层数、厚度及表面应力集中现象的优化，运用程序语言结合智能算法对其结构尺寸优化，还有对扁挤压筒孔型及过盈量的优化。

利用有限元软件对双层、三层扁挤压筒挤压过程中的应力分布进行模拟仿真，发现将两层衬套增加为三层衬套，工况下的扁挤压筒应力最高点e等效应力值由1 395 MPa降低为1 150.3 MPa[9]，如图3所示。通过研究扁挤压筒壁厚和最大等效应力的关系如图4所示，发现改变壁厚也可以适当改善扁挤压筒应力集中的现象[10,12]。并且对扁挤压筒各层衬套表面易产生应力集中的结构进行优化，如：将扁挤压筒端面线槽旋转一定角度以避开侧线槽应力薄弱区域，最终使线槽在过盈装配时等效应力由940 MPa降到580 MPa左右、工作时等效应力由1 195 MPa降到680 MPa左右[13]，如图5、图6所示。为简单、快捷的设计出最佳性能的扁挤压筒，结合有限元仿真，将神经网络技术和遗传算法思想引进扁挤压筒结构设计中，为复杂非线性问题优化设计提供了新方法。以80 MN扁挤压筒为例，在各参数取值范围内，通过设计正交实验来训练BP神经网络，再采用多目标遗传算法对取值范围内的参数进行优化，最终得到了一组最优解[14-16]，如表3所示。

图3 不同衬套层数下扁挤压筒工作状态的最大等效应力

图4 衬套各层厚度对最大等效应力的影响

图5 过盈装配时线槽优化前后等效应力值

图6 工作时线槽优化前后等效应力值

表3 80 MN扁挤压筒各结构参数取值范围及优化后最优解

扁挤压筒挤压腔的形状是由两条直线与两个过渡圆弧构成，其形状会直接影响扁挤压筒的使用寿命，分析在各种形状下扁挤压筒的应力分布十分必要[4]。目前现有圆弧过渡(传统形式)、两段圆弧过渡、直线-圆弧过渡、组合圆弧过渡及计算机优化圆弧过渡等五种形式，且每种形式均有降低应力峰值、改善应力分布的效果。

针对125 MN挤压腔为850 mm×320 mm的4层扁挤压筒，将传统圆弧形过渡改为两段圆弧过渡和直线-圆弧过渡如图7所示，可以由表4看出，最大应力由1 325.6 MPa降为1 048.5 MPa，最大下降幅度达20.9%[17]。

图7 不同过渡形式

表4 不同过渡形状的最大应力值

运用优化设计理论并结合有限元分析计算对此扁挤压筒挤压腔进行计算机辅助形状优化设计，确定了挤压腔最优的过渡曲线，使内套应力集中降低，优化前后曲线如图8所示，采用修正优化后的形线，扁挤压筒内套应力明显下降，下降幅度也达17.23%[18]。将传统圆弧过渡改为双圆弧过渡形式如图9所示，其中R1为(0.7～0.8)·H，R2为(0.2～0.3)·H。通过有限元分析发现此类型扁挤压筒中的坯料流速分布更加均匀且应力峰值有明显降低[19-20]。

图8 优化前后形线

图9 双圆弧过渡形式

因为扁挤压筒是一种预应力组合筒，过盈装配产生的预紧力在扁挤压筒工况下与挤压力相互抵消，最终起到保护扁挤压筒的作用。但是由于扁挤压筒结构的特殊性决定了等过盈量配合必定会导致挤压腔不均匀变形[21]，如图10所示。所以对挤压腔变形程度大的过盈配合区域使用较小的过盈量，而变形程度小的过盈配合区域使用较大的过盈量，即：变过盈量设计。这样既改善了挤压腔孔型变形不均匀分布，也保证预紧力[21]。并且由于挤压腔长短轴差异较大，长轴中心法线方向扁挤压筒的自重产生下挠，加剧了挤压腔变形的不均匀。所以在装配完成后，需对挤压腔进行修模操作，应该采用内孔抛光工具，利用气动马达安装空心刀杆接千叶轮的方式对挤压腔进行抛光[22]，使得扁挤压筒挤压腔在装配情况下保持原型。

图10 80 MN扁挤压筒装配条件下挤压腔变形规律

2.2 新型扁挤压筒结构优化

在对扁挤压筒结构优化的同时，为了能设计制造出性能更优良的扁挤压筒，在满足约束条件下，按预定的目标合理设计一些新型扁挤压筒结构，也是一种有效途径。

通过改变传统扁挤压筒自身结构，来达到降低应力峰值、均匀应力分布的作用。将扁挤压筒内衬外表面的横截面由圆形改为椭圆形如图11所示，使得内衬外形与挤压腔几何上更加相似，并通过有限元分析得到，椭圆外形内衬的扁挤压筒在工况下最大等效应力值下降8%左右并且挤压腔变形不均匀得到改善[1，23，24]。

图11 扁挤压筒

将扁挤压筒的内衬由整体式改变为分体式如图12所示，其中内套是由上下镶块组成，上下镶块对称位于紧挨的中衬内侧，通过两个镶块的弧面与中衬圆环的弧形内壁相配合，改善工作腔直面与弧面交界处的应力分布[25]。

图12 一种扁挤压筒的内套及扁挤压筒新结构

为内衬减材，使内中衬之间装配过盈接触面由原来的面接触变为局部面接触如图13所示，通过有限元分析发现在同等条件下，可以使危险部位的等效应力降低30%以上[26]。在内衬上开设通孔，降低内衬竖直方向的刚度如图14所示，通过有限元分析发现与传统扁挤压筒相比，可使危险部位的工作应力降低12.1%[27]。通过对中衬外侧减材，然后通过热装工艺对中外衬进行装配，同时在中衬去材部分注入软金属层如图15所示，利用内衬变形导致软金属层产生静水压力，由静水压力与内部挤压力平衡来降低等效应力[28]。

图13 局部预压力结构模型

图14 内衬开通孔的扁挤压筒

图15 消除内孔应力集中的扁挤压筒新结构

将钢丝缠绕技术引进挤压筒的设计中，为挤压筒提供全预应力场的保护如图16所示，可以提高挤压筒的承载能力并使挤压筒结构更加紧凑[29]。并且将钢丝缠绕挤压筒的直端面改为斜端面如图16所示，发现在相同工作内压下，斜端面结构和平端面结构在装配或工况下芯筒应力分布基本相同，但斜端面结构的外径与芯筒质量小于平端面结构，且所需预紧力更小，对应的钢丝使用量也可以减小[30]。

图16 钢丝缠绕挤压筒的基本结构

通过对扁挤压筒的挤压腔表面进行保护，提高挤压腔表面性能从而提高使用寿命。在扁挤压筒挤压腔表面增加高强度纤维来提高其强度，进而降低其磨损，提高寿命[31]，如图17所示。对扁挤压筒挤压腔内壁表面施加WC-12Co涂层，结果表明在所选涂层厚度范围内，涂层厚度越大，扁挤压筒所受的最大应力越小[32]。对热作工具钢的表面进行改性，包括氮化、渗铬、激光熔融处理及物理气相沉积等，实验发现表面处理过的热工具钢均降低了表面龟裂性[33]。对H13钢在540～560 ℃离子渗氮8 h后再进行550 ℃低温盐浴复合渗铬，发现CrN化合物平均厚度为5 μm，显微硬度为1 500 HV，耐腐蚀性能也比离子渗氮要好[34]。对H13钢表面进行激光熔融处理，研究发现处理后的表面更平滑、均匀致密，显著提高了材料的抗磨损和腐蚀性能[35]。利用等离子转移电弧工艺(PTA)在热工具钢上沉积Stellite 6涂层，发现该涂层对热工具钢疲劳性能能产生非常有利的影响，大幅度提高热工具钢的使用寿命[36]。利用真空烧结法在H13表面制备了1～3 mm厚的三元硼化物基金属陶瓷覆层组织，硬度达到了1 200 HV，有利于提高钢的耐磨性[37]。

图17 一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒

3 扁挤压筒新材料

挤压筒用材料要求有高强度及硬度、高耐热性、高稳定性、高耐磨性及抗疲劳、蠕变性好等特点。所以高质量的材料才能制造出高性能的扁挤压筒，对扁挤压筒用材料的改良研究一直是提高其使用寿命的热点。国外的许多学者研究出了不少的新型热作模具钢，比如：设计了一种以钨和钴为合金元素的新型钢SMR4，其具有较高的组织稳定性、抗软化性和较高的抗疲劳性能并且具有较高的韧性，使挤压模具寿命提高了25%以上[38]；奥氏体热作工具钢BöhlerW750，其具有高耐热性、高强度的特点，通过在三个不同温度下的铜坯料的挤出过程模拟，发现该新材料具有优良的使用性能[39]。建立疲劳蠕变下非弹性应变的热粘塑性本构模型，并结合有限元对W300 ISOBLOC和W400 VMR两种材料的挤压筒铝挤压过程进行仿真，发现后者失效循环次数比前者高出3倍[40][41]；研发的MCG2006钢相比于H13钢，在长时间较高温度下的稳定性要优于H13钢[42]。另外，我国开发的SRM-1高温高强热挤压工模具钢，其高温强度比H13钢可提高一倍，有望替代H13成为新一代挤压工模具材料[43]；还有研发的1.236 7材质工模具钢的热稳定性、高温耐磨性和冲击韧性及热疲劳性能均优于H13钢，而且寿命是H13钢的1.5～3倍，更适合于挤压用工模具钢[44]；研究的新型热作模具钢SDCM-SS的摩擦和磨损行为、磨损机理和显微组织特性，结果表明新型钢SDCM-SS比H13钢具有更高的耐磨性[45]。

4 疲劳、蠕变对扁挤压筒过盈量的影响研究

由于结构影响，造成了扁挤压筒在每次挤压中均会出现应力集中、应力分布不均的现象，虽然扁挤压筒所承受的应力并未超过材料的屈服极限，但在连续挤压过程中，随着坯料不断进入与挤出而重复，使得扁挤压筒内部产生循环应力，造成扁挤压筒的疲劳破坏[46,47]。由于扁挤压筒长期受交变高压的作用，会使扁挤压筒产生疲劳损伤。同时，扁挤压筒工作过程中要承受热坯料、坯料和筒体的摩擦、加热器等热传递的影响，使得挤压筒的温度分布极不均匀，也产生蠕变损伤，但是各衬套间不同材料的高温蠕变性能并不一样，如图18所示，长期在高温状态下，不同材料的衬套间过盈量必然发生变化。并且挤压过程是一个空间和时间上的动态过程，蠕变也与时间历程相关，所以挤压筒在工作一段时间后，各衬套间过盈量的变化沿轴向位置的分布也不一致，如图19所示。

图18 不同材料间的高温蠕变曲线

图19 挤压过程中不同时刻的蠕变应变分布

扁挤压筒蠕变变形会造成各衬套间过盈量减小进而影响到扁挤压筒的应力分布状况，造成挤压疲劳损伤不断改变，应力分布的改变又会影响到蠕变速率和蠕变量，使得疲劳与蠕变二者产生交互耦合[47]。并且疲劳-蠕变交互作用引起的筒体变形、开裂已经成为挤压筒失效的主要原因，严重影响挤压制品生产效率和成本[46]。然而疲劳-蠕变交互损伤的机理非常复杂，并且针对疲劳-蠕变损伤引起失效的相关研究十分有限。宋宗焘[47]研究了疲劳、蠕变和疲劳-蠕变交互作用三个方面对挤压筒使用寿命的影响，发现疲劳-蠕变交互作用下的挤压筒使用寿命为疲劳或蠕变破坏中的较小值。李一红[48]分析了挤压筒的结构尺寸、应力及挤压时间对预应力组合挤压筒过盈量的影响规律。并对不同材料组合形式下蠕变对挤压筒过盈量的影响进行了研究，发现当挤压筒各筒间选用不同材料时，由于材料的蠕变性能差异，使得过盈量的变化量增加。李一红等[49]在传统Lame公式的基础上引入直接位移求解法，推导了考虑蠕变效应的挤压筒应力/应变分布解析模型，分析了各层筒应力随时间的变化情况。结果表明，交界面处各层筒的蠕变应变有差别，造成径向变形不一，从而使得过盈量减小。所以，扁挤压筒各衬套的制造材料要在满足使用要求的前提下，使它们的高温蠕变曲线也应尽量的一直。马玲[8]建立了耦合损伤的粘塑性-蠕变本构方程，运用ABAQUS有限元仿真，对挤压筒内壁蠕变-疲劳损伤进行了模拟研究，得到损伤演化曲线以及损伤演化速率曲线如图20所示，可以看到损伤累积值最大点150号单元上，蠕变-疲劳损伤累积量随着挤压循环周次的增加而增加，并且损伤速率呈现增大趋势。

图20 失效危险点的蠕变-疲劳损伤累积及其速率演化曲线

5 DMZ对扁挤压筒的影响研究

金属挤压成型是一个处在大变形、高温、高压、复杂摩擦条件下的非线性过程，材料的流动十分复杂[50]，挤压过程中的微观组织演变如图21所示。在坯料前端的拐角处，挤压模具和扁挤压筒之间形成了一个单独的变形区B(称为死区，DMZ)，在这里金属不会发生流动[51]。所以在未成型材料E、F与死区B之间形成了剪切区C。随着挤压的进行，未成形材料E、F的表面金属D(相对死区B而言)与死区B发生剪切行为，随后E、F区材料与死区B发生滑动直至挤压结束[52]，最终进入模孔成为变形产物A。接触面上坯料与扁挤压筒之间的摩擦逐渐转变为坯料的内摩擦，使得接触面上摩擦的性质和行为发生变化。同时接触面由微观结构上的不相称(晶体尺度和取向不同，铝与铁性质不同)自发地趋于相称[53]，Robbins M.O.认为当接触面上分子结构处于对称时，分子势能达到能量最低状态，此时若要使两个物体发生相对运动必须要克服这个势能壁垒，从而导致很大的摩擦[54]。

图21 挤压过程中的微观组织演变

所以在变形刚开始时，挤压力的增加不仅是由于坯料和扁挤压筒之间的摩擦力，还有坯料的剪切力和坯料内部件的滑动摩擦力。最终导致挤压力加大，压机负荷变高，扁挤压筒承受载荷变大，加速了扁挤压筒的损坏。

由图21所示，若死区B变大，则剪切区C变大，导致剪切距离与坯料滑动距离变长，最终使剪切力与摩擦力变大。国内外许多学者针对挤压过程中死区行为与摩擦的问题进行了研究，取得了一些有意义的成果。魏立群[55]利用上限法对死区的形成及其影响因素进行分析计算，发现死区区域大小受到坯料/扁挤压筒界面上的摩擦影响，随着摩擦因数的增加而增加。邓小民等对挤压铝合金时坯料/扁挤压筒界面上的摩擦性质和行为进行了研究，并建立了挤压铝合金时的摩擦因数与不同挤压温度、速度条件下金属变形抗力的关系式，为正确计算挤压力提供了依据。Flitta, I等[56]研究了初始坯料温度对摩擦及材料流动的影响，发现随着初始坯料温度的升高，死区变大，坯料/扁挤压筒界面上摩擦因数增加导致挤压力的增加。Qamar, S. Z.等[38]对三种不同材料以不同速度进行挤压试验发现，死区随着挤压比的增加而增加，随着挤压速度的增加而减小。G.E. Totten[57]等研究发现，较小的压下率(a small reduction ratio)将产生较小的死区，从而降低挤压过程中金属流动的摩擦阻力。Solomon N[52]、李峰等[58]通过模具几何形状的合理设计，可以有效的控制死区的位置和大小，具体是在平模支承面处设置了导流角，使得死区、变形区摩擦力达到最小。Li F等[59]研究发现，在挤压时使用内锥冲头，研究发现扁挤压筒底部没有金属流动界面，死区完全消失。

模角α(模具轴线与其工作端面之间构成的夹角)越大，则金属流动越不均匀，死区就越大，消耗的挤压力越大[60]，导致扁挤压筒受负荷增大，加速其损耗。刘伟[61]提出了流线模结构的设计思想，通过模拟分析可以看出把流线模型应用在分流模具上可以有效的降低型材挤压时的挤压力。这是因为流线型模腔大大减小了模角α，使得金属流动更加均匀，死区越小，挤压力随之减小。又因为流线模的模角是连续变化的，从正挤压时金属流动的网格图(图22)可以看出，金属的流动本身就呈流线状，因此采用流线模更有利于改善金属的流动[60]。还有胡龙飞等[62][63]引入流函数理论建立扁挤压筒型腔到型材出口之间过渡曲面的边界条件，并根据复变函数共形映射理论，利用三维造型软件完成了复杂型材挤压“流线型”过渡曲面的三维建模，并研究发现相同断面缩减率下，流线型型腔在降低成型载荷上存在较大优势。舒洁[64]运用上限法建立铝合金棒材挤压成型的流动模型，推导了坯料在五种不同曲线型腔模具中变形时的功、能表达式，并以挤压力最小为优化目标，对成型过程进行优化，获得最低能耗下的型腔曲线长度。石磊[65]分析了传统分流焊合挤压、等通道转角晶粒破碎细化挤压、金属流动性好并且省力的扁挤压筒挤压的特点，并结合其优点集成创新，提出了扁挤压筒等通道转角分流大宽展挤压的新原理如图23所示，该挤压方法可以形成较小的挤压比有利于减小挤压载荷和有利于金属流动。

图22 正挤压时金属流动的坐标网格图

图23 扁挤压筒等通道转角分流大宽展挤压

6 结论

6.1 设计原则

(1)为了更有效的提高扁挤压筒的使用寿命，获得更加精确的扁挤压筒应力应变分布规律是必要的，所以在进行扁挤压筒有限元分析时不仅要考虑高温高压，还要考虑疲劳、蠕变的影响。

(2)扁挤压筒设计过程中应该尽量避免孔、槽等易产生应力集中的结构，应该对这些结构进行位置偏移、倒圆角等操作。

(3)利用正交实验法，对目前现有的扁挤压筒优化方法进行组合，致力于获得更佳结构的扁挤压筒。

6.2 研究方向

(1)因为扁挤压筒工作过程中承受高压作用，然而有高温的介入，会使筒的应力峰值有所回落，但是高温又会使蠕变变形加剧。所以，应该研究温度与扁挤压筒工作过程中应力峰值、蠕变变形的关系，找出各吨位扁挤压筒的最佳工作温度。

(2)因为扁挤压筒在工程过程中要承受多个热源的作用，造成扁挤压筒的温度分布极不均匀，又会加剧蠕变变形，加速扁挤压筒的损坏。所以，应该对扁挤压筒采用先保温后降温的方法均匀温度分布。

(3)扁挤压筒各层衬套的材料应该在满足强度及经济性的基础上，尽可能选用蠕变曲线较相近的材料。