扁挤压筒内压力分布规律的研究

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1、http://www.paper.edu.cn1扁挤压筒内压力分布规律的研究1121李燕，胡成亮，许在文，刘全坤1合肥工业大学材料学院（230009）2合肥工业大学土建学院（230009）email:hgdly@163.com摘要：用有限元分析软件Marc/Superform模拟用扁挤压筒挤压成形壁板的过程，获得工作状态下扁挤压筒型腔内的压力分布，为进一步分析扁挤压筒强度及优化设计其结构提供正确的边界条件。分析得知：挤压筒内作用压力沿轴向分布比较均匀，入口处有些微上升，中部基本保持不变，出口处略有下降，变化幅度

2、约为7.7％；在径向截面上沿内孔型腔从短轴方向到长轴方向分布不均匀，直边部分呈线性递增趋势，增幅最大为10％，而圆弧边呈三次曲线递增趋势，增幅最大为46％。这与光弹性实验的结果非常吻合。关键词：扁挤压筒；内压力；非均匀分布；光弹性实验1.引言用组合式扁挤压筒生产大型整体壁板时，扁挤压筒内孔型腔与产品有几何相似性，长半轴尺寸L与短半轴尺寸r之比很大，呈非完全对称形状，见图1。在高温、高压、高摩擦的恶劣条件下工作时其内表面所受压力亦呈非均匀分布态势。而通常在对扁挤压筒变形及应力分析时都假设它受均布内压力作用，这显然

3、与实际情况不符，从而影响了强度分析结果的准确性和后续结构设计的可靠性。本文借助有限元分析软件Marc/Superform模拟扁挤压筒挤压成形壁板的过程，获得工况条件下扁挤压筒内表面压力沿轴向和沿内孔型腔周边的分布情况，并与光弹性实验结果对比验证，为进一步分析扁挤压筒强度、变形及优化设计提供更准确的边界条件。a）壁板挤压模具整体结构图b）凹模截面图图1扁挤压筒示意图11本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030359002）资助http://www.paper.edu.cn2.扁挤压筒有限元模

4、型的建立挤压型材用扁挤压筒通常采用组合结构，其受力状况与工艺参数（挤压速度、工模具和坯料预热温度等）、模具参数（扁挤压筒的各层厚度、各层过盈量、工作压力等）以及材料参数（弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬化指数、速度敏感系数、热传导系数等）有关。其中，工艺参数和坯料的材料性能参数直接影响挤压过程中金属对扁挤压筒壁产生的挤压力大小及分布，即工作内压力，所以，在分析扁挤压筒内压力分布时，可只对整体筒结构凹模进行分析，见图1b）。根据相似性原理[1]和对称性，按照实际尺寸与模型尺寸比18：1建立1/4模型进行分析。

5、如图2a）所示，内孔长轴和短轴尺寸比42/20=2.1，工作带尺寸为36×3×3mm。为了保证金属流动顺畅，型腔出口附近的过渡区域采用三次曲面型腔，高度5mm，坯料长60mm。扁挤压筒所用材料是H13钢（4Cr5MoSiV1），分析中视为刚体。坯料所用材料是Superform软件材料库中提供的asm_Alum_21，近似纯铝，分析中视为变形体，用六面体单元划分。仿真挤压时，设定挤压速度为10mm/s，挤压行程为18mm，坯料与挤压筒内表面、过渡区、工作带的摩擦系数均为0.15，坯料初始温度为500℃，挤压筒预热

6、温度为480℃，环境温度20℃。a）凹模结构图b）1/4有限元模型图图2扁挤压筒结构图及有限元模型图3.扁挤压筒内压力分布型材挤压可分为初始、稳态流动和终了3个阶段，本文研究稳态挤压阶段挤压筒内压力分布情况。此时，坯料在挤压筒内流动，接触面上的接触法向应力（contactnormalstress）即为内压力。为了便于提取、分析结果数据，在坯料与挤压筒接触面上按节点定义若干路径，如图2b）所示，沿高度方向分别在短轴位置、直边与弯边交界位置、圆弧部分与水平方向成http://www.paper.edu.cn45°位

7、置以及长轴位置定义4条路径path1，path2，path3，path4。在轴向，从距离入口6、15、30、45、57、60mm处分别取6个截面sec6，sec15，sec30，sec45，sec57，sec60，并定义6条路径path5，path6，path7，path8，path9，path10。3.1轴向内压力分布将高度方向四个位置处对应路径上的内压力数值整理得到扁挤压筒内压力沿高度分布曲线，如图3a）。由图可知：（1）挤压筒内压力沿轴向分布比较均匀，入口端有些微上升、中部基本保持不变、出口端略有下降。出

8、口处比入口处略低，整体变化幅度约为7.7％。（2）从短轴位置到长轴位置，内压力呈整体递增趋势，直边部分增幅较小，弯边部分增幅很大。（3）沿高度方向在坯料中部（距离入口处30mm附近）对应的挤压筒内壁处所受内压力出现最大值。因此，在对扁挤压筒进行强度分析时，沿高度方向的内压力可以近似看作是均匀的，只需取危险截面进行二维分析即可，在简化分析的同时仍能保证设计的安全性。a）沿高度方向分布b）