铝型材挤压过程

2024-09-20

铝型材挤压过程（共7篇）

铝型材挤压过程篇1

0引言

铝合金材料具有塑性好、密度小、抗蚀性和焊接性能好等特点,与传统的钢铁材料相比具有不可替代的优越性[1]。目前铝合金型材挤压技术在汽车、船舶、铁路、航空、航天等工业领域以及建筑等民用领域越来越显示出其重要地位,用挤压方法生产铝型材,既节约材料又具有很高的生产效率,因而该工艺方法在生产和研究领域越来越受到关注。

铝合金型材挤压过程中,挤压速度是一个主要工艺条件,对于坯料的温度场、最大损伤值场等有着重要影响,从而影响到挤压型材的质量。

本文基于Deform-2D塑形有限元软件对7075铝合金型材的挤压过程进行数值模拟,分析并总结了挤压速度对坯料温度场、最大损伤值场和模具载荷的影响规律。为铝合金型材挤压工艺选择合理的挤压速度提供理论参考。

1有限元模型的建立

坯料材料牌号为Aluminum-7075,杨氏模量Y=68900MPa,泊松比υ=0.3。模具材料选用H13钢。采用刚(粘)塑形流动应力模型σ軍=σ軍(ε軈,ε廴,T)其中ε軈为等效应变;ε廴为等效应变速率;T为变形温度。

铝合金型材挤压过程中,坯料与模具间的接触压力很大,坯料的表面层粘着在模具壁面上,故挤压成形过程选用剪切摩擦类型,剪切应力,其中m为剪切摩擦因子,其值取0.3;k为剪切屈服强度。

目前,热压缩类变形过程中应用最广泛的损伤准则是Cockcroft和Latham准则。其具体表达式为:

式中:——材料断裂时的等效塑性应变

———等效应力;

σT———变形过程中某一时刻某一单元内的最大拉应力。材料在塑性变形过程中,当最大主应力

———等效应变增量

C———损伤因子。

在数值计算中,将表达式(1)进一步变换成离散步求和表达式(2),可将复杂的积分计算简化为单位时间增量内的损伤量计算:

式中———变形过程中某一时刻某一单元内的等效塑性应变速率;

△t———有限元计算中的时间增量。

挤压坯料初始温度设为380℃,模具的预热温度设为350℃,坯料和模具之间的热交换系数取10N/(mm·s·℃),环境温度设为20℃,挤压件与环境的对流系数取0.02N/(mm·s·℃)。由于模型结构本身是轴对称的,为提高模拟效率,取1/2模型进行分析。通过Deform-2D前处理将几何模型进行网格划分,并赋予边界几何条件得到有限元模型如图1所示。

设置4种挤压速度,分别为2mm/s、6mm/s、10mm/s和14mm/s,上模压下量为25mm,因为在此压下量下能使材料流出工作带,并且使挤压过程达到稳定阶段。

2结果分析

2.1挤压速度对温度场的影响

挤压件的温度变化影响到产品质量和模具寿命。挤压过程中,较高的温度有利于减小流动应力,从而材料变形更加容易,但当温度过高会使材料产生过烧、晶粒粗大等问题,使得允许的最高温度降低,进而降低生产率。分析铝合金挤压过程中温度场的变化,对于保证挤压制件的质量和提高生产率有着重要作用。图2展示了坯料在挤压速度为6mm/s时,不同阶段的温度场变化情况。可知在挤压过程中,坯料温度逐渐升高。这是由于坯料产生剧烈变形,生成大量的变形热,从而材料温度迅速升高。而且,坯料的最高温度均出现在棒料刚开始成形的部位,因为这部分的材料变形最为严重,坯料与模具摩擦最严重,生成大量的热量,所以温度最高。图3为挤压速度与坯料最高温度之间的关系。可以看出,随着挤压速度的增加,坯料最高温度增加,其原因是随着挤压速度的增加,材料的变形剧烈程度增加;并且随着挤压速度的增加,坯料挤压力增加,坯料和模具基础面之间的压力增加,所以摩擦热也增加,使得温度升高。另一方面,挤压速度越大,坯料与模具热传导的时间越少,使挤压件温度升高。由图可知,当挤压速度为14mm/s时,最高温度已经达到了495℃。但7075铝合金的变形温度超过490℃时,晶粒会迅速长大[5],严重降低挤压件的质量,所以7075铝合金的挤压速度最好不要超过12mm/s。

2.2挤压速度对损伤场的影响

铝合金挤压过程中发生剧烈变形,坯料表面易产生裂纹。挤压过程中,坯料金属损伤值越小,则材料开裂倾向越小,成形制件表面质量越高。因此,研究铝合金挤压过程中最大损伤值的影响有着十分重要的意义。铝合金棒料在挤压速度为6mm/s成形过程中的损伤演化行为如图4所示。可以得知,在成形过程中,最大损伤值主要出现在成形棒材的表面和挤压模具出口处,这是因为棒材表层金属在流经工作带时,由于受到挤压模具工作表面的摩擦作用,切应力对该处材料金属的影响最为严重。图5显示了不同挤压速度下棒料挤压过程中的最大损伤值。由图可知,挤压速度在2~10mm/s范围内,最大损伤值随挤压速度的增加而逐渐减小;挤压速度在10~14mm/s范围内,最大损伤值有些许增加。这是因为随着挤压速度的增大,坯料的温度升高,增强了材料的塑形变形能力;而且挤压速度增大有利于提高模具对坯料三向压应力的效果,所以降低了最大损伤值;但是当挤压速度过大时,摩擦力增长迅速,使得损伤值呈增长趋势。所以,在棒料挤压过程中,挤压速度不能太大,也不能太小,这样能减小挤压件出现裂纹的可能性。

2.3挤压速度对模具载荷的影响

为合理选择设备、正确设计模具以及确定工艺规程,变形力是一个重要依据。因此,计算模具的位移-载荷曲线非常有意义,既可得出实际挤压可能需要的最大挤压力,又可应用于优化挤压工艺。图6为不同挤压速度下模具的位移-载荷曲线。可以看出,挤压速度不同时,位移-载荷曲线图趋势基本相同,载荷的变化规律基本上可以分为3个阶段。挤压开始时,挤压力以接近线性的方式缓慢增长;到一定程度后,挤压力迅速增加到峰值;挤压力到达峰值后呈突然下降趋势。并且随着速度的增加,挤压载荷有一定的增大。从图中可看出,挤压速度对载荷的影响比较小。这是由于挤压速度越大,坯料温度升的越高,降低挤压材料的流动应力,抵消了由于变形速度增加带来的对变形抗力的影响。

3结论

建立了铝合金型材挤压的有限元模型。分析了不同挤压速度下温度场、最大损伤值场以及模具载荷的演变规律。得出以下结论:

(1)随着挤压速度的增加,由于变形热和摩擦热增加,坯料的温度场迅速增加。

(2)随着挤压速度的增加,坯料的最大损伤值场呈现先减小后增加的趋势。

(3)随着挤压速度的增加,挤压载荷有一定的增大。挤压速度对载荷的影响比较小。

铝型材挤压过程篇2

拉格朗日有限元法 (FEM) 在金属塑性成形数值模拟中得到了应用广泛[1,2], 但在处理大变形挤压问题时, 其采用的拉格朗日网格容易畸变, 导致频繁的网格重划, 进而引起不同网格间数据传递误差积累过多和计算时间过长, 甚至因数据和形状严重失真而使计算停止[3]。基于欧拉描述的有限体积法 (finite volume method, FVM) , 由于可以避免网格重划分, 从而可解决大变形成形过程中数值模拟的难题[4]。近年来, 基于有限体积法的金属成形模拟软件MSC/SuperForge在金属挤压中得到了广泛应用, 证明了其可行性及优势[5,6]。但是该软件还不够完善, 在进行铝型材挤压模拟时存在一些问题, 主要表现在:①背景网格不可局部细化, 造成计算资源的浪费; ②材料自由表面追踪技术较差, 导致得到的材料自由表面易出现毛刺现象, 原因是它采用了一层表面网格来追踪变形材料的自由表面, 在材料剧烈变形的地方, 表面网格易发生畸变, 从而产生材料网格刺穿模具的失真现象[7]。

为解决上述问题, 本文将有限体积法基本理论与刚黏塑性流动理论相结合, 建立了基于非正交结构网格的铝型材挤压过程有限体积法数值模拟模型, 开发了相应的计算模拟程序AE-FVM。该模型所采用的非正交结构网格[8]在继承了结构网格拓扑关系明确、数据结构简单等优点的基础上, 能够拟合复杂几何形状边界, 并可实现局部细化。同时通过采用直角坐标系将控制方程直接在非正交网格上进行离散, 避免了传统适体坐标法[9]中复杂的坐标转换。对一典型薄壁型材大变形挤压过程进行了数值模拟, 模拟结果与相同条件下的有限体积法模拟软件MSC/SuperForge的结果进行了对比验证, 进而依据模拟结果对挤压模具进行优化设计, 获得了导流槽挤压过程中金属的流动规律, 并总结了导流槽的形状尺寸对金属流动分配的影响。

1 有限体积法基本方程

有限体积法中每个控制单元均需要满足质量守恒、动量守恒和能量守恒, 从而保证了整个流场良好的守恒特性, 积分形式的守恒表达式如下[8]:

式中, Ω为控制单元体积;S为控制单元表面积;ρ为密度;v为通过控制单元界面的速度矢量;n为界面法线矢量;σ为柯西应力张量;T为温度;b为单位质量的体积力;c为比热容;λ为热导率;t为时间。

2 本构关系及黏度迭代

挤压铝合金材料可视为一种不可压缩非牛顿流体, 因此可忽略材料的弹性变形, 其刚黏塑性本构关系为

式中, $\bar{σ}$ 为等效应力; $\bar{ε}$ 为等效应变; $\dot{\bar{ε}}$ 为等效应变速率;a、n、m、y为材料常数。

当每一步迭代得到等效应力和等效应变速率后, 需同时更新动力黏度, 动力黏度表达式如下:

其中, $\dot{\bar{ε}} = 0$ 表示材料为刚性体, 为使式 (5) 有意义, 必须规定一个极小的限定值 $\dot{\bar{ε}}_{0} \leq 10^{- 3} s^{- 1}$ , 即当 $\dot{\bar{ε}} = 0$ 时, 取 $\dot{\bar{ε}} = \dot{\bar{ε}}_{0}$ 。

3 非正交结构网格及变量布置

对于任意一个非正交结构网格单元, 它由六个任意形状的四边形面组成, 其相邻的六个单元被标记为 E、W、N、S、B、T, 相应的界面被标记为e、w、n、s、b、t。以任意一个单元P和其东侧单元E为例, 单元形状及其变量布置如图1 所示。图中, e为界面的中心点, e′为界面和线段PE的交点, ξ为单元中心P和E的连线方向, n为界面的法线矢量, Se为界面面积, rP为P点的位置矢量。从图1 可以看出, 由于网格的非正交性, 导致线段PE不垂直于界面, 而且也不通过界面中心点e, 所以需要定义辅助点P′和E′来计算通过界面的法向梯度。定义P′和E′分别为通过P点或E点的界面平行面与方向为n的直线的交点。

交错网格由于需要多套网格来存储速度, 故其在非正交网格上的应用受到限制, 甚至难于实现。为此, 本文采用同位网格的变量布置方式[8], 即所有变量均存储于网格中心, 因此只需要一套网格, 而控制方程离散所需要的面中心的速度则通过相邻节点动量插值[10]得到。动量插值可以有效引入相邻节点的压力差, 从而避免了传统的线性插值引入相间节点压力差所带来的压力速度失耦的问题。同位网格及其变量布置如图2所示, 图中, I、J、K为网格的逻辑方向, u、v、w为直角坐标速度分量。

4 非正交网格SIMPLE算法

SIMPLE算法[11]中, 压力和速度耦合求解, 其核心是建立速度修正方程和压力修正方程。记压力修正值和速度修正值分别为p′和v′, k为迭代步数, 分别得到压力场和速度场的表达式为vki=v $_{i}^{k^{*}}$ +v′和pk=pk-1+p′。考察任意节点P (图1) , 采用与正交网格相同的处理方式, 可得P点速度修正值的表达式为

式中, aviP为动量离散方程在P点的系数;δxi为相邻节点间的距离。

建立非正交同位网格上压力修正方程的主要问题是如何引入相邻节点的压力差来过滤压力振荡以及如何消除网格的非正交性带来的误差。由动量方程可以初步求出同位网格中单元节点上的速度, 这些速度也需满足质量守恒方程。通过将速度场代入质量守恒方程, 可建立压力修正方程, 因此, 需要计算控制体积界面上的速度。应用动量插值, 得到界面e上的速度表达式为[8]

其中, rE、rP为P点和E点的位置矢量;上划线表示通过相邻节点的线性插值得到的近似值, 正是这一插值方式引入了相邻节点的压力差, 从而避免了压力振荡。

在非正交网格中, 因需要垂直于界面的速度来计算通过该面的质量流量, 所以对于速度在控制容积面e的法线方向的分量vn, e=v·n, 有

$v_{n, e}^{k^{*}} = \bar{(v_{n}^{k^{*}})_{e}} - Δ Ω_{e} \bar{(\frac{1}{a_{Ρ}^{v_{n}}})_{e}} [(\frac{δ p}{δ n})_{e} - \bar{(\frac{δ p}{δ n})_{e}}]^{k - 1} (8)$

考虑到网格的非正交性, 式 (8) 中面上的压力梯度可通过如下表达式近似得到:

将式 (9) 代入式 (8) , 可最终得到界面速度的表达式为

$\begin{array}{l} v_{n, e}^{k^{*}} = \bar{(v_{n}^{k^{*}})_{e}} - \frac{Δ Ω_{e}}{(r_{E} - r_{Ρ}) \cdot n} \bar{(\frac{1}{a_{Ρ}^{v_{n}}})_{e}} {(p_{E} - p_{Ρ}) - \\ \bar{(g r a d p)_{e}} \cdot (r_{E} - r_{Ρ}) + [(g r a d p)_{E} \cdot (r_{E^{'}} - r_{E}) - \\ (g r a d p)_{Ρ} \cdot (r_{Ρ^{'}} - r_{Ρ})]} (10) \end{array}$

从式 (10) 可看出, 方括号中的项在正交网格中等于0, 而在非正交网格中, 正是这一项有效消除了网格非正交性带来的误差。将式 (10) 代入到质量守恒离散方程中, 经整理得到压力修正方程为

式 (11) 和正交网格上的压力修正方程具有统一的形式, 但是方程系数aP、aL、bp′不同:

当利用SIMPLE算法求出速度场和压力场后, 可结合本构方程进而得到等效应变速率和等效应力, 并利用流体体积法[12]实时追踪材料自由表面。

5 数值算例及模具优化

为了验证所建立的非正交网格有限体积法铝型材挤压数学模型的正确性, 我们开发了铝型材非稳态挤压有限体积法数值模拟程序AE-FVM, 以壁厚2mm、长24mm的薄板型材挤压过程为例进行了数值模拟, 并将模拟结果与同样条件下采用有限体积法方法的商业化软件SuperForge所得结果进行了对比验证。

挤压模型几何形状及尺寸如图3所示, 整体挤压比为42, 属于典型的大变形薄壁件挤压过程。挤压所用材料为AA-5454铝合金, 屈服应力σs=28MPa, 密度ρ=2690kg/m3, 热导率λ=134W/ (m·K) , 比热容c=900J/ (kg·K) 。本构方程式 (4) 的系数为:a=70MPa, n=0, m=0.183, y=0。坯料温度773.15K, 模具温度673.15K, 挤压杆速度0.01m/s, 摩擦因数取0.1。AE-FVM所划分的非正交结构背景网格如图4所示。用流体体积法来追踪背景网格中流动材料的自由表面, 在SuperForge中采用固定尺寸的正交背景网格, 另外采用一套三角形表面网格来包裹材料, 通过与模具做脱离接触判断来实现材料表面的追踪, 表面网格尺寸设为1mm, 如图5所示。

当挤压进行到t=0.5s时, 挤出长度约为5mm, 材料已经完全挤出工作带, 挤压过程进入稳定阶段。此时AE-FVM和SuperForge模拟得到的型材前端形状如图6所示, 可看出, 型材挤出前端呈凸形, 这主要是由于型材中心所受摩擦阻力较小, 流速明显快于两端, 两种方法得到的结果吻合良好, 并符合真实挤压成形过程的金属流动规律。

铝型材挤压成形过程中, 金属在挤压模具出口处流动的均匀性是保证型材质量的关键因素, 这种均匀性最终体现在型材前端的形状上。图6所示的型材前端形状表明金属流动不均匀。为了调节金属在挤压模具出口处的流速分布, 本文采用增设导流槽的方法来优化挤压模具, 利用导流槽对金属流动的再分配作用来调节出口端流速的均匀性。导流槽形状如图7所示, 其中, r为小圆弧直径, L为两个小圆弧圆心点之间的距离, R为与小圆弧相切的大圆弧的直径。记导流槽高度为h, 导流槽设计方案见表1。AE-FVM划分的非正交结构网格如图8所示, 不同导流槽设计方案下模拟得到的铝型材前端形状如图9所示。

由图9a和图9b (导流槽设计方案1) 可以看出, 由于导流槽对金属流动的再分配作用, 使型材两端的局部挤压比增大, 两端的金属流速加快, 反而比中心的挤出长度更大, 因此挤出型材前端形状呈凹形。

方案2在方案1的基础上扩大了小圆弧直径, 由图9c和图9d可以看出, 型材两端的挤出长度仍大于中心的挤出长度, 但较之方案1有所改善。这是由于大圆弧和小圆弧之间是相切关系, 增大小圆弧直径相当于整体放大了导流槽截面, 因此导流槽对金属流动的调节作用减弱。

方案3在方案1的基础上增大了大圆弧直径, 由图9e和图9f可以看出, 由于增大了大圆弧直径, 型材中心处的局部挤压比相对方案1相应增大, 因此型材中心的金属流速相对方案1加快, 最终挤出的型材前端比较平整, 是较为理想的设计方案。

方案4在方案3的基础上缩小了两小圆弧圆心的距离, 相当于在减小两端局部挤压比的同时增大了中心的局部挤压比, 因此较之方案3, 型材中心的金属流速相对加快, 而型材两端的金属流速则相对减慢, 最终挤出型材呈凸形 (图9g、图9h) 。

方案5在方案3的基础上减小了导流槽的高度, 对比方案5 (图9i、图9j) 和方案3 (图9e、图9f) 可以发现, 由于导流槽的高度过小, 导流槽的作用不能充分发挥, 导致挤出型材中心的金属流速仍然快于两端, 最终挤出的型材前端形状呈凸形。由此可以得出, 要充分发挥导流槽对金属流动再分配作用, 必须保证导流槽具有一定的高度。

R、r、L的尺寸驱动实质上是调节局部挤压比, 而h则影响局部挤压比的效果发挥。若以参数γ=中心流速/两端流速来表示流速分布, 总结5种导流槽设计方案可以发现:增大R, γ增大;增大r, γ增大, 但不如增大R效果明显;增大L, γ减小;增大h, γ减小, 但肯定存在极限, 只需保证一个最小高度即可。通过图9中的结果对比可以发现, 两种方法所获得的金属流动趋势基本一致, 从而获得基本吻合的挤出型材前端形状。同时还可以看出, SuperForge虽然采用了极细的表面网格, 但仍会由于变形量太大而产生表面网格畸变的情况, 从而使自由表面易出现毛刺现象, 而AE-FVM所采用的流体体积法可以有效地追踪材料的变形过程, 获得平滑的自由表面, 更符合实际情况。

6 结论

(1) 建立的基于非正交结构网格的铝型材挤压过程数值模拟有限体积法数学模型从理论上避免了传统拉格朗日有限元法的网格重划分问题, 尤其适用于铝型材挤压这类大变形问题。所采用的非正交结构背景网格能够适应复杂几何形状边界, 弥补了传统正交网格对复杂边界难于施加边界条件的不足。同时网格可实现局部细化, 较之SuperForge所采用的固定尺寸背景网格, 可以更加合理地分配计算资源, 在保证精度的同时, 可有效减少网格数量, 从而提高计算效率。

(2) 开发的相应程序AE-FVM中所采用的流体体积法能够实时追踪材料自由表面, 获得平滑的表面形状, 避免了SuperForge所采用的表面网格因畸变而产生的毛刺失真现象。

(3) 依据模拟结果对模具导流槽进行了优化设计, 获得了不同导流槽设计方案对金属流动规律的影响, 探讨了不同形状尺寸导流槽对金属流动分配的影响机理, 给出了模具设计指导意见。

本模型暂时还没有考虑材料弹性变形对金属流动规律和最终型材形状的影响, 以后将对此作进一步的研究。

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铝型材挤压模具的预变形设计篇3

1 铝型材挤压模具的预变形设计

1.1 XC321-17

铝型材断面图如图2所示。

铝合金型材挤压生产中, 模具是决定产品质量及生产效率的重要因素之一。该型材选用LY12合金, 根据1250t油压机Φ130mm筒上生产的制造工艺, 模具外形为Φ150mm×50mm。原设计方案如图3、图4所示。

由于硬铝合金对工作带宽度不太敏感, 修模时, 在综合采用减薄顶部工作带加快金属流速、靠近两个支脚的侧翼部分锉阻碍角减缓流速等措施后, 成型均不太理想;导致模具上机挤压后, 头尾端开口尺寸比名义尺寸大4mm～8mm。

总结前两次试模经验分析, 如果只采取增大两个支脚及侧翼靠近支脚部分的工作带厚度, 将增大挤压阻力, 对制品表面和模具寿命均带来不利影响, 且型材的扩口现象未必能得到进一步遏制。

综上, 在研究并判断首次试模的料头形状后, 采取了从模孔上进行预变形设计的方案, 即"并口"设计方案如图5示。

从源头抑制制品变形, 并对两个支脚及侧翼靠近支脚的部分加厚了工作带 (挤压该类小壁厚1mm～3mm的硬合金型材不宜采用较厚工作带, 工作带视具体实际通常采用2.5mm～8mm即可) , 如图6。并在模具背后配置了专用挤压垫环 (图7) , 以减少模具的弹性变形。

金属被挤出相对于常规设计"并口"的模具模孔后产生一定"扩口"变形, 此消彼长正好满足图纸要求, 试模取得成功。

1.2 EL4090

该型材是铝型材的另一个典型。型材断面图如图8所示。

该型材为2A12合金, 采用的是在西南铝2500t油压机Φ260mm筒生产的挤压工艺。

由于该型材是典型的"高帽子"形状, 外形尺寸大, 挤压制品变形空间大, 根据经验, 开口扩张的趋势在金属流出模孔的瞬间必然发生, 在牵引机的牵引下制品形状逐渐趋于稳定。因此, 采用常规设计和预变形设计相结合的方法不可或缺。

首先, 采用常规设计方法设计出模孔尺寸如图9示。

其次, 对模孔进行变形。以图示虚拟交点为旋转中心, 使右侧侧翼及支脚整体顺时针旋转4.5°, 左侧侧翼及支脚整体参照此方法旋转, 缩小常规设计出的开口尺寸, 达到变形目的, 如图10所示。

最后调整好模孔各部分的工作带, 对工作带尺寸设置的出发点, 仍是加快"帽子"顶端的金属流速, 减缓支脚及靠近支脚部分的金属流速, 使顶端受到底端的牵制, 减缓型材开口扩张的趋势。型材被挤出模具的瞬间, 利用型材开口扩张的特点, 达到其变形基本满足型材图纸要求。

采用这一思路后, 还需在模具背后配备专用垫环。这样在挤压过程中, 金属流出模具后, 其变形亦相应受到模垫及专用环通道的限制, 挤压试制该型材获得成功。

结语

通过模具的预变形设计, 铝型材与过去相比, 成型好、尺寸精度都容易保证, 缺陷问题得到了很好的解决, 提高了模具的上机合格率。随着市场经济的发展, 人们对铝型材产品质量要求也在不断的提高, 因此, 要挤出各种优质型材, 模具设计就要不断积累在生产、工作中的经验, 不断创新和改进模具设计, 以适应生产的需要。

参考文献

[1]王秀凤.如何在模具设计中克服挤压型材缺陷的产生[J].轻合金加工技术, 2006 (01) .

铝型材挤压过程篇4

铝型材挤压机的挤压速度和速度变化趋势是影响铝型材表面质量的重要因素。根据生产实践经验,挤压速度不合适,会降低铝型材表面质量,从而降低产成率。挤压速度过快,铝型材表面容易产生挤压纹、白点、毛刺等缺陷;挤压速度过慢,铝型材硬度不够;即使在挤压速度适中的情况下全行程等速挤压,由于挤压变形能的转换和摩擦生热,挤压过程锭坯(以下称铝棒)温度越来越高,挤压速度越快,温升越大,反之,温升越小。模具出口和盛锭筒入口的温度差(以下简称温差),温差对短而直径小的铝棒在60℃左右,长而直径大的铝棒前后可差130℃,温差会导致挤压制品内部的晶粒粗大、组织不均匀,使铝型材在挤压开始段表面质量达标,但在中后段由于挤压温度逐步升高,容易产生撕裂、麻面等缺陷,因而影响了铝型材的质量。因此铝合金挤压时,挤压机控制系统应能实现“等温挤压”。

实际上,要实现真正意义上的等温挤压是相当困难的。要想实现等温过程,挤压机推进的速度就要随着模具出口型材温度的升高来进行调整。首先,铝棒的温度是一个难于检测的参数;其次,把这个参数通过电子系统的处理,转为对液压系统流量的控制,要求信息传递要快,决定速度的液体流量的变化必须及时(整个挤压过程只有几十秒、几分钟),滞后过多调整将失去价值;再次,调节要平稳,否则会造成系统波动,甚至振荡。目前,国内还没有成功的先例,国外也在研究摸索中。

为了降低控制难度,采用了模拟等温挤压法,即通过对挤压速度的控制使铝棒挤压过程尽可能接近真实的等温过程,采用挤压机挤压速度随挤压行程逐渐降低及使变形温度前后趋于一致(<20℃)的模拟等温挤压工艺,就能满足绝大多数的铝型材挤压质量要求。模拟等温挤压过程速度-行程关系如图1所示[1]。

2 模拟等温挤压工艺

2.1 模拟等温挤压的现状

为满足挤压机挤压速度随挤压行程缩短而逐渐降低,从而使变形温度前后趋于一致(<20℃)的模拟等温挤压工艺的要求。目前,通常的解决办法有两种。一种是采取手动的调速方式,完全依赖操作工人,凭其个人的经验和感觉人为地对挤压机的速度进行调整,通过目测铝型材表面质量,目测压力表所显示的挤压压力变化趋势,视挤压速度调整控制旋钮。这样,优点是铝型材质量比定速挤压好一点,缺点是调整困难,温差难以达到工艺要求,控制零件容易损坏。第二种是利用比例式流量控制器上的多段调速旋钮,通过目测铝型材表面质量和挤压速度设定降速曲线,用自动方式操作。这种调速方式优点是调整容易,温差较为接近工艺要求;缺点是调速段数不足,一般只有4段,也许当初挤压机制造商尚未考虑到此工艺需求,段数不足,挤压速度-行程曲线和理想恒温的挤压速度-行程曲线偏差较大,温差达不到模拟等温挤压的要求。

由此可见,实现模拟等温挤压要解决比例式流量控制器多段调速数量不足,以及准确测温问题,要解决这些问题,要通过设备技改才能做到。

2.2 实现模拟等温挤压的设备技改

首先对挤压机上设定和控制流速的比例式流量控制器作了改进,将调速段数由原来的4段增加到10段,挤压速度由原来的1段增加到6段,其它4段分别是空车前进、后退、排气、空载速度。

其次,在挤压机模具出口增设了进口的红外线非接触式测温仪,用来测定铝棒的模具出口温度,创造了实现模拟等温挤压工艺的条件。

3 建立模拟等温挤压工艺模型

所谓模拟等温挤压工艺模型,是指挤压机挤压速度随挤压行程缩短而逐渐降低,从而使变形温度前后趋于一致(<20℃)的工艺曲线,就是等温不等速挤压曲线。

3.1 模拟等温挤压工艺的硬件构成

由挤压机主缸、编码器、定速控制器、比例式流量控制器、带电液比例控制的变量泵、压力控制阀、电液换向阀组成,如图2所示[2]。

3.2 模拟等温挤压工艺的工作原理

在需要进行挤压速度连续调节的场合,一般将挤压速度按挤压轴行程分段,在比例式流量控制器进行每段电流值设定,该电流值就是变量泵电液比例阀的控制电流值,其大小确定高压柱赛变量泵斜盘的倾角大小,从而改变泵的输出流量,经电磁换向阀后控制着主缸的挤压速度;同时,用编码器测定挤压轴的实时速度,信号送到定速控制器和挤压轴移动速度的设定信号比较,作PID处理,处理信号送到比例式流量控制器,与后者的设定值叠加,作为挤压速度的控制指令,经放大后控制泵的伺服机构(电液比例阀),调节高压泵的流量,从而达到调节挤压速度的目的;此时,红外线测温仪实时测定模具出口温度,温差过大,减少比例式流量控制器设定值,降低挤压速度,反之,则增加设定值,提高挤压速度,通过不断调整,使温差达到20℃以下的模拟等温挤压工艺要求。根据挤压行程分段和挤压速度变化趋势所作出的曲线就是该铝型材的模拟等温挤压工艺模型。这一调节的框图如图3所示。

3.3 建立模拟等温挤压工艺模型

对材质为6463工字型铝型材作了模拟等温挤压工艺试验,测出了其速度-行程曲线(图4),以及温度-行程曲线(图5)。通过测定证实:当挤压速度较低时,温升较低;速度较高时,升温较高。试验时,采用了挤压速度递减的方法,实现模拟等温挤压的过程,将挤压速度按铝棒的全长分为逐渐降低的6个区域。如图4所示,挤压轴行程从0~560mm的长度上,挤压速度从6mm/s分为5次降低至2mm/s。开始3次梯度是1mm/s,后2次是0.5mm/s。工字型材原挤压速度为4.5mm/s左右,模拟等温挤压后的挤压速度平均值是4.15mm/s,变化不大,可以接受。同时,从图5工字型材温度-行程曲线可知,在将挤压速度沿挤压轴行程全长分为6段控制时,挤压出口温度在最初的上升后,温度不再上升,稳定在460℃左右,在速度梯度降低后,温度略有上升,其温差在10℃,在等温挤压温度范围之内,而产成率(合格率)却提高了4.8%。

挤压速度递减的梯度可以通过调整比例式流量控制器的设定来改变,也可以通过增加或减少挤压速度的分区数目,改变挤压速度的变化的连续特性(平滑或阶跃)。对不同型号的铝型材,根据工艺要求予以设定,测定出其模拟等温挤压工艺模型。

4 模拟等温挤压工艺设计程序[1]

首先,设定参数。根据工艺参数,主要是某种型材的挤压行程、节拍和挤压温度,算出挤压速度,建立挤压速度随行程逐渐减小的分段曲线,将此曲线的速度分段值转换成电流值输进比例式流量控制器作为挤压速度设定值,将对应速度变化的行程点(行程开关)信号输入到PLC中编程。启动运行。

其次,速度对比调整。通过编码器的检测信号输入到定速控制器,与速度设定值作比较,作PID运算,其差值反馈到比例式流量控制器输入端,比例式流量控制器与PLC一起,驱动液压系统自动调整挤压速度。同时,检查铝型材的表面质量,质量合适,则速度设定合适,否则,改变速度设定。

再次,根据温度调整速度设定值。挤压机前梁装有非接触反射式多波长红外线测温仪,连续检测模具出口型材的温度,检测结果同工艺要求的设定值进行比较,如果温度在设定的范围之内,挤压速度保持不变;如果温度偏离设定值,则改变比例式流量控制器的设定值,调节挤压速度。

最后,在调整的过程中,记录满足模拟等温挤压温差要求的挤压速度曲线,即以挤压速度分段基础的模拟等温挤压工艺。设计程序如图6所示。

从图6可见,整个模拟等温的闭环控制过程系统接受三个控制指令:设定值、挤压轴行程(转换为速度)指令和模具出口温度检测指令。这个过程的控制精度将取决于用户所提供的工艺参数、根据工艺参数所建立的模型的精确程度、红外线测温仪精度以及PLC(或计算机)、比例式流量控制器、定速控制器、液压控制系统的灵敏度。其中,工艺参数、比例式流量控制器的准确性是影响模拟等温挤压工艺控制精度的主要因素。

5 结束语

5.1 模拟等温挤压实现方式

由触摸屏以及PLC的辅助模块取代比例式流量控制器和定速控制器,实现挤压机模拟等温挤压工艺,这种实现方式比前一种更直观、方便,挤压速度-挤压行程曲线更平滑。篇幅所限,这里就不详述了。

5.2 挤压速度控制方式[3]

挤压速度控制系统有多种方式,包括节流控制方式,比例变量泵容积控制方式和VFD(即变频器容积调速系统)方式,以及它们的有机结合。其中,VED速度控制性能优越,节能效果显著,很有可能是未来挤压机速度控制系统的发展方向。

参考文献

[1]魏军.金属挤压机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]陈世雄,陆善彬.挤压速度控制与节能[A].LW2004铝型材技术国际论坛[C].广州:2004.

铝型材挤压过程篇5

近年来, 随着轨道交通、高速铁路、航空航天、军工、船舶、新能源汽车和核电等行业的快速发展, 对铝及铝合金挤压型材的要求越来越高, 要求挤压型材具有断面积大且形状复杂化、薄壁扁宽化、尺寸高精度化、高的力学性能和组织性能均一化等。具体如下[1]:

(1) 大型化、整体化。从轨道交通、航空航天、船舶等已使用的大型铝挤压材中可以看出, 过去用数枚小型挤压材组装拼接而成的部件, 现在都尽可能地使用整体大规格材代替。如新型列车车体制作已经实现模块化装配, 车辆将车体结构与装配结构作为一个车体系统, 采用几个部件组合的自承重模块结构, 要求铝材壁薄且宽度要宽。如目前生产的新型车体铝材宽度达800mm, 长度30m左右, 整个车体焊缝为3~5道。焊缝的数量直接影响车体性能, 焊缝数量越少越好, 则要求铝型材越宽越好, 因此, 铝型材的大型化和整体化是发展趋势[2]。

(2) 薄壁化、轻量化。铝挤压材的薄壁化也是一大趋势。在满足强度等的前提下, 挤压材的壁厚越薄, 列车或飞机自重就越轻;并可大幅改善动力性能, 节省动力, 提高加速性和灵活性, 减少制动, 也大大提高舒适性, 还可节省材料。

(3) 断面尺寸和形位公差高精度化。大型铝挤压材的断面多数是多功能的集合体, 因此对断面尺寸偏差、定尺长度、扭拧度、弯曲度等形位公差的要求十分严格。虽然大型铝挤压材材料中允许有偏差范围, 但实际上允许这种偏差几乎是不存在的, 尤其是精度要求高的高速列车用挤压材部件。

(4) 组织性能均匀与优质化。大型铝挤压材往往作为重要的结构材料用于关键部位, 要求组织均匀、无粗大晶粒和粗晶环组织, 而且具有均匀的纵向及横向力学性能等, 高性能特种工业铝型材成为工业铝型材发展的主流方向。

目前全世界已投产的挤压力大于50MN的铝型材挤压机约有70台左右。美国拥有大型挤压机达20台, 超过100MN (10000t) 的有4台;俄罗斯有10台, 大部分是80年代以前投产的。其中前苏联古比雪夫铝加工厂的200MN (20000t) 挤压机是世界上最大的投产的挤压机。日本有4台大型挤压机, 挤压力最大的为95MN (9500t) 。德国有5台, 德国VAW波恩工厂1999年投产了一台100MN的双动油压挤压机。韩国、波兰、瑞士、挪威、瑞典各有一台大型挤压机, 挤压力在65MN~90MN之间。意大利有3台大型挤压机, 2000年建成投产了一台130MN的铜铝油压挤压机[3]。我国拥有大型挤压机已投产的大约是24台, 计划再建14台。国内最大已投产的是山东兖矿轻合金有限公司的150MN挤压机。

目前全世界尤其是我国对高性能特种工业铝型材的需求增长很快。中国成为全球大型工业铝型材的生产基地, 但挤压机的区域分布主要集中在东部沿海, 而且工业铝型材生产的技术和装备水平亟待提高。

我国目前在建和已建大型铝型材挤压机主要集中在山东、辽宁和吉林等地, 地域分布不平衡;而大型工业铝型材由于受运输成本的制约, 销售半径一般在400公里以内, 中西部地区在青海建设了一台100MN双动铝挤压机, 在重庆正在建设120MN铝型材挤压机。作为铝型材生产的大省, 广东省的大型和重型铝挤压生产线的建设仍有很大市场。本文主要介绍广东最大90MN铝型材挤压机研制的关键技术。

290MN挤压装备关键技术研究

90MN铝型材挤压机研制的关键技术包括挤压机前后梁设计优化、挤压筒热力耦合优化设计、液压控制系统和电气控制系统的集成技术等。

2.1 前后梁有限元优化设计

前后梁是挤压机的主要零部件, 占挤压机重量的1/4左右。前后梁应力分布的合理性, 不仅决定着挤压机的使用寿命, 而且可以降低设备的投资成本, 前后梁的优化设计是挤压机设计的关键技术。

前后梁的设计是按照以往的经验和第四强度理论确定面板的厚度、筋板位置和尺寸, 再按照主要校核中间截面强度方法进行理论分析[4]。

在以上计算的基础上, 建立有限元数值分析模型, 考虑到对称性和减少计算量, 采用1/4模型, 图1为建立的有限元模型。

根据建立的有限元模型划分网格, 施加边界条件, 采用有限元软件进行分析, 得到应力应变分布, 根据得到应力分布情况, 进行局部材料分布的调整, 进行有限元分析优化, 最终确定前后梁的结构。按照50年设计寿命, 以380万使用次数考虑最大应力集中值的选择, 有限元分析得到的最大应力集中值在材料的使用范围以内。最终得到前后梁的应力分布如图2所示。

从图中可以看出:前、后梁的最大应力值均不超过80MPa, 前梁的最大应力发生在前面板与凸台过渡圆弧处, 后梁的最大应力发生在后面板上下对称中心线处。

按照目前挤压机的发展趋势和设计使用寿命, 前后梁的材料也从ZG270-500发展到ZG35Cr1Mo, 两种材料机械性能对比如表1所示[5]。

从以上对比可以看出:ZG35Cr1Mo比ZG270-500有更高的机械性能, 而且该材料相比ZG270-500有更好的铸造性能, 铸造后不易开裂, 按照前面有限元分析的结果, 使用该材料可以满足使用寿命50年的要求, 因此, 前后梁材料选为ZG35Cr1Mo。

2.2 挤压筒有限元热力耦合分析

挤压筒作为挤压过程中铝锭坯变形的容室, 挤压过程中是在高温的情况下承受着高的压强, 同时, 由于等温挤压工艺的要求, 挤压筒在挤压过程中温度要通过空气冷却进行调节, 因此, 挤压筒不仅要进行加热冷却, 而且要承受很高的压强。大型挤压筒一般采用三层热装配的衬筒, 三层衬筒之间有装配应力。

对于大型挤压筒来讲, 考虑拆卸方便, 外壳上设计有拆卸用的沟槽、定位安装用的键槽和起吊用的沟槽;加热管安装在外壳上, 从而在外壳上设计有加热管的安装深孔和接线连接板的连接槽;另外还有冷却空气进出通道和测量温度的热电偶深孔, 这些分布众多的沟槽和深孔正是易产生应力集中的地方, 外壳的损坏往往也是发生在这些应力集中处, 因此, 对于挤压筒的热力耦合有限元分析和优化尤为重要。

按照挤压筒的功能性要求和三层筒的比例关系, 确定三层衬筒的结构, 按照使用经验确定各层筒之间的过盈量, 在此基础上, 建立有限元分析模型如图3所示。

按照实际的边界条件施加载荷, 各层筒之间选取接触单元, 根据过盈量的大小确定接触, 在内衬内表面施加静水压力。

根据分析结果进行优化, 对于局部应力值高于800MPa的地方进行修改, 通过改变圆角大小、沟槽深度和键槽位置等方法, 降低应力集中值的大小, 通过优化设计, 最终得到的三层筒热力耦合有限元分析结果如图4和表2所示。

图4为挤压筒内衬、中衬和外筒的有限元热力耦合分析Mises应力分布图, 表2为挤压筒内衬、中衬和外筒的有限元热力耦合分析结果。结果显示:经过优化设计, 三层筒的应力和位移均在要求的范围以内。

2.3 液压系统集成技术

大型铝挤压机的液压系统设计不仅要考虑设备的可靠性和安全性, 同时要兼顾快速性和经济性, 需要采用集成技术, 建立大型挤压机的液压系统。

液压系统设计首先按照机械动作快速性的要求, 根据瞬时最大流量确定主泵的总流量, 并留有一定的富裕量。按照挤压速度要求, 考虑到经济性, 选取主泵时采用定变量组合的方式, 确定主泵的数量。

其次是按照辅助系统的要求确定辅助泵的数量, 之后是主系统阀站和辅助系统阀站的设计, 设计时考虑以下因素:

(1) 主控制系统采用插装式锥阀控制, 通过功能元件来调节主阀芯的开关时间、速度, 以满足挤压机大流量、快速、无冲击的要求, 调整部分均置于阀盖的外部, 调整方便。

(2) 主泵可分组控制和组合, 若干动作可以同时进行, 互不干扰。

(3) 移动横梁、挤压筒、剪刀等主要动作的空程前进或返回采用慢速启动, 快速运行, 接近停止点前再慢速缓冲停止。

(4) 设有专用恒压泵对挤压筒锁紧进行保压, 以保证挤压筒端面与模具之间的比压。

(5) 剪刀缸在剪切压余时, 瞬时有一个冲击, 为了减震, 在液压剪回程腔设了一个两级压力阀, 压力较高一级用于过载保护, 起安全作用, 压力低的一级适当调整其设定压力值, 在冲击时起背压溢流作用, 使其动作快速、平稳。

(6) 辅助系统大量采用比例控制系统, 使机械化机构能实现动作快捷, 启动和停止时平稳且停位准确。

(7) 为了检修方便, 液压阀块及每个液压缸前均设有测压点, 随时可检测其压力情况, 并设有多个压力传感器和抗振压力表, 显示泵出口及各部位压力, 信号可由PLC采集, 用于系统控制。

(8) 主缸、侧缸前后端和挤压筒移动油缸锁紧端的卸压等采用比例控制技术, 使高压大流量的液体在短时间内很快卸压;快换模装置、上料机械手的前进后退、上料机械手臂的打开闭合和固定挤压垫润滑装置手臂摆动等动作采用比例控制技术, 保证各动作慢速启动, 快速运行, 接近停止点时再慢速缓冲停止, 实现动作的快速性。

最后是管路和油箱设计, 油箱设计时要考虑油箱的温度控制和油液的冲击, 同时考虑与空气的连通和液位的控制, 管路设计时考虑以下因素:

(1) 高压油管均采用厚壁无缝管, 其壁厚较规范中规定要厚;

(2) 高压法兰采用高颈法兰, 比插入式法兰更安全可靠;

(3) 直径≤60mm的管子现场冷弯, 大管道弯头弯制好后在现场焊接, 小管子氩弧焊满焊, 大管子氩弧焊打底后再电焊满焊, 焊后酸洗、中和、钝化和涂油;

(4) 气动管路采用紫铜管;

(5) 高压管道管夹间距≤1000mm, 避免管路振动;

(6) 主吸油管和设备之间设装有可曲挠式橡胶管接头、吸油管与泵之间装有能吸收振动的可曲挠式橡胶管接头, 泵的高压出口与管道之间装有高压软管, 油泵支座和设备基础之间采用减震结构连接;

(7) 液压系统中的截止阀均采用球阀结构。

通过以上集成技术的应用, 液压系统满足了快速性要求, 同时减少节流环节, 减低发热, 减少能耗。

2.4 电气控制系统集成技术

90MN挤压机电气控制系统采用功能强大的Siemens系列工业可编程控制器产品作为主站及分布站。以处理器为中心, 与远程I/O构成Profibus总线网络系统, 对机组进行逻辑控制和精度控制, 根据预设工艺参数和要求, 对挤压机动作进行准确控制, 并从时间上对各个运行过程进行合理分配, 可进行参数修改, 从而实现机组的各种工作制度和工艺过程的自动控制, 并采用带触摸的显示器为人机接口, 监控系统监控整个生产线的生产流程, 在屏幕上以多画面和表格直观实时显示机械、液压、电气设备的工作状态, 并可实现参数输入、输出、工件数据进行管理和显示机组实际工艺参数、故障报警信息提示等。在可靠性方面、过程自动化控制方面、工艺变更及参数输入方面、缩短自动周期等方面可达到最佳工作状态。同时借助HMI和可编程控制器实时通讯, 既可采集挤压机生产线工作过程中各种参数, 实现自动化参数在线管理、调节, 又可通过HMI输入各种工艺参数, 调整挤压机生产线各种工作状态, 使设备工作时平稳可靠, 挤压时间和辅助工作时间大为缩短, 产品的产量和成品率进一步提高, 从而使设备在最佳参数匹配下进行工作。

电气系统具备以下功能:采用TCP/IP协议向上一级网络传送所需数据;接受初级控制系统数据;挤压过程优化控制;挤压工艺数据预设;挤压过程管理 (挤压过程数据及速度变化曲线记录) ;工模具管理系统;生产管理系统;视频监视系统 (4个点) 。

触摸屏可以完成以下功能:挤压机系统故障诊断;报警显示及记录;位置、压力、油温、油位等显示;液压系统动态显示;气动系统动态显示;挤压速度与挤压力等显示;泵启动、停止;挤压杆和挤压筒对中位置显示;各种参数设定;动态挤压压力曲线;各动作到位指示。

系统主要控制功能包括:

(1) 挤压速度控制。液压系统采用进口变量泵, 在挤压速度低时采用变量泵和比例阀共同控制, 并由位移/速度传感器进行速度的实时反馈, 从而实现低速时的速度闭环控制;挤压速度高时, 由比例变量泵直接通过插装阀控制主柱塞的速度, 由于比例变量泵的高度灵敏性, 可以实现速度的精确控制。根据不同工艺要求, 可任意设定挤压速度并对其进行实时调节, 并可在上位机上监视和在线修改挤压过程中的各种动作速度。

(2) 挤压筒加热。挤压筒的加热采用进口加热管加热, 通过温度传感器将挤压筒加热温度采集到温度控制器中, 控制升温速度使其沿着设定的升温曲线进行加热, 从室温加热到450℃的加热时间为18h, 采用三相功率调节器 (变流器) 进行加热, 通过过零触发、调功方式调整控制温度;采用进口双点热电偶进行温度检测, 控温精度±5℃。

(3) 铝型材等温挤压控制系统。等温挤压是指铝材在模具出口处温度基本恒定的情况下尽可能地提高挤压速度。所谓基本恒定出口温度是指出口温度变化范围在±10℃以内。等温挤压不仅可以提高铝型材挤压产品的生产率, 而且可以提高铝型材挤压产品的质量, 是最为先进的挤压工艺。

采用温度和挤压速度闭环控制实现铝型材的等温挤压。根据有限元数值模拟的结果, 将挤压速度在铝锭坯的全长上分为逐渐减少的几个区域, 挤压机前梁出口安装有多波长红外测温仪, 连续检测铝型材离开模具口的温度, 检测结果直接送入机组的主PLC, PLC将检测到的温度与要求值进行对比, 如果温度在所要求的范围内, 继续挤压;如果温度高于要求值, 则降低挤压速度, 反之则增加挤压速度;挤压速度在>3mm/s时采用变量泵开环容积调速, 在0.2~3mm/s的低速段采用小流量变量泵加高频响的比例阀联合闭环调速, 电气上采用PID调节器等技术来提高调速的灵敏性和准确性;挤压机前梁出口处设有温度检测, 采用以色列3T公司可与上位机进行信息反馈, 实现模拟等温挤压。

(4) 挤压力限定。通过在监控计算机上设定最大允许挤压力, 防止模具、挤压工具等损坏。

(5) 挤压机自动调零。经过长期使用, 挤压机的测控系统可能出现偏差, 这时只需在监控计算机上点击自动调零按钮, 一切预置点自动调整。

(6) 优化式卸荷。在挤压结束时系统依据不同的压力采用不同的卸荷曲线, 使挤压机以最佳速度最小冲击完成卸荷动作。

2.590MN铝挤压机主要技术参数

3 试验验证

2012年6月, 90MN铝挤压机进行了出厂试验, 如图6所示。试验显示:前后梁的应力和位移值与有限元模拟结果一致, 挤压筒的应力和有限元模拟结果一致。

4 结论

(1) 理论分析和有限元数值模拟相结合的手段是大型铝挤压机前后梁和关键零部件设计的有效方法。

(2) 大型挤压筒热力耦合有限元优化设计可以建立高效可靠的挤压筒加热冷却系统。

(3) 液压和电气控制系统的集成技术不仅可以提高设备可靠性和安全性, 而且可以提高快速性和经济性。

摘要：介绍了90MN单动卧式铝挤压机的主要技术参数和结构特点, 对挤压机前后梁进行了有限元数值模拟优化分析, 得到了前后梁的应力应变分布;对挤压筒进行了热力耦合有限元仿真分析;介绍了液压控制系统的集成技术, 介绍了电气控制系统的主要组成。实验表明前后梁应力分布合理, 挤压筒受力状况良好, 液压电气控制系统稳定可靠。

关键词：机械设计,铝挤压机,关键技术,控制系统,挤压筒

参考文献

[1]王祝堂.大型铝型材生产与应用现状及发展动向[C]//2002年交通运输用铝市场及技术研讨会论文集.北京:2002:1-24.

[2]刘静安, 谢建新.大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计.北京:冶金工业出版社, 2003.

[3]魏军.金属挤压机.北京:化学工业出版社, 2006.

[4]俞新陆.液压机的设计与应用.北京:机械工业出版社, 2006.

铝型材挤压过程篇6

铝型材是指铝棒通过热熔挤压加工, 从而得到不同截面形状的铝材料, 目前主要包括建筑型材和工业型材, 型材是铝加工主要产品类型, 目前的占比在50%左右。我国国民经济和高新技术的稳定、持续、快速发展, 促使我国铝型材加工业发展十分迅速。近些年, 由于科技的进步和行业竞争的加剧, 铝型材生产企业不断推出新的品种, 部分企业产品种类可达上千种。

铝型材加工过程中, 挤压是型材成形的主要手段。其核心工艺包括以下过程:

(1) 模具准备:先根据型材产品断面设计、制造出模具, 生产前模具在模具加热炉中需要预热到足够长的时间;

(2) 铝棒加热:将铝棒在加热机中加热到指定的温度;

(3) 挤压:利用挤压机将加热好的圆铝棒从模具中挤出成形;

(4) 风冷:在挤压时还用一个风冷淬火过程及其后的人工时效过程, 以完成热处理强化。

在整个生产过程中, 有上百个关键的工艺参数, 这些工艺参数可对产品质量和生产效率产生重要影响。铝型材挤压车间一般包含多条产线, 每条线包含多台主生产设备。这些主生产设备价值昂贵, 都拥有各自的控制系统, 控制系统之间相互独立。

目前很多铝型材加工企业的车间管理仍然较为粗放。以挤压车间为例, 工人依据纸质的生产指令和产品工艺要求, 在一系列加工设备上依序手工设置主要的工艺参数, 并人工记录相应的生产过程, 包括换型时间、产量、实时参数、能耗等数据, 再由统计人员汇总分析。在生产过程中, 很难确保工人按工艺要求进行生产, 工人很容易出现操作错误 (如参数设置错误、模具拿错等) ;当出现质量问题时, 通过手工填写的纸质生产记录很难准确判断造成产品质量问题的根本原因。管理人员难以了解现场的实际生产进度情况, 生产报表只能依靠专人整理汇总, 生产数据很难跟其他相关部门共享[1]。在挤压生产中, 比较注重设备绩效的充分利用和生产工艺的持续改进, 但由于缺乏对设备状态和工艺参数的连续记录, 很难对工艺的持续改进提供依据。

制造执行系统 (MES) 作为联系计划层和控制层的纽带[2], 非常适合解决车间层面生产管理问题。基于此, 开发一个结合挤压工艺特点、架构良好的MES系统, 将可有效改善挤压车间生产管控。

1 系统建设目标

基于此, 铝型材挤压车间MES系统的建设目标包括:

(1) 产品工艺参数的集中控制;

(2) 车间生产计划的管理;

(3) 加工过程的透明管控;

(4) 生产能耗的实时统计;

(5) 利用看板实现目视化管理;

(6) 生产异常的实时呼叫与预警;

(7) 设备状态远程实时监控

(8) 权限控制;

(9) 生产历史的自动记录及绩效分析。

2 系统架构

基于以上系统目标和作业流程, 整个挤压车间MES系统采用工业光纤以太网为骨干网络, 以保证数据通讯的稳定可靠。系统架构参照ISA95标准[3], 以保证系统的扩展性, 其中MES系统直接经防火墙与ERP系统进行数据的双向交互, 和底层的设备控制系统通过标准的工业协议进行通讯。

整个系统的硬件和网络架构主要应包含以下几部分:

(1) 数据库服务器:主要利用实时数据库相关技术, 用于实现各种基础数据和历史数据的存储[4];

(2) 应用服务器:运行后台处理程序, 管理远程客户端链接, 实现MES核心应用逻辑。同时提供Web服务, 供远程办公电脑经防火墙访问查询报表及统计数据;

(3) 监控电脑及电视机大屏:用于集中监视现场所有生产线的任务完成情况、实际参数、报警情况等;

(4) 短信发送装置:用于以短信方式发送各种实时报警数据;

(5) 生产线现场操作站:在每条挤压线旁, 设置相应的现场操作站点, 现场操作站应配置为工业触摸屏电脑, 并与底层的模具加热系统、加热炉系统、挤压机系统、风冷系统和能源采集系统进行通讯。

(6) LED看板:用于显示汇总生产信息。

整个系统的架构图如图1所示。

3 作业流程设计

MES系统作为管理信息系统, 其系统设计、运行和现场的作业流程密切相关。实施MES后的挤压作业主体流程说明如下:

(1) ERP系统将工单和工艺数据自动下载到MES系统;

(2) 生产管理人员对生产计划进行排订, 审核后下达计划;

(3) 在生产线触摸屏电脑上, 操作员登录系统, 选择分配的生产工单, 系统调出相应的工艺数据开始生产;

(4) 系统通过与底层PLC联动, 设定相应的生产加工参数;

(5) 系统监视整个生产过程, 可以记录各种加工参数等, 并进行报警提示;

(6) 系统持续监视设备的运行状态;

(7) 当出现生产异常时, 工人可以进行呼叫;

(8) 管理人员可以在后台监视各条挤压线的总体生产状况;

(9) 系统进行生产批次跟踪, 产生各种生产报表。

4 软件功能实现

基于以上的生产管理流程, 整个系统的软件包含以下一些功能模块。

4.1 工艺参数管理

工艺参数管理模块将针对产品和原料材质, 把挤压线的工艺参数在数据库中完整地管理起来。考虑到具体设备的测量偏差, 系统由工艺人员负责管理某工序的通用参数, 而设备管理人员针对不同设备设置相应的参数偏差值。如图2所示。

4.2 生产计划管理

MES直接通过与ERP系统的接口, 获得挤压车间的周生产计划。车间计划人员跟据生产线的产能和生产实际情况完成每条挤压线的日计划排定, 排好的工单数据包括生产订单号、型号、料号、排产量、优先级、计划生产时间等信息。

通过现场的数据采集, 系统将反馈每个工单的实时进度和预计完成时间, 从而实现ERP中生产计划与现场设备的直接衔接。

4.3 生产过程管控

如图3所示, 生产过程管控模块主要包含以下功能。

(1) 工单执行与工艺参数下载

工人在现场的触摸屏电脑查看并浏览工单, 调整工单顺序, 并选择启动工单。系统将相应工单对应的工艺参数数据直接下载到设备PLC。系统针对工单顺序, 对模具的加热等准备工作可进行提示。

(2) 工艺数据实时监视

系统提供图形化的界面, 供工人在现场了解当前工艺参数的实时值与目标值的差异。系统对工艺参数的超限与差异, 提供必要的报警。

(3) 设备效率实时监视

系统通过与挤压机的数据接口, 获得当前工单和模具的实时产量。系统可真实记录每个铝棒的加载时间、有效挤压时间, 并与标准节拍进行比对, 实时计算设备节拍和预计完成时间。

(4) 模具管理

系统对每个模具提供唯一的编号, 对模具的加热开始、结束时间、加热温度进行记录, 确保模具加热按要求进行。

(5) 班组工时管理

现场的员工工时及交接班活动, 在系统中也将详细记录。

(6) 呼叫管理

在生产过程中会出现各种异常, 需要有相应的处理机制快速响应。由于挤压车间的噪声较大, 系统采用手机短信方式来快速通知相应管理人员尽快处理。当出现设备故障、质量缺陷、物料短缺等不同类型的异常时, 工人在现场的触摸屏电脑选择缺陷类型, 相应的手机短信会马上发送到相应的管理人员, 同时系统记录整个过程。

4.4 生产用能管控

通过全电量监测 (包括电压、电流、电量、功率因素等) 和采集水、汽实时流量和累计流量, 系统可实时记录能耗数量。通过将用能与生产过程结合, 可以计算出多种能耗KPI, 为节能降耗打下坚实基础。

4.5 设备状态远程实时监控

如图4所示, 该模块主要以车间生产门户网页的方式, 直观显示一些重要的生产参数, 供管理人员远程监控所有生产线的生产现状, 实现车间生产透明化。具体来说, 这些参数可包括设备当前状态实时监视 (运行、故障等) 、设备运行参数显示 (例如:节拍、线速等) 。

4.6 LED看板

现场大屏可以直观显示本挤压线的计划任务数、正在加工的工单、工单完成情况、节拍等生产进度信息、通知信息、现场工人的呼叫信息和故障信息等, 实现现场的目视化管理。

4.7 权限控制

系统的所有操作都需要授权并被详细记录, 权限根据需要可以分为多个级别。

4.8 报表统计

系统提供多种生产报表, 包括工单进度报表、班组产量报表、工艺参数曲线报表、设备能耗分析报表、生产异常报表、生产节拍报表、工艺参数明细报表等。

5 结束语

本文介绍的铝型材挤压车间MES系统, 已在某大型铝型材加工企业成功试用, 系统基本达到了设计要求。可以在根本上规范挤压工人的现场操作, 降低现场差错率, 节约换型时间, 大幅缩短现场生产异常的响应时间, 有效提高设备利用效率, 提升产品质量和作业效率, 降低生产能耗。现场生产数据的实时采集, 使管理人员清晰了解车间现场的一线情况, 生产调度更为顺畅。

事实上, 本系统虽然主要覆盖挤压车间, 但系统总体架构具有一定的扩展性。未来扩展到铝型材其他工序时, 主要的实施工作将集中在设备接口和工艺参数配置方面, 而整个系统的架构可保持相对稳定。

摘要：制造执行系统 (MES) 可有效提升铝型材挤压车间的生产管理水平。结合铝型材挤压工艺, 针对挤压车间生产管理存在的问题, 提出了挤压车间的MES系统建设目标, 设计出一种适用铝型材行业的MES系统架构, 阐述了MES系统下的车间作业流程, 并对软件功能模块进行了总体设计。对系统的应用情况进行了分析, 并对系统发展进行了展望。

关键词：制造执行系统,铝型材,挤压车间,MES

参考文献

[1]沈怡.浅谈MES系统在统计工作中的应用与不足[J].中国西部科技, 2011 (04) :27-28.

[2]谈剑.制造执行系统框架的领域分析[J].机电产品开发与创新, 2013 (03) :69-70.

[3]贾洪哲, 沈英儒.浅析ISA-95和MES系统[J].中国信息界, 2011 (01) :63-64.

铝型材挤压过程篇7

导流模又称前室模，是生产薄壁复杂实心型材常用的挤压模具。采用导流模具生产型材时，坯料首先通过导流孔预成形，获得与型材相似的几何形状，然后再进行二次变形，挤压出各种断面形状的型材。导流孔不仅增大了坯料与型材的几何相似性，有效地控制了金属流动，减少了产品的扭拧和弯曲变形，而且改善了模具的受力条件，提高了模具寿命，所以其设计是否合理是导流模具设计的关键[1]。传统模具设计主要依赖设计者的经验，经过反复试模修模，最后生产出合格零件，既费时又费力。利用数值仿真的方法不仅周期短、成本低，而且可以获得材料的应力、应变、温度、速度等现场难以测量的场量，对于掌握挤压过程中材料在模具中的流动规律进而提高型材质量非常重要。为此，国内外许多学者采用数值模拟的方法对挤压成形过程进行了大量的研究[2,3,4,5,6]，并取得了较大的进展。

目前关于挤压过程的数值模拟研究大多采用拉格朗日法和欧拉法。采用拉格朗日法分析大变形的挤压问题时，单元容易产生畸变，需要频繁的网格重划，导致体积损失过大，严重影响了计算精度;而采用欧拉法模拟时，需要利用复杂的数学映射来描述自由表面的运动状况并且对材料所有可能流过的区域划分网格，占用大量计算机内存，特别是分析薄壁、空心、复杂断面型材时计算时间令人难以接受。ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)算法吸收了拉格朗日和欧拉算法的优点，通过引入一个独立于物质构型和空间构型的参考构型，使得计算网格能够任意移动，从而避免了单元畸变以及自由界面追踪所带来的困难[7]。本文采用基于ALE算法的商业化软件HYPERXTRUDE对一异形铝型材的挤压过程进行数值模拟，以导流孔形状为影响因素，采用Box-Behnken设计确定试验方案建立分析模型，利用最小二乘法对模拟结果进行拟合，得到型材截面速度均方差的响应曲面公式，并以此为优化目标采用粒子群算法对导流孔形状进行优化。

1 优化模型的相关理论

1.1 ALE算法基本理论

ALE算法以物质运动的ALE模型为理论基础，不同于拉格朗日或欧拉描述模型，ALE模型另外引进了一个独立于物质构型(ΩX)和空间构型(Ωx)的参考构型(Ωξ)。计算网格的划分是在参考构型中进行的，独立于物体和空间运动的，可以根据需要自由选择。根据任意单元体中的质量、动量和能量守恒定律，获得参考坐标系下的控制方程：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ为材料的密度，wi、wj为物质点在ξ空间中的位置矢量对时间的导数，vi为物质点在空间中的速度矢量，Tji为定义在参考构型下的第一类皮奥拉-克希荷夫应力张量，fi为作用于物体中单位质量的体力，e为物体单位质量中的内能。

在采用ALE算法求解具体问题时，需要引入正确的材料本构关系并对模型施加适当的边界条件，然后对整个控制方程进行求解[8]。

1.2 响应曲面模型和Box-Behnken试验设计

响应曲面法(response surface methodology,RSM)，也称回归设计，是采用多元二次回归方程来拟合因素和响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法。RSM法与其他数据统计方法相比，不仅考虑了自变量之间的交互作用，提高了拟合精度，而且还可以运用图形技术将二者之间的函数关系显示出来，使结果更加直观。本文选择二阶响应曲面方程，其模型可表示为：

式中，xi为设计变量，ε为残余误差，β0、βi、βii、βpi均为待定系数。

Box-Behnken试验设计是一种基于三水平的二阶试验设计方法，可以评价指标和因素之间的非线性关系，是RSM常用的试验设计方法之一。Box-Behnken设计的每个因素只需要三个水平，与其他方法(如星点设计法)相比所需的试验次数较少，效率更高，且所有的影响因素不会同时处于高水平，所有的试验点都落在安全区域内，因此本文选取Box-Behnken试验设计方法对导流孔的形状进行优化设计[9]。

1.3 PSO算法基本原理

粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)是Kennedy和Eberhart于1995年提出的一种以鸟类觅食行为为基础的全局优化算法，因其原理简单，算法实现容易，运行速度快，已被广泛应用于机械、化工、生物医学等领域。该算法模仿鸟类的群体觅食过程，将待优化问题的解看作为搜索空间中的一个粒子(鸟)，解的优劣程度由适应函数决定。各粒子通过不断追踪自身所经过的最佳位置和整个种群所经过的最佳位置这两个极值来更新自己的速度和位置，最终到达全局最优解所在的位置[10]。

2 模拟试验方案的确定

为了获得最优的导流孔形状，进而更好地控制材料在模具中的流动，提高型材质量，在保持其他工艺参数不变的情况下，选取导流孔不同部位的宽度作为优化变量，如图1所示，并结合实际情况确定各个变量的范围如表1所示。以模具出口型材截面上的金属流速均方差(SDV)为优化目标，建立优化模型如下：

式中,n为所考虑截面内的节点个数;vi为出口截面上第i个节点的流速;v軃为出口截面上所有节点的平均流速。

选取6063铝合金作为模拟材料，挤压筒预热温度为450℃，坯料加热温度为480℃，挤压比为31.2，模具与坯料间的对流换热系数为3000 W/m2·℃，挤压速度为2mm/s，模具工作带处设为库仑摩擦，摩擦系数为0.3，其他部位设置为粘性摩擦。将材料流经区域分为棒料、导流孔、工作带和型材四个部分进行网格划分，并建立分析模型如图2所示，其中工作带和型材部分采用三棱柱网格，导流孔和棒料部分采用四面体网格。将上述4个设计变量在各自范围内取3个水平，采用Box-Behnken设计确定试验方案，对所设计29组试验方案进行数值模拟，并计算出相应的型材出口流速均方差，如表2所示(由于数据较多，在此只列出部分结果)。

3 响应曲面的建立和粒子群算法寻优

根据表2中的数据，利用最小二乘法拟合响应曲面，得到型材出口速度均方差与导流孔形状的响应面函数如下：

表3为本文模型的方差分析结果，模型较小的P值表明回归模型对响应值的影响极为显著;相关系数R-Squared为0.9864，表明模型拟合程度良好，误差较小，可以用来拟合实验结果。为了进一步验证RSM预测结果与数值分析结果是否一致，本文另外设计五组试验进行数值模拟，并与RSM预测结果进行比较，如表4所示，预测值与模拟结果之间的误差均小于10%，说明RSM的预测结果比较准确，与实际情况比较吻合。

为了获得最佳的导流孔形状参数，结合粒子群优化算法对上述响应面模型寻优，设置初始种群数目为40，惯性权重取0.8，学习因子取1.45，最大迭代次数为200。进化迭代次数与适应度值之间的关系如图3所示，迭代20次左右，粒子达到最佳位置，得到最优导流孔形状参数为a=15.58;b=8.45;c=6;d=15.47，此时RSM预测的型材截面速度均方差为0.35。

4 优化结果与讨论

为了验证优化结果的正确性，根据优化后的模具结构参数建模并进行数值模拟，得到的模具出口型材截面速度均方差为0.38，与RSM所预测的结果(0.35)几乎一致。模具优化后型材截面速度分布与初始设计方案对比如图4所示，可以看出初始设计方案中型材挤出模具后产生了较大的变形，尤其在几个角上变形尤为明显，而优化后型材变形明显减小。在整体速度分布对比上，优化后模具出口处型材截面最大速度与最小速度之差仅为1.5mm/s，而初始计方案中的最大速度与最小速度差值达到20mm/s，速度均方差为5.4。在挤压力方面，优化后导流孔对材料的分配更加合理，更有利于控制材料流动，因此成形所需的挤压力(5710kN)较初始方案(5980kN)降低了5%。图5为优化后型材截面的温度分布图，可以看出整个型材截面上温度分布比较均匀，最高温度与最低温度的差值仅为10℃，完全符合实际生产的要求，也为获得高质量型材提供了保证。综上所述，采用数值模拟结合响应曲面法和粒子群算法对导流孔形状进行优化是可行的，模具优化后不仅改善了金属流动情况，减小了型材的变形，提高了型材质量，而且还降低了挤压力，减少了能耗，从而为企业的实际生产过程提供了技术支撑。

5 结论

(1)采用基于ALE算法的HYPERXTRUDE软件对一异形铝型材挤压过程进行了数值分析，得到了型材的速度、温度分布和变形情况，分析了金属在挤压过程中的流动规律。

(2)以导流孔形状为影响因素，以模具出口型材截面的速度均方差为优化目标，采用Box-Behnken设计确定试验方案，结合曲面响应法和粒子群算法对铝型材导流孔形状进行了优化。

(3)与初始模具设计方案相比，模具优化后挤出的型材速度分布更加均匀，变形明显减小，模具出口型材截面的速度均方差为0.38，仅为初始设计方案的7%，大大提高了型材的质量。

参考文献

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[2]林高用,周佳,张永宁,陈兴科,蒋杰,王芳.铝型材挤压模具导流孔结构优化.中南大学学报自然科学版,2007,38(2):225-231.

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