连续挤压（共3篇）
连续挤压 篇1
连续挤压包覆技术 (Continuous E xtrusion Cladding) 是在连续挤压技术基础上发展起来的一种新型塑性加工技术, 广泛应用于双金属复合导线、电缆护套、光缆护套等的生产上[1]。但是连续包覆成形是一个非常复杂的过程, 首先其挤压轮槽为扩展型, 极易出现拱起现象使坯料与轮槽脱离接触, 摩擦驱动力降低, 再者坯料进入模腔后温度急剧升高, 高于纯铝再结晶温度使坯料与模腔内壁的粘着现象出现, 坯料与模腔摩擦力急剧升高, 两者同时作用使纯铝坯料流动速度急剧降低, 在实际生产出现堵模和卷曲现象, 所以通过有限元数值模拟分析铝护套生产金属流动过程有十分重要的意义。
1 有限元模型建立
铝护套连续包覆成形过程采用有限元数值模拟软件Deform-3D进行模拟分析, 连续包覆过程中坯料塑性变形剧烈, 弹性变形对整个变形过程影响很小, 则可以采用刚-粘塑性有限元法。连续包覆铝护套生产采用单轮双槽式结构, 模型具有对称性, 为提高有限元模拟计算速度, 取其一半作为研究对象, 如图1所示。根据连续挤压包覆变形的特点, 以Φ9.5m m的1100铝为原料, 只分析挤压轮速对金属变形的影响, 选取挤压轮转速为2rpm、4rpm、6rpm和8rpm四种情况下挤出外径为16m m, 壁厚为1mm的电缆铝护套进行模拟分析。
连续包覆过程中的摩擦是一个较为复杂的摩擦过程, 摩擦是在变压力、变温度作用下产生的, 而且连续包覆中的摩擦是伴随着工件塑性变形, 摩擦因子应为速度、温度和变形量的函数[2], 但在应用DE F O R M-3D有限元软件模拟加工时, 根据其提供的常摩擦因子模型, 只能采用假定变形体与同一接触体之间为一个不变量。各摩擦因子和其它初始条件设置如表1[3]所示。但在实际当中, 由于摩擦的状态在不断发生变化, 因此摩擦问题总是最终影响计算结果偏差较大的一个关键原因之一[4]。
2 数值模拟结果与分析
2.1 金属流动速度分布
图2为在不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔内坯料的速度分布图。
从图2中速度分布来看, 随着挤压轮转速的不同, 模腔内金属的流度也不同。金属的流动速度的增加倍数与挤压轮转速增加的倍数大致相当。这主要是由于挤压轮的转动是整个连续挤压包覆过程中一切金属变形的动力源, 挤压轮转速的增加后, 模腔内金属坯料也会相应增加。由图2的四个不同挤压轮转速下连续挤压包覆模腔中金属坯料的流动速度可以看出, 挤压轮转速的变化不能改变导流模上下两部分金属流动速度差, 随着挤压轮转速的增加, 导流模上下两部分金属流动的最高速度与最低速度的比值大致保持在3~4, 没有太大变化, 但是由于整个模腔内金属流动速度的增加, 则导流模上下两部分金属流动速度差的绝对值随着挤压轮转速的增加逐渐增大。因此, 挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。
2.2 坯料最高温度
图3为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与金属坯料最高温度的关系曲线, 随着挤压轮转速的增加, 金属坯料的最高温度也相应升高, 这主要是因为挤压轮转动是整个连续挤压包覆过程的动力源, 挤压轮的转速增加, 则单位时间内金属与挤压轮接触面的摩擦热和塑性变形热增大。随着挤压轮转速的提高, 则挤压速度也相应提高, 挤压包覆过程中热量不易散失, 坯料的最高温度也相应升高。在整个连续挤压包覆过程中, 当挤压速度为2 rpm时, 坯料的最高温度出现在连续挤压包覆模腔中, 而当挤压轮转速从4 rpm增加到8 rpm时, 金属坯料的最高温度在堵头处。这主要是因为挤压轮转速很小时, 进入模腔前金属坯料的温度不是很高, 而模腔的预热温度为450℃, 模腔内的金属坯料受到模腔的热传导, 温度继续升高。另外, 当挤压轮转速为8 rpm时, 堵头与模口之间的台阶处, 坯料的温度上升到647℃, 此处为金属变形死区, 应力非常集中, 而模具材料为H 1 3钢, 温度超过600℃时, 性能急剧降低, 可能会造成模腔的失效。因此, 在实际生产中, 挤压轮的转速采用4 rpm和6 rpm较为合适。
2.3 挤压轮扭矩
图4为在连续挤压包覆过程中挤压轮的转速与挤压轮扭矩的关系曲线, 随着挤压轮转速的增加, 挤压轮扭矩先减小后增大, 挤压轮转速为6 rpm时是扭矩变化的拐点。
而挤压轮的驱动功率W (KW) 为:
式中:M为挤压轮扭矩;n为挤压轮转速。
表2所示为利用式 (1) 计算得到挤压轮的驱动功率。由表2可以看出, 随着挤压轮转速的增加, 挤压轮的驱动功率也相应增加。因此, 在连续挤压包覆过程中, 不考虑其它因素下, 提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。
3 结论
(1) 挤压轮转速的增加不利于连续挤压包覆模腔内导流模金属流动的均匀性。
(2) 随着挤压轮转速的提高, 则挤压速度也相应提高, 挤压包覆过程中热量不易散失, 坯料的最高温度也相应升高, 可能会造成模腔的失效。
(3) 在连续挤压包覆过程中, 不考虑其它因素下, 提高挤压轮的转速有利于连续挤压包覆生产率的提高。在综合考虑了连续挤压包覆工模具的使用寿命和生产效率的提高后, 挤压轮的转速为4~6rpm较为合适。
参考文献
[1]宋宝韫, 樊志新, 刘元文, 等.铜、铝连续挤压技术特点及工业应用[J].稀有金属, 2004 (1) :28:257.
[2]JR Cho, H S Jeong.Parametric investigation on the curling phenomenon in CONFORM process by thress-dimensional finite element analysis[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 110:53-60.
[3]储灿东, 彭颖红, 阮雪榆.连续挤压成形过程仿真中的摩擦模型[J].上海交通大学学报, 2001, 35 (7) :993-997.
[4]朱伟, 张质良.有限元数值模拟的若干关键技术[J].计算机仿真, 2004, 22 (3) :88-91.
连续挤压 篇2
挤压生产出的铝制扁管其多空扁管的断面类似口琴, 因此常被称为口琴管。在换热器中用作流体导管, 通常口琴管设计为5--25孔, 冷却介质在孔中平行流动, 所以简称平行流口琴扁管。其特点为:壁薄, 孔数多, 挤压难以成形, 而且通道间相对封闭, 焊缝纤维组织无缺陷, 冷变形时不破裂, 能承受大于8MPa的压力。目前在汽车空调上其要求的爆破压力位10-15MPa, , 而在家用空调上要求的爆破压力通常要求的为18--20MPa, 。
2 平行流口琴扁管的模具设计
口琴扁管因其特殊性, 所以从材料的选型和设计上都与其他模具有区别。在本文中只对康风连续挤压机生产口琴扁管模具的设计制造进行说明讲解。
2.1 模具材料
因平行流口琴扁管为热挤压状态形成, 所以其生产模具材质要有良好的耐热性, 可以在较高温度时具有较好的强度和硬度, 高的耐磨性的韧性, 优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。所以在设计时基本上选用的为4Cr5Mo Si V1 (美国牌号为H13) , 该钢具有高的淬透性和抗热裂能力, 它含有较高含量的碳和钒, 耐磨性好, 韧性相对有所减弱, 具有良好的耐热性, 在较高温度时具有较好的强度和硬度, 高的耐磨性的韧性, 优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定
2.2 分流桥
平行流口琴扁管在模具设计上基本上全部采用的分流腔的设计。其流桥的结构和尺寸对金属的流动速度、焊合质量、挤压比大小和模具强度都有明显的影响。分流桥的宽度和高度要根据产品的各项技术性能指标俩进行参考设计, 其分流桥的宽度要从加大分流比, 降低挤压力方面来考虑。康风连续挤压机一般只生产管材宽度L≤28的模具, 其所采用的一般为双分流孔或三孔均布分流、单桥设计, 进料是要保证充分将材料分流, 且保证两端供料充足, 在分流桥进口和出口处要保证料可以流畅自如, 否则易导致两侧圆弧处壁厚不足, 形成壁偏。所以在设计上要从:为了有利于金属的流动来入手, 其断面形状一般入口端为正锥形, 锥角为小于30°, 出口与模芯连接处要做成圆角过度, 康风连续挤压机因其有一定的局限性, 所以在一般设计时其分流孔的数量2--3孔, 以减少焊缝, 增大分分流孔面积, 降低挤压力。根据挤压口琴扁管产品的外形尺寸, 分流孔一般采用2个扁椭圆分流孔, 而生产铝制圆管, 根据产品尺寸的大小及性能, 则采用3-4个梯形圆孔。在模具分流孔的设计时分流孔的布置要尽量的与保证在设备挤压中心, 不宜过于靠近挤压筒的中心。在设计时要注意一般分流桥的尽可能强度要硬在HRC43-46最好, 否则在挤压时会因为强度不够, 而产生变形, 影响产品尺寸和模具寿命, 而在保证模具有足够强度的前提下, 挤压比也尽可能的取最大值, 有利于金属的流动和焊合。在加工分流桥进口两端后出口两端的连接圆弧角时, 要尽可能的加工一致, 如不一致会有可能进料或出料速度不一样, 而进料和出料快的那一边会将模芯挤断或挤偏。
3 型腔模芯和工作带
在设计型腔尺寸时, 主要考虑挤压产品的材料、形状、尺寸及其横断面的尺寸公差, 还要考虑产品和模具的热膨胀系数、模具的弹性变形、产品在拉矫直时的断面尺寸收缩等因素:工作带尺寸的设计要保证产品尺寸在冷状态下不超过所规定的偏差范围, 同时要最大限度地延长模具的使用寿命, 所以在一般设计上型腔的材质均选用硬质合金为主, 根据口琴扁管的要求, 选用不同的硬质合金。例如在设计16*1.8-10产品时, 型腔可以采用YG15或YG11等材质合金, 而模芯可以选用比以上两种合金材料软一点的材料或用H13加氮化。而在设计多孔小筋的产品模具时, 模芯的材料硬度一定尽量高于上诉两种合金材质。由于口琴管壁厚小, 其模具工作带的设计对型材出口流速和挤压力的影响很大。例如:在我们的最初设计中, 上模型腔定径带为1.2 mm, 模芯定径带为1.5mm, 挤压时挤压力偏大, 经常出现粗拉现象, 而在管材表面上型会出现白斑和竹节等现象, 经过长时间的摸索, 发现如果模芯定径带和上模型腔定径带略微调整, 下模两头工作带也根据上模适当调整, 中间工作带适当减小, 除了不会在发生白斑和竹节等现象, 挤压力也明显下降, 两大面腔壁下凹现象消失。
4 模具装配和抛光
由于口琴扁管模具基本上采用数字程控机床加工, 因此模具焊合室与分流孔的加工精度均可得到保证。所以抛光在模具制作过程中是很重要的一道工序, 模具型腔的表面抛光质量也要相应提高, 特别是镜面和高光高亮表面的模具对模具表面粗糙度要求更高, 因而对抛光的要求也更高。型腔出口采用整体铜电极电火花加工, 然后定径带采用慢走线切割加工上模芯。所以其关键便在钳工对型腔和模型定径带的抛光。模具装配精度主要取决于钳工的技术水平。装配精度高的模具可以生产更多吨挤压产品, 而精度差的模具仅能生产很少数量的挤压小结产品, 因此必须严把模具装配关, 并制定相应的作业指导和检测程序。
5采用以上介绍的工艺生产的口口琴管完全满足国内空调厂家的使用要求。
连续挤压 篇3
铝护套连续挤压包覆技术的原理如图1所示是利用摩擦力作为驱动力进行挤压, 挤压靴被放置在挤压轮的上方, 芯线穿过挤压型腔, 从而使挤出的金属可间接地挤压包覆在芯线上, 从模口同时挤出, 得到包覆产品, 铝护套的生产采用的就是这种间接包覆工艺[2]。
由图1可知, 铝护套连续挤压包覆成形过程是一个受多种因素影响的复杂过程。首先, 挤压轮槽为扩展型, 极易出现使坯料与轮槽脱离接触的拱起现象, 从而摩擦驱动力降低;另外, 切向进料导致包覆模腔上下部位为非对称结构, 模腔中导流模上下部位金属流动速度差别, 在挤出模口处出现弯折和卷曲现象。
模腔内金属流动状态分析。
如图2所示, 两股金属坯料在挤压轮槽侧面的摩擦力作用下挤入包覆型腔中, 连续挤压包覆型腔由汇合室、转角区和焊合室三部分组成, 两股金属先在汇合室中进行汇合, 然后经焊合室从模口挤出, 形成铝管, 再通过后续的拉拔工艺形成铝护套包覆在芯线上。在汇合室中, 金属将进行分流和体积分配, 导流模上下不对称结构造成了金属流动的不均匀, 降低了铝护套的焊合强度和尺寸精度。因此, 提高型腔中金属流动均匀性是连续挤压包覆工艺的核心, 首先必须对连续挤压包覆型腔内金属流动过程进行分析。
汇合室金属流动状态分析。
如图2所示, 根据在汇合室中金属流动特点, 将汇合室分为7个变形区, g点为弧ig上的切线ag的切点, 而ce线垂直于切线ag。Ⅰ区为锥形导流道, 从模口进入Ⅰ区的金属, 一部分从Ⅲ区和Ⅳ区流过, 进入Ⅴ区, 然后被挤入焊合室;另一部分从Ⅱ区流过, 进入Ⅵ区和Ⅶ区, 并将Ⅵ区和Ⅶ区金属挤入焊合室。这两部分金属的分流线为dfh, 如图所示, 其中d点为ab线垂直平分线与ce线的交点, f点和h点分别为og线与弧fl和弧hk的交点。在Ⅰ区中, 比邻Ⅱ区这边模腔内壁与竖直方向有6度的夹角, Ⅱ区中金属流量多于Ⅰ区。
在Ⅲ、Ⅳ区中, 当金属坯料全部充满时, 由于受到汇合室侧壁的限制金属沿水平没有移动, 只沿着导流模径向流动, 因此可以被视为平面应变;在Ⅱ区中, 金属的流动方向发生了明显转折, 大致与分流线df平行, 可将Ⅱ区视为刚性块, 并沿分流线df滑动。
(1) 缆芯; (2) 模芯; (3) 模腔; (4) 铝护套; (5) 压实轮; (6) 挤压轮; (7) 原料
如图2所示, 在Ⅳ区底部两股金属交汇处会出现角度为θ的弧线区域, 在这一区域内, 由于已经流动很长距离, 金属流动速度远慢于同区域金属, 则向Ⅴ区流动金属往往不足, 在Ⅴ区中金属需要向下填充。因此在连续挤压包覆过程中, 由于Ⅱ区比Ⅰ区分得金属多, 再加上Ⅳ区出现难流动部位, 则在连续挤压包覆成形的前期以及过程中可能会出现未焊合的缺陷。
转角区金属流动状态分析。
汇合室中Ⅴ区, Ⅵ区以及Ⅶ区流动的金属继续向前流动, 在转角区与瓶式导流模接触, 在它约束下该变流动方向, 由径向流动方向转为沿着导流模的水平方向流动。图3为铝护套连续挤压包覆瓶式导流模, 由图可知其为轴对称结构, 流动的金属受其约束只能改变流动方向, 而不能改变流速。因此, 汇合室的Ⅴ区, Ⅵ区以及Ⅶ区金属流动速度的不均匀会延续到转角区金属的流动, 从而转角区瓶式导流模上下部分流动不均匀。
焊合室金属流动状态分析。
在连续挤压包覆型腔中, 流动的金属在汇合室汇合后受到瓶式导流模的约束改变流动的方向, 沿着导流模的方向流入焊合室。图4为连续包覆型腔焊合室示意图, 图中箭头的方向为金属流动的方向, 金属在焊合室焊合经定径带流出模腔, 得到成型的产品。在焊合室中, 流动的金属在凹模和型腔的底部形成一部分区域, 此处金属流动缓慢, 称为死区。如图所示, 铝护套连续挤压包覆焊合室为轴对称结构, 其上下部位金属流动继续流动不均匀, 这也就造成了铝护套连续挤压包覆生产的弯折和卷曲等缺陷, 实际生产中往往要通过后期的牵引等手段解决。
(1) 对铝护套连续挤压包覆模腔进行分区, 分别分析了模腔中汇合室、转角区和焊合室中金属的流动状态。 (2) 通过分析模腔中各区域的金属流动过程, 提出了铝护套连续挤压包覆实际生产中出现的弯折、卷曲及未焊合等缺陷的产生原因, 为其解决提供了理论依据。 (3) 根据分析结果, 提出实际生产解决弯折、卷曲及未焊合等缺陷的实际方法。
摘要：本文对铝护套连续挤压包覆模腔进行分区, 分别分析了模腔中汇合室、转角区和焊合室中金属的流动状态。通过分析模腔中各区域的金属流动过程, 提出了铝护套连续挤压包覆实际生产中出现的弯折、卷曲及未焊合等缺陷的产生原因, 为其解决提供了理论依据。
关键词：铝护套,连续挤压包覆,模腔,金属流动
参考文献
[1]宋宝韫, 樊志新, 刘元文.铜、铝连续挤压技术特点及工业应用[J].稀有金属, 2004 (1) :257.