扁擠壓筒優化設計方法研究

成小樂，馮亞斌，肖錦祺，黃 勝，楊 建

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安 710613)

0 前言

大型扁寬薄壁板型材擠壓件具有比強度高、造型美觀、耐腐蝕性和氣密性好等優點，在我國飛機、高鐵及地鐵等現代交通方面已廣泛應用[1]。本文闡述了疲勞、蠕變等對扁擠壓筒的影響，分析了死區大小對摩擦力及擠壓力的影響機理，總結出提高扁擠壓筒壽命方法。

1 扁擠壓桶結構缺陷分析

擠壓筒是擠壓設備的核心部件，擠壓筒的成本往往占擠壓總成本的30%以上[2]。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒內孔形狀與壁板類型材幾何形狀相似。在擠壓同寬度的型材時，扁擠壓筒擠壓腔橫截面積比圓擠壓筒小很多，導致在擠壓過程中可以大幅降低擠壓力[3]，如表1所示，扁擠壓筒相比圓筒擠壓力下降56.27%。并且在很大程度上可以使制品橫截面上金屬的流動速度均勻，產品質量更高，擠壓筒結構更加緊湊[4]。正是因為扁擠壓筒擠壓過程中擠壓力的降低，所以在相同擠壓能力下，扁擠壓筒允許擠出的最大板型材尺寸大于圓擠壓筒，低噸位的扁擠壓筒可以替代高噸位的圓擠壓筒生產同等寬度的板材，如表2。使得擠壓生產中所需設備噸位降低，更符合節能減排的理念，與“中國制造2025”綠色節能目的緊密貼合。

表1 圓筒與扁筒擠壓力對比

表2 圓擠壓筒與扁擠壓筒的擠壓能力對比

然而，由于扁擠壓筒擠壓腔形狀的不完全對稱，造成各部位厚度不均勻分布，導致扁擠壓筒在裝配與工作條件下，應力分布極不均勻。擠壓腔兩端圓弧過渡處存在嚴重的應力集中現象，此處應力峰值一般高出相同半徑下其他區域應力值的10%以上[5]，嚴重影響了扁擠壓筒的使用壽命。以80 MN擠壓機用扁擠壓筒為例，通過有限元分析得到扁擠壓筒裝配及工作條件(工作應力為520 MPa)下的應力分布如圖1、圖2所示。建模及材料具體參數參考文獻[1]。可以看到無論裝配或工作條件下扁擠壓筒的應力變化均很大，尤其是在工作條件下扁擠壓筒擠壓腔圓弧過渡處的應力峰值已達1 402.79 MPa，是扁擠壓筒用材料H13鋼屈服強度的87%。

圖1 扁擠壓筒裝配時等效應力分布云圖

圖2 扁擠壓筒工況時等效應力分布云圖

扁擠壓筒的工作環境非常惡劣，需長期承受高溫、高壓的作用。在工作過程中由于扁擠壓筒反復加熱和冷卻、反復加載和卸載，在激冷激熱和交變高壓載荷的作用下，會產生疲勞破壞，應力集中區域更是如此[6-7]。并且扁擠壓筒在高溫環境下，蠕變變形開始變得顯著，其加速了疲勞破壞[8]。另外，由于擠壓模具和扁擠壓筒之間形成死區，死區大小影響擠壓力的大小，從而影響扁擠壓筒承受的負荷，也是扁擠壓筒損壞的影響因素之一。

正因扁擠壓筒自身結構的不完全對稱、高溫和高壓及其引起的蠕變和疲勞以及死區的綜合影響，使得扁擠壓筒往往達不到理論設計的工作時長就提高失效，這樣既增加了擠壓成本，也降低了生產效率。

2 扁擠壓筒優化方法

2.1 傳統扁擠壓筒結構優化

扁擠壓筒需長時間在高壓下工作，所以一般被設計成過盈裝配且為兩層及其以上的預應力組合筒，各層襯套間接觸面一般為圓柱。許多學者為了提高扁擠壓筒的使用壽命，在多方面對其結構進行了優化，如襯套層數、厚度及表面應力集中現象的優化，運用程序語言結合智能算法對其結構尺寸優化，還有對扁擠壓筒孔型及過盈量的優化。

利用有限元軟件對雙層、三層扁擠壓筒擠壓過程中的應力分布進行模擬仿真，發現將兩層襯套增加為三層襯套，工況下的扁擠壓筒應力最高點e等效應力值由1 395 MPa降低為1 150.3 MPa[9]，如圖3所示。通過研究扁擠壓筒壁厚和最大等效應力的關系如圖4所示，發現改變壁厚也可以適當改善扁擠壓筒應力集中的現象[10,12]。并且對扁擠壓筒各層襯套表面易產生應力集中的結構進行優化，如：將扁擠壓筒端面線槽旋轉一定角度以避開側線槽應力薄弱區域，最終使線槽在過盈裝配時等效應力由940 MPa降到580 MPa左右、工作時等效應力由1 195 MPa降到680 MPa左右[13]，如圖5、圖6所示。為簡單、快捷的設計出最佳性能的扁擠壓筒，結合有限元仿真，將神經網絡技術和遺傳算法思想引進扁擠壓筒結構設計中，為復雜非線性問題優化設計提供了新方法。以80 MN扁擠壓筒為例，在各參數取值范圍內，通過設計正交實驗來訓練BP神經網絡，再采用多目標遺傳算法對取值范圍內的參數進行優化，最終得到了一組最優解[14-16]，如表3所示。

圖3 不同襯套層數下扁擠壓筒工作狀態的最大等效應力

圖4 襯套各層厚度對最大等效應力的影響

圖5 過盈裝配時線槽優化前后等效應力值

圖6 工作時線槽優化前后等效應力值

表3 80 MN扁擠壓筒各結構參數取值范圍及優化后最優解

扁擠壓筒擠壓腔的形狀是由兩條直線與兩個過渡圓弧構成，其形狀會直接影響扁擠壓筒的使用壽命，分析在各種形狀下扁擠壓筒的應力分布十分必要[4]。目前現有圓弧過渡(傳統形式)、兩段圓弧過渡、直線-圓弧過渡、組合圓弧過渡及計算機優化圓弧過渡等五種形式，且每種形式均有降低應力峰值、改善應力分布的效果。

針對125 MN擠壓腔為850 mm×320 mm的4層扁擠壓筒，將傳統圓弧形過渡改為兩段圓弧過渡和直線-圓弧過渡如圖7所示，可以由表4看出，最大應力由1 325.6 MPa降為1 048.5 MPa，最大下降幅度達20.9%[17]。

圖7 不同過渡形式

表4 不同過渡形狀的最大應力值

運用優化設計理論并結合有限元分析計算對此扁擠壓筒擠壓腔進行計算機輔助形狀優化設計，確定了擠壓腔最優的過渡曲線，使內套應力集中降低，優化前后曲線如圖8所示，采用修正優化后的形線，扁擠壓筒內套應力明顯下降，下降幅度也達17.23%[18]。將傳統圓弧過渡改為雙圓弧過渡形式如圖9所示，其中R1為(0.7～0.8)·H，R2為(0.2～0.3)·H。通過有限元分析發現此類型扁擠壓筒中的坯料流速分布更加均勻且應力峰值有明顯降低[19-20]。

圖8 優化前后形線

圖9 雙圓弧過渡形式

因為扁擠壓筒是一種預應力組合筒，過盈裝配產生的預緊力在扁擠壓筒工況下與擠壓力相互抵消，最終起到保護扁擠壓筒的作用。但是由于扁擠壓筒結構的特殊性決定了等過盈量配合必定會導致擠壓腔不均勻變形[21]，如圖10所示。所以對擠壓腔變形程度大的過盈配合區域使用較小的過盈量，而變形程度小的過盈配合區域使用較大的過盈量，即：變過盈量設計。這樣既改善了擠壓腔孔型變形不均勻分布，也保證預緊力[21]。并且由于擠壓腔長短軸差異較大，長軸中心法線方向扁擠壓筒的自重產生下撓，加劇了擠壓腔變形的不均勻。所以在裝配完成后，需對擠壓腔進行修模操作，應該采用內孔拋光工具，利用氣動馬達安裝空心刀桿接千葉輪的方式對擠壓腔進行拋光[22]，使得扁擠壓筒擠壓腔在裝配情況下保持原型。

圖10 80 MN扁擠壓筒裝配條件下擠壓腔變形規律

2.2 新型扁擠壓筒結構優化

在對扁擠壓筒結構優化的同時，為了能設計制造出性能更優良的扁擠壓筒，在滿足約束條件下，按預定的目標合理設計一些新型扁擠壓筒結構，也是一種有效途徑。

通過改變傳統扁擠壓筒自身結構，來達到降低應力峰值、均勻應力分布的作用。將扁擠壓筒內襯外表面的橫截面由圓形改為橢圓形如圖11所示，使得內襯外形與擠壓腔幾何上更加相似，并通過有限元分析得到，橢圓外形內襯的扁擠壓筒在工況下最大等效應力值下降8%左右并且擠壓腔變形不均勻得到改善[1，23，24]。

圖11 扁擠壓筒

將扁擠壓筒的內襯由整體式改變為分體式如圖12所示，其中內套是由上下鑲塊組成，上下鑲塊對稱位于緊挨的中襯內側，通過兩個鑲塊的弧面與中襯圓環的弧形內壁相配合，改善工作腔直面與弧面交界處的應力分布[25]。

圖12 一種扁擠壓筒的內套及扁擠壓筒新結構

為內襯減材，使內中襯之間裝配過盈接觸面由原來的面接觸變為局部面接觸如圖13所示，通過有限元分析發現在同等條件下，可以使危險部位的等效應力降低30%以上[26]。在內襯上開設通孔，降低內襯豎直方向的剛度如圖14所示，通過有限元分析發現與傳統扁擠壓筒相比，可使危險部位的工作應力降低12.1%[27]。通過對中襯外側減材，然后通過熱裝工藝對中外襯進行裝配，同時在中襯去材部分注入軟金屬層如圖15所示，利用內襯變形導致軟金屬層產生靜水壓力，由靜水壓力與內部擠壓力平衡來降低等效應力[28]。

圖13 局部預壓力結構模型

圖14 內襯開通孔的扁擠壓筒

圖15 消除內孔應力集中的扁擠壓筒新結構

將鋼絲纏繞技術引進擠壓筒的設計中，為擠壓筒提供全預應力場的保護如圖16所示，可以提高擠壓筒的承載能力并使擠壓筒結構更加緊湊[29]。并且將鋼絲纏繞擠壓筒的直端面改為斜端面如圖16所示，發現在相同工作內壓下，斜端面結構和平端面結構在裝配或工況下芯筒應力分布基本相同，但斜端面結構的外徑與芯筒質量小于平端面結構，且所需預緊力更小，對應的鋼絲使用量也可以減小[30]。

圖16 鋼絲纏繞擠壓筒的基本結構

通過對扁擠壓筒的擠壓腔表面進行保護，提高擠壓腔表面性能從而提高使用壽命。在扁擠壓筒擠壓腔表面增加高強度纖維來提高其強度，進而降低其磨損，提高壽命[31]，如圖17所示。對扁擠壓筒擠壓腔內壁表面施加WC-12Co涂層，結果表明在所選涂層厚度范圍內，涂層厚度越大，扁擠壓筒所受的最大應力越小[32]。對熱作工具鋼的表面進行改性，包括氮化、滲鉻、激光熔融處理及物理氣相沉積等，實驗發現表面處理過的熱工具鋼均降低了表面龜裂性[33]。對H13鋼在540～560 ℃離子滲氮8 h后再進行550 ℃低溫鹽浴復合滲鉻，發現CrN化合物平均厚度為5 μm，顯微硬度為1 500 HV，耐腐蝕性能也比離子滲氮要好[34]。對H13鋼表面進行激光熔融處理，研究發現處理后的表面更平滑、均勻致密，顯著提高了材料的抗磨損和腐蝕性能[35]。利用等離子轉移電弧工藝(PTA)在熱工具鋼上沉積Stellite 6涂層，發現該涂層對熱工具鋼疲勞性能能產生非常有利的影響，大幅度提高熱工具鋼的使用壽命[36]。利用真空燒結法在H13表面制備了1～3 mm厚的三元硼化物基金屬陶瓷覆層組織，硬度達到了1 200 HV，有利于提高鋼的耐磨性[37]。

圖17 一種3D打印纖維局部增強的扁擠壓筒

3 扁擠壓筒新材料

擠壓筒用材料要求有高強度及硬度、高耐熱性、高穩定性、高耐磨性及抗疲勞、蠕變性好等特點。所以高質量的材料才能制造出高性能的扁擠壓筒，對扁擠壓筒用材料的改良研究一直是提高其使用壽命的熱點。國外的許多學者研究出了不少的新型熱作模具鋼，比如：設計了一種以鎢和鈷為合金元素的新型鋼SMR4，其具有較高的組織穩定性、抗軟化性和較高的抗疲勞性能并且具有較高的韌性，使擠壓模具壽命提高了25%以上[38]；奧氏體熱作工具鋼B?hlerW750，其具有高耐熱性、高強度的特點，通過在三個不同溫度下的銅坯料的擠出過程模擬，發現該新材料具有優良的使用性能[39]。建立疲勞蠕變下非彈性應變的熱粘塑性本構模型，并結合有限元對W300 ISOBLOC和W400 VMR兩種材料的擠壓筒鋁擠壓過程進行仿真，發現后者失效循環次數比前者高出3倍[40][41]；研發的MCG2006鋼相比于H13鋼，在長時間較高溫度下的穩定性要優于H13鋼[42]。另外，我國開發的SRM-1高溫高強熱擠壓工模具鋼，其高溫強度比H13鋼可提高一倍，有望替代H13成為新一代擠壓工模具材料[43]；還有研發的1.236 7材質工模具鋼的熱穩定性、高溫耐磨性和沖擊韌性及熱疲勞性能均優于H13鋼，而且壽命是H13鋼的1.5～3倍，更適合于擠壓用工模具鋼[44]；研究的新型熱作模具鋼SDCM-SS的摩擦和磨損行為、磨損機理和顯微組織特性，結果表明新型鋼SDCM-SS比H13鋼具有更高的耐磨性[45]。

4 疲勞、蠕變對扁擠壓筒過盈量的影響研究

由于結構影響，造成了扁擠壓筒在每次擠壓中均會出現應力集中、應力分布不均的現象，雖然扁擠壓筒所承受的應力并未超過材料的屈服極限，但在連續擠壓過程中，隨著坯料不斷進入與擠出而重復，使得扁擠壓筒內部產生循環應力，造成扁擠壓筒的疲勞破壞[46,47]。由于扁擠壓筒長期受交變高壓的作用，會使扁擠壓筒產生疲勞損傷。同時，扁擠壓筒工作過程中要承受熱坯料、坯料和筒體的摩擦、加熱器等熱傳遞的影響，使得擠壓筒的溫度分布極不均勻，也產生蠕變損傷，但是各襯套間不同材料的高溫蠕變性能并不一樣，如圖18所示，長期在高溫狀態下，不同材料的襯套間過盈量必然發生變化。并且擠壓過程是一個空間和時間上的動態過程，蠕變也與時間歷程相關，所以擠壓筒在工作一段時間后，各襯套間過盈量的變化沿軸向位置的分布也不一致，如圖19所示。

圖18 不同材料間的高溫蠕變曲線

圖19 擠壓過程中不同時刻的蠕變應變分布

扁擠壓筒蠕變變形會造成各襯套間過盈量減小進而影響到扁擠壓筒的應力分布狀況，造成擠壓疲勞損傷不斷改變，應力分布的改變又會影響到蠕變速率和蠕變量，使得疲勞與蠕變二者產生交互耦合[47]。并且疲勞-蠕變交互作用引起的筒體變形、開裂已經成為擠壓筒失效的主要原因，嚴重影響擠壓制品生產效率和成本[46]。然而疲勞-蠕變交互損傷的機理非常復雜，并且針對疲勞-蠕變損傷引起失效的相關研究十分有限。宋宗燾[47]研究了疲勞、蠕變和疲勞-蠕變交互作用三個方面對擠壓筒使用壽命的影響，發現疲勞-蠕變交互作用下的擠壓筒使用壽命為疲勞或蠕變破壞中的較小值。李一紅[48]分析了擠壓筒的結構尺寸、應力及擠壓時間對預應力組合擠壓筒過盈量的影響規律。并對不同材料組合形式下蠕變對擠壓筒過盈量的影響進行了研究，發現當擠壓筒各筒間選用不同材料時，由于材料的蠕變性能差異，使得過盈量的變化量增加。李一紅等[49]在傳統Lame公式的基礎上引入直接位移求解法，推導了考慮蠕變效應的擠壓筒應力/應變分布解析模型，分析了各層筒應力隨時間的變化情況。結果表明，交界面處各層筒的蠕變應變有差別，造成徑向變形不一，從而使得過盈量減小。所以，扁擠壓筒各襯套的制造材料要在滿足使用要求的前提下，使它們的高溫蠕變曲線也應盡量的一直。馬玲[8]建立了耦合損傷的粘塑性-蠕變本構方程，運用ABAQUS有限元仿真，對擠壓筒內壁蠕變-疲勞損傷進行了模擬研究，得到損傷演化曲線以及損傷演化速率曲線如圖20所示，可以看到損傷累積值最大點150號單元上，蠕變-疲勞損傷累積量隨著擠壓循環周次的增加而增加，并且損傷速率呈現增大趨勢。

圖20 失效危險點的蠕變-疲勞損傷累積及其速率演化曲線

5 DMZ對扁擠壓筒的影響研究

金屬擠壓成型是一個處在大變形、高溫、高壓、復雜摩擦條件下的非線性過程，材料的流動十分復雜[50]，擠壓過程中的微觀組織演變如圖21所示。在坯料前端的拐角處，擠壓模具和扁擠壓筒之間形成了一個單獨的變形區B(稱為死區，DMZ)，在這里金屬不會發生流動[51]。所以在未成型材料E、F與死區B之間形成了剪切區C。隨著擠壓的進行，未成形材料E、F的表面金屬D(相對死區B而言)與死區B發生剪切行為，隨后E、F區材料與死區B發生滑動直至擠壓結束[52]，最終進入模孔成為變形產物A。接觸面上坯料與扁擠壓筒之間的摩擦逐漸轉變為坯料的內摩擦，使得接觸面上摩擦的性質和行為發生變化。同時接觸面由微觀結構上的不相稱(晶體尺度和取向不同，鋁與鐵性質不同)自發地趨于相稱[53]，Robbins M.O.認為當接觸面上分子結構處于對稱時，分子勢能達到能量最低狀態，此時若要使兩個物體發生相對運動必須要克服這個勢能壁壘，從而導致很大的摩擦[54]。

圖21 擠壓過程中的微觀組織演變

所以在變形剛開始時，擠壓力的增加不僅是由于坯料和扁擠壓筒之間的摩擦力，還有坯料的剪切力和坯料內部件的滑動摩擦力。最終導致擠壓力加大，壓機負荷變高，扁擠壓筒承受載荷變大，加速了扁擠壓筒的損壞。

由圖21所示，若死區B變大，則剪切區C變大，導致剪切距離與坯料滑動距離變長，最終使剪切力與摩擦力變大。國內外許多學者針對擠壓過程中死區行為與摩擦的問題進行了研究，取得了一些有意義的成果。魏立群[55]利用上限法對死區的形成及其影響因素進行分析計算，發現死區區域大小受到坯料/扁擠壓筒界面上的摩擦影響，隨著摩擦因數的增加而增加。鄧小民等對擠壓鋁合金時坯料/扁擠壓筒界面上的摩擦性質和行為進行了研究，并建立了擠壓鋁合金時的摩擦因數與不同擠壓溫度、速度條件下金屬變形抗力的關系式，為正確計算擠壓力提供了依據。Flitta, I等[56]研究了初始坯料溫度對摩擦及材料流動的影響，發現隨著初始坯料溫度的升高，死區變大，坯料/扁擠壓筒界面上摩擦因數增加導致擠壓力的增加。Qamar, S. Z.等[38]對三種不同材料以不同速度進行擠壓試驗發現，死區隨著擠壓比的增加而增加，隨著擠壓速度的增加而減小。G.E. Totten[57]等研究發現，較小的壓下率(a small reduction ratio)將產生較小的死區，從而降低擠壓過程中金屬流動的摩擦阻力。Solomon N[52]、李峰等[58]通過模具幾何形狀的合理設計，可以有效的控制死區的位置和大小，具體是在平模支承面處設置了導流角，使得死區、變形區摩擦力達到最小。Li F等[59]研究發現，在擠壓時使用內錐沖頭，研究發現扁擠壓筒底部沒有金屬流動界面，死區完全消失。

模角α(模具軸線與其工作端面之間構成的夾角)越大，則金屬流動越不均勻，死區就越大，消耗的擠壓力越大[60]，導致扁擠壓筒受負荷增大，加速其損耗。劉偉[61]提出了流線模結構的設計思想，通過模擬分析可以看出把流線模型應用在分流模具上可以有效的降低型材擠壓時的擠壓力。這是因為流線型模腔大大減小了模角α，使得金屬流動更加均勻，死區越小，擠壓力隨之減小。又因為流線模的模角是連續變化的，從正擠壓時金屬流動的網格圖(圖22)可以看出，金屬的流動本身就呈流線狀，因此采用流線模更有利于改善金屬的流動[60]。還有胡龍飛等[62][63]引入流函數理論建立扁擠壓筒型腔到型材出口之間過渡曲面的邊界條件，并根據復變函數共形映射理論，利用三維造型軟件完成了復雜型材擠壓“流線型”過渡曲面的三維建模，并研究發現相同斷面縮減率下，流線型型腔在降低成型載荷上存在較大優勢。舒潔[64]運用上限法建立鋁合金棒材擠壓成型的流動模型，推導了坯料在五種不同曲線型腔模具中變形時的功、能表達式，并以擠壓力最小為優化目標，對成型過程進行優化，獲得最低能耗下的型腔曲線長度。石磊[65]分析了傳統分流焊合擠壓、等通道轉角晶粒破碎細化擠壓、金屬流動性好并且省力的扁擠壓筒擠壓的特點，并結合其優點集成創新，提出了扁擠壓筒等通道轉角分流大寬展擠壓的新原理如圖23所示，該擠壓方法可以形成較小的擠壓比有利于減小擠壓載荷和有利于金屬流動。

圖22 正擠壓時金屬流動的坐標網格圖

圖23 扁擠壓筒等通道轉角分流大寬展擠壓

6 結論

6.1 設計原則

(1)為了更有效的提高扁擠壓筒的使用壽命，獲得更加精確的扁擠壓筒應力應變分布規律是必要的，所以在進行扁擠壓筒有限元分析時不僅要考慮高溫高壓，還要考慮疲勞、蠕變的影響。

(2)扁擠壓筒設計過程中應該盡量避免孔、槽等易產生應力集中的結構，應該對這些結構進行位置偏移、倒圓角等操作。

(3)利用正交實驗法，對目前現有的扁擠壓筒優化方法進行組合，致力于獲得更佳結構的扁擠壓筒。

6.2 研究方向

(1)因為扁擠壓筒工作過程中承受高壓作用，然而有高溫的介入，會使筒的應力峰值有所回落，但是高溫又會使蠕變變形加劇。所以，應該研究溫度與扁擠壓筒工作過程中應力峰值、蠕變變形的關系，找出各噸位扁擠壓筒的最佳工作溫度。

(2)因為扁擠壓筒在工程過程中要承受多個熱源的作用，造成扁擠壓筒的溫度分布極不均勻，又會加劇蠕變變形，加速扁擠壓筒的損壞。所以，應該對扁擠壓筒采用先保溫后降溫的方法均勻溫度分布。

(3)扁擠壓筒各層襯套的材料應該在滿足強度及經濟性的基礎上，盡可能選用蠕變曲線較相近的材料。