100MN单动短行程前上料挤压设备研究 坚美铝业 挤压机 MN

　　摘要:介绍了大型单动短行程前上料挤压设备的特点;采用有限元模拟技术,对短行程前上料挤压设备关键部件进行了优化设计,介绍了短行程前上料送料机械手的设计;分析了100 MN单动短行程前上料挤压机的技术参数。
　　关键词:铝型材 挤压 短行程 前上料
　　中图分类号:TG312 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
　　
　　近年来,铝型材正在朝着大型化的方向发展,大型工业铝型材应用在了更多的行业,极大的促进了航空航天、船舶、汽车、核电和军工等行业的快速发展。我国的短行程挤压机研究起步较晚,在21世纪才开始了对短行程铝挤压机的研制工作。目前已成功开发出多台短行程单动/双动前上料挤压机,但缺少万吨级单动短行程前上料铝挤压机的研究。
　　
　　1 100 MN短行程前上料挤压设备研究
　　1.1 前上料短行程挤压设备的特点
　　传统挤压机的机构如图1所示:
　　从上图可以看出,挤压机模具和移动横梁之间的长度为3L(L为铝锭坯的长度),主工作缸的行程为2L。
　　传统结构形式的挤压机动作顺序是,送锭机将加热的铝锭坯4送到图中所示铝锭坯的位置,挤压杆3前进,将铝锭坯4推入到挤压容室5中,然后开始主缸1升压进行挤压。传统结构的挤压机挤压行程一般大于2倍的铝锭坯长度。
　　短行程挤压机的挤压行程一般约大于1倍的铝锭坯长度,挤压行程是传统的挤压机挤压行程的一半,因此,主柱塞、主缸和机架均短于传统结构的挤压机,大型挤压机设备重量成百吨的减少,极大地降低设备投资[1]。大型铝型材前上料短行程挤压机就是铝锭坯从挤压容室和前梁之间进入挤压机的,如图2所示。
　　铝型材前上料短行程挤压机的动作顺序是:挤压容室打4开,送锭机械手将铝锭坯5送入图2中所示位置,挤压杆3前进,将铝锭坯4压在模具6上,送锭机械手退出,挤压容室4闭合,然后开始挤压。
　　由于短行程挤压机机架比传统的机架长度短,机架的刚度得到了极大的提高,进而提高了产品的精度,与传统大型铝型材挤压机相比,大型铝型材短行程挤压机具有如下优点:①主柱塞的行程减少近一半,因此,主缸铜套的磨损相对的也减少;②拉杆和压套的长度可以减少约30%;前后梁的刚度得到加强,模具的偏差减少并且易于调整;③固定非挤压时间减少;④由于主缸等压缩容积减小,液压系统冲击少,动作平稳;⑤挤压机主要零部件寿命提高。
　　对于铝锭坯镦粗过程来讲,短行程前上料挤压机和传统挤压机不同,如图3所示:图(a)为单动短行程前上料铝挤压机的镦粗过程,图(b)为传统铝挤压机的镦粗过程。从图中可以看出,单动短行程前上料铝挤压机在上料时,由于挤压杆将铝锭坯压紧在模具上后,送锭机械手才退出,在镦粗时铝锭坯的中心线和挤压中心线重合,因此,镦粗过程的铝锭坯变形是沿挤压中心线对称的变形;传统铝挤压机上料过程是送料机构将铝锭坯推入挤压容室,然后开始挤压,在镦粗时铝锭坯的中心线低于挤压中心线,因此,镦粗过程的挤压变形是非对称的。相对于传统挤压机,单动短行程前上料铝挤压机可以避免挤压杆的弯曲和模具在镦粗过程的提升;提高了铝锭坯和固定非挤压垫和模具面之间及两个铝锭坯之间的排气效率;对于单个铝锭坯,镦粗行程可以进行计算和控制;最大镦粗压力可以调整;挤压容室在镦粗和挤压时的放炮可以完全消除;对于多根挤压更有利。
　　图3前上料短行程铝挤压机和后上料短行程铝挤压机铝锭坯的镦粗过程.图4单跨刚架受力分析示意图
　　1.2 100MN短行程前上料铝挤压机主要零部件设计研究
　　对于重型挤压设备,由于没有成熟经验可循,如果采用理论公式设计时选用安全系数过于保守,会造成巨大的成本浪费;如果安全系数过小,设备破坏造成的损失与影响更大。同时,对于结构比较复杂的关键部件,如大型挤压机的前后梁,梁中的应力分布和应力集中点无法准确的反映出来,只能进行估算,而应力集中点正是影响设备疲劳寿命的关键,对应力集中点应力值的准确分析和调整将会提高设备寿命。因此,对于100 MN短行程前上料铝挤压机,设计时采用现代设计方法即传统经验设计公式和有限元数值模拟相结合的方法,在理论计算建模的基础上对关键部件进行有限元数值模拟,得出关键部件的应力分布和应力集中情况,优化设计结构,可以减少设备资金投入,提高设备使用周期。
　　100 MN正向单动短行程铝挤压机采用预应力组合机架结构形式,主机本体由组合机架、主侧缸、挤压筒及其移动缸、移动模架及快换模装置、主剪装置、挤压工具等部分组成。主要零部件包括前梁、后梁、移动横梁和主工作缸等零部件。
　　挤压机框架设计的关键在于前后梁结构的确定。在工作时,前后梁承受着全部工作压力和弯矩,在非工作状态下,仍承受着拉杆与压柱的预应力,对其结构与尺寸起决定作用的是所承受的弯矩,可根据单跨刚架的受力分析进行。单跨刚架受力分析如图4所示,据此可以确定前后梁所承受弯矩。
　　根据主缸法兰尺寸、四个拉杆与压套的尺寸以及两侧缸的尺寸可以初步确定后梁的外形尺寸,大约在5 m*6 m*2.5 m左右,同时,根据前梁出料孔的大小、四个挤压容室移动缸的尺寸与布置方式以及四个拉杆与压套的尺寸可以初步确定前梁的外形尺寸大约在5 m*5 m*2.5 m左右,。但难点在于梁内部型腔结构与尺寸的确定和应力集中的计算,在单跨刚度理论的基础上,根据中小挤压机设计的经验,初步确定前后梁内部型腔的结构与尺寸。
　　确定了前后梁的基本结构尺寸后,便可用有限元方法对其进行三维数值模拟。由于前后梁型腔结构比较复杂,因此采用Unigraphics建立三维有限元模型,生成Parasolid模型输入到有限元模拟软件ANSYS中,采用Solid45单元进行网格划分。经过有限元数值模拟分析,得出了前后梁的应力分布。根据应力分布对梁的结构进行调整和优化,优化的结果是使应力集中值在80 MPa以下,从而提高前后梁的疲劳寿命,并使前后梁在初步设计的结构基础上重量下降了50余吨,同时各点应力均在80 MPa以下,图5所示为100 MN正向单动短行程铝挤压机后梁有限元的计算结果(主应力和等效应力)。
　　采用同样的方法,对移动横梁等主要零部件进行了有限元优化设计,图6所示为100 MN正向单动短行程铝
　　挤压机移动横梁梁有限元的计算结果(主应力和等效应力)。根据以上的有限元优化设计分析研究,设计了100 MN正向单动短行程铝挤压机的主机结构如下图:
　　
　　1.3 100 MN短行程前上料铝挤压机主要技术参数
　　100 MN短行程前上料铝挤压机主要技术参数如下:
　　名义挤压力 100 MN
　　挤压回程力 6.8 MN
　　挤压容室锁紧力 15 MN
　　挤压行程 2500 mm
　　挤压速度 0.2~20 mm/s
　　铝锭坯长度 1900 mm
　　挤压容室直径 Ø560 mm
　　挤压容室长度 2000 mm
　　主剪力 5 MN
　　挤压铝锭坯规格 Φ5450 -2 mm
　　非挤压时间 35 s
　　
　　2 实验研究
　　2010年4月,100 MN短行程前上料铝挤压机主机进行了出厂实验,在工作压力的1.25倍的情况下,检测了主要零部件的受力情况,结果表明:主要零部件的应力应变和有限元分析的结果相近。
　　
　　3 结语
　　通过以上研究可以得到如下结论:①大型挤压机宜采用短行程前上料结构形式,可以提高挤压生产的效率;②重型挤压机采用短行程前上料结构形式,缩短主缸行程,降低成本显著:③100 MN短行程前上料铝挤压机研究方法可靠。
　　
　　参考文献
　　 [1] 张君,谢东钢,杨合.大型铝型材短行程挤压设备研究.锻压装备与技术.济南,2006.
　　
　　注:国家重点新产品(2004ED850025)。陕西省重大科研项目(2006kz02-G1)
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