有色金屬大型壁板型材連續(xù)軋擠初探

鐘毅, 陳業(yè)高, 潘昇旻, 葉蔚

(昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明650000)

摘要：利用自行設(shè)計(jì)改裝的連續(xù)軋擠設(shè)備模擬大型壁板型材的成形.以橡皮泥作為模擬試驗(yàn)材料,在由二輥軋機(jī)改裝得到的連續(xù)軋擠設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn),模擬了寬×厚為98 mm×1 mm的板材連續(xù)軋擠生產(chǎn)過程.橡皮泥模擬試驗(yàn)及連續(xù)軋擠的工程法力學(xué)分析證明,利用連續(xù)軋擠法制備大型壁板型材是可行的,對大型壁板型材的制備有一定的指導(dǎo)作用.

關(guān)鍵詞：連續(xù)軋擠; 大寬厚比; 物理模擬; 大型壁板型材

收稿日期：2015-04-18

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2013Z115)

作者簡介：鐘毅(1964—),男,教授,主要研究方向?yàn)椴牧铣尚涡鹿に嚺c新設(shè)備. E-mail:zy5125990@163.com

中圖分類號(hào)：TG375`+.25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The processing of large thin-wall wainscot was simulated on the self-made ectrolling device by refitting two roll mills.Selected as simulating materials,plasticine was manufactured into the flat whose width and thickness are 98 mm×1 mm.The experiment and mechanical analysis proved that the extrolling method is feasible for the manufacturing of large wall profiles and physical simulating test plays a guiding role in the production of large thin-wall wainscot of real nonferrous.

Keywords：extrolling; huge width-thickness ratio; physical simulating; large thin-wall wainscot

A Preliminary Study on Extrolling to Manufacture Large Thin-wall Wainscot of Non-ferrousZHONG Yi, CHEN Yegao, PAN Shengmin, YE Wei

(School of Material Science and Engineering, Kunming University of

Science and Technology, Kunming 650093, China)

0引言

銅排是一種大電流以及超大電流導(dǎo)電型材,廣泛應(yīng)用于冶金、電鍍和化工等行業(yè),可用于制造高低壓電器、配電設(shè)備、開關(guān)觸頭和母線槽等.作為大電流導(dǎo)電產(chǎn)品,銅排表面必須光滑,無毛刺、凹坑、棱角,以防在尖端或凹坑部分放電,造成短路.銅排的主要生產(chǎn)方法及相應(yīng)的產(chǎn)品尺寸見表1.高精度異形銅帶用于半導(dǎo)體塑封三極管的引線框架的制作[1],斷面有U形、T形、L形、W形和階梯形.U形銅帶規(guī)格中寬厚比最大為179,最小為135.異形銅帶的生產(chǎn)方法有錘鍛法、異形孔型軋制法和銑削法.錘鍛法生產(chǎn)的產(chǎn)品表面光滑,尺寸精度高,但要求每分鐘錘鍛2 000余次,對設(shè)備要求較高;異型孔型軋制法生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸不均,易產(chǎn)生毛刺,導(dǎo)致放電;銑削法生產(chǎn)的產(chǎn)品表面留有痕跡.鋁及鋁合金大型壁板型材在宇航、航空、船舶上層結(jié)構(gòu)、列車廂體、城市地鐵、城市輕軌、汽車廂體、現(xiàn)代建筑、集裝箱、導(dǎo)彈以及機(jī)場跑道等方面應(yīng)用廣泛.整體壁板已成為一門獨(dú)立的專業(yè)技術(shù),作為衡量各國航空工業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志之一[2-3].大型整體壁板的熱擠壓法的擠壓能力及產(chǎn)品尺寸見表1.

表1　4種擠壓法生產(chǎn)能力及產(chǎn)品尺寸

由表1可知,圓筒擠壓法、扁筒擠壓法和寬展擠壓法擠壓力很大,易損壞模具模腔;連續(xù)擠壓法擠壓寬度小,最大寬厚比小.因此，這4種方法均不適合用于生產(chǎn)大型壁板型材.

Extrolling是Avitzur于1974年4月16日提出的用于線材制備的方法[4],并于1976年1月27日取得專利授權(quán).Extrolling是一種較為新穎的材料加工方法,到目前為止,相關(guān)報(bào)道很少,也未見應(yīng)用于工業(yè).但是若能利用軋擠法生產(chǎn)大寬厚比型材,則其具有不可替代的優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)品尺寸及寬厚比不受限制.目前對Extrolling的研究較少,謝建新、劉靜安[5]指出Extrolling由于擠壓型腔長度短、接觸摩擦面積小等缺點(diǎn),難以獲得足夠大的擠壓力,很難用于材料成形.Festykovskii[6]討論了成形模具前沿距兩輥中心連線的距離對擠出成形的影響,并給出了最有效的成形區(qū)域.Stahlberg和G?ransson[7]從理論上分析了Extrolling的過程,并用速端圖分析對比區(qū)別軋擠與軋制過程中金屬流動(dòng)的差異.Alexander[8]利用電腦程序?qū)xtrolling過程進(jìn)行理論計(jì)算,分析討論了Extrolling與Rolling的區(qū)別.

物理模擬法已被廣泛應(yīng)用于金屬的變形研究[9-12].Altan等[9]利用橡皮泥代替金屬,模擬金屬的擠壓變形過程,并以此為基礎(chǔ)計(jì)算擠壓力的大小.Jain等[10]采用物理模擬法模擬金屬的大塑性變形過程,并把模擬結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果對比,得到了很好的吻合.Sofuoglu[11]利用橡皮泥代替金屬材料模擬軋制過程中金屬的流動(dòng)性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)的變化.Aydin等[12]利用物理模擬法和數(shù)值模擬法模擬金屬在傳統(tǒng)擠壓法中的變形形態(tài).

本文利用二輥軋機(jī)改裝的連續(xù)軋擠設(shè)備,用橡皮泥作為模擬材料,模擬大型壁板型材的成形,并且對Extrolling進(jìn)行了工程法力學(xué)分析.

1連續(xù)軋擠法原理

Extrolling的工作原理如圖1所示,軋擠輥輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在軋擠輥輪圓周上有一環(huán)形扁平槽,擠壓模腔工作圓弧與軋擠輥輪的圓周相配合,擠壓模腔內(nèi)裝有擠壓模具.坯料首先經(jīng)軋擠輥輪軋制,在摩擦力的作用下被連續(xù)送入擠壓腔,坯料在擠壓腔內(nèi)流動(dòng)受阻,產(chǎn)生堆積.堆積的坯料在軋擠滾輪擠壓力和摩擦力的作用下通過擠壓模具擠出產(chǎn)品.

2連續(xù)軋擠試驗(yàn)設(shè)備

連續(xù)軋擠設(shè)備由兩輥軋機(jī)改造而來,主要由傳動(dòng)電機(jī)、減速箱、分速箱、壓下裝置和機(jī)架等原有構(gòu)件以及軋擠輥輪、擠壓模腔、擠壓模具等新設(shè)計(jì)的部件組成.軋擠輥輪、擠壓模腔和擠壓模具構(gòu)成了連續(xù)軋擠設(shè)備的核心部分,其裝配圖如圖2(a)所示.

軋擠輥輪的主要工作部分為中間帶有扁平槽的圓柱體,其兩端直徑為200 mm,中間直徑為194 mm,槽寬100 mm.裝配時(shí),兩端大圓柱面相互接觸,并用壓下裝置壓緊,中間較小的圓柱面及側(cè)邊形成一個(gè)縫隙.該縫隙即為軋制階段的軋縫,縫高為6 mm,兩小圓柱表面即為軋制階段的軋制面和擠壓階段的擠壓面,側(cè)面即為防止坯料側(cè)溢的阻擋面.連續(xù)軋擠過程中坯料與軋制面、擠壓面和阻擋面之間的有效摩擦提供成形的動(dòng)力.

擠壓模腔的結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,其兩端外切圓弧與軋擠輥輪兩端大圓柱表面內(nèi)切配合,在軋擠輥輪與擠壓模腔之間構(gòu)成一個(gè)具有唯一通道的空間,此空間為模具安裝的空間.

擠壓模具結(jié)構(gòu)相對簡單,裝配在擠壓模腔的通道內(nèi).軋擠輥輪、擠壓模腔和擠壓模具裝配后在其內(nèi)部形成擠壓腔,擠壓腔內(nèi)的坯料在摩擦力與擠壓力的水平分力作用下通過擠壓模具成形.

3模擬試驗(yàn)

選橡皮泥代替銅作為模擬材料模擬大寬厚比銅排的試驗(yàn),原因在于橡皮泥和銅具有相同的變形特性,即在變形過程中首先經(jīng)歷彈性變形,達(dá)到彈性極限后開始塑性變形[13-14].

橡皮泥做成200 mm×100 mm×10 mm規(guī)格的板狀.

模具成形部分(定徑帶)截面尺寸分別為:寬98 mm,厚1 mm,定徑帶的長度4 mm.

電機(jī)的轉(zhuǎn)速為730 r/min,減速箱速比為31.5,最終軋擠輥輪的轉(zhuǎn)速為23 r/min.

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　試驗(yàn)結(jié)果

用橡皮泥模擬大型壁板型材的成形,軋擠出的片狀橡皮泥樣品見表2.

表2　試驗(yàn)樣品參數(shù)

模擬過程中軋擠出的片狀橡皮泥見圖3.

4.2　工程法力學(xué)分析

軋擠輥輪與坯料之間的摩擦視為黏性摩擦,如圖4所示.摩擦力的表達(dá)式為

(1)

式中:R為軋擠輥輪半徑;τ為坯料剪切強(qiáng)度;α1為咬入角;α2為擠出角.

積分后摩擦力為

F=Rτ(sinα1+sinα2)

(2)

坯料通過模具軋擠成形所需的擠壓力為

(3)

(4)

式中:σS為坯料屈服強(qiáng)度;β為坯料流動(dòng)死區(qū)死角;λ為擠壓比;La為定徑帶長度;Da為產(chǎn)品厚度;H2為擠壓腔最大高度.

若要連續(xù)軋擠理論可行,則

F≥Q

即

(5)

所以,只要調(diào)整參數(shù)R、α1、α2、λ、H2、La、Da和β,使其滿足不等式(5)即可理論證明Extrolling的可行性.

表3　Extrolling的試驗(yàn)參數(shù)

4.3　Extrolling優(yōu)勢分析

Extrolling最終靠模具成形,制備的大型壁板型材具有尺寸精度高和表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),且可以制備各種截面形狀的大型壁板型材.從理論上說,Extrolling坯料經(jīng)過軋制和擠壓后通過模具成形,在此過程中,坯料受到劇烈的剪切作用,最終產(chǎn)品的組織要好于軋制法得到的各向異性的組織.

Extrolling過程中,軋擠輥輪與坯料的摩擦力方向如圖5所示,坯料受到總的驅(qū)動(dòng)力為

f總′=f1′+f2′+f3′+f4′

(6)

而在Conform中,坯料受到總的驅(qū)動(dòng)力為

f總=f1+f2+f3+f4

(7)

由于f2、f4大小近似相等,方向相反,即

f2=-f4

(8)

所以f總可表示為

f總=f1+f3

(9)

因此,與Conform相比,Extrolling能源利用率高.

Extrolling的原坯料可以為桿材,也可以為板材.采用Extrolling進(jìn)行大型壁板型材的生產(chǎn),其特色在于只要板材坯料的寬度和大型型材的寬度相同,則坯料在擠壓模腔內(nèi)無需擴(kuò)展,直接通過模具成形.因此,與擴(kuò)展模技術(shù)相比,Extrolling生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸不受限制,理論上可以生產(chǎn)任何寬度的產(chǎn)品,這是擴(kuò)展模技術(shù)無法達(dá)到的.

5結(jié)論

(1) 橡皮泥模擬試驗(yàn)成功試驗(yàn)了寬度為98 mm、厚度為1 mm的樣品,證明了連續(xù)軋擠法用于制備有色金屬大型壁板型材的可行性.

(2) 工程法分析Extrolling的力學(xué)過程,摩擦力的水平分力可以通過調(diào)整參數(shù)大于軋擠成形所需的力,理論上證明了Extrolling的可行性.

(3) Extrolling過程中,坯料4面受到的軋擠輥輪的摩擦力均為動(dòng)力,摩擦力利用充分,能源效率更高.

(4) 只要坯料的寬度與產(chǎn)品的寬度相同,坯料在擠壓腔內(nèi)無需擴(kuò)展,理論上可以生產(chǎn)任何寬度和寬厚比的大型壁板型材.

參考文獻(xiàn):

[1]王碧文,王濤,王祝堂.銅合金及其加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:110-116.

[2]安學(xué)利,王光敏,王洪彬,等.城市地鐵、輕軌交通發(fā)展之必然兼論特寬空心壁板型材生產(chǎn)的重要性[C].廣州:LW2004鋁型材技術(shù)(國際)論壇論文匯編,2004:114-117.

[3]劉靜安.擠壓模具技術(shù)的理論與實(shí)踐[M].重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社,1989:114-126.

[4]Betzalel A.Methods of and apparatus for production of wire:US,3934446[P].1976-01-27.

[5]謝建新,劉靜安.金屬擠壓理論與技術(shù)(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012:239-240.

[6]Fastykovskii A R.Region for extrolling feasibility and effective deformation modes[J].Russian Journal of Non-Ferrous Metals,2011,52(3):230-233.

[7]S?thlberg U,G?ransson A.Heavy reductions by means of extrolling:A theoretical analysis including some material aspects[J].Journal of Mechanical Working Technology,1985,11(2):151-165.

[8]Alexander J M.Microcomputer programs for rolling and extrolling[J].Met Form and Impact Mech,1985:91-101.

[9]Altan T,Henning H J,Sabroff A M.The use of model materials in predicting forming loads in metalworking[J].ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering,1970,92(2):444-451.

[10]Jain V K,Matson L E,Gegel H L,etal.Physical modeling of metal working process-I:Determination of large plastic strains[J].Journal of Materials Shaping Technology,1988,5(4):243-248.

[11]Sofuoglu H.A technical note on the role of process parameters in predicting flow behavior of plasticine using design of experiment[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,178(1-3):148-153.

[12]Aydin I,Biglari F R,Briscoe B J,etal.Physical and numerical modelling of ram extrusion of paste materials:conical die entry case[J].Computational Materials Science,2000,18(2):141-155.

[13]Sofuoglu H,Rasty J.Flow behavior of plasticine used in physical modeling of metal forming processes[J].Tribology International,2000,33(8):523-529.

[14]Sofuoglu H,Rasty J.Three-dimensional analysis of extrusion process utilizing the physical modeling technique[J].Journal of Energy Resources Technology,1993,115(1):32-40.

科技簡訊

全國首條600 kA鋁電解槽通過審評

日前,全球首條600 kA鋁電解槽在山東魏橋鋁電有限公司通過了近十位行業(yè)頂級(jí)專家的審評.專家組一致認(rèn)為,“NEUI600 kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”項(xiàng)目有力地推動(dòng)了鋁行業(yè)科技進(jìn)步,提高了我國鋁電解整體技術(shù)水平和國際競爭力,整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平.

鋁電解槽是生產(chǎn)金屬鋁的設(shè)備,當(dāng)前,400～500 kA槽型是我國電解鋁行業(yè)的主流槽型.但這些槽型的電流效率、槽壽命和有害物排放濃度等主要生產(chǎn)指標(biāo)與國際綜合一流技術(shù)相比還存在一定差距.為使我國的鋁電解技術(shù)向更加大型化、高效、高產(chǎn)率和環(huán)保等方向發(fā)展,東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院采用“數(shù)值模擬+”開發(fā)模式開發(fā)出目前世界上容量最大的NEUI600 kA級(jí)鋁電解槽技術(shù),與400～500 kA技術(shù)相比,具有投資成本更低、運(yùn)行費(fèi)用更少和生產(chǎn)指標(biāo)更優(yōu)等特點(diǎn).該技術(shù)于2014年在山東魏橋鋁電有限公司成功實(shí)現(xiàn)了全系列產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.生產(chǎn)線投運(yùn)6個(gè)月以來,運(yùn)行平穩(wěn),節(jié)能、高效、環(huán)保,技術(shù)重現(xiàn)性好、成熟度高.項(xiàng)目有力地推動(dòng)了鋁行業(yè)科技進(jìn)步,提高了我國鋁電解整體技術(shù)水平和國際競爭力,對原鋁冶煉企業(yè)具有引領(lǐng)和示范作用,整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平,建議加快NEUI600 kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)的推廣應(yīng)用.

(摘自《中國鋁業(yè)網(wǎng)》)