组合式扁挤压筒孔形对比分析及筒间过盈量分布研究

摘要

金属挤压加工是通过施加外力使处于耐压容器的金属受到三向压应力作用从而产生塑性变形，然后从指定的孔或间隙中被挤出，最终获得特定截面形状及尺寸挤压件的压力成型过程。挤压筒作为挤压设备核心的部件，因其工作温度高、集中应力明显、内衬与加工材料频繁摩擦等客观因素导致挤压筒使用寿命过短。国内外很多研究已经表明，相较圆形挤压筒而言，扁挤压筒在挤压扁宽型材时型材的塑性流动更好，从而可以降低挤压力，但是因其内孔形状相比圆孔曲率更大，应力集中的现象也更明显，从而很有必要对其进行结构上的优化。本文利用三种扁挤压筒设计方案与圆形挤压筒进行对比分析，最终确定双圆角过渡型扁挤压筒为最优方案，并在此基础上进行过盈量椭圆度的研究。本文主要进行了以下工作：
　　①因圆挤压筒和扁挤压筒的中、外筒均为圆筒且内筒外圈相似，具有一定的对比参考价值，所以本文利用平面问题的极坐标解析法，对圆筒受均布压力时的应力分布进行分析计算，然后利用组合式圆筒的应力叠加公式进行推导，得到组合式圆挤压筒在装配应力及静水压力作用下的应力分布情况，结合有限元法对组合式圆挤压筒进行仿真计算，最后将解析解与有限元解进行对比。将圆挤压筒和扁挤压筒挤压相同型材时所需的挤压力进行对比，发现扁挤压筒所需挤压力远低于扁挤压筒，从而确定设计优化扁挤压筒的必要性。
　　②根据经典力学及实际工程中挤压筒设计准则，对椭圆型扁挤压筒、半圆型扁挤压筒、双圆角过渡型扁挤压筒三种扁挤压筒建立二维模型。利用有限元软件对前两种扁挤压筒分别设置不同过盈量进行计算对比，确定圆筒和这两种扁挤压筒方案的最优过盈量。
　　③对比分析双圆角过渡型扁挤压筒在不同圆角尺寸的应力分布，然后选取最优的内孔尺寸，并将三种扁挤压筒和圆筒的最优解进行横向对比，确定双圆角过渡型扁挤压筒为最优方案进行后续研究分析。
　　④提出过盈量椭圆度的概念，对双圆角过渡型扁挤压筒进行过盈量椭圆度设计，通过对大量计算数据进行对比得到变过盈椭圆度的最优解，并通过观察双圆角过渡型扁挤压筒在中筒、内筒组合加载时内筒的形变量，与内筒、中筒组合加压时内筒外表面椭圆度近似相等；选取不同尺寸参数设计四种对比方案对双圆角过渡型扁挤压筒进行应力应变验证，确定其变过盈量的选取方法。
　　本文通过大量的有限元计算，对比了三种扁挤压筒和圆挤压筒的应力水平，择优选取对比方案并进行过盈量椭圆度的研究，最终发现可有效降低扁挤压筒内筒拉应力，从而有效减少因内筒反复拉压造成的疲劳磨损。这对扁挤压筒的结构参数优化、改善应力分布、提高其使用寿命具有一定的实际参考价值和理论指导意义。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2金属挤压机塑性成型技术概论

1.3 挤压工艺装备及挤压理论发展现状

1.4 本文主要研究目的及研究内容

2 组合式挤压筒基础理论

2.1 平面问题在极坐标下的解析描述

2.2 圆筒受均布压力的解析描述

2.3 组合式圆筒在过盈工况下的解析描述

2.4 组合式挤压筒应力分布的主要影响因子

2.5 组合式圆挤压筒解析解计算实例

2.6 本章小结

3 组合式圆挤压筒数值模拟及与扁挤压筒挤压力的对比分析

3.1 有限元模拟实现

3.2 组合式圆挤压筒设计依据

3.3 组合式圆挤压筒过盈量对比分析

3.4 解析解与有限元解对比

3.5 圆挤压筒与扁挤压筒挤压力的对比分析

3.6 本章小结

4 组合式扁挤压筒孔形对比分析及筒间等过盈量研究

4.1 椭圆型扁挤压筒有限元对比分析

4.2 半圆型扁挤压筒有限元对比分析

4.3 双圆角过渡型扁挤压筒有限元对比分析

4.4 不同内腔形状挤压筒的最优解对比

4.5 本章小结

5 组合式扁挤压筒筒间过盈量分布对应力水平影响的研究

5.1 变过盈量椭圆度的提出及实现方法

5.2 按椭圆分布的变过盈量对应力水平的影响

5.3 变过盈量椭圆度的确定方法

5.5 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录