有色金属大型壁板型材连续轧挤初探

有色金属大型壁板型材连续轧挤初探

钟毅, 陈业高, 潘昇旻, 叶蔚

(昆明理工大学 材料科学与工程学院, 云南 昆明650000)

摘要：利用自行设计改装的连续轧挤设备模拟大型壁板型材的成形.以橡皮泥作为模拟试验材料,在由二辊轧机改装得到的连续轧挤设备上进行试验,模拟了宽×厚为98 mm×1 mm的板材连续轧挤生产过程.橡皮泥模拟试验及连续轧挤的工程法力学分析证明,利用连续轧挤法制备大型壁板型材是可行的,对大型壁板型材的制备有一定的指导作用.

关键词：连续轧挤; 大宽厚比; 物理模拟; 大型壁板型材

收稿日期：2015-04-18

基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目(2013Z115)

作者简介：钟毅(1964—),男,教授,主要研究方向为材料成形新工艺与新设备. E-mail:zy5125990@163.com

中图分类号：TG375`+.25

文献标志码：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

铜排是一种大电流以及超大电流导电型材,广泛应用于冶金、电镀和化工等行业,可用于制造高低压电器、配电设备、开关触头和母线槽等.作为大电流导电产品,铜排表面必须光滑,无毛刺、凹坑、棱角,以防在尖端或凹坑部分放电,造成短路.铜排的主要生产方法及相应的产品尺寸见表1.高精度异形铜带用于半导体塑封三极管的引线框架的制作[1],断面有U形、T形、L形、W形和阶梯形.U形铜带规格中宽厚比最大为179,最小为135.异形铜带的生产方法有锤锻法、异形孔型轧制法和铣削法.锤锻法生产的产品表面光滑,尺寸精度高,但要求每分钟锤锻2 000余次,对设备要求较高;异型孔型轧制法生产的产品尺寸不均,易产生毛刺,导致放电;铣削法生产的产品表面留有痕迹.铝及铝合金大型壁板型材在宇航、航空、船舶上层结构、列车厢体、城市地铁、城市轻轨、汽车厢体、现代建筑、集装箱、导弹以及机场跑道等方面应用广泛.整体壁板已成为一门独立的专业技术,作为衡量各国航空工业发展的重要标志之一[2-3].大型整体壁板的热挤压法的挤压能力及产品尺寸见表1.

表1　4种挤压法生产能力及产品尺寸

由表1可知,圆筒挤压法、扁筒挤压法和宽展挤压法挤压力很大,易损坏模具模腔;连续挤压法挤压宽度小,最大宽厚比小.因此，这4种方法均不适合用于生产大型壁板型材.

Extrolling是Avitzur于1974年4月16日提出的用于线材制备的方法[4],并于1976年1月27日取得专利授权.Extrolling是一种较为新颖的材料加工方法,到目前为止,相关报道很少,也未见应用于工业.但是若能利用轧挤法生产大宽厚比型材,则其具有不可替代的优点:产品尺寸及宽厚比不受限制.目前对Extrolling的研究较少,谢建新、刘静安[5]指出Extrolling由于挤压型腔长度短、接触摩擦面积小等缺点,难以获得足够大的挤压力,很难用于材料成形.Festykovskii[6]讨论了成形模具前沿距两辊中心连线的距离对挤出成形的影响,并给出了最有效的成形区域.Stahlberg和Göransson[7]从理论上分析了Extrolling的过程,并用速端图分析对比区别轧挤与轧制过程中金属流动的差异.Alexander[8]利用电脑程序对Extrolling过程进行理论计算,分析讨论了Extrolling与Rolling的区别.

物理模拟法已被广泛应用于金属的变形研究[9-12].Altan等[9]利用橡皮泥代替金属,模拟金属的挤压变形过程,并以此为基础计算挤压力的大小.Jain等[10]采用物理模拟法模拟金属的大塑性变形过程,并把模拟结果与计算机模拟结果对比,得到了很好的吻合.Sofuoglu[11]利用橡皮泥代替金属材料模拟轧制过程中金属的流动性质和相关参数的变化.Aydin等[12]利用物理模拟法和数值模拟法模拟金属在传统挤压法中的变形形态.

本文利用二辊轧机改装的连续轧挤设备,用橡皮泥作为模拟材料,模拟大型壁板型材的成形,并且对Extrolling进行了工程法力学分析.

1连续轧挤法原理

Extrolling的工作原理如图1所示,轧挤辊轮作旋转运动,在轧挤辊轮圆周上有一环形扁平槽,挤压模腔工作圆弧与轧挤辊轮的圆周相配合,挤压模腔内装有挤压模具.坯料首先经轧挤辊轮轧制,在摩擦力的作用下被连续送入挤压腔,坯料在挤压腔内流动受阻,产生堆积.堆积的坯料在轧挤滚轮挤压力和摩擦力的作用下通过挤压模具挤出产品.

2连续轧挤试验设备

连续轧挤设备由两辊轧机改造而来,主要由传动电机、减速箱、分速箱、压下装置和机架等原有构件以及轧挤辊轮、挤压模腔、挤压模具等新设计的部件组成.轧挤辊轮、挤压模腔和挤压模具构成了连续轧挤设备的核心部分,其装配图如图2(a)所示.

轧挤辊轮的主要工作部分为中间带有扁平槽的圆柱体,其两端直径为200 mm,中间直径为194 mm,槽宽100 mm.装配时,两端大圆柱面相互接触,并用压下装置压紧,中间较小的圆柱面及侧边形成一个缝隙.该缝隙即为轧制阶段的轧缝,缝高为6 mm,两小圆柱表面即为轧制阶段的轧制面和挤压阶段的挤压面,侧面即为防止坯料侧溢的阻挡面.连续轧挤过程中坯料与轧制面、挤压面和阻挡面之间的有效摩擦提供成形的动力.

挤压模腔的结构如图2(b)所示,其两端外切圆弧与轧挤辊轮两端大圆柱表面内切配合,在轧挤辊轮与挤压模腔之间构成一个具有唯一通道的空间,此空间为模具安装的空间.

挤压模具结构相对简单,装配在挤压模腔的通道内.轧挤辊轮、挤压模腔和挤压模具装配后在其内部形成挤压腔,挤压腔内的坯料在摩擦力与挤压力的水平分力作用下通过挤压模具成形.

3模拟试验

选橡皮泥代替铜作为模拟材料模拟大宽厚比铜排的试验,原因在于橡皮泥和铜具有相同的变形特性,即在变形过程中首先经历弹性变形,达到弹性极限后开始塑性变形[13-14].

橡皮泥做成200 mm×100 mm×10 mm规格的板状.

模具成形部分(定径带)截面尺寸分别为:宽98 mm,厚1 mm,定径带的长度4 mm.

电机的转速为730 r/min,减速箱速比为31.5,最终轧挤辊轮的转速为23 r/min.

4试验结果与分析

4.1　试验结果

用橡皮泥模拟大型壁板型材的成形,轧挤出的片状橡皮泥样品见表2.

表2　试验样品参数

模拟过程中轧挤出的片状橡皮泥见图3.

4.2　工程法力学分析

轧挤辊轮与坯料之间的摩擦视为黏性摩擦,如图4所示.摩擦力的表达式为

(1)

式中:R为轧挤辊轮半径;τ为坯料剪切强度;α1为咬入角;α2为挤出角.

积分后摩擦力为

F=Rτ(sinα1+sinα2)

(2)

坯料通过模具轧挤成形所需的挤压力为

(3)

(4)

式中:σS为坯料屈服强度;β为坯料流动死区死角;λ为挤压比;La为定径带长度;Da为产品厚度;H2为挤压腔最大高度.

若要连续轧挤理论可行,则

F≥Q

即

(5)

所以,只要调整参数R、α1、α2、λ、H2、La、Da和β,使其满足不等式(5)即可理论证明Extrolling的可行性.

表3　Extrolling的试验参数

4.3　Extrolling优势分析

Extrolling最终靠模具成形,制备的大型壁板型材具有尺寸精度高和表面质量好等优点,且可以制备各种截面形状的大型壁板型材.从理论上说,Extrolling坯料经过轧制和挤压后通过模具成形,在此过程中,坯料受到剧烈的剪切作用,最终产品的组织要好于轧制法得到的各向异性的组织.

Extrolling过程中,轧挤辊轮与坯料的摩擦力方向如图5所示,坯料受到总的驱动力为

f总′=f1′+f2′+f3′+f4′

(6)

而在Conform中,坯料受到总的驱动力为

f总=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总可表示为

f总=f1+f3

(9)

因此,与Conform相比,Extrolling能源利用率高.

Extrolling的原坯料可以为杆材,也可以为板材.采用Extrolling进行大型壁板型材的生产,其特色在于只要板材坯料的宽度和大型型材的宽度相同,则坯料在挤压模腔内无需扩展,直接通过模具成形.因此,与扩展模技术相比,Extrolling生产的产品尺寸不受限制,理论上可以生产任何宽度的产品,这是扩展模技术无法达到的.

5结论

(1) 橡皮泥模拟试验成功试验了宽度为98 mm、厚度为1 mm的样品,证明了连续轧挤法用于制备有色金属大型壁板型材的可行性.

(2) 工程法分析Extrolling的力学过程,摩擦力的水平分力可以通过调整参数大于轧挤成形所需的力,理论上证明了Extrolling的可行性.

(3) Extrolling过程中,坯料4面受到的轧挤辊轮的摩擦力均为动力,摩擦力利用充分,能源效率更高.

(4) 只要坯料的宽度与产品的宽度相同,坯料在挤压腔内无需扩展,理论上可以生产任何宽度和宽厚比的大型壁板型材.

参考文献:

[1]王碧文,王涛,王祝堂.铜合金及其加工技术[M].北京:化学工业出版社,2007:110-116.

[2]安学利,王光敏,王洪彬,等.城市地铁、轻轨交通发展之必然兼论特宽空心壁板型材生产的重要性[C].广州:LW2004铝型材技术(国际)论坛论文汇编,2004:114-117.

[3]刘静安.挤压模具技术的理论与实践[M].重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1989:114-126.

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

[5]谢建新,刘静安.金属挤压理论与技术(第二版)[M].北京:冶金工业出版社,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]Såthlberg U,Göransson 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.

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[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.

科技简讯

全国首条600 kA铝电解槽通过审评

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(摘自《中国铝业网》)