關(guān)于鋁合金無(wú)縫管擠壓力計(jì)算的探討

袁紅梅，韓巧榮

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

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關(guān)于鋁合金無(wú)縫管擠壓力計(jì)算的探討

袁紅梅，韓巧榮

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

文章結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了無(wú)縫管擠壓力的計(jì)算方法，優(yōu)化了管材擠壓力計(jì)算公式。

鋁合金；無(wú)縫管；擠壓力計(jì)算

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁合金無(wú)縫管的應(yīng)用領(lǐng)域尤其在軍工、航天、航空領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。目前鋁合金無(wú)縫管材主要是采用擠壓方法并配合拉拔和冷軋等冷加工方法生產(chǎn)。實(shí)踐中普遍采用的擠壓方法是在雙動(dòng)擠壓機(jī)上，用空心錠固定針擠壓法來(lái)生產(chǎn)鋁合金擠壓無(wú)縫管。合理地制定生產(chǎn)工藝，正確地選擇擠壓設(shè)備和設(shè)計(jì)工模具都需要準(zhǔn)確地確定最大擠壓力。由于工況復(fù)雜，影響因素過多，通過公式計(jì)算出的擠壓力往往與實(shí)際生產(chǎn)的擠壓力相差較大，本文結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了擠壓無(wú)縫管擠壓力的計(jì)算方法，優(yōu)化了管材擠壓力計(jì)算公式。

1 生產(chǎn)工藝

本文采用55MN雙動(dòng)正向擠壓機(jī)、空心鑄錠、固定擠壓針擠壓方法生產(chǎn)鋁合金無(wú)縫管材，生產(chǎn)工藝流程為，熔煉→鑄造→均勻化→鋸切→鑄錠加熱→擠壓→切定尺。本文選取了2種合金、2種規(guī)格的生產(chǎn)產(chǎn)品采用在不同工藝參數(shù)生產(chǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論。工藝參數(shù)詳見表1。

表1 生產(chǎn)產(chǎn)品和工藝參數(shù)表Tab.1 Products and process parameters

擠壓筒直徑為Φ460mm，穿孔針直徑Φ215mm，墊片有效面積為129885 mm2。穿孔針潤(rùn)滑采用60%～80%的74#汽缸油+40%～20%的鱗狀石墨。

2 擠壓力計(jì)算、分析

2.1 實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)測(cè)的擠壓力

在選取的2種合金、2種規(guī)格110多次擠壓過程中，記錄了實(shí)際擠壓力能參數(shù)，以及根據(jù)工作壓力計(jì)算的擠壓力結(jié)果，詳見表2。

2.2 理論計(jì)算擠壓力

擠壓力是擠壓過程最重要的參數(shù)之一。擬定產(chǎn)品的合理生產(chǎn)工藝，選擇合適的擠壓設(shè)備，設(shè)計(jì)先進(jìn)而合理的工模具等，都必須首先了解擠壓力的大小。

計(jì)算擠壓力的理論公式主要有別爾林公式等，因?yàn)檫^于繁瑣，且很多參數(shù)取值困難，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用很少。生產(chǎn)中計(jì)算鋁及鋁合金管材擠壓力較適用的公式主要是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式、簡(jiǎn)化公式、修正簡(jiǎn)化公式等。

表2 不同產(chǎn)品不同擠壓速度下實(shí)測(cè)參數(shù)Tab.2 Measured parameters of different products at different extrusion speeds

本文選用了實(shí)踐中使用較多的半經(jīng)驗(yàn)公式(式1)[1-3]、簡(jiǎn)化公式(式2)[1-3]和修正簡(jiǎn)化公式(式3)[1,3]分別進(jìn)行了理論計(jì)算。

半經(jīng)驗(yàn)公式：

p=abσs{lnλ+μ4Lt/(Dt-dz)} (1)

式中， p—擠壓應(yīng)力，MPa；a—合金材質(zhì)修正系數(shù)，a=1.3～1.5，硬合金取下限，軟合金取上限；b—制品截面形狀修正系數(shù)，此處管材取b=1；σs—變形溫度下靜態(tài)拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，MPa；λ—擠壓系數(shù)；μ—摩擦系數(shù)，此處為無(wú)潤(rùn)滑擠壓，取μ=0.577[2-3]；Lt—擠壓坯料填充后長(zhǎng)度，mm；Dt—擠壓筒直徑，mm；dz—穿孔針直徑，mm。

簡(jiǎn)化公式：

P=βA0σ0lnλ+μσ0π(D+d)L(2)

式中，P—擠壓力，MN；A0—擠壓筒與穿孔針之間的環(huán)形面積，cm2；σ0—與變形速度和變形溫度有關(guān)的變形抗力，MPa；σ0=σs×Cv，Cv— 應(yīng)變速度系數(shù)，與應(yīng)變速率ε有關(guān)，ε=εe/ts，εe=lnλ，ts—為質(zhì)點(diǎn)在變形區(qū)停留的時(shí)間，s；計(jì)算出應(yīng)變速率ε后，可以通過查表[1-3]求得Cv；β—合金材質(zhì)修正系數(shù)，取1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限，在式1中為a；L—擠壓坯料填充后長(zhǎng)度(式(1) 中為L(zhǎng)t)，mm；D—擠壓筒直徑(式1中為Dt)，mm；d—穿孔針直徑(式1 中為dz)，mm；其它同式1。

修正簡(jiǎn)化公式：

p=βA0σ0lnλ+σ0π(μD+μ1d)L(3)

式中，μ—擠壓筒與鑄錠之間的摩擦系數(shù)，無(wú)潤(rùn)滑取μ=0.577；μ1—穿孔針與鑄錠之間的摩擦系數(shù)，資料[3]報(bào)道，固定針擠壓、穿孔針潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力是無(wú)潤(rùn)滑時(shí)的1/4取0.15～0.2，還有資料[2]顯示，穿孔針潤(rùn)滑時(shí)，摩擦系數(shù)取無(wú)潤(rùn)滑時(shí)的一半，μ1=0.28～0.29；其它同簡(jiǎn)化公式(式2)。

在上述三個(gè)計(jì)算公式中，均涉及到合金材質(zhì)修正系數(shù)，式1中為a，式2和式3中為β，其取值范圍在1.3～1.5之間，且硬合金取下限，軟合金取上限。

按照表1生產(chǎn)工藝，合金材質(zhì)修正系數(shù)取1.5時(shí)，分別采用式1、式2和式3對(duì)生產(chǎn)的幾種產(chǎn)品的擠壓力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 采用不同公式計(jì)算的擠壓應(yīng)力和全擠壓力結(jié)果Tab.3 Calculated results of extrusion stress and full extrusion pressure with different formulas

2.3 實(shí)測(cè)擠壓力與理論計(jì)算值對(duì)比

采用上述三種公式計(jì)算的擠壓力與實(shí)測(cè)全擠壓力結(jié)果相比，見表4，表中δ1、δ2、δ3分別為采用三種不同公式計(jì)算擠壓力與實(shí)測(cè)全擠壓力的相對(duì)誤差。

由表4可知，計(jì)算的擠壓力普遍小于實(shí)測(cè)值；采用半經(jīng)驗(yàn)算式(式1)計(jì)算的全擠壓力與實(shí)測(cè)值的誤差在45.2%～53.3%范圍內(nèi)，簡(jiǎn)化公式(式2)計(jì)算值的誤差在13.2%～24.2%范圍，修正簡(jiǎn)化公式(式3)計(jì)算值的誤差在23.4%～30.5%范圍。

表4 實(shí)測(cè)全擠壓力與理論計(jì)算擠壓力對(duì)比表Tab.4 Comparison of measured full extrusion pressure and theoretical calculation

2.4 公式中參數(shù)的優(yōu)化

擠壓力受諸多因素影響，主要有金屬變形抗力、變形程度、擠壓溫度、擠壓速度、坯料長(zhǎng)度、制品截面形狀、擠壓工模具、擠壓方法(外摩擦狀態(tài))等因素。

實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)擠壓機(jī)噸位、擠壓筒尺寸、穿孔針尺寸、鑄錠和制品尺寸一定時(shí)，在給定擠壓速度下擠壓生產(chǎn)某種合金管材，大部分參數(shù)已成定值，僅有合金材質(zhì)修正系數(shù)β和摩擦系數(shù)μ是兩個(gè)有選擇余地的參數(shù)，因此如何選取這兩個(gè)參數(shù)就成了擠壓力計(jì)算的關(guān)鍵。摩擦系數(shù)的選取在文獻(xiàn)[2,3]中有較詳盡的論述，不再贅述。

在式1、式2和式3中，給出合金材質(zhì)修正系數(shù)的取值范圍為1.3～1.5，但據(jù)此計(jì)算出的擠壓力與實(shí)測(cè)值相差甚遠(yuǎn)。根據(jù)實(shí)測(cè)全擠壓力和以上公式，推導(dǎo)出合金材質(zhì)修正系數(shù)，結(jié)果見表5。

由表5可知，采用實(shí)測(cè)全擠壓力和三個(gè)不同公式推導(dǎo)出的合金材質(zhì)修正系數(shù)均超出了資料中的1.3～1.5。其中，式1由于沒有考慮擠壓溫度、擠壓速度變化對(duì)金屬變形抗力的影響，導(dǎo)致計(jì)算的擠壓力小于實(shí)測(cè)值，因此，采用實(shí)測(cè)值推導(dǎo)出的合金材質(zhì)修正系數(shù)偏大是可以理解的。而式2和式3已經(jīng)考慮了上述因素，采用實(shí)測(cè)值推導(dǎo)出的合金材質(zhì)修正系數(shù)還偏大。

式2和式3中的第一項(xiàng)(即βA0σ0lnλ)表示的是為了使金屬產(chǎn)生塑性變形而需要的擠壓力；第二項(xiàng)(即μσ0π(D+d)L和σ0π(μD+μ1d)L)則是為了克服作用在擠壓筒壁和穿孔針表面上的摩擦力而需要施加的擠壓力。

由式1的展開式可見，合金材質(zhì)修正系數(shù)a(式2中為β)是修正兩項(xiàng)σs的，而在式2和式3中，合金材質(zhì)修正系數(shù)β只修正了公式中的第一項(xiàng)。筆者分析，β是合金材質(zhì)修正系數(shù)，應(yīng)該是對(duì)合金的性能參數(shù)進(jìn)行修正，在擠壓力計(jì)算公式中，是對(duì)σ0進(jìn)行修正。所以，在式2和式3中的第二項(xiàng)中既然存在σ0，也應(yīng)該乘以合金材質(zhì)修正系數(shù)。

筆者提出，將式1、式2和式3分別修訂為式4、式5和式6。式4是將式1中的σs修正為σ0，考慮了擠壓溫度和擠壓速度對(duì)變形抗力的影響；式5和式6是分別將式2和式3的第二項(xiàng)增加了修正系數(shù)，其余不變。

p=βσ0{lnλ+μ4L/(D-d)}，MPa(4)

P=β{A0σ0lnλ+μσ0π(D+d)L} ，MN(5)

P=β{A0σ0lnλ+σ0π(μD+μ1d)L}，MN(6)

根據(jù)實(shí)測(cè)擠壓力按照式4、式5和式6推導(dǎo)出的合金材質(zhì)修正系數(shù)見表6。

表5 采用不同公式與實(shí)測(cè)值推導(dǎo)合金材質(zhì)修正系數(shù)Tab.5 Correction factors of alloys derived from different formulas and measured values

表6 采用修訂后公式與實(shí)測(cè)值推導(dǎo)合金材質(zhì)修正系數(shù)Tab.6 Correction factors of alloys derived from modified formulas and measured values

由表6可見，將式1中σs修正為σ0后的式4與式5是同一個(gè)公式，前者計(jì)算的是擠壓應(yīng)力，后者計(jì)算的是擠壓力。合金材質(zhì)修正系數(shù)在1.2541～1.5202范圍內(nèi)，與資料中的1.3～1.5相吻合，計(jì)算時(shí)可取1.3～1.5，且變形程度大的取上限。采用式6推導(dǎo)的合金材質(zhì)修正系數(shù)在1.4432～1.7094范圍內(nèi)，略高于1.3～1.5，采用式6計(jì)算擠壓力時(shí)，合金材質(zhì)修正系數(shù)可取1.5～1.7。

合金材質(zhì)修正系數(shù)取1.5時(shí)，采用式4、5和式6計(jì)算全擠壓力及與實(shí)測(cè)值誤差見表7。

由表7可見，式6由于考慮了針潤(rùn)滑，計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。上述修正結(jié)果表明，式4、5和式6較能反映實(shí)際擠壓力的真實(shí)情況。

表7 實(shí)測(cè)全擠壓力與采用修訂后公式計(jì)算的全擠壓力結(jié)果對(duì)比Tab.7 Comparison of measured full extrusion pressure and calculated one with modified formulas

3 結(jié)論

(1)式4、5、6均考慮了擠壓溫度和擠壓速度對(duì)金屬變形抗力的影響，同時(shí)，對(duì)公式中兩項(xiàng)的合金性能參數(shù)均進(jìn)行了修正，其計(jì)算結(jié)果更具實(shí)用性。其中，式4、5考慮了鑄錠外表面與擠壓筒之間的摩擦影響，式6既考慮了鑄錠外表面與擠壓筒之間的摩擦影響，又考慮了鑄錠內(nèi)表面與穿孔針外表面之間的摩擦影響。因此，式4、5適用于無(wú)潤(rùn)滑擠壓時(shí)擠壓力的計(jì)算，式6適用于潤(rùn)滑穿孔針的管材擠壓力的計(jì)算。合金材質(zhì)修正系數(shù)取1.3～1.5；

(2)同一筒徑時(shí)，變形程度(擠壓系數(shù))大，則合金材質(zhì)修正系數(shù)β取上限，反之亦然。

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Discussion of Extrusion Force Calculation of Aluminum Alloy Seamless Pipe

YUAN Hongmei, HAN Qiaorong

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

The paper analyzed calculation method of extrusion force for seamless pipe based on measured data on site, optimizing calculation formula of extrusion force.

aluminum alloy; seamless pipe; extrusion force calculation

2015-04-08

袁紅梅(1983-)，女，工程師，主要從事有色金屬加工工程設(shè)計(jì)。

TG379

B

1671-6795(2015)05-0043-05