1、型材位置對擠壓模工作帶長度的影響周亮中南大學材料學院加工系(410083zlyxhzw摘要現有工作帶設計公式中考慮了截面大小和周長長短的影響但沒有考慮位置的影響盡管有若干辦法可以修正還是缺乏通用性采用逆向模擬方法研究了材料流動與位置的關系量化了位置與工作帶的關系關鍵詞擠壓模工作帶位置影響逆向模擬擠壓模工作帶的作用有兩個其一就是確定型材的橫截面尺寸由工作帶的橫向尺寸決定其二就是調整材料流出的速度由工作帶的縱向長度尺寸配合促流等措施來完成在現有的工作帶長度公式1中僅考慮了截面大小型材周長沒有仔細地考慮型材在擠壓模平面上位置的影響即使在一定程度上考慮了位置的影響也只是簡單地用一個位置系數2來粗略地反

2、映而且該系數往往還要取決于經驗或者取決于材料這使得設計主 觀性強而客觀性差盡管現場有同心圓法較為實用但缺乏充分的理論依據而不少學者用FEM對擠壓模工作帶長度進行過分析也得出了一些規律但很難使現場人員方便地接受為此特對位置影響做了一系列的研究力求得出較為客觀的計算方法簡單的擠壓模工作帶長度確定公式本文針對等壁厚扁平截面型材的工作帶長度確定進行了研究討論了位置的影響1. 出口端受力與工作帶長度計算公式如圖1所示有受力分析A l d s m a 1 或F l d v out dt dv out dt v out t v out tv out v out 2 式中A-型材某點的橫截面積 l d-該點工

3、作帶長度 s-該點的周長 m-從該點流出材料的質量 a-該點流出的加速度 - 1 -F-該點的比周長 -材料密度 v out-該點流出的速度或平均速度固定F l有v out v out不失一般性設k v out v out任取兩點設摩擦力 一樣有 0F0l d0 v out0v out0 1F1l d1 v out1v out1于是圖1 擠壓出口端受力示意 0 1 (F0l d0v out0v out0(F1l d1v out1v out1 a vout 均很小 01F0l d0F1l d1 于是 l d0l d101F1F0 v out0v out0v out1v out1F1F0 或l d

4、0l d1s1s0A0A1v out0v out0v out1v out1 s 1s0A0A13 這里v out0v out0v out1v out1至少是與型材位置有關的系數 公式3給出了任意兩點 工作帶相對長度的表達式在推導中除了小速度小加速度假設和k v out v out外沒有其他的 假設因此該式為通用式只要找出v out的分布便能找到位置的影響得出擠壓模工作帶長度的計算公式2. 等壁厚扁平截面型材vout的求法為了考察v out的分布先假設擠壓筒中的材料流動時遵守平面假設, 圖2 模擬裝置與結果示意- 2 -即在某一時間間隔內擠壓筒中的某兩個橫截面內的材料全部流出擠壓模面其他橫截面仍

5、保持為平面在此平面假設成立的前提下針對等壁厚扁平截面型材特設計了一個逆向擠壓模擬裝置如圖2所示裝置由兩塊垂直玻璃板和兩塊水平玻璃板組成其中一塊水平玻璃板開有直縫口在垂直玻璃塊間填滿糊狀物體然后用第三塊玻璃板徐徐下推觀察并描繪出糊狀物體在水平面上的形狀結果如圖2所示從所描寫的圖形來看其形狀與開口形狀具有一定程度上的相似即若垂直方向上均勻下推材料水平面上的流動方向幾乎垂直于開口輪廓外圍輪廓形狀與開口形狀相似可以推理若水平面上的材料形狀與開口相似的話上推時應該得到垂直方向上的均勻流動也就是說對于真實擠壓而言如果擠壓筒的內截面形狀與擠壓型材橫截面具有相似性的話型材流出的速度應該均勻一些現場擠壓板材往往

6、采用扁擠壓筒就能證明上述實驗結果和推理的合理性實際上的擠壓筒截面與型材截面是不具備相似性的因此即使等壁厚扁平截面的型材擠壓流出速度肯定不均勻要想均勻流出則必須采用不同的工作帶長度和其他調整流速的措施從上述推理可以發現流出速度的均勻性與型材橫截面形狀擠壓筒橫截面形狀有關為了建立正常擠壓時某點流出速度與擠壓筒橫截面內相應點材料流入速度的關系按照最小阻力規律可以假設擠壓模模面上材料的流動方向垂直于?？诘耐廨喞€在平面假設成立的前提下參考圖3示意按照體積不變原理某點在時間間隔t材料流入流出的情況有流入體積L B v 0t 其中v0為擠壓桿推進速度L為該點沿輪廓法線方向到擠壓筒周邊的距離和 B為該點型材

7、的計算單元寬度流出體積v out t B H其中H為該點型材的壁厚于是 v out L v0H或v out Ac v0 A其中A B H Ac L B任意兩點有v out0v out1Ac0Ac1A0 A 14 對于等壁厚扁平截面型材有圖3 計算模型與實驗裝置示意v out0v out1L0L15 公式45實際上包含了位置的影響尤其是公式5中的僅與位置有關顯 然與速度分布有關 - 3 -3. 實驗驗證與討論 由于公式3推導時無過多的假設應該成為計算通式其準確性如何取決于流出速度比或的確定為此只需驗證流出速度比或的正確性就可以了參考文獻2中的數據如圖3所示擠壓筒直徑為70mm模面上并排開了11個

8、直徑為3mm的?？啄？坠ぷ鲙чL度均相等這種模型類似于等壁厚扁平截面型材根據對各?？琢鞒鰣A棒長度進行測量得出相對速度比的擬合方程為 v outi v out010299r i D0928r i D r i D而按公式5結合圖4有 v outi v out014r i D r i D計算結果比較見表1從表中數據可以看出隨著外接圓直徑的增大不論理論值還是實驗擬合值流出速度比或越來越小說明位置確實對流出速度乃至擠壓模工作帶長度有影響在2r i D06范圍內理論值與實驗擬合值相差很小超過該范圍時理論值偏小理論值與實驗擬合值差值由正偏差逐變為負偏差原因在于v out計算時采用了直線流動模式忽略了模面上型材

9、兩端材料往?？字械牧鲃佣鴮嶋H上逆向模擬實驗表明離中心越遠流線呈向外彎曲趨勢加劇如圖2所示說明正常擠壓時型材截面端頭的材料或多或少地流入了型材表1 實驗結果與計算結果的比較13131截面當型材壁厚較大時誤差相應也增大本例中小圓孔直徑為3MM沿擠壓筒直徑方向最外端小圓的寬度即相當于型材的厚度與v out計算單元寬度一樣都是3mm正如?？子疫呹幱安糠譀]有計算這部分材料也是理論值偏小的原因分析表明對于等壁厚扁平截面薄壁型材而言當型材壁厚遠小于v out計算單元時理論公式4或5是可信的當型材壁厚與vout計算單元相差不是很大時只要外接圓不超過擠壓筒直徑的60%理論值是可信的而當型材壁厚與v out計算單

10、元相差不是很大又外接圓超過擠壓筒直徑的60%范圍時v out計算應加以修正具體修正方法將型材端頭到擠壓筒邊緣的橫向面積即陰影部分按線性分布攤到各計算點計算各點的相對面積增量值也即相對速度的增量值與原理論值疊加構成修正理論值表中的修正理論值相對誤差均小于4%再次說明公式4或5的正確性- 4 -公式45是在平面假設的前提下推導出來的驗證結果也說明了假設的合理性 但是眾所周知沿擠壓軸方向的確存在速度不均圓平面逐步變成軸對稱曲面似乎平面假設根本不成立這種現象可以這樣理解當模面上一點的材料要流入模孔時需要轉過90度角而在以該模孔為圓心以模孔到該點的距離為半徑的圓弧上材料流入模孔所轉過的角度均小于90度根

11、據最小阻力規律圓弧上的材料優先流入?？子纫暂S線上材料流入最為優先因此造成軸向運動不均即使這樣仍然只有等量的材料流入?？紫喈斢谀Ｃ嫔显擖c材料的流入換句話說現實中的軸向流動不均可以理解為模面上各點材料流動的映象因此平面假設仍然成立或者說平面假設是合理的需要聲明的是本文所推薦的v out計算法僅適合于等壁厚扁平截面型材即只考慮了型材位置的影響對于等壁厚其他截面形狀型材甚至變壁厚其他截面形狀型材模面內的流動模式復雜作者正在作進一步的研究但可以肯定地說v out的值或者擠壓模工作帶長度l d的值不僅與位置有關而且與截面大小有關更與型材的截面形狀有關而現有的方法均沒有考慮型材截面形狀的影響公式或方法的精確

12、性難于信服單一地討論位置影響系數也無實際意義因為不同大小形狀的截面其v out的流動模式不相同位置系數也不相同只有針對某一類型材截面談論位置影響才有意義4. 結論1擠壓模工作帶長度不僅與型材截面周長的大小有關還與流出模口的速度平方成正比2流出速度分布與型材截面大小形狀位置有關3對等壁厚扁平截面型材某點流出速度的值與從該點出發沿輪廓垂直線方向到擠壓筒邊緣的距離成正比4脫離型材截面大小形狀討論位置影響毫無意義對等壁厚扁平截面型材,位置系數 僅與位置有關參考文獻1劉靜安鋁型材擠壓模具設計制造使用及維修北京冶金工業出版社19992田柱平鋁型材擠壓模工作帶長度的設計方法山西機械19993,pp.4-5E

13、ffect of Shape Position on the Length of Die BearingZhou LiangDepart. Metal Forming,Institute of Material Science and Engineering,Central South University,ChangSha,Hunan.China,410083AbstractOnly the size and circumference of shape are taken into account in designing the extrusion die bearing now,. position effect on the die bearing is not clearly clarified, though there are some approximate methods. The relation between the velocity of flow and the position of shape is- 5 - studied by means