型材位置對(duì)擠壓模工作帶長度的影響

1、型材位置對(duì)擠壓模工作帶長度的影響周亮中南大學(xué)材料學(xué)院加工系(410083zlyxhzw摘要現(xiàn)有工作帶設(shè)計(jì)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(dòng)與位置的關(guān)系量化了位置與工作帶的關(guān)系關(guān)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(gè)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(diào)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(xiàn)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(xì)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(gè)位置系數(shù)2來粗略地反

2、映而且該系數(shù)往往還要取決于經(jīng)驗(yàn)或者取決于材料這使得設(shè)計(jì)主 觀性強(qiáng)而客觀性差盡管現(xiàn)場有同心圓法較為實(shí)用但缺乏充分的理論依據(jù)而不少學(xué)者用FEM對(duì)擠壓模工作帶長度進(jìn)行過分析也得出了一些規(guī)律但很難使現(xiàn)場人員方便地接受為此特對(duì)位置影響做了一系列的研究力求得出較為客觀的計(jì)算方法簡單的擠壓模工作帶長度確定公式本文針對(duì)等壁厚扁平截面型材的工作帶長度確定進(jìn)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(jì)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(diǎn)的橫截面積 l d-該點(diǎn)工

3、作帶長度 s-該點(diǎn)的周長 m-從該點(diǎn)流出材料的質(zhì)量 a-該點(diǎn)流出的加速度 - 1 -F-該點(diǎn)的比周長 -材料密度 v out-該點(diǎn)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(shè)k v out v out任取兩點(diǎn)設(shè)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(guān)的系數(shù) 公式3給出了任意兩點(diǎn) 工作帶相對(duì)長度的表達(dá)式在推導(dǎo)中除了小速度小加速度假設(shè)和k v out v out外沒有其他的 假設(shè)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(jì)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(shè)擠壓筒中的材料流動(dòng)時(shí)遵守平面假設(shè), 圖2 模擬裝置與結(jié)果示意- 2 -即在某一時(shí)間間隔內(nèi)擠壓筒中的某兩個(gè)橫截面內(nèi)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(shè)成立的前提下針對(duì)等壁厚扁平截面型材特設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jié)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(dòng)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(shí)應(yīng)該得到垂直方向上的均勻流動(dòng)也就是說對(duì)于真實(shí)擠壓而言如果擠壓筒的內(nèi)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(yīng)該均勻一些現(xiàn)場擠壓板材往往

6、采用扁擠壓筒就能證明上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和推理的合理性實(shí)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(diào)整流速的措施從上述推理可以發(fā)現(xiàn)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(guān)為了建立正常擠壓時(shí)某點(diǎn)流出速度與擠壓筒橫截面內(nèi)相應(yīng)點(diǎn)材料流入速度的關(guān)系按照最小阻力規(guī)律可以假設(shè)擠壓模模面上材料的流動(dòng)方向垂直于?？诘耐廨喞€在平面假設(shè)成立的前提下參考圖3示意按照體積不變原理某點(diǎn)在時(shí)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(jìn)速度L為該點(diǎn)沿輪廓法線方向到擠壓筒周邊的距離和 B為該點(diǎn)型材

7、的計(jì)算單元寬度流出體積v out t B H其中H為該點(diǎn)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(diǎn)有v out0v out1Ac0Ac1A0 A 14 對(duì)于等壁厚扁平截面型材有圖3 計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)裝置示意v out0v out1L0L15 公式45實(shí)際上包含了位置的影響尤其是公式5中的僅與位置有關(guān)顯 然與速度分布有關(guān) - 3 -3. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與討論 由于公式3推導(dǎo)時(shí)無過多的假設(shè)應(yīng)該成為計(jì)算通式其準(zhǔn)確性如何取決于流出速度比或的確定為此只需驗(yàn)證流出速度比或的正確性就可以了參考文獻(xiàn)2中的數(shù)據(jù)如圖3所示擠壓筒直徑為70mm模面上并排開了11個(gè)

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(jù)對(duì)各?？琢鞒鰣A棒長度進(jìn)行測量得出相對(duì)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(jié)合圖4有 v outi v out014r i D r i D計(jì)算結(jié)果比較見表1從表中數(shù)據(jù)可以看出隨著外接圓直徑的增大不論理論值還是實(shí)驗(yàn)擬合值流出速度比或越來越小說明位置確實(shí)對(duì)流出速度乃至擠壓模工作帶長度有影響在2r i D06范圍內(nèi)理論值與實(shí)驗(yàn)擬合值相差很小超過該范圍時(shí)理論值偏小理論值與實(shí)驗(yàn)擬合值差值由正偏差逐變?yōu)樨?fù)偏差原因在于v out計(jì)算時(shí)采用了直線流動(dòng)模式忽略了模面上型材

9、兩端材料往?？字械牧鲃?dòng)而實(shí)際上逆向模擬實(shí)驗(yàn)表明離中心越遠(yuǎn)流線呈向外彎曲趨勢加劇如圖2所示說明正常擠壓時(shí)型材截面端頭的材料或多或少地流入了型材表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較13131截面當(dāng)型材壁厚較大時(shí)誤差相應(yīng)也增大本例中小圓孔直徑為3MM沿?cái)D壓筒直徑方向最外端小圓的寬度即相當(dāng)于型材的厚度與v out計(jì)算單元寬度一樣都是3mm正如?？子疫呹幱安糠譀]有計(jì)算這部分材料也是理論值偏小的原因分析表明對(duì)于等壁厚扁平截面薄壁型材而言當(dāng)型材壁厚遠(yuǎn)小于v out計(jì)算單元時(shí)理論公式4或5是可信的當(dāng)型材壁厚與vout計(jì)算單元相差不是很大時(shí)只要外接圓不超過擠壓筒直徑的60%理論值是可信的而當(dāng)型材壁厚與v out計(jì)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(shí)v out計(jì)算應(yīng)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(jì)算點(diǎn)計(jì)算各點(diǎn)的相對(duì)面積增量值也即相對(duì)速度的增量值與原理論值疊加構(gòu)成修正理論值表中的修正理論值相對(duì)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(shè)的前提下推導(dǎo)出來的驗(yàn)證結(jié)果也說明了假設(shè)的合理性 但是眾所周知沿?cái)D壓軸方向的確存在速度不均圓平面逐步變成軸對(duì)稱曲面似乎平面假設(shè)根本不成立這種現(xiàn)象可以這樣理解當(dāng)模面上一點(diǎn)的材料要流入?？讜r(shí)需要轉(zhuǎn)過90度角而在以該?？诪閳A心以?？椎皆擖c(diǎn)的距離為半徑的圓弧上材料流入?？姿D(zhuǎn)過的角度均小于90度根

11、據(jù)最小阻力規(guī)律圓弧上的材料優(yōu)先流入?？子纫暂S線上材料流入最為優(yōu)先因此造成軸向運(yùn)動(dòng)不均即使這樣仍然只有等量的材料流入?？紫喈?dāng)于模面上該點(diǎn)材料的流入換句話說現(xiàn)實(shí)中的軸向流動(dòng)不均可以理解為模面上各點(diǎn)材料流動(dòng)的映象因此平面假設(shè)仍然成立或者說平面假設(shè)是合理的需要聲明的是本文所推薦的v out計(jì)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(duì)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(nèi)的流動(dòng)模式復(fù)雜作者正在作進(jìn)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(guān)而且與截面大小有關(guān)更與型材的截面形狀有關(guān)而現(xiàn)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(shù)也無實(shí)際意義因?yàn)椴煌笮⌒螤畹慕孛嫫鋠 out的流動(dòng)模式不相同位置系數(shù)也不相同只有針對(duì)某一類型材截面談?wù)撐恢糜绊懖庞幸饬x4. 結(jié)論1擠壓模工作帶長度不僅與型材截面周長的大小有關(guān)還與流出?？诘乃俣绕椒匠烧?流出速度分布與型材截面大小形狀位置有關(guān)3對(duì)等壁厚扁平截面型材某點(diǎn)流出速度的值與從該點(diǎn)出發(fā)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(duì)等壁厚扁平截面型材,位置系數(shù) 僅與位置有關(guān)參考文獻(xiàn)1劉靜安鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)制造使用及維修北京冶金工業(yè)出版社19992田柱平鋁型材擠壓模工作帶長度的設(shè)計(jì)方法山西機(jī)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 mean