擠壓筒是不銹鋼管擠壓機(jī)組工模具中最大的部件,25~30MN(2500~3000t)擠壓機(jī)的擠壓筒一套筒部件的重量達(dá)到8~10噸,50MN(5000t)擠壓機(jī)擠壓筒重約15t,60MN(6000t)擠壓機(jī)的擠壓筒重為20t,80MN(8000t)擠壓機(jī)的擠壓筒重40t,而220MN(20000t)擠壓機(jī)的擠壓筒重達(dá)100t以上。
擠壓筒是用于放置已加熱到擠壓溫度的坯料的容器。擠壓時(shí)擠壓筒內(nèi)壁承受著將坯料擠壓成制品全部變形的徑向壓力,其負(fù)荷水平可以達(dá)到1000MPa以上。
擠壓筒的工作條件是十分嚴(yán)酷的。沿被加熱的擠筒內(nèi)襯的長(zhǎng)度方向上,周期性的作用有強(qiáng)烈的、不均勻的加熱和冷卻,高溫坯料與擠壓筒內(nèi)襯壁之間接觸的高溫高壓摩擦力,高的徑向壓力,隨后又沖擊性的下降。同時(shí),冷空氣或水通過擠壓筒內(nèi)襯的孔腔,使其受到強(qiáng)烈的冷卻。在所有這些工作條件下,在擠壓筒的材料中引起熱超高應(yīng)力。這種情況在擠壓筒前端三分之一的內(nèi)襯長(zhǎng)度上顯得尤其嚴(yán)重。由于高溫變形金屬的流動(dòng),在擠壓筒內(nèi)襯前端的套筒壁上引起強(qiáng)烈的熱摩擦,使其產(chǎn)生磨損或裂紋,導(dǎo)致內(nèi)襯損壞。
早期的擠壓筒采用的都是整體結(jié)構(gòu),現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)的擠壓筒甚至在小噸位的擠壓機(jī)上都已被淘汰。目前,現(xiàn)代化的大型擠壓機(jī)上所采用的擠壓筒一套筒系統(tǒng)都是由2個(gè)、3個(gè)或更多的套筒組成的多層結(jié)構(gòu)擠壓筒,并且在各層套筒之間都帶有一定的過盈量,以熱裝的方式裝配而成。
采用過盈配合的多層結(jié)構(gòu)擠壓筒,使每層套筒的結(jié)合面上都具有一定的預(yù)應(yīng)力。由于有預(yù)應(yīng)力的存在,使多層結(jié)構(gòu)的擠壓筒在承受擠壓產(chǎn)生的熱超高應(yīng)力作用時(shí),套筒之間的應(yīng)力分布趨于均勻,從而使擠壓筒套筒的材料得到充分的利用;并且還可以提高熱擠壓時(shí)擠壓筒承受的單位壓力,從而提高擠壓筒套筒的使用壽命。
擠壓筒內(nèi)襯套的結(jié)構(gòu)形式,包括內(nèi)襯套的內(nèi)徑和形狀,內(nèi)襯套外徑與中套內(nèi)徑的配合;除了過盈配合之外,還有多種形式的配合,如圖7-4所示。擠壓筒內(nèi)襯套經(jīng)熱處理后,其硬度HRC達(dá)到40~45;在不重車的情況下,使用壽命達(dá)到1500~4000次。
除此之外,擠壓筒使用時(shí),為了建立熱擠壓過程本身所需的熱力學(xué)條件,擠壓筒的預(yù)熱極為重要。擠壓筒的預(yù)熱可以提高其使用壽命。
擠壓筒預(yù)熱時(shí),為了能快速地加熱,減小熱量損失,在外加熱的同時(shí),最好能采用特殊可換式加熱器來預(yù)熱擠壓筒的內(nèi)部,為了保持壓人套筒時(shí)在套筒和擠壓筒內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力,內(nèi)加熱非常必要。若僅強(qiáng)烈的外加熱,將使預(yù)應(yīng)力降低,從而,惡化擠壓筒套筒的工作能力。
一般對(duì)于較大噸位的臥式擠壓機(jī),擠壓筒的預(yù)熱采用內(nèi)置式的加熱元件進(jìn)行預(yù)熱(圖7-5和圖7-6),而對(duì)于較小的擠壓筒,較多的是采用活動(dòng)的感應(yīng)加熱器(也有用熱坯料)直接放入擠壓筒內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱。一旦擠壓開始擠壓筒內(nèi)襯便處于受熱狀態(tài),不需要加熱,而是需要經(jīng)常進(jìn)行冷卻。圖7-5所示為俄羅斯制造的63MN(6300t)臥式液壓擠壓機(jī)的帶預(yù)熱裝置的三層結(jié)構(gòu)擠壓筒,圖7-6所示為德國(guó)制造的帶擠壓筒測(cè)溫裝置的60MN(6000t)臥式液壓擠壓機(jī)三層結(jié)構(gòu)擠壓筒。
一、擠壓筒-套筒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件
擠壓筒-套筒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件如下:
1. 擠壓時(shí),擠壓筒中的內(nèi)壓力分布是不均勻的,其影響因素很多。但設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),認(rèn)為內(nèi)應(yīng)力是均勻分布的。
2. 擠壓時(shí),擠壓筒壁上的單位壓力的大小是很難確定的。在足夠精確的情況下,可以認(rèn)為其等于(0.5~0.8)p,即作用在擠壓筒壁上的徑向壓力pi,將低于擠壓桿上所施加的壓力p。
擠壓力在金屬中的傳遞是不均勻的,其不同于壓力在液體中的傳遞,因此實(shí)際上在計(jì)算徑向壓力時(shí),采用pi=(0.5~0.8)p,其中,金屬變形的難易系數(shù)(0.5~0.8)與變形金屬在一定壓力下的流動(dòng)能力有關(guān),即擠壓難變形材料時(shí),該系數(shù)取小值。
3. 在設(shè)計(jì)計(jì)算擠壓簡(jiǎn)一套簡(jiǎn)系統(tǒng)部件時(shí),首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定擠壓簡(jiǎn)的主要尺寸、套筒的數(shù)量及其近似尺寸,然后對(duì)所選定的系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。
4. 工藝條件決定了擠壓機(jī)工作套筒所需的內(nèi)徑和擠壓力。此擠壓力為在工作套筒內(nèi)孔截面上建立一定的單位壓力所必需的。
5. 擠壓筒外徑采用以下關(guān)系式確定:
6. 在擠壓筒-套筒系統(tǒng)計(jì)算時(shí),當(dāng)套筒壁厚增加至一定范圍而對(duì)最大應(yīng)力數(shù)值的影響很小時(shí),為使套筒材料的性能得到充分利用,并使沿?cái)嗝嫔蠎?yīng)力較均勻地分布,在大壓力的情況下應(yīng)采用組合套筒。
7. 對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的擠壓筒一套筒系統(tǒng),可根據(jù)其許用應(yīng)力與壁厚系數(shù)的關(guān)系圖表來選擇合理結(jié)構(gòu)的多層擠壓筒。其保證條件是:套筒以一定的公盈裝入多層擠壓筒中,提高其承受最大壓力的能力,并在此壓力下,擠壓筒一套筒系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力不超過允許值。
8. 擠壓筒一套筒系統(tǒng)的強(qiáng)度,由擠壓筒材料在工作溫度下的屈服極限(σt)和單位擠壓力所決定。在擠壓筒一套筒內(nèi)表面上的最大切應(yīng)力不應(yīng)超過這個(gè)屈服極限。當(dāng)此應(yīng)力大于或等于材料熱狀態(tài)下的屈服極限,則擠壓筒應(yīng)做成2、3或4層。這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度就取決于所選用材料在熱狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度極限σt、σt'、σt”和擠壓筒各個(gè)套筒中產(chǎn)生的應(yīng)力。實(shí)踐證明,在這種情況下套筒的內(nèi)、外直徑比很重要。對(duì)所有套筒來講,應(yīng)是相等的,即如果d/dx=U,那么U1=U2=U3.對(duì)易擠壓的金屬用較厚的套筒,即U1>U2;而對(duì)難擠壓的金屬采用較薄的套筒,即U1<U2.
在正確選擇切應(yīng)力時(shí),可正確選擇用以抵消主應(yīng)力的熱裝應(yīng)力。為了安全,各套簡(jiǎn)均在一定的公盈量下進(jìn)行熱裝,以使每個(gè)套筒的負(fù)荷與材料熱狀態(tài)下的屈服極限有同樣的比例。在計(jì)算時(shí),應(yīng)采用低于相應(yīng)材料在熱狀態(tài)下之屈服極限。
為使套筒中的應(yīng)力趨于平緩,采用如下的直徑比:
9. 在強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),因?yàn)閿D壓筒部件通常是采用韌性熱強(qiáng)鋼制造的,因此,最近似的是按第三強(qiáng)度理論(最大切應(yīng)力理論)和第四強(qiáng)度理論(能量理論)驗(yàn)算。對(duì)于整體式擠壓筒,其危險(xiǎn)點(diǎn)(擠壓筒內(nèi)表面)上的應(yīng)力不超過允用值的情況下其最大壓力,可按第三強(qiáng)度理論計(jì)算,也可按第四強(qiáng)度理論計(jì)算。
10. 多層擠壓筒的極限應(yīng)力與層數(shù)無關(guān),與整體式擠壓筒相比,其極限應(yīng)力提高2倍。
11. 擠壓筒的內(nèi)部壓力,在套筒橫截面的徑向上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,在切線方向上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。軸向應(yīng)力在所有斷面中是均勻分布的,計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。
12. 擠壓筒-套筒系統(tǒng)的熱裝配是在一定的公盈量下裝入已加熱到350~400℃溫度的擠壓筒中。已磨損套筒的更換可以在專用的設(shè)備上進(jìn)行,也可采用專門裝置在擠壓機(jī)上頂出套筒。套筒頂出時(shí),其壓力不允許大于3~5MPa(表壓)。因?yàn)樘淄岔敵龊螅眲〉男秹嚎赡芤饠D壓機(jī)工作故障,甚至在大壓力下會(huì)導(dǎo)致擠壓機(jī)損壞。
13. 在熱裝時(shí),應(yīng)保證套筒和擠壓筒材料不會(huì)被回火而產(chǎn)生塑性變形,消除套筒內(nèi)的原始受壓狀態(tài),減小熱裝時(shí)的公盈將會(huì)惡化擠壓筒殼體的工作,增加套筒的應(yīng)力,從而更難選擇套筒的材料。因此,過盈選擇不當(dāng)可使擠壓筒使用壽命降低。
過盈量一般為筒徑的0.1%~0.2%.60MN(6000t)擠壓機(jī)在各套筒上的公盈量均為0.2%(與德國(guó) Schloemann公司的31.5MN(3150t)擠壓機(jī)相同)。
原上海異形鋼管廠的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,過盈量為筒徑的0.15%(約為0.7~1.2mm)較為合適。
14. 在確定了多層擠壓筒由套筒熱裝和擠壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力之后,在選擇套筒和擠壓筒的材料時(shí),還要考慮附加應(yīng)力的存在。附加應(yīng)力由以下因素產(chǎn)生: a. 擠壓時(shí),套筒與熱鋼坯接觸導(dǎo)致擠壓筒一套筒系統(tǒng)的溫升;b. 壓力沿?cái)D壓筒長(zhǎng)度上傳遞的不均勻性;c. 金屬與套筒壁的熱摩擦。
根據(jù)以上因素對(duì)擠壓筒一套筒系統(tǒng)中應(yīng)力產(chǎn)生的影響,應(yīng)提出其修正值。
二、擠壓筒內(nèi)襯的使用條件
擠壓筒內(nèi)襯是多層擠壓筒一套筒系統(tǒng)中的易損件,其壽命一般為1500~4000次/只。擠壓筒內(nèi)襯的使用條件如下:
1. 擠壓時(shí),金屬在高溫高壓下以400mm/s的速度滑動(dòng),即使在良好的潤(rùn)滑條件下,內(nèi)襯內(nèi)表面在1.5mm深度的范圍內(nèi)被加熱到650~700℃的高溫。尤其是在靠近擠壓模一端的200~300mm的長(zhǎng)度上,擠壓筒內(nèi)襯的內(nèi)表面遭受到最強(qiáng)烈的熱摩擦,引起最嚴(yán)重的磨損,會(huì)形成縱向劃道、內(nèi)壁溝槽和表面粗糙及龜裂,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)襯的報(bào)廢。因此,一般在設(shè)計(jì)多層擠壓簡(jiǎn)一套簡(jiǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時(shí)。應(yīng)該考慮到擠壓筒的內(nèi)襯套筒可以允許調(diào)頭使用。因?yàn)槭褂媒?jīng)驗(yàn)表明,在進(jìn)料端的擠壓筒內(nèi)襯的內(nèi)表面沒有發(fā)生磨損。
另外,當(dāng)內(nèi)襯壓入不良或者由于中套和內(nèi)襯磨損,公盈消失,會(huì)形成內(nèi)襯縱向裂紋。大部分縱向裂紋的發(fā)生都在內(nèi)襯壓出以后,即公盈已經(jīng)消失之時(shí)。這種情況限制了內(nèi)襯修復(fù)的可能性。作為預(yù)防的辦法,可以在內(nèi)襯壓出以后,立即在500℃溫度下進(jìn)行退火4~5h,以消除應(yīng)力。
2. 國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明,采用離心澆注的空心坯來制造擠壓筒的內(nèi)襯,是最合理的工藝。因?yàn)樵谄渲圃爝^程中消耗最少,成本最低。
采用離心澆注空心坯作擠壓筒內(nèi)襯時(shí),其機(jī)械加工的余量,對(duì)外徑而言約為10~15mm,對(duì)內(nèi)徑而言應(yīng)不少于20~25mm.內(nèi)襯粗加工以后再經(jīng)熱處理(淬火后高溫回火)。
專門的研究確定,鍛造的擠壓筒內(nèi)襯和離心澆注的擠壓筒內(nèi)襯,其使用壽命相同。在各種工作條件下的實(shí)際使用,證明均可以達(dá)到1500~4000次/只的使用壽命指標(biāo)。
三、臥式擠壓機(jī)的擠壓筒一套筒系統(tǒng)的計(jì)算
80MN(8000t)擠壓機(jī)擠壓筒的結(jié)構(gòu)(帶預(yù)熱器)如圖7-7所示。
計(jì)算時(shí),按作用有內(nèi)外壓力的多層厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算的方法進(jìn)行。
假設(shè):(1)沿?cái)D壓筒長(zhǎng)度上單位壓應(yīng)力不變,且與擠壓墊上的單位壓力相等;(2)軸向壓應(yīng)力不大,計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì);(3)所有的組成套筒經(jīng)受均勻的熱制度的作用;(4)內(nèi)孔在加熱器的作用下對(duì)套筒外內(nèi)表面應(yīng)力和變形無影響。
按Slame公式確定切向應(yīng)力σt和徑向應(yīng)力σr,而軸向力引起的應(yīng)力σg不計(jì)。則:
在強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),因?yàn)閿D壓筒部件通常是采用韌性熱強(qiáng)鋼制造,且其受力條件為二向的平面應(yīng)力狀態(tài)。因此,對(duì)于整體式擠壓筒,在內(nèi)表面危險(xiǎn)點(diǎn)上的應(yīng)力不超過允許值的情況下,其最大壓應(yīng)力,可按第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論來計(jì)算。
按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算時(shí)的等效應(yīng)力為:
可見,多層擠壓筒的內(nèi)應(yīng)力絕對(duì)值始終小于許用應(yīng)力絕對(duì)值。且擠壓筒的裝配次序(圖7-7)為:裝好擠壓筒殼體(將套筒2嵌入套筒1中),然后,在由套筒1和2所組成的擠壓筒殼體中嵌入內(nèi)套筒3。
按式(7-8)確定最大單位力,為了便于計(jì)算,列表7-2.
第3套筒(內(nèi)套筒)的內(nèi)應(yīng)力,即為在對(duì)每個(gè)套筒所選擇許用應(yīng)力情況下,所求的整個(gè)擠壓筒的最大單位工作壓力(對(duì)應(yīng)表7-2第17行)。
按式(7-10)確定擠壓筒的內(nèi)應(yīng)力,并與列入表7-2第17行的式(7-8)確定的單位壓力相比較得: