CN109086489A - 一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法 - Google Patents

一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法 Download PDF

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Abstract

一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，包括如下步骤：挤压成形过程能耗模型建立的步骤，具体为：圆管的正向热挤压过程，根据金属在挤压过程中金属流动特性，将挤压变形过程分为三个阶段：填充挤压阶段、基本挤压阶段和终了挤压阶段；挤压成形能耗由填充挤压阶段耗能与基本挤压阶段耗能构成：Etotal＝Et+Ef。本发明根据上述内容提出一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，通过技术手段分析了分流组合模的管材挤压成形能耗，并且建立出分流组合模的管材挤压成形能耗的模型，能够更有目的性地对分流组合模挤压成形时进行节能优化工作。

Description

一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法
技术领域
本发明涉及分流组合模挤压成形的能耗建模与分析领域，尤其涉及一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法。
背景技术
相比于其他成形工艺，挤压成形工艺有着诸如生产过程中不会产生额外污染物、可以在一台设备上生产不同品种制品、制品表面质量好等优点。但同时，挤压成型工艺也有着无法忽视的高耗能缺点。我国铝挤压工艺平均能耗约为 1571～5405kg标煤/吨，是欧洲的1.43倍，温室效应是欧洲的2.33倍。其中挤压机作为挤压工艺生产线上的关键设备，由于机器自身动力限制以及挤压生产工艺要求，一个周期的挤压效率约为60％左右，挤压效率较低。所以针对挤压机的能耗优化有很大的前景。挤压机的能耗主要发生于挤压过程，挤压成形过程是一个处在封闭环境中的大变形、高温、高压、复杂摩擦条件下的非线性成形过程，这些局限导致难以采用传统的测量方法获得挤压成形过程的能耗，目前对挤压成形问题的研究主要集中于质量方面，而对于采用分流组合模的管材挤压能耗的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提出一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，通过技术手段分析了分流组合模的管材挤压成形能耗，并且建立出分流组合模的管材挤压成形能耗的模型，能够更有目的性地对分流组合模挤压成形时进行节能优化工作。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，包括如下步骤：
挤压成形过程能耗模型建立的步骤，具体为：
圆管的正向热挤压过程，根据金属在挤压过程中金属流动特性，将挤压变形过程分为三个阶段：填充挤压阶段、基本挤压阶段和终了挤压阶段；
在填充挤压阶段:挤压垫在冲头的推动下开始向右运动，与坯料接触后开始对坯料施加挤压力，致使坯料开始变形，由于坯料直径小于挤压筒直径，所以坯料将先向四周变形；
在基本挤压阶段：坯料直径不断增大，直到挤压筒直径相等后进入基本挤压阶段，此时坯料金属在挤压垫施加的挤压力作用下进入分流孔，此为基本挤压阶段第一次变形；
金属通过分流孔后进入焊合室进行焊合，当金属填满焊合室后，焊合室内的金属将进入模孔生成圆管，此为基本挤压阶段第二次变形；
在终了挤压阶段：当挤压完成后，冲头上升，不再给挤压垫施加载荷，此时进入终了挤压阶段；
焊合室内部区域被速度不连续面S1和S2以及死区分为四个区域；
其中区域I为金属流动区金属以v′i的速度不断进入变形区；
区域II为变形区，金属流入其中开始产生变形；
区域III为死区，区域II与区域III之间存在面S4；
本模型采用直角模，根据材料的流动特性，死区中金属流动较慢，面S4为摩擦面；
区域IV为变形后的金属流动区域，该区域中的金属以vo的速度流出模孔；同时还有如坯料与焊合室内壁接触面S3，坯料与下模的接触面S6等摩擦面；
所以挤压成形过程的能耗描述为：
Etotal＝Et+Ef+Ee
式中Etotal表示挤压成形过程总耗能；
Et表示填充挤压阶段耗能；
Ef表示基本挤压阶段耗能；
Ee表示终了挤压阶段耗能；
由于终了挤压阶段冲头不再施加挤压力，终了挤压阶段的能耗可忽略不计；所以挤压成形能耗由填充挤压阶段耗能与基本挤压阶段耗能构成：
Etotal＝Et+Ef。
进一步，
还包括填充挤压阶段能耗模型建立的步骤：
在填充挤压阶段，铝棒为静态压缩过程，因此，填充过程的耗能由材料的镦粗时的挤压力和冲头移动距离确定，即：
式中μ为摩擦系数，热变形时μ＝0.3～0.5；
Dt为挤压筒内径；
Ls为填充挤压阶段冲头移动距离；
h为铝棒镦粗后的高度；
σ0为变形温度下材料的变形抗力；
指坯料的横截面积。
进一步，
还包括基本挤压阶段能耗模型建立的步骤：
由于基本挤压阶段，金属处于塑性变形状态，所以采用上限理论对变形过程能耗进行建模；
基本挤压阶段的能耗为：
式中E1为金属由挤压筒内流入分流孔所需耗能；
λk为分流比；
Wd为变形区能耗量；
为金属通过速度不连续面S1的速度损失能耗量；
为金属通过速度不连续面S2的速度损失能耗量；
为坯料因摩擦面S3损耗的能量；
为坯料因摩擦面S4损耗的能量；
为坯料因摩擦面S5损耗的能量；
为坯料因摩擦面S6损耗的能量；
为坯料因摩擦面S7损耗的能量；
为坯料因摩擦面S8损耗的能量。
本发明根据上述内容提出一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，通过技术手段分析了分流组合模的管材挤压成形能耗，并且建立出分流组合模的管材挤压成形能耗的模型，能够更有目的性地对分流组合模挤压成形时进行节能优化工作。
附图说明
图1是本发明其中一个实施例的圆管挤压的结构示意图；
图2是本发明其中一个实施例的模型计算值与仿真结果值对比图。
其中：挤压垫A1,挤压筒A2,坯料A3,分流桥A4,分流孔A5,上模A6,焊合室A7,下模A8。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，包括如下步骤：
挤压成形过程能耗模型建立的步骤，具体为：
图1所示为本例圆管挤压模具示意图，对于圆管的正向热挤压过程，根据金属在挤压过程中金属流动特性，可以将挤压变形过程分为三个阶段：填充挤压阶段、基本挤压阶段和终了挤压阶段。过程描述如下：
阶段I：挤压垫A1在冲头的推动下开始向右运动，与坯料A3接触后开始对坯料A3施加挤压力，致使坯料A3开始变形，由于坯料A3直径小于挤压筒A2 直径，所以坯料A3将先向四周变形，类似于金属的墩粗，此阶段为填充挤压阶段；
阶段II：坯料A3直径不断增大，直到挤压筒A2直径相等后进入基本挤压阶段。此时坯料A3金属在挤压垫A1施加的挤压力作用下进入分流孔A5，此为基本挤压阶段第一次变形。
如图1所示，此过程耗能包括金属被挤入分流孔A5的变形能、金属变形区边界的速度不连续面的能量损失、金属坯料A3与挤压筒A2的接触摩擦能量损失以及金属进入分流孔A5后与模壁摩擦能量损失；金属通过分流孔A5后进入焊合室A7进行焊合，当金属填满焊合室A7后，焊合室A7内的金属将进入模孔生成圆管，此为基本挤压阶段第二次变形。
如图1所示，此过程产生的能耗包括金属与焊合室A7内壁摩擦产生的能量损失、金属进入模孔产生的变形能、金属变形区边界的速度不连续面的能量损失以及金属与下模A8内壁摩擦损失的能量。
阶段III：当挤压完成后，冲头上升，不再给挤压垫A1施加载荷，此时进入终了挤压阶段。
如图1所示，焊合室A7内部区域被速度不连续面S1和S2以及死区分为四个区域。其中区域I为金属流动区金属以v′i的速度不断进入变形区。
区域II为变形区，金属流入其中开始产生变形。
区域III为死区，区域II与区域III之间存在面S4，由于本模型采用直角模，根据材料的流动特性，死区中金属流动较慢，于是面S4可视为摩擦面。
区域IV为变形后的金属流动区域，该区域中的金属以vo的速度流出模孔。同时还有如坯料A3与焊合室A7内壁接触面S3，坯料A3与下模A8的接触面S6等摩擦面；
所以挤压成形过程的能耗可以描述为：
Etotal＝Et+Ef+Ee (1)
式中Etotal表示挤压成形过程总耗能；
Et表示填充挤压阶段耗能；
Ef表示基本挤压阶段耗能；
Ee表示终了挤压阶段耗能。
由于终了挤压阶段冲头不再施加挤压力，终了挤压阶段的能耗可忽略不计。所以挤压成形能耗由填充挤压阶段耗能与基本挤压阶段耗能构成：
Etotal＝Et+Ef (2)
进一步，还包括填充挤压阶段能耗模型建立的步骤：
在填充挤压阶段，铝棒可近似视为静态压缩过程，因此，填充过程的耗能由材料的镦粗时的挤压力和冲头移动距离确定，即：
式中μ为摩擦系数，热变形时μ＝0.3～0.5；
Dt为挤压筒A2内径；
Ls为填充挤压阶段冲头移动距离；
h为铝棒镦粗后的高度；
σ0为变形温度下材料的变形抗力；
指坯料A3的横截面积。
进一步，还包括基本挤压阶段能耗模型建立的步骤：
由于基本挤压阶段，金属处于塑性变形状态，所以采用上限理论对变形过程能耗进行建模。
以图1金属从焊合室A7进入模孔的第二次变形为例：金属坯料A3在变形区中体积为V，表面积S，受到表面力Ti的作用，整体为塑性状态，表面可以分为位移面SU和力面ST。同时，坯料A3在冲头挤压力作用下产生假设的动可容速度场该速度场满足位移面SU上的边界条件。同时由力面ST上表面力Ti，速度场对应的应力场应变速率场速度不连续面Sv上的速度间断值Δv。由此可以得到在动可容速度场下的虚功率方程：
式中，为位移面上表面力在给定速度下所做的虚功率；
为力面上克服外力所作的虚功率；
为假设的动可容速度场下的虚变形功率；
为速度不连续面上的虚剪切功率；
k为剪切应力。
根据最大逸散功原理，对于一定的应变速率场，与之符合应力应变关系同时满足屈服准则的应力场所做的塑性功最大，所以在假设的应变速率场中，对应的应力场所做的虚功总是大于真实应力场在其中所做的功。即：
式中σij为真实应力场；
在塑性变形过程中，力面多为自由表面，即Ti＝0，于是式(1)可以简化为
式(3)左侧为位移面上的真实变形功率，右侧为假设速度场下所做功率。可以发现，假设速度场对应的表面力在位移面上所做功率总大于真实表面力在真实速度场所做功率。
在使用分流模具的圆管挤压过程中，其基本挤压阶段的变形过程可以分为两个部分：(1)金属由挤压筒A2流入分流孔A5，通过分流孔A5进入焊合室A7； (2)金属由焊合室A7进入模孔挤出产品。所以基本挤压阶段的变形能耗可以表示为
Ef＝E1+λkE2 (7)
式中E1为金属由挤压筒A2内流入分流孔A5所需耗能；
E2为金属从焊合室A7流入模孔所需能耗；
λk为分流比，可以由式(8)计算。
式中n为分流孔A5个数；
Fk为单个分流孔A5的截面积；
为挤压筒A2截面积。
坯料A3金属被挤入分流孔A5产生第一次变形：
此过程耗能包括金属被挤入分流孔A5的变形能、金属变形区边界的速度不连续面的能量损失、金属坯料A3与挤压筒A2的接触摩擦能量损失以及金属进入分流孔A5后与模壁摩擦能量损失，可以得到该过程能耗公式：
式中为材料的屈服剪切应力；
kf为修正系数，可根据表1查得；
θ为模角，采用平角模挤压时可取65°进行计算；
vi为挤压垫A1移动速度；
S为挤压垫A1横截面积；
mz为死区界面上的摩擦因子，无润滑热挤压或产生死区时mz＝1，带润滑热挤压无死区时mz＝0.5，冷挤压无死区时mz＝0.2～0.3；
εe＝lnλ，λ为金属坯料A3与分流孔A5横截面的挤压比；
mt为金属与挤压筒A2筒壁接触时产生摩擦的摩擦系数，无润滑热挤压时mt＝1，带润滑热挤压时mt＝0.5，冷挤压mt＝0.2～0.3；
m为金属与模具接触时产生摩擦的摩擦系数，热挤压时m＝1，冷挤压m＝0.2～0.3；
Lt为金属与挤压筒A2壁之间产生相对滑动的最大长度；
ld为分流孔A5长度；
ls为分流孔A5周长乘以分流孔A5个数后的值；
Se为单个分流孔A5截面积。
表1修正系数选择
Table 1 Correction factor table
金属由焊合室A7后进入模孔挤出圆管产生第二次变形：
采用上限理论对此过程进行分析，由于此过程产生的能耗包括金属与焊合室 A7内壁摩擦产生的能量损失、金属进入模孔产生的变形能、金属变形区边界的速度不连续面的能量损失以及金属与下模A8内壁摩擦损失的能量，用算式描述为：
式中为金属变形能耗；
为速度不连续面损失能耗；
V为塑性变形区的体积；
为基本挤压阶段内部应变分量；
σ0为材料平均流动应力；
dV为变形区中的微元；
Sv为速度不连续面的面积；
Δv为速度不连续面的速度；
为接触摩擦面的损失能耗。
基于图1，为便于建立解析算式，
变形区入口曲面和出口曲面近似看作两个同心球面；
可通过球面坐标系描述该同心球面。
变形区中只存在径向速度分量vr，另外两个速度分量
变形区内金属质点的流动遵从B.Avitzur连续速度场。
所以，变形区内部消耗的能量可由式(11)计算
由图1可知，速度不连续面S1和S2的半径分别为：
变形区内任一质点的速度可以表示为
vo＝λ’vi (14)
式中λ’为棒料与产品的挤压比
基于变形区中的假定速度场，变形区中质点的应变分量可表示为：
体积微分dV＝2π(RB+r sinα)rdα (18)
将式(12)-(18)代入式(11)中可以得到变形区的能量损耗
模型内部存在的速度不连续面存在能量损失，其损失量可由式(19)计算[13]
对于速度不连续面S1：
Δv1＝v’i sinα (20)
式中为金属流入焊合室A7的速度
dS1＝2π(RB+ri sinα)ridα (21)
将式(20)-(21)代入式(19)可以得到速度不连续面S1的能量损失
同理可得速度不连续面S2的能量损失
因坯料A3与模具内壁接触产生的摩擦损失可由式(24)计算。
式中Δvj为金属与接触摩擦面Sf的移动速度；
Sf为金属与接触摩擦面Sf的接触面积。
对于金属与焊合室A7内壁接触生成的摩擦面S3
Δv3＝v’i (26)
所以坯料A3因摩擦面S3损耗的能量
同理可得挤压过程因金属坯料A3与模具接触生成的摩擦面S4-S7损耗的能量
所以基本挤压阶段的能耗由金属从挤压筒A2流入分流孔A5的耗能、金属从焊合室A7流入模孔变形功、速度不连续面损耗的能量和坯料A3与模具内壁接触产生的摩擦损耗的能量组成：
式中E1为金属由挤压筒A2内流入分流孔A5所需耗能；
λk为分流比；
Wd为变形区能耗量；
为金属通过速度不连续面S1的速度损失能耗量；
为金属通过速度不连续面S2的速度损失能耗量；
为坯料因摩擦面S3损耗的能量；
为坯料因摩擦面S4损耗的能量；
为坯料因摩擦面S5损耗的能量；
为坯料因摩擦面S6损耗的能量；
为坯料因摩擦面S7损耗的能量；
为坯料因摩擦面S8损耗的能量。
由上述公式可以看出，影响挤压成形过程能耗的因素主要为挤压速度和挤压过程中的温度。所以本实施例以空心圆管的挤压成形过程为例，坯料A3材料为铝6063，直径120mm。挤压筒A2和模具均使用H13模具钢。将模具和挤压筒A2 的初始温度、坯料A3初始温度以及挤压速度作为变量，研究这三种变量的变化对挤压成形过程能耗的影响规律。利用DEFROM软件对挤压过程进行仿真，将模具初始温度为450℃，坯料A3初始温度为420℃，挤压速度分别为1-7mm/s时的仿真结果与模型计算值进行对比。对比结果如图2所示。
表2模型计算值与仿真结果值对比
Table2 Comparison between model calculated value andsimulationresults
由图2以及表3可知，在挤压速度条件改变的情况下，仿真结果值与模型计算所得到的能耗值的变化规律大致相同且最大误差为5.63％，说明本实施例提出的模型有效。
为研究模具初始温度、坯料A3初始温度和挤压速度对于挤压成形过程能耗的影响规律，本实施例采用正交实验法，对于变量参数取值如表3所示，需注意的是，此处的挤压速度为挤压垫A1移动速度。分别改变模具初始温度、坯料 A3初始温度和挤压速度的数值，获得不同参数条件下制造相同零部件的能耗值，正交矩阵如表3所示。
表3变量参数取值
Table3.Variable parameter value
表4L9(3)的正交矩阵
Table4 Orthogonal matrix
表5正交实验的方差分析
Table5 ANOVA of Orthogonal matrix
对正交试验的结果进行方差分析，结果如表5所示。可以看出，模具初始温度对挤压能耗的影响程度最大，挤压速度次之，坯料A3初始温度对挤压能耗的影响程度最小。模具初始温度和挤压速度的F值均大于临界值，说明模具初始温度和挤压速度对挤压能耗的影响较为显著，而坯料A3初始温度的F值小于临界值，表明在一定温度范围内，坯料A3初始温度的变化对挤压能耗无显著影响。
本实施例根据上限理论以圆管的挤压过程为例，建立了圆管挤压成形过程的能耗模型，结合正交实验设计方法，分析模具初始温度、坯料A3初始温度和挤压速度对成形能耗的影响。
以分流模具的圆管挤压为例，建立了分流模的圆管挤压成形过程的能耗模型。
坯料A3初始温度对于挤压能耗的影响不明显。在一定温度区间内，升高或者降低坯料A3初始温度对挤压能耗的影响不大。
模具初始温度和挤压速度对挤压能耗的影响显著。
在一定温度区间内，提高模具初始温度有利于降低挤压力，从而减少挤压过程的能量消耗；降低挤压速度会使得挤压力下降，从而使挤压能耗减少，但同时延长了挤压时间，所以对于挤压速度的选择需要综合考虑。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
挤压成形过程能耗模型建立的步骤，具体为：
圆管的正向热挤压过程，根据金属在挤压过程中金属流动特性，将挤压变形过程分为三个阶段：填充挤压阶段、基本挤压阶段和终了挤压阶段；
在填充挤压阶段:挤压垫在冲头的推动下开始向右运动，与坯料接触后开始对坯料施加挤压力，致使坯料开始变形，由于坯料直径小于挤压筒直径，所以坯料将先向四周变形；
在基本挤压阶段：坯料直径不断增大，直到挤压筒直径相等后进入基本挤压阶段，此时坯料金属在挤压垫施加的挤压力作用下进入分流孔，此为基本挤压阶段第一次变形；
金属通过分流孔后进入焊合室进行焊合，当金属填满焊合室后，焊合室内的金属将进入模孔生成圆管，此为基本挤压阶段第二次变形；
在终了挤压阶段：当挤压完成后，冲头上升，不再给挤压垫施加载荷，此时进入终了挤压阶段；
焊合室内部区域被速度不连续面S1和S2以及死区分为四个区域；
其中区域I为金属流动区金属以v′i的速度不断进入变形区；
区域II为变形区，金属流入其中开始产生变形；
区域III为死区，区域II与区域III之间存在面S4；
本模型采用直角模，根据材料的流动特性，死区中金属流动较慢，面S4为摩擦面；
区域IV为变形后的金属流动区域，该区域中的金属以vo的速度流出模孔；同时还有坯料与焊合室内壁接触面S3、坯料与下模的接触面S6、接触面S7和接触面S8等摩擦面；
所以挤压成形过程的能耗描述为：
Etotal＝Et+Ef+Ee
式中Etotal表示挤压成形过程总耗能；
Et表示填充挤压阶段耗能；
Ef表示基本挤压阶段耗能；
Ee表示终了挤压阶段耗能；
由于终了挤压阶段冲头不再施加挤压力，终了挤压阶段的能耗可忽略不计；所以挤压成形能耗由填充挤压阶段耗能与基本挤压阶段耗能构成：
Etotal＝Et+Ef。
2.根据权利要求1所述的一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，其特征在于：
还包括填充挤压阶段能耗模型建立的步骤：
在填充挤压阶段，铝棒为静态压缩过程，因此，填充过程的耗能由材料的镦粗时的挤压力和冲头移动距离确定，即：
式中μ为摩擦系数，热变形时μ＝0.3～0.5；
Dt为挤压筒内径；
Ls为填充挤压阶段冲头移动距离；
h为铝棒镦粗后的高度；
σ0为变形温度下材料的变形抗力；
指坯料的横截面积。
3.根据权利要求1所述的一种分流组合模挤压成形的能耗建模与分析方法，其特征在于：
还包括基本挤压阶段能耗模型建立的步骤：
由于基本挤压阶段，金属处于塑性变形状态，所以采用上限理论对变形过程能耗进行建模；
基本挤压阶段的能耗为：
式中E1为金属由挤压筒内流入分流孔所需耗能；
λk为分流比；
Wd为变形区能耗量；
为金属通过速度不连续面S1的速度损失能耗量；
为金属通过速度不连续面S2的速度损失能耗量；
为坯料因摩擦面S3损耗的能量；
为坯料因摩擦面S4损耗的能量；
为坯料因摩擦面S5损耗的能量；
为坯料因摩擦面S6损耗的能量；
为坯料因摩擦面S7损耗的能量；
为坯料因摩擦面S8损耗的能量。
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