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1、 硕士学位论文论文题目 金属材料挤压机结构与系统优化设计研究研究生姓名指导教师姓名专 业 名 称研 究 方 向论文提交日期刘晨思顾 军机械设计及理论机械动力学及控制2014年 4月 金属材料挤压机结构与系统优化设计研究中文摘要金属材料挤压机结构与系统优化设计研究中文摘要随着国民经济与科学技术的快速发展，金属材料挤压机已在机械、航空航天、船舶、军工等众多工业部门得到广泛的应用。本文以企业中需求的“XJ-2500T 四柱卧式热挤压加工挤压机”为研究对象，在满足使用要求的前提下，更新与改造挤压机的结构与控制系统，减轻挤压机重量，用插装阀取代传统液压阀，使用人机界面提高挤压生产时的机械化、自动化和智能
2、化程度。主要内容如下：（1）利用数值模拟系统对挤压机的挤压成形过程进行分析，以铝型材 6063为例，利用 DEFORM-3D 软件研究穿孔和挤压工艺参数对挤压成形的影响，分析穿孔过程中穿孔速度对坯料温度、穿孔力的影响，最大穿孔力时穿孔深度与针筒比，以及挤压过程中坯料长度、挤压速度和摩擦系数对挤压力的影响，为今后金属挤压机穿孔分析、挤压成形以及结构和系统的优化研究提供依据。（2）运用力学相关知识对前横梁进行受力分析与载荷计算，在有限元分析软件ANSYS中对其进行静力学分析，输出应力、最大位移结果云图。在 ANSYS中运用 APDL语言建立参数化模型，以结构优化设计理论为基础对其进行优化分析，并对
3、优化后的前横梁进行强度和刚度约束的验证，得出前横梁轻量化设计。（3）根据挤压机的工作原理，对各个运动机构进行控制研究，设计各运动机构的液压回路。分析挤压机各子系统及其之间的连接关系并通过串、并联方式搭建整体液压控制系统。最后对液压系统中的动力元件、阀类元件及辅助元件进行分析与设计。（4）以三菱 FX2N的 PLC为控制中心，利用 GX Developer 8.86软件，根据挤压机工作流程实现挤压机控制顺序的设计。设计相应控制系统功能模块及硬件系统，并对 PLC相关部件进行选型。关键词：金属材料挤压机；挤压成形；有限元分析；液压系统；PLC作 者：刘晨思指导教师：顾 军I AbstractThe
4、 design of structure and system optimization of metal material extrusion machineThe design of structure and system optimization of metalmaterial extrusion machineAbstractWith the high-speed progress of science and technology, the rapid development ofnational economy and the promotion of peoples livi
5、ng standard, metal material extrusionmachine has been widely used in machinery, automobiles, instrumentation, electricalappliances, light industry and other departments. In this paper, XJ-2500T four-columnhorizontal hot extrusion extruder which company needs is used as research object. On thepremise
6、 of meeting the use requirement, the structure of the extruding machine and controlsystem are updated and transformed, the extrusion machine weight is reduced, andman-machine interface is used to improve extrusion production mechanization, automationand intellectualization. The main contents studied
7、 by this thesis are as follows:Firstly, the extrusion forming process of extruding machine is analyzed by usingnumerical simulation system. DEFORM-3D software is used to research the processparameters of perforation and extrusion on the influence of extrusion forming withaluminum in 6063 as an examp
8、le, which get the influence of related parameters, andprovide the basis for future analysis on perforated and extrusion research of metalextrusion machine, also for optimization of structure and system.Secondly, stress analysis and load calculation on the front beam is made withknowledge of mechanic
9、s, and results cloud of stress and maximum displacement areoutputted under the static analysis in ANSYS. Using APDL language to build parametricmodel, making optimization analysis based on the structural optimization design theory,and strength and rigidity constraint validation are done at last. Acc
10、ording to the previousanalysis method the lightweight conclusions of front beam can be obtained.Thirdly, control research of the various sports bodies and hydraulic circuits aredesigned in accordance with the working principle of the extruder. Connections andrelationships among the various subsystem
11、s are analyzed and overall hydraulic controlsystem is built through series and parallel mode. And the related important components inII The design of structure and system optimization of metal material extrusion machineAbstractthe hydraulic system are analyed and design.Fourthly, GX Developer 8.86 s
12、oftware is used to design the control sequence ofextruder according to the workflow with the PLC of Mitsubishi FX2N as the control center.The corresponding control system function module and the hardware system are designedand selections of PLC parts are made.Key words: metallic material extruder; e
13、xtrusion forming; finite element analysis;hydraulic system; PLCWrittenby Liu ChensiSupervised by Gu JunIII 目 录第一章 绪 论.11.1 研究背景 .11.2 金属材料挤压机现状 .11.3 金属材料挤压机研发新动向 .31.4 论文研究意义及内容 .3第二章 金属材料挤压机挤压成形过程分析及 有限元法数值模拟.52.1 金属挤压技术 .52.2 铝型材挤压过程数值模拟方法 .72.3 挤压成形过程有限元法数值模拟 .72.3.1 刚塑性有限元法基本理论.82.3.2 刚塑性有限元分析软
14、件介绍.112.3.3 模型建立与工艺参数.132.3.4 穿孔工艺参数对温度和穿孔力的影响.162.3.5 挤压工艺参数对挤压力的影响.212.4 本章小结 .23第三章 金属材料挤压机前横梁的结构设计与优化.243.1 有限元软件 ANSYS与结构分析 .243.1.1 ANSYS软件简介.243.1.2 结构分析概述.243.2 金属材料挤压机前横梁结构的有限元分析 .253.2.1 XJ-2500T挤压机概述 .253.2.2 前横梁的受力分析.283.2.3 前横梁几何模型简化.303.2.4 前横梁的有限元分析.303.3 前横梁结构轻量化优化设计 .343.3.1 结构优化设计理
15、论.343.3.2 ANSYS结构优化分析.343.3.3 前横梁优化设计.353.3.4 前横梁优化结果的验证.383.4 本章小结 .38 第四章 金属材料挤压机液压控制系统分析与设计.404.1 挤压机工作过程 .404.2 挤压机液压控制系统的构成 .414.2.1 二通插装阀.414.2.2 液压集成阀块.434.2.3 挤压机液压系统各子系统分析.434.2.4 挤压机子系统连接关系及整体系统优化.504.3 挤压机液压元件选择 .534.3.1 液压执行元件分析与参数确定.534.3.2 动力元件的选择.544.3.3 阀类元件的选择.564.3.4 辅助元件的选择.564.4
16、本章小结 .58第五章 金属材料挤压机 PLC控制系统分析与设计 .595.1 控制系统总体设计 .595.2 控制系统功能设计 .595.2.1 手动控制模块的设计.595.2.2 自动控制模块的设计.605.2.3 DMI模块的设计.625.3 PLC控制单元设计.635.3.1 PLC选型 .635.3.2 FX2N概述 .645.3.3 硬件系统设计.665.3.4 PLC程序设计 .695.4 本章小结 .71第六章 总结与展望.72参考文献.73攻读学位期间本人出版或公开发表的著作、论文.77附 录.78致 谢.83 金属材料挤压机结构与系统优化设计研究第一章绪论第一章 绪 论1.
17、1 研究背景中国是有色金属产出强国，有色金属总产量、主要有色金属生产量及消费量均居世界前列。2012 年，我国十种有色金属与去年同期相比增长了 9.3%，产量达 3691万吨，位列世界第一1：其中，原铝产量 1988 万吨，精炼铜产量 606 万吨，镁产量66.06万吨，锌产量 485万吨，铅产量 465 万吨，与去年同期相比分别增长 13.2%、10.8%、1.04%、-5.6%和 9.3%，均居世界第一；加工材方面，铜材产量 1168 万吨，铝材产量 3074 万吨，同比分别增长 11%和 15.9%，而铜、铅、锌、镍、锡、锑等六种精矿金属含量 968万吨，同比增长 17.4%。挤压和压制
18、是有色金属加工的主要方法，挤压材和压制材的比例在国际上大概为58:42。在中国，挤压材是国内产销量的第一大产品。有色金属，尤其是铜、铝、镁合金挤压加工材，因其具有许多优异性能，而在中国的国防军工、国民经济和人民生活的各个领域都获得广泛的应用。目前主要应用在：航空航天、交通运输、电力能源、医疗器械及文体用品、电子、电器、通讯与散热器、电器、机械、五金及装饰品方面。铜、铝、镁合金挤压材的高速发展，要求挤压装备特别是挤压机的数量逐年增加。有色金属挤压机的数量在中国近几年历年以约 300台增长，加工的挤压材品种、规格、用途、功能、和性能的不同要求挤压机的型式、特性、功能和用途多种多样2。国民经济的高速
19、发展、社会文明程度的提高以及 CAD/CAM/CAE 技术的研发与普及对挤压机的机械化、自动化和生产线装备的标准化、系列化、集成化、成套性能以及对挤压机与辅助设备间的整体配套、协调和生产的高效、优质、低成本提出更高的要求。1.2 金属材料挤压机现状金属压力加工设备包含金属挤压机，金属挤压机伴随着压力加工技术的发展而不断改进和完善，其本身的技术依靠液压元器件、液压技术、计算机控制和电子技术等的进步而进步。中国在大型挤压机设计和制造能力方面与国外先进的厂家相比基本上1 第一章绪 论金属材料挤压机结构与系统优化设计研究处于领先地位，而在综合质量、制造精度、配套生产线以及自动化等技术上还存在一些差距，
20、而日本、德国、前苏联、英国、美国等国家的挤压技术已成熟。近年来，随着国民经济的发展，挤压机数量急剧增加，其结构型式、挤压力、自动化程度都得到很大的提升，油压挤压机也受到改进和广泛应用。因现代化交通运输工业和军事工业的发展，大型化、精密化和现代化是挤压机发展的主要方向。目前，分别安装在美国、俄罗斯、中国、日本和西欧的已正式投产使用的 80MN以上的大挤压机约 30台，最大的是属于前苏联古比雪夫铝加工厂的 200MN挤压机，我国正在建造 150MN、160MN、200MN 和 225MN 挤压机各一台3。据报导，几个工业发达的外国国家都在挤压型式、挤压机本体、挤压力、传动方式等方面力求研制出型式更
21、新颖、挤压力更大、挤压效率更高、更节能的新型挤压机，例如：挤压大直径管材的立式模锻挤压联合水压挤压机，其挤压力达到 450600MN；钢板组合框架、预应力“T”型头板柱结构机架和预应力混凝土机架等本体结构；大量采用内置式独立穿孔系统、活动模和扁挤压筒；独立油压传动系统，某些大型挤压机也采用油压直接传动系统。现代挤压机和它的辅助系统采用 CADEX闭环系统、记忆磁带和穿孔卡片控制系统或模拟典型的卡片控制系统、PLC系统等，实现了等温等速挤压、速度自动控制、工模具自动快速装卸及全机自动控制，而挤压机的配套设备 (如长坯自控加热炉、坯料热剪切装置、在线淬火装置、前梁锯、活动工作台、冷床和横向运输装置
22、、拉伸矫直机、成品锯、人工时效炉等)已经实现了自动化和连续化生产4。除了改进和完善正反向挤压方法及其工艺以外，许多新工艺和新方法出现在强化挤压过程中5。对新的挤压工艺进行广泛的深入研究，如冷挤压、快速挤压、连续挤压、水冷模挤压、等温挤压、润滑挤压和静液挤压等，并获得了实际的应用。此外，平面组合模挤压、舌型模挤压、反挤压、高效反挤压、辊挤、温挤、粉末挤压、淬火挤压和盘管挤压等新的挤压工艺也广泛用于金属加工。这些新的挤压工艺和先进的挤压方法对于减少挤压力，发掘轻合金的潜力，提高产品质量，提高挤压速度和生产效率，扩大金属材料的品种，节能节资和降低成本等有着积极的意义。2 金属材料挤压机结构与系统优化
23、设计研究第一章绪 论1.3 金属材料挤压机研发新动向我国的挤压机大多数是中小型的，且水平不太高。镁挤压工业起步较晚，目前全国铝挤压机约占挤压机总数的 95%，各种镁挤压机约 80台。随着航天、航母、舰艇以及现代交通运输业的迅速发展，需要大量的特种大管材、大棒材和大型材和整体壁板。我国金属材料挤压机的发展新动向6：(1)更新与改造大中型挤压机的结构与控制系统，淘汰技术和配置落后的小型挤压机，配置先进的挤压辅机装备（如热剪炉、牵引机），主机控制系统控制后步设备，采用触摸屏人机对话方式操作，提升整机生产的自动化水平。(2)为了满足航天航空、交通运输以及制造业等对挤压材的要求，金属材料挤压机趋向大型化
24、、重机化发展。(3)为满足各行业的多种需求而向多用途、多型式和多品种等方向发展。趋向于采用多模（一模多出）技术以提高设备的生产效率及产品质量。(4)根据特殊用途向专业化和特殊化方向发展，如专用钻探管挤压机。(5)向精密化、自动对中、快速换模和自动快速装卸方向发展。(6)伴随计算机技术的迅速发展和普遍运用，CAD/CAM/CAE 技术的开发，有限元分析、模拟挤压技术与实用软件的开发以及大型数据库、专家库的建立， PLC、CADEX技术的研发，并将它们运用到挤压机和挤压机的外围设备，提高挤压型材生产的机械化、自动化和智能化。(7)高效、高性能、节能、环保型机前机后辅助配套设备的研发。(8)根据品种
25、和型式将挤压机的设计与制造标准化、系列化、逐步实现零部件的通用化和成套供应，实现装配式安装，以降低成本和缩短安装、调试周期。1.4 论文研究意义及内容本文结合企业中需求的“XJ-2500T 四柱卧式热挤压加工挤压机”为研究对象，在满足使用要求的前提下，对挤压机进行结构和控制系统方面的优化。模拟分析挤压机挤压成形过程中工艺参数对温度和穿孔力的影响，为参数的选择提供依据，提高型材成品的形状、尺寸精度以及模具和产品的质量；利用 CAD/CAM/CAE 技术对挤压机进行轻量化设计，降低挤压机成本；采用多模技术并快速换模，利用插装阀取代传3 第一章 绪论金属材料挤压机结构与系统优化设计研究统液压阀，使用
26、液压集成块，使得挤压机工作更高效、节能和环保；使用触摸屏人机对话方式操作，实现实时监控，提升整机生产的自动化和智能化。具体研究内容有：(1)查阅国内外关于金属材料挤压机的相关文献资料，对金属材料挤压机的发展现状及发展背景进行了解。(2)对挤压机的挤压成形过程进行分析。以铝型材 6063为例，利用 DEFORM-3D软件，分析穿孔和挤压工艺参数对挤压成形的影响，为选择合适的穿孔速度和对穿孔力的估算，以及挤压速度、坯料长度和摩擦系数对挤压力的影响提供理论指导和参考，为今后金属挤压机穿孔分析和挤压成形研究奠定基础，也对挤压机结构与系统的优化设计提供依据。(3)运用力学相关知识对前横梁进行受力分析与载
27、荷计算，采用实体建模方式在有限元分析软件 ANSYS中建立前横梁的三维模型，并选取恰当的单元与网格后划分生成前横梁的有限元模型，之后对其进行静力学分析，输出应力、最大位移结果云图。在 ANSYS中运用 APDL语言建立参数化模型，以结构优化设计理论为基础，对前横梁进行了参数化建模，创建优化设计文件，在满足前横梁应力、最大位移及几何约束条件下利用 ANSYS中优化程序对其进行优化分析，并对优化后的前横梁进行强度和刚度约束的验证，得出可对前横梁进行轻量化的结论。(4)根据挤压机的工作原理，设计了各功能模块的液压子系统，之后分析了挤压机各子系统及其之间的连接关系后进行整体系统的优化。最后对液压泵、电
28、动机、油箱及冷却器进行设计计算，并对阀类元件及过滤器进行选择。(5)分析挤压机控制系统，设计各功能模块，对 PLC相关部件进行选型，以 FX2N系列 PLC为控制中心，根据挤压机工作流程利用 GX Developer 8.86软件完成挤压机控制顺序的梯形图设计。4 金属材料挤压机结构与系统优化设计研究第二章 金属材料挤压机挤压成形过程分析及有限元法数值模拟第二章 金属材料挤压机挤压成形过程分析及有限元法数值模拟2.1 金属挤压技术挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件成形加工的主要方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。挤压是指对挤压模具中的金属锭坯施加强大的压力作用，使其发生塑性变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸、凹模型腔，而获得所需形状与尺寸制品的塑性成形方法，如图 2-1所示。金属挤压机属于金属压力加工设备范畴。图 2-1 金属挤压的基本原理挤压的基本方法包括正挤压（金属流动方向与凸模运动方向相同）和反挤压，如图 2-2所示。除此以外还有侧向挤压、玻璃润滑挤压、静液挤压和连续挤压四种挤压方法。图 2-3给出了管材挤压的两种方法。挤压时金属坯料受到三向压应力，有利于低塑性金属变形（脆性材料变形）7。根据金