專利名稱：全預(yù)應(yīng)力場下剖分-組合擠壓筒的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種預(yù)應(yīng)力組合擠壓筒的設(shè)計(jì)方法，尤其適用于大噸位金屬擠壓機(jī)的 擠壓筒的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
擠壓筒是擠壓機(jī)的核心部件，其承載能力、疲勞壽命、經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)緊湊性都有很 高的要求。傳統(tǒng)的擠壓筒主要采用多層組合筒結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為自預(yù)緊結(jié)構(gòu)，其原理是利用 內(nèi)外層的過盈配合對(duì)內(nèi)層產(chǎn)生預(yù)緊力。根據(jù)預(yù)緊系數(shù)的選取可以使內(nèi)壁在工作狀況下拉應(yīng) 力很小甚至無拉應(yīng)力。如附圖1。當(dāng)工況下無拉應(yīng)力時(shí)，可以將內(nèi)襯做成剖分結(jié)構(gòu)，在承壓 能力不變的情況下降低內(nèi)襯的加工成本，并易于更換。因而，組合筒比整體筒具有更高的承 載能力和疲勞壽命，在經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)緊湊性方面也明顯優(yōu)于整體筒。但對(duì)于大噸位擠壓機(jī)， 其擠壓筒的自重一般超過100噸，采用組合筒在設(shè)計(jì)和制造上都有很大困難。本發(fā)明旨在 針對(duì)大型擠壓筒尋求一種新的設(shè)計(jì)思路。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)由來已久。早在17世紀(jì)，人們就用金屬絲纏繞來加強(qiáng)輕野戰(zhàn) 炮筒。19世紀(jì)末，Longridge首先提出鋼絲纏繞預(yù)緊筒體的原理。如今，鋼絲纏繞技術(shù)已 經(jīng)在高壓承載容器中有了重要運(yùn)用，如高壓油缸，天然氣罐等。得益于鋼絲的高強(qiáng)度，用鋼 絲預(yù)緊擠壓筒可以產(chǎn)生強(qiáng)大的預(yù)緊力，并且鋼絲纏繞層數(shù)越多，預(yù)緊力越大，但對(duì)擠壓筒的 成本影響不大。由于鋼絲可以提供很大的預(yù)緊力，能使筒體各處均處在壓應(yīng)力的保護(hù)之下。 相對(duì)于自預(yù)緊組合筒產(chǎn)生的局部預(yù)應(yīng)力保護(hù)，可以將這種外層鋼絲纏繞產(chǎn)生的全面預(yù)應(yīng)力 的情況稱作全預(yù)應(yīng)力場。相比于整體筒和自預(yù)緊組合筒，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞組合筒具有很高的疲勞壽命，表 現(xiàn)在兩個(gè)方面1)在工作狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞組合筒的筒體依然受壓應(yīng)力，或拉應(yīng)力很小，因 而其疲勞壽命高。2)外層鋼絲盡管平均應(yīng)力很大，但載荷波動(dòng)很小，接近靜載，所以鋼絲的疲勞壽命 也很高。此外，相關(guān)研究表明，鋼絲工作在900MPa以下和80°C以下時(shí)，鋼絲的蠕變很小，預(yù) 應(yīng)力損失很小。因而，鋼絲纏繞預(yù)緊是有效的。

發(fā)明內(nèi)容
如附圖2，在筒體的外層纏上鋼絲，相當(dāng)于在筒外加了一個(gè)外壓Pb，使各層在預(yù)緊 時(shí)切向和徑向均受壓應(yīng)力，而在工作狀態(tài)下，相當(dāng)于筒體承受內(nèi)壓Pa的情況疊加上承受外 壓Pb的情況。由圖2可知，外壓產(chǎn)生的切向壓應(yīng)力由外層向內(nèi)壁遞減，內(nèi)壓產(chǎn)生的切向拉 應(yīng)力由內(nèi)壁向外筒遞減，疊加后，內(nèi)壁處所受拉應(yīng)力最大，外壁處最小。因此，只要通過設(shè)計(jì) 合理的預(yù)緊系數(shù)，保證內(nèi)壁處切向拉應(yīng)力較小甚至切向受壓時(shí)，外筒將處于切向全壓應(yīng)力 場中。此時(shí)，即使將外筒周向分割成數(shù)塊，由于壓應(yīng)力的存在，結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生失效，剖分式
3外筒與整體式外筒的受力情況無異。當(dāng)然，也可以進(jìn)一步加大預(yù)緊系數(shù)，使中襯甚至內(nèi)襯工 作在無拉應(yīng)力狀態(tài)，將中襯和內(nèi)襯也做成剖分式，如附圖3。這樣，單件坯料質(zhì)量減少，制造 難度和成本均下降。相比傳統(tǒng)的自預(yù)緊組合擠壓筒，鋼絲纏繞預(yù)緊剖分_組合筒具有如下的突出優(yōu)點(diǎn)。1)承載能力強(qiáng)，疲勞壽命長；2)采用剖分結(jié)構(gòu)，并用鑄件代替鍛件，顯著降低了外筒的制造成本。3)尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，壁厚對(duì)內(nèi)壓不敏感。因而，在制造大噸位擠壓機(jī)時(shí)，相比于傳統(tǒng)的自預(yù)緊組合筒，鋼絲纏繞預(yù)緊剖 分-組合筒具有明顯的優(yōu)勢。


圖1為整體筒和兩層組合筒的受力圖。圖2為鋼絲纏繞組合筒工況下的受力分解圖。圖3為三層預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞擠壓筒的結(jié)構(gòu)簡圖。圖1中，(a)為整體筒受力狀況；(b)為兩層組合筒受力狀況。圖2中，(a)為單受工作內(nèi)壓時(shí)筒體受力圖；(b)為單受預(yù)緊外壓時(shí)筒體受力圖。圖3中，各層筒都均分四塊，配合時(shí)，中襯與內(nèi)襯的剖分塊錯(cuò)開45°，外襯與內(nèi)襯 剖分線對(duì)齊。這種裝配可以使筒體受力更均勻。具體實(shí)施方法以360MN圓擠壓筒的設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案如下1)如附圖3，在選定擠壓筒各層材質(zhì)和纏繞用鋼絲后，由擠壓機(jī)機(jī)架尺寸，加工坯 料尺寸可定rb，ra，又已知工作時(shí)最大內(nèi)壓pamax，根據(jù)等剪應(yīng)力纏繞及內(nèi)壁無拉應(yīng)力原則可 求出鋼絲纏繞層厚度及各層的纏繞初張力。2)綜合考慮受力、受熱情況和制造難易程度，選擇各層厚度。3)按照張力臺(tái)階完成擠壓筒的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞工步。4)亦可以先纏繞外筒和中襯，然后將內(nèi)襯壓配進(jìn)去；或者僅纏繞外筒，然后將中 襯和內(nèi)襯分先后順序壓配進(jìn)去。
權(quán)利要求
一種剖分-組合擠壓筒，為多層組合結(jié)構(gòu)，其特征是在筒外增加鋼絲纏繞層，在鋼絲纏繞產(chǎn)生的全預(yù)應(yīng)力場的保護(hù)下，可以將擠壓筒的各層筒體周向剖分為若干塊，并可以鑄鋼代替鍛鋼，實(shí)現(xiàn)高承載能力、高疲勞壽命、低成本和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剖分_組合擠壓筒，其特征是在全預(yù)應(yīng)力場的保護(hù)下，只要 選取合適的預(yù)緊系數(shù)，保證組合筒某層工況下切向正應(yīng)力為壓應(yīng)力，則該層便可做成剖分 式，并擁有和整體結(jié)構(gòu)基本相同的承載能力和受力狀況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剖分-組合擠壓筒，可擁有各種不同的內(nèi)形，如圓擠壓筒，扁 擠壓筒等。
全文摘要
一種預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞剖分-組合擠壓筒，金屬擠壓工藝中擠壓筒的新的設(shè)計(jì)方法和新型結(jié)構(gòu)。利用筒體外的鋼絲纏繞層形成全預(yù)應(yīng)力場，使得外筒、中襯和內(nèi)襯在預(yù)緊和工作時(shí)都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，因此可以將僅受壓應(yīng)力的筒層剖分成若干塊，然后用鋼絲纏繞成為一體，該纏繞筒的受力狀況和整體筒基本相同。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞剖分-組合擠壓筒比傳統(tǒng)的多層組合擠壓筒具有更高的承載能力和疲勞壽命，而其采用的剖分-組合結(jié)構(gòu)顯著降低了擠壓筒的制造難度和成本。該發(fā)明在大噸位擠壓機(jī)的擠壓筒制造中具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B21C25/00GK101879535SQ20091013596
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者吳任東, 張磊, 王雪鳳 申請(qǐng)人:吳任東;張磊;王雪鳳