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，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)襯長度上顯得尤其嚴(yán)重。由于高溫變形金屬的流動，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、3個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，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，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，為了能快速地加熱，減小熱量損失，在外加熱的同時，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),而對于較小的擠壓筒，較多的是采用活動的感應(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所示為德國制造的帶擠壓筒測溫裝置的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)計條件
擠壓筒-套筒系統(tǒng)的設(shè)計條件如下：
1. 擠壓時，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)計計算時，認(rèn)為內(nèi)應(yīng)力是均勻分布的。
2. 擠壓時，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，因此實際上在計算徑向壓力時，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能力有關(guān)，即擠壓難變形材料時，該系數(shù)取小值。
3. 在設(shè)計計算擠壓簡一套簡系統(tǒng)部件時，首先根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定擠壓簡的主要尺寸、套筒的數(shù)量及其近似尺寸，然后對所選定的系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度驗算。
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)計算時，當(dāng)套筒壁厚增加至一定范圍而對最大應(yīng)力數(shù)值的影響很小時，為使套筒材料的性能得到充分利用，并使沿斷面上應(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。這時整個系統(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”和擠壓筒各個套筒中產(chǎn)生的應(yīng)力。實踐證明，在這種情況下套筒的內(nèi)、外直徑比很重要。對所有套筒來講，應(yīng)是相等的，即如果d/dx=U,那么U1=U2=U3.對易擠壓的金屬用較厚的套筒，即U1>U2;而對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，可正確選擇用以抵消主應(yīng)力的熱裝應(yīng)力。為了安全，各套簡均在一定的公盈量下進(jìn)行熱裝，以使每個套筒的負(fù)荷與材料熱狀態(tài)下的屈服極限有同樣的比例。在計算時，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)度驗算時，因為擠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）驗算。對于整體式擠壓筒，其危險點（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)度理論計算，也可按第四強(qiáng)度理論計算。
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，計算時可忽略不計。
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，其壓力不允許大于3~5MPa(表壓）。因為套筒頂出后，急劇的卸壓可能引起擠壓機(jī)工作故障，甚至在大壓力下會導(dǎo)致擠壓機(jī)損壞。
13. 在熱裝時，應(yīng)保證套筒和擠壓筒材料不會被回火而產(chǎn)生塑性變形，消除套筒內(nèi)的原始受壓狀態(tài)，減小熱裝時的公盈將會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 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，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，套筒與熱鋼坯接觸導(dǎo)致擠壓筒一套筒系統(tǒng)的溫升；b. 壓力沿擠壓筒長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，金屬在高溫高壓下以400mm/s的速度滑動，即使在良好的潤滑條件下，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)襯的報廢。因此，一般在設(shè)計多層擠壓簡一套簡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時。應(yīng)該考慮到擠壓筒的內(nèi)襯套筒可以允許調(diào)頭使用。因為使用經(jīng)驗表明，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。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. 國外的使用經(jīng)驗已經(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。因為在其制造過程中消耗最少，成本最低。
采用離心澆注空心坯作擠壓筒內(nèi)襯時，其機(jī)械加工的余量，對外徑而言約為10~15mm,對內(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。
計算時，按作用有內(nèi)外壓力的多層厚壁圓筒強(qiáng)度計算的方法進(jìn)行。
假設(shè)：（1)沿擠壓筒長度上單位壓應(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，計算時可忽略不計；（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。則：
在強(qiáng)度驗算時，因為擠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，對于整體式擠壓筒，在內(nèi)表面危險點上的應(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)度理論來計算。
按照第四強(qiáng)度理論計算時的等效應(yīng)力為：
可見，多層擠壓筒的內(nèi)應(yīng)力絕對值始終小于許用應(yīng)力絕對值。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，為了便于計算，列表7-2.
第3套筒（內(nèi)套筒）的內(nèi)應(yīng)力，即為在對每個套筒所選擇許用應(yīng)力情況下，所求的整個擠壓筒的最大單位工作壓力（對應(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：
