挤压课件教学PPT.ppt

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1、第一篇 挤压,一、概述,1 简介,压力加工：借助外力使金属产生塑性变形进而形成各种尺寸、形状和用途的零件和半成品。（不同于机加工） 工业中广泛使用的零件一般通过下列方法获得：,铸造，如轧机牌坊；,铸造 机加工，如轧辊；,铸造 压力加工，如钢轨；,铸造 压力加工 机加工，如螺栓等。,重要用途的零件一般均需通过压力加工。,压力加工的主要方法有： 轧制；挤压与拉拔；锻造与冲压 主要产品有： 板、带、条、箔；轧制 管、棒、型、线；挤压与拉拔 各种零件如车轴、饭盒、洗衣机筒等；锻造与冲压,1）挤压与拉拔产品简介 A 管材 按截面形状分：圆管、型管如方、六角形管等； 按合金种类分：铝管、铜管、钢管等； 按

2、生产方法分：挤制管、拉制管、焊管、铸管、盘管、无缝管等； 按用途分：空调管、压力表管、波导管、锅炉管、输油管、冷凝管、天线管等； 按性能分：M（退火态）、R（热态）、Y（硬态）、Y2（半硬态）、C（淬火态）、CZ（淬火自然时效态）、CS（淬火人工时效态）等； 此外：翅片管、蚊香管等。,B 棒、线材 棒材：D6mm；分类与管材类似；大多是半成品，进一步加工成各种零件，如弹簧，螺栓、螺母等； 线材： D6mm；多以盘状供货，广泛应用于仪器仪表、电子电力部门，如电线电缆等。 C 型材 非圆截面材，又称经济断面材（可提高材料的利用率）；铝、钢型材较多； 许多型材只能用压力加工法生产，如 钢轨、变断面型

3、材,2）产品的生产方法 产品的生产一般可分两步; 坯料制取（开坯）：充分利用金属在高温时的塑性对其进行大变形量加工，如热挤、热轧、热锻。 制品的获得：进行目的在于控制形状、尺寸精度、提高综合性能的各种冷加工，如冷轧、拉拔、冲压。 目前研究：近终形成形技术、短流程生产技术 A 管材,管材,无缝管,有缝管,挤压,斜轧穿孔,铸造,轧制带,弯形,焊接,拉拔,轧管,拉拔,成品,挤压：生产灵活、产品质量好，适用于品种、规格多、产量小（有色金属）的场合，但成本高、成品率低； 斜轧穿孔：生产率、成品率高；成本低；但制品形状尺寸精度差；尺寸规格受限制；多用于产量大的钢坯生产，有色金属厂基本没有； 铸造：产品的尺

4、寸规格少、质量差、性能低；主要用于生产大尺寸、性能要求不高的产品如下水管； 轧管：道次变形量大，几何损失少，适于难变形合金，能缩短工艺流程，也是提供长管坯的主要方法（使盘管生产得以实现），但形状、尺寸精度差； 拉拔：是获得精确尺寸、优质表面和性能的主要方法； 焊管：效率高、成本低，但性能、质量差。 先进工艺：挤压 轧管 （圆盘）拉拔 联合拉拔 水平连铸管坯 行星轧制 拉拔,B 棒、型、线材,棒、型、线,挤压,连铸连轧,型轧,拉拔,成品,挤压：适用于多品种、多规格、复杂断面； 连铸连轧：生产率、成品率高、能耗低（利用余热直接轧制）；但品种、规格单一； 型轧：适于单一品种、大批量产品的生产。 发展

5、方向： 中小棒材：挤压（轧制）圆盘坯料后联合拉拔出成品； 线材：多模、高速方向发展。,2 基本概念,挤压：对放在容器（挤压筒）内的坯料一端施以压力，使之从特定的空隙（模孔）中流出而成型的塑性加工方法。,）,轴,筒,垫片,坯料,制品,模,模座,锁键,欲完成挤压需有： 1）产生动力的装置： 挤压机 2）传递动力、容纳坯料控制制品尺寸和形状的工具： 轴、筒、模、穿孔针、垫片、模座、锁键,穿孔针,过程：清理筒、装模、落锁键、送锭、放垫片、挤压、抬锁键、切压余、冷却（润滑）工具、重复下一次。,1）正向挤压,特点： 1）存在较大的外摩擦（高温、高压），导致能耗大、变形不均匀（组织性能不均）,制品表面质量好

6、； 2）操作方便、适用范围广，是目前最广泛应用的方法。,3 基本方法,根据变形温度分：热挤压、冷挤压和温挤压；,根据变形特征分：正（向）挤压、反（向）挤压、连续,方法有很多，但最基本的方法有以下两种：,挤压等。,制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。,2）反向挤压,制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。,）,）,固定,）,空心锭,特点： 1）变形局限在模孔附近，大部分坯料与挤压筒间没有相对运动，因此外摩擦小，能耗低、变形均匀（组织性能均匀）； 2）操作不方便、制品的尺寸范围小； 3）制品表面质量差。 此外还有：卧式挤压、立式挤压等。 注： 1）冷、热变形应以合金的再结晶温度界定，如Sn、Pb在

7、室温变形也无硬化，属热变形； 2）冷、热挤压是挤压的两大分支，冶金工业中主要应用热挤压，常称挤压；机械工业主要应用冷挤压。,4 基本特点 1）优点 A 可最大限度提高材料的变形能力，因此 可加工脆性材料；一次可进行大变形 B 可提高材料的焊合性，因此 可生产复合材料；粉末挤压；舌模挤压 C 材料与工具的密合性高，因此 可生产复杂断面制品；选择坯料自由度大 D 生产灵活（只需更换筒、模即可生产不同,的制品），制品性能高。,2）缺点 A 工具消耗大，产品成本高 工作条件：高温、高压、高摩擦，工具消耗大，原料成本高，占制品成本35以上 B 生产率低 挤压速度低、辅助工序多 C 成品率低 固有的几何损

8、失多（压余、实心头、切头尾），不能通过增大锭重来减少 D 制品组织性能不均匀。,二、挤压时金属流动的规律,挤压时金属的流动规律，即筒内各部分金属体积的相互转移规律对制品的组织、性能、表面质量以及工具设计有重要影响。因此研究挤压时金属的流动规律以及影响因素，可改善挤压过程、提高制品的性能和质量。 挤压时金属的流动规律十分复杂，且随挤压方法以及工艺条件的变化而变化，现以生产中广泛使用的简单挤压（单孔模正挤圆棒）过程为例进行分析。,1、简单挤压时金属流动的规律,按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为： 填充挤压阶段：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满挤压筒和模孔（金属主要径向流动），挤压力急

9、剧升高；,基本挤压阶段：又称层流挤压阶段，金属不发生紊乱流动，即锭外（内）层金属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降； 终了挤压阶段：又称紊流挤压阶段，金属发生紊乱流动，即外层进入内层，挤压力上升。,挤压杆行程,挤压力,填充阶段,基本阶段,终了阶段,1）填充挤压阶段,挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯的外径小于筒内径115mm，因此在挤压力的作用下，锭坯首先径向流动充满挤压筒，同时有少量金属流入模孔。杆、垫片、锭坯开始接触到锭坯充满挤压筒的阶段称为填充挤压阶段。,A 必要性 a 操作要求； b 实心锭挤管，否则穿孔针弯曲导致管材偏心 ； c 制品要求横向性能，如航空用型材必须有一定的镦粗变

10、形（2530）,、 ，且均可看成是主应力，但由于挤压模孔的存在，导致 分布不均匀，体现在： 径向上：中心小，两边大，差异由前向后逐渐减小。 轴向上： 对着模孔部分：由前向后增大 对着模壁部分：由前向后减小,B 应力分析,作用于坯料上的外力： 挤压力 P ； 模端面反力 N ；摩擦力 T 应力状态类似于自由体镦粗，为三向压应力，即 、,C 变形（应变）分析,应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向） 变形过程：开始出鼓形， 断面首先充满挤压筒；继续加 力， 断面充满挤压筒；最后， 断面充满挤 压筒。,D 坯料端面变形分析,N,N,填充挤压时，部分金属会流入模孔，但此部分金属并不是发生塑性

11、变形后流入模孔的，而是被剪出的，其组织是铸态组织，必须切下（棒材头）。,原因：轴向应力 在径向上的分布是不均匀的，且在模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力，当此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金属便沿模孔被剪出。,E 填充阶段应注意的问题 a 尽量减小变形量（锭坯与挤压筒的间隙），否则易造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数表征，定义填充挤压系数为：,一般,b 锭坯的长度与直径比小于34，即L/D 3-4。否则变形不均出现鼓形，甚至失稳弯曲，导致封闭在模、筒交界处的空气压入表面微裂纹中，出模后若焊合则形成气泡，若未焊合

12、则出现起皮缺陷。,c 锭坯梯温加热，即坯料获得长度上的原始温度梯度，变形抗力低的高温端靠近模孔，填充挤压时坯料由前向后依次变形，从而将空气排除。,2）基本挤压阶段 金属从模孔中流出到锭坯长度等于变形区高度的阶段，又称平流挤压阶段。 A 挤压比 挤压时的变形量常用挤压比表征，定义挤压比为：,单孔模挤压时，挤压比为：,挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定，可查表。,B 应力分析,N,N,N,T,外力：挤压力P ；筒、模的反力N ；筒、模、垫片与坯料间的摩擦力T 。 应力状态：为三向压应力，即 、 、 ，且可近似看成是轴对称，即 。 实际上，在 区有：,在 区有：,轴向应力分布规律： 轴向上：由前向后

13、逐渐增大； 径向上：由中心向边部逐渐增大。,C 变形（应变）分析,应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向） 变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标网格变化分析。,a 纵向网格在进、出模孔发生方向相反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增大，说明变形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个曲面，一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或简称变形区。,b 在变形区中，横向网格的中心朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速大于外层质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是因为： 外摩擦影响：外层大，中心小； 断面温度分布：一般外层低，中心高； 模孔的存在使中心质点的流

14、动阻力小于外层质点。,c 制品的网格也有畸变，表现在： 横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐渐增大，说明变形（延伸变形和剪切变形）由前向后逐渐增大。 中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四边形，说明外层质点不仅承受了纵向延伸，还承受了附加的剪切变形，且剪切变形由中心向外层逐渐增大。,变形规律总结： 径向上：外层大，中心小； 轴向上：后端大，前端小； 变形差异：由前向后逐渐增加； 流动速度：中心大，外层小； 总体看流动平稳（层流）。,D 挤压筒内金属分区, 前端难变形区 又称死区，位于筒、模交界处的环形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不

15、参与流动。 死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品，因此能提高制品的表面质量。 影响死区大小的因素：模角、摩擦、挤压温度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。, 后端难变形区 位于垫片端面附近，是由于筒、垫片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。 在变形区中，有一个剧烈滑移区，处于死区和快速流动区之间。变形越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。 剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品表面出现微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制品性能下降。,3）终了挤压阶段： 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。,

16、主要特征： A 挤压力升高；（死区参与流动、温度低） B 金属径向流速增加，金属回流（紊流）（维持体积不变规律）。 实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。,2、正挤管材时金属流动的特点,1） 金属流动比挤压棒材时均匀。主要是由于穿孔针的摩擦和冷却，使内部质点的流动阻力增大； 2） 穿孔时强烈的内摩擦易导致制品内表面出现裂纹，因此一般润滑穿孔针。,）,轴,筒,垫片,坯料,制品,模,模座,穿孔针,3、反挤压时金属流动的特点,1） 变形区小且集中在模孔附近，金属流动均匀； 2） 死区小，制品表面质量差； 3） 挤压力小且在基本挤压阶段不变。,挤压杆行程,挤压力,填充阶段,基本阶段,终了阶段,正挤,

17、反挤,）,4、影响挤压时金属流动规律的因素,1） 摩擦与润滑 挤压时的摩擦有：筒、模、垫片穿孔针与坯料间的摩擦，一般主要指筒、坯料间的摩擦。润滑时摩擦力小，金属流动均匀； 2） 金属强度 强度高流动均匀。（强度高，摩擦小；变形热大，温度分布均匀）； 3） 温度 有坯料温度和工具预热温度。 坯料温度高，流动不均匀。（温度高，强度低，变形不均匀；温度高，出炉后冷却使锭温度梯度大，变形不均匀；一般温度高导热性能下降，锭温度梯度大，变形不均匀）； 工具预热温度高，流动均匀。（使锭温度分布均匀）,模主要有平模（ ）和锥模（ ），模角越大，流动越不均匀，平模挤压时流动最不均匀（死区大，摩擦大；弯曲（剪切）

18、变形大）。,4） 工具结构与形状 指与坯料接触的筒、模、垫片和穿孔针，筒、穿孔针的结构和形状基本不变，为圆柱形，故只分析模和垫片。,平模,锥模,垫片主要有平、凸、凹三种，凹垫片流动均匀，但仅在挤压初期有作用，同时由于加工、切压余困难，实际中除了在半连续挤压中外，还是采用平垫片。,平,凸,凹,5） 变形程度,变形程度,变形不均匀性,60,随变形程度的增大，外层质点向中心流动的阻力增加，导致坯料中心质点与外层质点的流速差增加，变形不均匀。但当变形程度增加到一定程度时，剪切变形深入到内部，变形向均匀方向转化。,实践表明： 当变形程度为60时，变形最不均匀； 当变形程度8590时，变形均匀，性能均匀；

19、 当变形程度6时，变形较均匀，但性能低。,三、挤制品的组织、性能和主要缺陷,1、挤制品的组织,1） 挤制品组织的不均匀性 A 特征 一般情况，前端、中心晶粒粗大，后端、边部晶粒细小。,头部 中心 尾部,B 原因 a 变形特点决定的 挤压时变形的分布规律是前端、中心变形小，后端、外层变形大，导致晶粒的破碎程度由前向后、由里向外逐渐增大； b 温度分布规律决定的 坯料的温度分布规律一般是前端、中心高，后端、外层低，即前端、中心在高温下变形，而后端、外层在低温下变形； 注：挤压软铝合金时，坯料、筒间温差不大，热量不易散失，温度分布 规律与上述相反。 c 合金在相变温度下变形，会引起组织不均。如HPb

20、591，在720以上为均匀的 相，若在挤压过程中温度低于720，则会析出 相，导致组织不均。,2） 挤制品的层状组织,A 特征 断口呈现出与木质折断后相似的形貌，分层的断口凸凹不平并带有裂纹；分层面近似平行于轴线；一般出现在前端。 B 原因 a 根本原因是坯料中存在有大量的气孔、缩孔或在晶界上分,布有未溶解的第二相或杂质等，在挤压时被拉长，从而出现层状组织； b 与变形特点有关 挤压初期流动平稳，形成的杂质膜不易破坏，后期变形逐渐紊乱，杂质膜破坏，层状组织不明显。,c 与铸造条件有关 冷却速度大，柱状晶明显，缺陷、夹杂物易集中分布，层状组织明显；反之不明显。 d 与合金成分有关 出现层状组织的

21、合金不多，在铜合金中主要是含Al的青铜QAl10-3-1.5和QAl10-4-4以及含Pb的黄铜HPb59-1；铝合金中主要是LD2和LD4，而LY11、LY12、LC4中较少、主要是由于这些合金中易出现氧化物夹杂。 C 对性能的影响 对纵向性能影响不大，使横向性能显著下降。有层状组织的衬套，承受的内压降低30。 D 防止措施 a 主要从铸锭着手，如降低冷却强度以缩小柱状晶区，分散杂质； b 增大变形程度，以增加紊流区，进而破坏杂质膜。,3） 挤制品的粗晶组织 某些合金在挤压时或在随后的热处理时，会形成异常粗大的晶粒组织，这种组织称为粗晶粒或粗晶组织。 易出现粗晶组织的主要是某些铝合金，如纯铝

22、、软铝在挤压后即出现；而锻铝、硬铝在挤压后的淬火时出现。,A 分布规律 由前端外层向后端外层逐渐扩大，严重时可扩展至整个断面，象带锥度的圆管，又称粗晶环。,铸造组织,细晶组织,粗晶组织,死区,粗晶组织,细晶组织,B 形成机理 出现粗晶组织的根本原因是在挤压时或在挤压后的淬火时发生了集聚再结晶，因此凡是能降低再结晶温度、促进再结晶过程的因素均易导致粗晶环。 a 与变形特点有关,挤压时,对于纯铝、软铝合金而言，挤压速度快，变形热大，制品出模后温度应较高，因此外层、后端优先发生再结晶和集聚再结晶，形成粗晶组织。,b 与合金成分有关,易出现粗晶环的合金中均含有Mn、Cr等过渡族元素，这些元素的特点是：

23、溶入基体中能提高再结晶温度，以第二相如MnAl6、CrAl7在晶界析出时能阻碍晶粒长大。,挤压时，由于中心质点流动速度快，导致边部产生拉副应力，促进Mn、Cr元素的析出，降低再结晶温度，但因析出的第二相能阻碍晶粒长大，因此含这些元素的合金在挤压后是一次再结晶组织，不出现粗晶组织。 挤压后淬火时，为了得到均匀的单相固溶体组织，加热温度高、时间长，在这种条件下，析出的第二相重新溶入基体，阻碍晶粒长大的作用消失，因此一次再结晶后的晶粒吞并周围的晶粒并迅速长大，形成粗晶组织。 注： 1）有关粗晶形成机理还有待进一步研究； 2）粗晶组织降低性能，应尽量避免，生产中应检查。,2、挤制品的性能,1） 挤制品

24、性能的不均性,a 制品前端、内部强度低、塑性高；后端、外层相反；（纯铝、软铝分布规律相反） b 各向异性，纵向性能高于横向性能； c 性能差异随变形程度不同而不同。当变形程度80时，性能均匀且较高。因此挤压时变形程度应80。,外层,内层,1-外层,2-内层,2） 挤压效应 某些工业用铝合金，在经过同一热处理后（淬火、时效），挤制品与其它压力加工制品相比，在纵向上具有较高的强度和较低的塑性，这一现象叫挤压效应。 易出现挤压效应的合金：锻铝、硬铝 A 特征 出现在制品内部（外部因粗晶环而消失）；组织是未再结晶的加工组织。 B 形成机理 a 与形成的织构有关 挤压时，金属处于两压一拉的变形状态且流动

25、平稳，晶粒皆沿挤压方向被拉长，形成较强的纵向织构，即大多数晶粒的某一晶向（111）均按挤压方向取向，导致纵向强度升高。,b 与合金成分有关 出现挤压效应的合金也都含Mn、Cr元素，由于挤压时中心质点流速快，因此内部产生压副应力，不利于Mn、Cr元素的析出，使再结晶温度升高，可认为挤压后制品内部是过饱和的、未再结晶的加工组织。在挤压后的淬火加热时，内部过饱和的固溶体继续析出，析出的第二相弥散分布在晶界上，阻碍晶粒长大（阻碍再结晶过程），因此热处理后，制品的内部仍保留着未再结晶的加工组织，导致强度升高。 c 与强烈的三向压应力状态有关 挤压时强烈的三向压应力状态使晶界、晶内破坏较少，有利于缺陷的愈

26、合，使强度升高。 注 要得到类似的强化效应，关键不在于采用什么加工方法，而在于通过什么途径使合金在热变形以及随后的热处理过程中，仍然保留有未再结晶的加工组织。,粗晶与挤压效应总结： 均出现在含Mn、Cr元素的铝合金中； 粗晶出现在外层， 挤压效应出现在内层； 粗晶产生的根本原因是发生了集聚再结晶； 挤压效应产生的根本原因是未发生再结晶。,挤压后,淬火加热时,结果,形成机理：铸造时冷速快导致铸锭是过饱和组织；,挤压时,3、挤制品的主要缺陷,1） 挤制品裂纹 A 特征 出现在制品表面，外形大致相同，呈周期性分布，又称周期性裂纹。,裂纹一般出现在高温塑性差的合金中，如锡磷青铜、锡黄铜、硬铝等合金。,

27、B 形成原因 根本原因是变形不均所产生的轴向拉副应力作用结果 挤压时中心质点流速快，中心产生轴向拉副应力，当此力与基本应力叠加后的工作应力达到合金的强度极限时，就会产生裂纹。由于在表面的拉副应力最大，故裂纹首先在表面产生。,裂纹的产生一方面在裂纹的尖角处产生应力集中，促进裂纹的扩展，另一方面也消除了此局部的拉副应力，因此当裂纹扩展到一定深度后不再向内扩展。 随着变形的进行，合金又会由于拉副应力的产生而形成裂纹，因而裂纹呈周期性分布。,C 消除措施 a 使变形均匀，消除轴向拉副应力，如润滑等； b 提高基本应力，如施加反压力、增加定径带长度、增加变形程度等（以能耗多为代价）； c 保证合金的高温

28、强度，制订合理的温度速度规程，使合金处于高温塑性好的区域，如低温快速、高温慢速、等温挤压等。,2） 挤压缩尾 又称挤压缩孔，是出现在制品尾部的一种缺陷，是指挤压过程中，坯料表面的缺陷（氧化物、偏析瘤、杂质、油污等）进入制品内部或出现在制品的表明层，而形成的一种漏斗状、环状、半环状的疏松组织缺陷。 缩尾破坏组织的连续性和致密性，降低制品性能。 缩尾依其存在的部位可分为以下三种： 环形缩尾 中心缩尾 皮下缩尾,A 环形缩尾 a 特征 分布在制品尾部中间部位，呈完整的圆环或部分圆环，一般在2001000mm内。,b 形成原因 挤压末期发生紊乱流动，即外层金属发生回流，由于后端难变形区的存在，回流的金

29、属沿难变形区界面流动，分布在制品的中间层。由于外层金属含有氧化皮、油污等脏物，流入制品内部与基体金属不能焊合，形成环形缩尾。 环形缩尾是最常见的缩尾。,难变形区,B 中心缩尾 a 特征 分布在制品尾部中心部位，短而粗，呈漏斗状，一般留在压余内，只有在大规格制品、压余又薄时才能观察到。,b 形成原因 随着挤压过程的进行，后端难变形区逐渐变成一小楔形，回流的金属沿此界面流动，分布在制品的中心。由于外层金属含有氧化皮、油污等脏物，流入制品内部与基体金属不能焊合，形成中心缩尾。 当回流的外层金属也不能补充中心金属的短缺时，形成缩孔。,难变形区,C 皮下缩尾 a 特征 分布在制品尾部周边部位，没有规律性

30、。,b 形成原因 挤压末期，金属温降大、塑性低，导致剧烈滑移区与死区界面发生断裂（内摩擦转变为外摩擦），含有氧化皮、油污等脏物的外层金属沿此界面流出，同时，死区也不是完全的刚体，也会沿模孔一点一点的流出，包覆在由死区界面流出的脏金属上面，形成皮下缩尾。,D 防止措施 a 使挤压不处于末期 如留压余（压余长度一般为锭径的1030）、半连续挤压； b 使变形均匀，金属不产生回流，主要措施是制订合理的工艺参数，如润滑、锥模挤压、低温挤压、提高工具表面光洁度等； c 提高坯料表面质量 如机加工、加热时尽量减少氧化、热剥皮、脱皮挤压等。,制品,垫片,脱皮,四、挤压力,挤压力：轴通过垫片作用在坯料上使之从

31、模孔中流出的力，是指曲线上的最大力。 挤压力是制订工艺、选择设备、校核工具强度的依据。,影响因素：有很多，如摩擦、金属性质、挤压温度、变形程度、模角等。 模角逐渐增大过程中，一方面弯曲变形增大，导致挤压力升高；另一方面摩擦面减小，导致挤压力减小，结果存在一最佳模角，使挤压力最小。挤压时最佳模角为4560。,平模挤压时形成死区，模角取60。,五、挤压工具,1、挤压筒,1） 结构 一般由二层或三层过盈热装组成，分别称为内套、中套和外套，目的是：a 使筒壁中的应力分布均匀（降低筒壁中的应力峰值）；b 筒磨损后只需更换内套，不必更换整个挤压筒，可节约材料。,外套,中套,内套,作用：容纳金属。,各套之间

32、的配合可以是圆柱形的（a）、带一定锥度的（b、c）或带止口的（d）。圆柱形衬加工容易，但更换困难；锥形衬加工困难，但更换容易；带止口衬与圆柱形衬基本相同，只是热装时依靠止口自动找准。,a,b,c,d,内套两端面均做成锥面，有助于挤压时顺利将坯料、垫片推入挤压筒，更重要的是起定心作用，即使模子在模座靠近筒内衬套锥面后，能准确地位于挤压中心线上，因此，这个锥面又叫定心锥。,模座,模,2） 预热 目的：a 减小坯料的温降、改善坯料的温度分布，进而使流动均匀；b 避免筒受剧烈的热冲击，延长其使用寿命。 一般预热温度为：350400 ，预热温度过高，耐热合金钢强度损失太大。 方法：主要采用感应加热，即将

33、加热元件绝缘后插入沿挤压筒圆周布置的轴向孔中，然后串联起来通电，靠磁场感应产生的涡流加热。加热元件一般布置在外衬套中，在强度允许的情况下，布置在中套中较有力，可使断面温度分布均匀；也有用电阻元件由筒外加热的；也可用煤气或热的坯料由筒内加热的；还有将筒放在加热炉中加热的。,3） 尺寸设计 内径：筒内径越大，垫片上的单位压力越小，因此，最大内径应保证作用在垫片上的单位压力不低于被挤金属的变形抗力；最小内径应保证工具（尤其是轴）的强度。不同吨位的挤压机一般配24个不同内径的筒。 长度： 挤压筒长度一般为：8001000。 此外还有过盈量、层数、各层厚度，参见P89。,4） 强度校核,单层时，可将筒看

34、成是只受内压的厚壁筒，筒壁上的应力分布如左图。 二层过盈热装时，内套可看成是只受外压的厚壁筒，外套看成是只受内压的厚壁筒，应力分布如左图。 合成应力分布如左图。,2、挤压轴,1）种类 实心轴：用于 正挤棒、型材；反挤大尺寸管材；空心锭挤管材。 空心轴：用于 正挤管材；反挤棒、型、管材。,实心轴,空心轴,为节约材料，有时也做成过盈装配式轴，即轴身用高强度钢，支座用一般钢。,轴身,支座,作用：传递挤压力。,2） 尺寸设计 外径：由筒内径决定，一般比筒内径小410mm； 内径：由环形断面所承受的压应力不超过材料的许用应力决定，此内径也是该轴能通过的最大穿孔针外径。 长度： 长510mm是为了将垫片和

35、压余推出挤压筒。 注：轴在高温下工作，端部有可能镦粗，因此外径设计时应小些，内径应大些。 3） 强度校核 稳定性校核；抗压强度校核。,3、垫片,作用： 保护挤压轴，防止轴端面温度过高和减小轴的磨损； 可改善挤压过程，如凹形可使流动均匀、表面刻花纹可增大摩擦减少缩尾形成、锥形可实现无压余挤压等。 按使用方式有两种： 自由式垫片：使用时不与轴固定在一起； 固定式垫片：使用时与轴固定在一起。,1）自由式垫片 A 种类与结构,棒型材垫片 管材用垫片 脱皮用垫片 锥形垫片,反挤用垫片,脱皮用垫片的凸缘有利于压余、脱皮与垫片的分离，减少垫片与金属的粘结和摩擦，也用于粘性大合金的挤压如软铝合金、含铝的青铜和

36、黄铜等；锥形垫片与锥模配合可实现无压余挤压，主要用于无独立穿孔系统的立式挤压机上。,B 尺寸设计 外径D应比筒内径小D， D太大，易形成局部脱皮挤压，残留在筒内的金属在下次挤压时可能包覆在制品上形成起皮、分层等缺陷；挤压管材时不能有效地控制穿孔针的位置，导致管材偏心。 D太小，易导致垫片与筒摩擦，加速挤压筒的磨损。 D值与筒的内径和挤压方式有关，具体见P93。 内径d由穿孔针的外径决定，一般比穿孔针的外径大0.30.4，间隙太大，不能校正穿孔针在筒中的位置，还可能导致金属回流包住穿孔针。间隙太小易划伤穿孔针。 厚度H一般为：H（0.40.6）D。 C 强度校核 抗压强度。,2）固定式垫片 由内

37、垫片和外垫片组成，用螺栓固定在轴上，内垫片比外垫片凸出1mm左右。挤压时，内垫片受力而缩进，致使外垫片胀开而密封挤压筒；挤压后，内垫片凸出推动压余，外垫片恢复原状。 注:a 垫片应润滑以利于压余的分离； b 一般用于挤低温合金如铝合金，否则垫片过热。,4、穿孔针,作用：对坯料穿孔，控制制品内表面质量和尺寸精度。常用的有圆柱式针、瓶式针和浮动式针三种。 1） 圆柱式针 A 结构,工作部分为圆柱形，沿轴向上有稍许锥度，以有利于穿孔；减少金属流动时作用在针上的摩擦力（引起拉应力）；挤压后易退出。对于固定不动的针，只在针的前端一段有锥度，而随动针在整个长度上都带锥度。,B 尺寸设计 外径D：由制品的内

38、径决定（以正差为限）； 锥度：不易过大，否则会影响内径的尺寸精度、易在垫片内孔与针之间充满金属。具体见P94 。 长度： 长10mm起导向作用，以防制品弯曲。,2） 圆柱式针 A 结构 由针头和针身两部分组成，工作时针头部分与,针身,针头,模孔配合控制制品的内径尺寸和精度，粗的针身部分提高强度。,B 特点 a 抗弯强度高，挤出制品的同心度好；b 可防止垫片划伤针头（工作部分）表面，因此能提高内表面质量；c 粗的针身部分承载能力高，针的使用寿命长；d 主要用于挤压内径2030 的管材。 C 尺寸设计 针头直径由制品内径决定；针身直径为5060或更粗，以提高抗弯强度；二者的过渡锥角以3040为宜。

39、 针头长度：,余量一般为2030mm，太大易导致挤压末期金属倒流到挤压轴中；太小则针身离模端面太近，导致挤出管材内径过大。,余量,垫片,模,筒,3） 浮动式针 A 结构 由针头、连接器、浮动套和连接杆组成，其主要特点是能自动纠正管材的偏心。原理是 ：采用浮动针挤,针体,连接杆,浮动套,连接器,压时由于不能填充，导致穿孔针偏离挤压中心线，结果浮动套与模孔所形成的环形截面（缝隙）不均匀，缝隙小处流动阻力大，静压力大，迫使浮动套向流动阻力小、静压力小的一侧移动，直至缝隙均匀。 B 尺寸设计 见P95 。 4） 强度校核 抗压、抗拉、稳定性,穿孔中心,挤压中心,5、挤压模,作用：控制制品的尺寸和形状。

40、 1） 种类 A 整体模 由整块钢料制成的模。,平模,锥模,平模：模角为90 ，挤压时存在死区，形成自然模角，一般取60 。平模挤压制品表面质量好，但挤压力大，能耗多。,锥模：模角一般为5570 ，挤压时流动均匀，挤压力小，但制品表面质量差，适于大规格管材和难变形合金管棒型材挤压。,平锥模,碗形模,平流线模,流线模,双锥模,双锥模：工作面由两段锥面组成，锥角分别为6065 和1015 ，挤压时流动均匀，适于铜、镍、铝合金管材挤压。,平锥模：工作面由平面和锥面组成，兼有平模和锥模的优点，适于钢和钛合金挤压。,此外还有：流线模，平流线模和碗形模。,B 可拆卸模 模孔由几个模块组装而成，主要用于变断

41、面型材挤压。,C 舌（形）模 又称桥氏模，将模与舌芯做成一体。根据舌芯形式不同，可分为突桥式、半突桥式和隐桥式三种。特点是 ：可用实心锭挤压管材；产品尺寸精确，内表面质量好；但制品有焊缝，挤压力比穿孔挤压时高，压余长。,突桥式,半突桥式,隐桥式,D 分流组合模 由阳模（上模）和阴模（下模）组成，二者用螺栓连接（有定位销）。特点与舌模相同，但结构比后者更合理、使用更方便。按结构形式可分孔道式和叉架式两种。,孔道式组合模加工制造方便、生产操作简单，能生产形状复杂的空心型材，但挤压力大，易闷车，挤压后修模困难。实际中应用最广泛。,制品,孔道,下模,上模,挤压方向,叉架式组合模挤压力小，挤压后修模、清

42、理压余容易，适于生产大尺寸空心型材，但加工制造困难，应用较少。,叉架,下模,制品,螺孔,孔道,挤压方向,2） 模具设计 A 单孔模设计,模角：平模为90 ，锥模一般为4560 。 定径带直径d ：与制品名义直径不相等，应考虑出模后冷却收缩、模子热膨胀和受压变形、制品拉伸矫直等影响，一般比制品名义直径大。设计时用裕量系数,d,l,r,c 考虑，即： ， c 值见P100 。 定径带长度l ：过短模子易磨损、易压伤制品表面；过长则易粘结金属（造成表面有毛刺、划伤等）、挤压力大。一般按经验选取，见P99 。,D,L,入模圆角半径r ：模子入口处常做成一定的圆角，这样可：防止塑性差的合金产生裂纹；防止

43、高温下模子棱角处压堆而改变模孔尺寸；减少金属流入定径带时的非接触变形。取值见P100 。,d,l,r,D,L,出口带直径D：小易划伤制品，大降低模子强度，一般比定径带直径大45mm。型材挤压时，为提高定径带的抗剪强度，可做成一定角度的斜面。 此外，还有出口带的长度、模子的外形尺寸如厚度、直径等，见P100 。,B 多孔模设计 在挤压小尺寸（直径3040）制品时，为提高生产率、降低挤压比，或受料台长度的限制，常采用多孔模挤压；此外，挤压小规格复杂断面型材时，为使金属流动均匀，也常采用多孔模挤压。 模孔数目确定：太多易导致制品出模后相互缠绕而划伤制品；操作困难；模子强度降低。当仅考虑合金性能时，孔

44、数 n 可按下式确定： 实际中，孔数一般 46。 模孔布置原则：均匀布置在同心圆上。同心圆直径应适当，模孔过分靠近边缘，易导致死区流动，还易导致制品外测产生裂纹；过分靠近中心，易导致制品内侧出现裂纹。大小见P101 。,C 型材模设计 型材挤压时，由于坯料和制品失去了对称性以及制品本身可能不对称，如壁厚不同，因此流动非常不均匀，若设计不当，则由于不均匀变形会导致制品出现裂纹、波浪、弯曲、扭拧等缺陷。设计的基本原则是： a 型材的重心布置在模孔的中心线上,对于只有一个对称轴且壁厚差较大的型材，型材的重心必须偏离模孔中心一定距离，且使难流动的薄壁部分更接近中心。,b 采用多孔模对称布置（增加整体对

45、称性）,不正确 正确,c 采用不等长的定径带,不易流动的薄壁部分定径带短，易流动的厚壁部分定径带长。,利用不等长定径带控制流速是实际中广泛采用的方法，但有限度，定径带长到一定值时，金属由于冷却收缩不与其接触，失去阻碍作用。,d 采用阻碍角或促流斜面,在易流动的厚壁模孔入口处做一斜面，此斜面与轴线的夹角 叫阻碍角；同样，对于难流动的薄壁部分，可做一具有 角（倾斜的模子端面与水平面的夹角）的促流斜面。,阻碍角增加了摩擦面积；促流斜面对金属反作用力的水平分力，促使金属向薄壁处流动。,e 采用平衡模孔 在挤压异形管材、大尺寸制品时，模上只能布置一个模孔，为了平衡流动，可配置平衡模孔，平衡模孔最好为圆形

46、以便利用。,平衡模孔,D 舌形模设计 舌模挤压又称焊合挤压，挤压时金属在强大的压力作用下被分成几股流入模孔，借助于模壁的压力使金属重新焊合起来形成空心制品。主要用于小尺寸、焊合性能好的合金挤压。结构多为桥式，桥的断面形状主要为水滴形。 舌模的制造费用高，易于损坏，分离压余麻烦，目前已逐渐被分流组合模所取代。,E 分流组合模设计,挤压时金属产生两次激烈变形，一次是进入模腔的变形，一次是进入模孔的变形，流动阻力大，因此适于强度低、易焊合合金（纯铝、软铝合金）的挤压。 分流比：分流孔的面积与制品面积之比。分流比小，挤压力大，对模具和挤压生产都不利，对型材，一般取：1030；对管材取：510；对非对称

47、制品，应尽量保证各部分分流比相等。,定位销,阳模,阴模,分流孔数量应尽量少以减少焊缝，布置尽量与制品保持几何相似性。,型材模挤压、舌模挤压和分流组合模挤压非常复杂，也非常重要，尤其是近年来工业的发展，对（空心）型材的形状、尺寸精度要求越来越高，这更促进了上述方法研究和发展。 上面仅介绍了一些基本原则，详细内容可参阅 P102 127 或有关资料。,六、挤压工艺,1 挤压温度确定,确定原则：1）在所确定的温度范围内，合金具有高的塑性和低的变形抗力；2）满足制品的组织、性能和表面质量要求。 确定方法：“三图”定温。,相图：确定出大致温度范围，原则是保证在单相区加工。一般为（0.7-0. 9） T0

48、 。,相图,塑性图：合金塑性随温度而变化的图，可进一步确定（缩小）温度范围，保证合金具有最好的塑性。,第二类再结晶图：晶粒度随变形程度和温度（变形后温度）而变化的图，用于控制制品的组织和性能，防止晶粒过分长大。由左图知，500C左右合理。,塑性图,第二类再结晶图,三图定温是确定热加工温度的基础，在具体确定挤压温度时，还应考虑： 1） 易氧化（如铜合金、钛合金）以及易粘结工具（铝合金以及含铝的青铜）的合金，温度取下限； 2） 挤压时的变形程度大、摩擦大，因此变形热效应和摩擦热大，又由于变形系统封闭，热量不易散失，结果导致变形区温度升高。所以挤压温度应适当降低，一般比热轧温度低 此外还应考虑压方法

49、，如立式挤压时速度快，温度可低些；舌模以及分流组合模挤压时，为提高焊合性能，温度可高些。 总之，在确定坯料加热温度时，必须考虑合金在挤压时的温度变化。,2 挤压速度或金属流出速度确定,挤压时的速度有三种： 挤压速度：挤压轴的运动速度； 流出速度：制品的流出速度； 变形速度：单位时间内变形量的大小，只理论上用。 实际中一般确定流出速度，因它可综合衡量挤压速度和挤压比对挤压过程的影响，且可直观地看出生产率的大小。 确定流出速度的原则是：在保证制品质量（一般是表面不出现裂纹）的前提下尽量大，以提高生产率。根据实际经验，有以下规律：,1） 合金的塑性变形温度范围越宽，流出速度越大； 2） 复杂断面比简

50、单断面的流出速度要低；大断面比小断面的流出速度要低； 3） 润滑条件好时流出速度可提高； 4） 纯金属的流出速度可高于合金的； 5） 挤压温度越高，流出速度应越低； 6） 管材挤压时的流出速度应比同样断面棒材的低。 总之，塑性好的合金、挤压时流动均匀的合金，流出速度可大些。,3 挤压优化（速度速度控制）,挤压时希望流出速度越大越好，但流出速度受合金性能以及设备能力所制约，如图所示。,曲线1是设备能力极限曲线，由设备吨位和工具强度决定；曲线2是制品表面开始出现裂纹的冶金学极限，由合金的性能决定；两曲线所围成的阴影区域提供了可选择的温度和速度范围；两曲线的交点给出了最佳的挤压温度以及在此温度下允许

51、的最大挤压速度。,由图可看出，低温时由于合金的变形抗力大，此时制约流出速度的因素是设备能力；高温时由于合金的变形抗力较低，此时制约流出速度的因素是合金的性能。,曲线2的位置比较固定，由合金的性能决定；但曲线1的影响因素较多，如减小挤压比、润滑等由于降低了挤压力而导致曲线左移，进而扩大可供选择的工艺参数范围。,4 挤压比,确定挤压比时应考虑： 1） 合金的性能 温度确定后，挤压比越大，制品流出速度越大，出模温度越高，越易出现裂纹。 2） 制品的性能 为保证制品性能均匀，挤压比应10。 3） 设备能力和工具强度 挤压比越大，挤压力越大，易导致闷车或损坏工具。 坯料尺寸选择、挤压时润滑以及轻金属、重金属、稀有金属和钢等挤压内容自学。,