挤压课件(自学版)..ppt

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：D>6mm；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： D<6mm；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； 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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 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1－15mm， 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 有一定的镦粗变形（25－30％） 、 ，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 、 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ C 变形（应变）分析 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 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。

Ⅱ Ⅰ Ⅲ 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 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3－4，即L/D 在 区有 ： Ⅱ> 轴向应力分布规律： 轴向上：由前向后逐渐增大； 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动阻力小于外层质点 > > c 制品的网格也有畸变，表现在： ① 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 ② 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） 变 形 前后 外层 中心 D 挤压筒内金属分区 死区（前端难变形区 ） 变形区 后 端 难 变 形 区剧烈滑移区 ① 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 ② 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 ③ 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 死区（前端难变形区 ） 变形区 后 端 难 变 形 区剧烈滑移区 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 > > 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，。