塑性成型工艺(09挤压与拉拔)

塑性成型工艺（挤压与拉拔）教材：金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷轧授课班级：09材控本授课教师：张红云1挤压概述主要内容：挤压的基本概念；优缺点及适用范围；挤压基本方法及特点；挤压技术的发展。重点：挤压的基本方法及特点。重要概念：正向挤压、反向挤压目的和要求：清楚挤压的概念、优缺点；挤压技术的发展和中国挤压工业的发展；掌握正挤压、反挤压的概念、特征。1.1挤压的优缺点及适用范围1.1.1挤压的定义所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性成型方法。其基本原理如图1-1。图1-1挤压的基本原理示意图1.1.2挤压生产的优缺点优点：（1）具有最强烈的三向压应力状态；（2）生产范围广，产品规格、品种多；（3）生产灵活性大，适合小批量生产；（4）产品尺寸精度高，表面质量好；（5）设备投资少，厂房面积小；（6）易实现自动化生产。缺点：（1）几何废料损失大；（2）金属流动不均匀；（3）挤压速度低，辅助时间长；（4）工具损耗大，成本高。1.1.3挤压生产的适用范围（1）品种规格繁多，批量小；（2）复杂断面，超薄、超厚、超不对称;（3）低塑性、脆性材料。1.2挤压的基本方法及特点挤压的方法可按照不同的特征进行分类，有几十种（见表1-1）。最常见的有6种方法：正向挤压、反向挤压、侧向挤压、连续挤压、玻璃润滑挤压和静液挤压（见图1-2）。最基本的方法仍然是正向挤压（简称正挤压）和反向挤压（简称反挤压）。表1-1挤压方法分类图1-2工业上常用的挤压方法1.2.1正向挤压法定义：金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同的挤压生产方法。特征：变形金属与挤压筒壁之间有相对运动，二者之间有很大的滑动摩擦。引起挤压力增大；使金属变形流动不均匀，导致组织性能不均匀；限制了挤压速度提高；加速工模具的磨损。1.2.2反向挤压法定义：金属的流动方向与挤压杆（或模子轴）的相对运动方向相反的挤压生产方法。特征：变形金属与挤压筒壁之间无相对运动，二者之间无外摩擦。特点：挤压力小；金属变形流动均匀；挤压速度快。但制品表面较正挤压差；外接圆尺寸较小；设备造价较高；辅助时间较长。1.3挤压技术发展进步自1797年英国的布朗曼发明了挤压铅管设备以来，挤压技术得到了迅速发展，主要表现在以下几方面：（1）挤压机的台数和能力不断增加。目前，全球挤压机总台数约6000多台，中国约3000台；最大吨位的挤压机是360MN水压机，最大吨位的油压机是150MN挤压机。（2）自动化程度不断提高。挤压机的控制已完全摆脱了人工操纵分配器的繁重劳动，实现了自动控制。（3）强化挤压生产过程，新的挤压技术不断出现。如：等温挤压、等速挤压、静液挤压、连续挤压、有效摩擦挤压、半熔融挤压、无压余挤压、多坯料挤压等等。（4）品种、规格不断扩大。仅铝型材的品种大约有50000种；制品的断面外接圆直径最小有如火柴棒大小，最大可达到1000mm；型材的最小壁厚可达到0.3~0.5mm。（5）理论研究有突破性进展。目前，常用于金属挤压的理论方法主要有工程近似法、滑移线法、上限法、变分法、有限元法、模拟试验法等。主要参考资料1.谢建新,刘静安.金属挤压的理论与技术.北京:冶金工业出版社,20012.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册（修订版）.长沙:中南大学出版社,20023.温景林.金属挤压与拉拔工艺学.沈阳:东北大学出版社,20034.魏军.有色金属挤压车间机械设备.北京:冶金工业出版社,19882.挤压时金属的变形流动主要内容：金属变形流动及挤压力的变化特征；正、反向挤压时金属的变形流动特点，挤压制品的组织特点，挤压力的变化规律；影响金属流动的因素分析。难点：挤压时的应力与变形分析，挤压缩尾的产生机理，反向挤压时的挤压力变化分析，反向挤压时的缩尾、纺锤体核组织、粗晶芯与粗晶环。重要概念：填充系数，挤压比，难变形区，死区，挤压缩尾，纺锤体核组织，粗晶芯，变形区压缩锥。目的和要求：掌握挤压过程三个阶段的含义、挤压力的变化规律；填充系数的意义及其对制品质量的影响；挤压时金属的变形流动特点；挤压缩尾的概念及产生原因。2.1正向挤压时金属的变形流动根据金属变形流动特征和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为开始(填充)、基本（平流）和终了（紊流）挤压三个阶段（见图2-1）。图2-1正、反向挤压力-行程曲线2.1.1填充挤压阶段金属的变形流动2.1.1.1金属变形流动特点金属发生横向流动，出现单鼓或双鼓变形（见图2-2）。其变形指数——用填充系数λc来表示：λc=F0/Fp（2-1）2.1.1.2挤压力的变化规律随着挤压杆的向前移动，挤压力呈直线上升。图2-2填充挤压时金属的变形2.1.1.3金属受力分析（见图2-3）图2-3填充挤压阶段锭坯的受力状态随着填充过程中锭坯直径增大，在锭坯的表面层出现了阻碍其自由增大的周向附加拉应力。随着填充过程进行，锭坯长度缩短，直径增大，中间部分首先与挤压筒壁接触，由于摩擦作用，从而在表面层出现了阻碍金属向前后两个空间流动的纵向附加拉应力。2.1.1.4对挤压制品质量的影响（1）填充系数过大，从而易造成制品表面起皮、气泡缺陷。（2）填充系数过大，用空心锭不穿孔挤压管材时易造成偏心缺陷。（3）对于具有挤压效应的铝合金来说，填充系数增大，挤压效应损失增大。2.1.2基本挤压阶段金属的变形与应力2.1.2.1金属变形流动特点不发生横向流动。其变形指数——用挤压比λ来表示：λ=F0/F1（2-2）2.1.2.2应力分布（见图2-4）（1）轴向应力σLσL边σL中σL入σL出图2-4作用在金属上的力、应力（2）径向应力σr与周向应力σθσr中σr边σr入σr出σθ中σθ边σθ入σθ出2.1.2.3金属的变形及流动——用坐标网格法分析（见图2-5）A、纵向网格线的变化（1）变形前后均保持平行直线，间距仍相等。图2-5﹡正挤压圆棒材金属流动示意图（2）每条线（除中间一条外）发生了两次方向相反的弯曲。各条线的弯曲角度不同，外大内小。（3）在挤压制品的最前端，除了中间一条外，其它线分别向外弯曲。挤压变形区：分别连接各条线的两个拐点，形成两个曲面。把这两个曲面与模孔锥面或死区界面间包围的体积称为挤压变形区或变形区压缩锥（见图2-5中虚线）。B、横向网格线变化（1）靠近挤压垫一方部分横向线未变化；（2）进入变形区后横向线向前发生弯曲，越靠近模孔，弯曲越大，出模孔后不再发生变化；（3）出模孔后的横向线的弯曲程度由前向后逐渐趋于稳定；（4）横向线距离不等，前小后大，最后趋于稳定。C、坐标网格的变化（1）变形前为正方形，变形后横向压缩、纵向拉长为矩形或平行四边形；（2）挤压制品中心部位近似矩形，边部为平行四边形；（3）越靠近边部，平行四边形的短边与原横向线之间的夹角越大。2.1.2.4难变形区与剧烈变形区挤压过程中的难变形区如图2-6所示。图2-6挤压筒内的金属难变形区a-平模挤压；b-锥模挤压A、前端难变形区——死区（1）死区概念：在基本挤压阶段，位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。死区的的大小和形状并非绝对不变化，如图2-7所示，挤压过程中，死区界面上的金属随流动区金属会逐层流出模孔而形成制品表面，死区界面外移，高度减小，体积变小。图2-7挤压6A02合金的死区变化示意图Ⅰ-初期；Ⅱ、Ⅲ-中期；Ⅳ-末期（2）死区产生原因：a、强烈的三向压应力状态，金属不容易达到屈服条件；b、受工具冷却，σs增大；c、摩擦阻力大。从能量学角度来看，金属沿着图2-6中adc曲面流动所消耗的能量较小。（3）影响死区大小的因素：a、模角α模角大，死区大；b、摩擦系数f摩擦系数大，死区大；c、挤压比λ挤压比大，死区高度大，但总体积减小；d、挤压温度热挤压死区大，冷挤压死区小；e、挤压速度v挤压速度快，死区小；f、金属的变形抗力σs金属变形抗力大，死区大；g、模孔位置在多孔模挤压时，模孔靠近挤压筒内壁，死区减小。（4）死区的作用：可阻碍锭坯表面的杂质、氧化物、偏析瘤、灰尘及表面缺陷进入变形区压缩锥而流入制品表面，提高制品表面质量。B、后端难变形区产生原因：挤压垫的冷却和摩擦作用。C、剧烈变形区如图2-8所示，在变形区压缩锥与死区的交界处，发生强烈的剪切变形，使晶粒破碎非常严重。这一部分金属流出模孔后位于制品的表面层，造成制品内外层晶粒大小不同，外层细小，内层粗大，从而造成机械性能不均匀。在热处理后易形成粗晶环。图2-8一次挤压棒材金属流动情况2.1.2.5挤压力的变化规律随着挤压杆向前移动，金属不断从模孔中流出，挤压力几乎呈直线下降。2.1.3终了挤压阶段金属的变形流动如图2-9所示，当挤压垫开始进入变形区，与挤压垫接触的后端难变形区金属，克服垫片的摩擦作用，挤压力升高。产生径向流动；位于死区部位的金属也发生环流，进入模孔流向制品中。图2-9挤压垫进入变形区示意图终了挤压阶段特点：（1）金属的横向流动剧烈增加，并产生环流；（2）挤压力增加；（3）产生挤压缩尾。挤压缩尾：挤压快要结束时，由于金属的径向流动及环流，锭坯表面的氧化物、润滑剂及污物、气泡、偏析榴、裂纹等缺陷进入制品内部，具有一定规律的破坏制品组织连续性、致密性的缺陷。2.1.3.1挤压缩尾的形式三种：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾。（1）中心缩尾图2-10正向挤压棒材中心缩尾（2）环形缩尾图2-11正向挤压制品的环形缩尾（3）皮下缩尾图2-12正向挤压制品皮下缩尾2.1.3.2挤压缩尾的形成图2-13挤压缩尾形成过程示意图a-中心缩尾；b-环形缩尾；c-皮下缩尾A、中心缩尾（1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状态，径向流动速度增加。（2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的中心部位。（3）进入制品内部，形成中心缩尾。随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。B、环形缩尾（1）随着挤压过程进行，堆积在挤压垫与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和污物的金属会越来越多。（2）挤压末期，当中间金属供应不足，边部金属开始发生径向流动时，这部分金属将沿着后端难变形区的边界进入锭坯的中间部位。（3）流入制品中，形成环形缩尾。挤压厚壁管材时，将形成内成层。C、皮下缩尾（1）死区与塑性流动区界面因剧烈滑移使金属受到很大剪切变形而断裂。（2）表面层带有氧化物、各种表面缺陷及污物的金属，会沿着断裂面流出。（3）与此同时，死区金属也逐渐流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩尾（外成层）或起皮。2.1.3.3减少挤压缩尾的措施（1）对锭坯表面进行机械加工——车皮。（2）采用热剥皮挤压，如图2-14。图2-14挤压生产线上热剥皮示意图（3）采用脱皮挤压，如图2-15。图2-15铜合金脱皮挤压示意图a-挤压；b-清除脱皮（4）进行不完全挤压——留压余。（5）保持挤压垫工作面的清洁，减少锭坯尾部径向流动的可能性。2.2反向挤压时金属的变形流动2.2.1坐标网格线的变化反向挤压时的坐标网格线的变化如图2-16所示。图2-16反向挤压的坐标网格变化（1）横向网格线变形区中网格线与挤压筒壁基本垂直，直至模孔时才发生剧烈弯曲。（2）纵向网格线进入变形区时的弯曲程度比正向挤压大得多。2.2.2变形区及死区（1）死区死区很小，紧靠模子端面。死区的高度约为挤压筒直径的1/8~1/4。（2）变形区变形区紧靠模面，集中在模孔附近。变形区的高度与摩擦系数及挤压温度有关，一般小于挤压筒直径的1/3。2.2.3金属流动反向挤压时，金属的变形仅集中在模孔附近，在挤压筒内不存在锭坯内外层的流速差别，金属的变形要比正向挤压均匀得多。在挤压末期一般也不会产生金属环流现象。图2-17是正、反向挤压棒材轴向主延伸变形的实测结果。图中a是压出长度为棒材直径的1倍，b是2倍，c是5倍。图2-17正、反向挤压棒材轴