材料成型概论-第四章-挤压成型

第四章挤压成型4.1挤压成型的特点和基本方法4.2挤压过程的基本概念4.3挤压成型设备及工具4.4挤压成型工艺主要用于管材、棒材、型材及线坯半成品生产4.1挤压成型的特点和基本方法挤压就是采用挤压轴（凸模）将放在密闭的挤压筒（凹模）内的坯料压出模孔而成型的塑性加工方法。挤压时金属坯料受到三向压应力，有利于低塑性金属变形（脆性材料变形）。挤压多用于生产有色金属及合金的棒材、薄壁和超厚壁复杂断面型材和管材，高合金钢材及低塑性合金钢材。冷挤压也用于生产机械零件。定义4.1挤压成型的特点和基本方法1.挤压时金属坯料受到三向压应力,适于低塑性材料成型加工;一次可给予金属材料大的变形。2.品种规格多样,生产灵活,适于少批量多品种复杂管材、棒材、型材及线坯的生产;3.产品尺寸精度和表面质量较高;4.设备投资少，厂房面积小;5.易实现自动化生产.4.1.1挤压成型的特点优点7.金属损失大,成材率低,且工具消耗大,生产成本高;8.金属与工模具间摩擦系数大,金属在变形区内流动不均匀,产品组织性能沿长度和断面上不均匀；9.与轧制成型相比生产率低。4.1.1挤压成型的特点缺点图4-1典型挤压材的横截面形状按金属流动方向及变形特征：正挤压、反挤压、侧向挤压、连续挤压、复合挤压及特殊挤压（静液挤压等）按挤压温度：热挤压--（在冶金工业应用）温挤压、冷挤压--（在机械工业应用）按润滑状态：玻璃润滑挤压、静液挤压按制品种类：管材挤压、棒材挤压、型材挤压4.1.2挤压成型的基本方法图4-2工业上常用的挤压方法（a）正挤压；（b）反挤压；（c）侧向挤压；（d）玻璃润滑挤压；（e）静液挤压；（f）连续挤压正挤压特点：①挤压时坯料与挤压筒之间产生相对滑动，存在很大的有害外摩擦（基本特征）；②挤压力大，能耗高；③金属流动不均匀，制品组织性能不均匀；④强烈的摩擦发热限制了挤压速度的提高，加剧了模具的磨损，降低了生产率和产品表面质量。⑤挤压时更换模具简单、迅速，所需辅助时间少。4.1.2挤压成型的基本方法正挤压金属流动方向与挤压轴的运动方向相同。反挤压特点：①反挤压时金属坯料与挤压筒壁之间无相对滑动；②挤压力小，一般比正挤降低30％～40％，能耗低；③金属流动主要集中在模孔附近的领域，制品的组织性能沿长度是均匀的；④操作较为复杂，间隙时间较正挤压长，且制品质量的稳定性不足。4.1.2挤压成型的基本方法反挤压金属流动方向与挤压轴运动方向相反。金属流动方向与挤压轴运动方向垂直，又称横向挤压。侧挤压特点：①挤压模与坯料轴线成90°角,将使制品纵向力学性能差异最小；变形程度较大，挤压比可达100；②制品强度高；③要求模具和工具具有高的强度及刚度。侧向挤压在电缆包铅套和铝套上应用最广泛。4.1.2挤压成型的基本方法侧向挤压采用连续挤压机，在压力和摩擦力的作用下，使金属坯料连续不断地送入挤压机，获得无限长制品的挤压方法。冷挤压时金属沿挤压杆和挤压筒之间的空间以及挤压模孔两个相反方向同时流动的挤压方法。利用封闭在挤压筒内坯料周围的高压液体,迫使坯料产生塑性变形，并从模孔中挤出的加工方法。4.1.2挤压成型的基本方法连续挤压静液挤压复合挤压4.2.1挤压成型过程——包括开始挤压、基本挤压和终了挤压三个阶段开始挤压阶段挤压初始锭坯与挤压筒存在间隙，锭坯在挤压轴的压力作用下发生鼓形变形而形成封闭空间，随后金属向间隙处流动充满挤压筒，同时部分金属流入模孔，这一阶段为开始挤压阶段，又称充填挤压阶段。4.2挤压过程的基本概念基本挤压阶段开始挤压阶段完成后，锭坯在挤压轴的压力作用下，由模孔流出形成制品，直至筒内锭坯长度接近变形区压缩锥高度，这一阶段为基本挤压阶段，又称平流挤压阶段。挤压过程中，锭坯任一横截面上的金属质点皆以相同速度或一定的速度差流入变形区压缩锥。4.2.1挤压成型过程终了挤压阶段筒内锭坯长度接近变形区压缩锥高度的挤压阶段，这一阶段锭坯的外层金属向中心剧烈流动，两个难变形区中的金属向模孔流动，形成挤压所特有的“挤压缩尾”。有：中心缩尾、环形缩尾和皮下缩尾三种类型。采取“压余”措施：留一部分金属在挤压筒内不全部挤出，使缩尾不流入制品中。4.2.1挤压成型过程1.挤压变形区挤压筒内的金属在挤压轴作用下产生塑性变形的区域称为挤压变形区。包括：塑性流动区、前端难变形区、后端难变形区前端难变形区存在于挤压筒与模子交界处abc区。后端难变形区位于挤压垫片处。4.2.2挤压变形区及应力应变状态图4-3挤压变形区示意图2.变形区内的应力应变状态外力挤压力P和单位压力σp挤压筒壁的摩擦力Tt和单位正压力dNt模子压缩面的摩擦力Tz和单位正压力dNz定径带的摩擦力Td和单位正压力dNd4.2.2挤压变形区及应力应变状态2.变形区内的应力应变状态应力状态：三向压应力，即轴向压应力σl,径向压应力σr及周向压应力σθ（轴对称σr＝σθ）应变状态：两向压缩、一向延伸，即轴向延伸变形εl,径向压缩变形εr及周向压缩变形εθ（轴对称εr＝εθ）4.2.2挤压变形区及应力应变状态挤压的主应力和主应变状态图示挤压为三向压应力状态；二向缩短,一向伸长主应变状态。图4-4挤压时之外力、应力及应变状态挤压时金属的流动对制品的组织性能、尺寸形状，以及表面状态有着重要的影响。由于外摩擦的影响和锭坯断面温度分布不均，挤压时金属流动是不均匀的。通常，心部金属流动速度大于表层金属。（坐标线弯曲较大，变形不均匀）4.2.3挤压时金属的流动图4-5挤压时金属流动挤压力P——是挤压杆通过垫片作用在被挤压锭坯上使金属从模孔流出来的压力。挤压力是随挤压杆的行程而变化的，所要计算的挤压力是指曲线上的最大挤压力，它是确定挤压机吨位和校核挤压机部件强度的依据。4.2.4挤压力影响挤压力的主要因素有：挤压温度；金属的变形抗力、变形程度、变形速度（流出速度）模孔形状、制品断面形状；锭坯长度；外摩擦等。4.2.4挤压力挤压力P的组成：P=Tt+Tz+Td+Rs式中：Tt、Tz和Td分别为挤压筒壁、压缩锥侧壁和模子定径带的摩擦力分量；Rs为金属变形抗力分量。4.2.4挤压力4.3.1挤压成型设备挤压机按传动方式可分为：机械式挤压机和液压式挤压机。液压传动挤压机运动平稳，对过载的适应性好，而且速度也较易调整，因此广泛应用。挤压机由：动力部分、主体部分、控制元件、工作液体、辅助部分等组成。4.3挤压成型设备及工具挤压机按运动部件的运动方向分为：卧式挤压机、立式挤压机——卧式挤压机工作部件的运动方向与地面平行。占地面积大等，P69——立式挤压机工作部件的运动方向与地面垂直。有很深的地槽,或基础高,吨位小：6～10MNP704.3.1挤压成型设备卧式挤压机特点1)挤压机本体和大部分附属设备可布置在地面上，便于操作、维护和修理；易于实现机械化、自动化；2)挤压机运动部件(柱塞,挤压筒等)磨损较严重.3)占地面积大等.立式挤压机特点有很深的地槽,或基础高,吨位小：6～10MN，主要生产中小规格的管材。4.3.1挤压成型设备卧式挤压机按挤压方法分为：正向、反向和联合挤压机卧式挤压机按结构分为：单动式（不带独立穿孔，必须用空心的坯料）、复动式挤压机（带独立穿孔，可用空心的也可用实心坯料）卧式挤压机按产品分为：棒型材、管材挤压机挤压机一般由机架、缸与柱塞、挤压工具等组成。4.3.1挤压成型设备挤压工具包括：模子、挤压轴、挤压筒、挤压垫、穿孔针、模支撑、模垫、支撑环、冲头、针座等1.模子挤压模是使金属产生塑性变形并获得模孔形状尺寸的最重要的工具。作用：使金属产生塑性变形并获得模孔形状和尺寸。基本类型：平模和锥模4.3.2挤压成型工具1)模角α模子轴线与其工作端面的夹角；α=90°为平模；从挤压力的角度，合理模角为45°～60°；从保证产品质量的角度，合理模角为55°～70°通常取60°～65°4.3.2挤压成型工具2)定径带及定径带长度hd模子中用于保证制品的尺寸和表面质量的工作段称为定径带，又称工作带。定径带长度主要影响制品的表面质量和形状精度，通常根据材质和规格采用经验法选取。定径带长度过短,模子易磨损,制品产生压痕和椭圆.定径带长度过长,易粘结金属,制品产生毛刺和麻面.4.3.2挤压成型工具3)定径带直径dd根据制品尺寸及偏差、模子裕量系数、模子的寿命确定定径带直径dd。4)出口直径dc模子的出口段主要作用是导出制品。出口直径不能过小，否则易划伤制品表面。一般dcdd取3～5mm，薄壁管材取10～20mm4.3.2挤压成型工具2.挤压轴作用：将挤压力传递到金属体，使之产生塑性变形从模孔中流出。挤压轴直径根据挤压轴的抗压强度和压弯稳定性进行计算确定。一般，卧式挤压机挤压轴比挤压筒内径小4～10mm立式挤压机挤压轴比挤压筒内径小2～3mm。卧式挤压机挤压轴工作长度等于挤压筒长度加5mm余量。4.3.2挤压成型工具3.挤压筒作用：使锭坯产生塑性变形，并向模孔流动。挤压筒内径根据制品的变形抗力、挤压比和挤压力确定。挤压筒内径最大值应保证单位挤压压力不小于金属的变形抗力；最小值应保证挤压轴的强度。4.3.2挤压成型工具挤压筒长度Lt＝（L+l）+t+sL——锭坯的最大长度；l——长度为锭坯穿孔时金属向后流动增加的；t——模子进入挤压筒的深度；s——垫片厚度。挤压比：挤压筒与模孔断面面积的比，λ＝F0／F通常挤压比为6～100，一次挤压的棒、型材λ10,锻造用毛坯λ5，二次挤压用毛坯λ可不限。4.3.2挤压成型工具基本工艺流程坯料准备→加热→挤压成型→精整→检验→入库精整主要包括：热处理、矫直、剪切等。由于材质、坯料种类、制品品种以及挤压方式的不同，其工艺流程有所区别。例如LY12型材P724.4挤压成型工艺锭坯尺寸：Φ405×900mm成品尺寸：H＝25mm；B＝18mmS1＝2.5mm；S2＝3.0mm由于锭坯外径大、成品尺寸小，故需进行二次挤压4.4挤压成型工艺其工艺流程为：坯料准备－加热①－挤压②（φ124mm）－剪切－取样－加热③－挤压④－淬火⑤－拉矫－取样－型辊矫直－检验－入库①加热400～420℃，保温60’,②筒温420℃，挤速1.5m/min③加热380～420℃；④筒温380～400℃,挤速2～3m/min；⑤水淬497～502℃.4.4挤压成型工艺挤压工艺参数坯料准备－包括坯料材质、种类、规格的选择和检查，表面处理和预先热处理（如预退火、均匀化退火等）。挤压速度V挤－－金属流出速度V流＝λV挤变形速度－－最大主变形与变形时间之比，也称应变速度。4.4挤压成型工艺挤压工艺参数挤压温度－根据三图“合金状态图、塑性图、再结晶图”使金属具有最好的塑性及较低的变形抗力，同时保证制品获得均匀良好的组织性能等。由于挤压变形热效应大，一般挤压温度比热轧的温度低些。4.4挤压成型工艺挤压比－挤压筒与模孔断面面积的比，λ＝F0／F挤压润滑:润滑目的——为了使挤压时金属流动均匀，提高制品表面质量，延长挤压工具的使用寿命和降低挤压力，减少能量消耗，在挤压时应对挤压筒、挤压模、穿孔针进行润滑。挤压铝合金使用的润滑剂：汽缸油＋石墨等挤压重金属使用的润滑剂：45号机油＋片状石墨等挤压钢、镍、钛等合金时目前大多采用玻璃润滑剂。4.4挤压成型工艺1.什么是挤压？挤压同其他加工方法相比较有什么优、缺点？2.什么是正挤压、反挤压、侧挤压？各有什么特点？3.什么是挤压比、挤压变形区？4.挤压时金属流动分几个阶段？5.挤压机分几类？各有什么特点？6.挤压工具主要由几部分构成？各部分的作用？4复习题7.挤压生产基本工序是什么?画图说明LY12（新2A12)型材的挤压工艺流程.4复习题