挤压理论与技术ppt课件

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1、铝合金挤压技术,王孟君 2012.05,.,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形方法。 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；

2、 （3）挤压速度低，辅助时间长； （4）工模具损耗大，成本高。,.,1.2挤压的基本方法及特点 最常见的有3种方法：正向挤压、反向挤压、连续挤压（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）。,.,图1-2 工业上常用的挤压方法,.,1.2.1 正挤压 定义：金属的流动方向与挤压轴的运动方向 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，二者之间有很大的摩擦。 引起挤压力增大； 金属流动不均匀，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反挤压 定义：金属的流动方向与挤压杆的相对运 动方向相反的挤压生产方法

3、。 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； 可提高挤压速度； 但外接圆尺寸较小； 设备造价较高。,.,1.2.3连续挤压 定义：挤压过程中金属坯料能够连续不断地从模孔中挤出，获得无限长制品的挤压方法。 特征：只要能够连续地供应坯料，就可以挤压出无限长的制品。 特点：CONFORM连续挤压法，挤压能耗低；铝材挤压前无需加热；坯料适应性强，可以是杆料、颗粒料或粉末料；只要连续供料，就能挤出很长的制品。,.,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

4、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300MN水压机，最大吨位的油压机是145MN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）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0.30.5mm。 （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

5、、变分法、有限元法、模拟试验法等。,.,2 .挤压时金属的变形流动 2.1正向挤压时金属的变形流动 按流动特征分成三个阶段： 填充挤压阶段：即开始 挤压阶段，金属充满挤压 筒和模孔，挤压力急剧上 升；,.,基本挤压阶段：即稳定挤压阶段，挤压力随 锭坯长度缩短、表面摩擦力总量减小； 终了挤压阶段：即紊流挤压阶段，强烈的摩擦，使挤压力上升。,.,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。其变形程度用挤压比来表示： = F0 / F1 （2-2） 2.1.2.2 应力分布（见图2-4） （1）轴向应力L L 边 L中 L入 L出,.,图2-4作用在金属

6、上的力、应力,.,（2）径向应力r与周向应力 r边 r中 r入 r出 边中 入 出 2.1.2.3金属的变形及流动用坐标网格法分析 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。,.,图2-5正挤压圆棒材金属流动示意图,.,2.1.2.4难变形区与剧烈变形区 存在两个难变形区：前死区和后死区。一般指前死区，用高度hs来衡量。如图2-6所示。 图2-6,.,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

7、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。,.,（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，s增大； c、摩擦阻力大。 （3）影响死区大小的因素： a、模角 模角大，死区大； b、摩擦系数f 摩擦系数大，死区大；,.,c、挤压比 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s 金属变形抗力大，死区大； g、 模孔位

8、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，外层粗大，内层细小，从而造成力学性能不均匀。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,.,2.1.3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

9、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，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）挤压力进一步增加； （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

10、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

11、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）进行不完全挤压(

12、可能出现缩尾时，中止挤压，存在压余，约为锭坯直径的1030%) 。 （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。 （6）凹形垫挤压 （7）锭接锭挤压,.,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1/81/4。 （2）变形区 变形区紧靠模面，集中

13、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、反向挤压棒材轴向延伸比较,.,（1）开始挤压时，模孔附近坯料中心部位变形量为5.582，是正挤压的三倍以上。 （2）随着被挤出棒材长度从1d棒2 d棒5 d棒，正挤压中心部位的主延伸变形程度变化为1.7673.9046

14、.32，反挤压的为5.5827.6088.638。 （3）边部与中心部的主延伸变形之比，正挤压为1.09/1.7674.028/3.90620.44/6.32；反挤压为1.005/5.5821.648/7.60815.55/8.638。,.,2.2.4反向挤压时挤压力的变化 通常认为，反挤压时，由于锭坯与挤压筒之间无摩擦，挤压力大小与锭坯长度无关，在挤压过程中挤压力不变化。 近年来研究发现，反挤压棒材时，随着挤压过程的进行挤压力是逐渐增加的，特别是在挤压后期，增加的较明显（见图2-18）。,.,图2-18 正反向挤压棒材的挤压力变化 1-正挤压；2-反挤压,.,主要原因： （1）挤压力大小与锭

15、坯长度无关； （2）主延伸变形随着压出制品长度的增加而增大，而挤压力与主延伸变形量大小成正比； （3）在连续、强烈的三向压应力作用下筒内锭坯密度增大，变形抗力提高； （4）温升小，软化作用小，加工硬化作用明显； （5）温降的影响。,.,反挤压管材时，在开始阶段，挤压力呈下降趋势，随着挤压过程进行，逐渐趋于稳定（见图2-19）。 主要原因：在内部有穿孔针的摩擦作用。随着筒内铸锭长度缩短，摩擦力逐渐减小。当摩擦力减小使挤压力下降与上述因素使挤压力升高的作用接近时，挤压力将趋于稳定。,.,图2-19 正反向挤压管材的挤压力变化 1-正挤压；2-反挤压,.,2.2.5反向挤压制品的表面质量 反挤压时死

16、区体积较小且比较容易参与流动，使得锭坯表面层带有氧化物、脏物等的金属易流入制品表面或表皮之下，形成起皮、气泡等缺陷。 图2-20 反挤压锭坯表层流入制品示意图,.,2.2.6挤压缩尾 反挤压时,金属的变形集中在模孔附近,并不波及整个锭坯，变形区是恒定的且随着挤压的进行由锭坯的前端逐渐向后端推移，前端的金属流出模孔，滞后的金属却没有发生挤压变形。 这种流动特征，不可能将边部带有脏物及缺陷的金属带进制品中，也就不会形成环形缩尾。故反挤压只有中心缩尾和皮下缩尾。,.,（1）中心缩尾 当挤压过程即将终了时，挤压筒内可供流出的金属严重不足，越来越难于充满制品的中心部位，便形成了漏斗状的中空缩尾（见图2-21）。 （2）皮下缩尾 在反向挤压过