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1、 3.挤压力主要内容：挤压力的概念，挤压力计算式 介绍，正确选择挤压力计算式及有关参数 ，影响挤压力的因素分析。重点：挤压力计算。难点：挤压力计算式中有关参数的确定。目的和要求：能够根据挤压方法、挤压产 品及挤压过程金属的变形流动特点的不同 ，正确选择挤压力计算式，并能够正确确 定有关计算参数，从而较准确的计算不同 挤压条件下的挤压力。 3.1挤压力计算式分析挤压力:挤压过程中，通过挤压杆和挤压 垫作用在金属坯料上的外力。单位挤压力:挤压垫片单位面积上承受的 挤压力。目前，用于计算各种条件下挤压力的算 式有几十个，归纳起来分为以下几组：（1）借助塑性方程式求解应力平衡微分 方程式所得的计算式；
2、（2）利用滑移线法求解平衡方程式所得 的计算式；（3）根据最小功原理和采用变分法所建 立起来的计算式；（4）经验式、简化式。各计算式的计算精度除了与计算式的 结构合理性有关外，在很大程度上取决 于计算式中各参数选择的合理性与准确 程度。在选择时要注意以下几点：（1）适用条件；（2）计算式本身建立的 理论基础是否完善、合理，考虑的影响 因素是否全面；（3）计算过程是否简便 ；（4）有关参数的确定是否困难。 3.2 挤压时的受力情况挤压时的受力情况如图3-1所示。图3-1 挤压时的受力情况挤压力组成：P =R锥 + T锥 + T筒 + T定 + T垫 + Q + I R锥 使金属产生塑性变形所需的
3、力；T锥 压缩锥侧表面上的摩擦力；T筒 挤压筒壁和穿孔针表面的摩擦力；T定 模孔工作带上的摩擦力；T垫 挤压垫接触表面上的摩擦力；Q 作用在制品上的反压力或牵引力；I 挤压速度变化引起的惯性力。 通常，挤压垫对金属流动所产生的摩 擦力只是在终了阶段，当后端难变形区 金属进入塑性变形区压缩锥后，沿挤压 垫端面流动时才起作用；牵引力的主要 作用是防止制品偏离出料台并可起到减 少其弯曲和扭拧，远远小于挤压力；在 正常挤压过程中，在挤压温度一定的情 况下，挤压速度的变化是比较平稳且变 化不大，所引起的惯性力是比较小的。 故后三项通常可以不用考虑。 3.3 影响挤压力的主要因素（1）金属的变形抗力 挤压
4、力大小与金属的变形抗力成正比。 （2）锭坯状态 锭坯组织性能均匀，挤压力较小；经 过充分均匀化退火，可使不平衡共晶组 织在基体中分布均匀，过饱和固溶元素 从固溶体中析出，消除铸造应力，提高 锭坯塑性，减小变形抗力，使挤压力降 低。纯铝锭坯组织、均匀化退火时间及 挤压速度对挤压力的影响见图3-2。图3-2 纯铝锭坯组织、均匀化退火时间及挤压速度对挤压力的影响（3）锭坯的规格及长度 锭坯的规格对挤压力的影响是通过摩 擦力产生作用的。锭坯的直径越粗，挤 压力就越大；穿孔针直径越粗，挤压力 也越大；锭坯越长，挤压力也越大。 （4）变形程度（或挤压比）挤压力大小与变形程度成正比，即随 着变形程度增大，挤
5、压力成正比升高。 图3-3是不同挤压温度下6063铝合金挤压 力与挤压比之间关系曲线。 图3-3 不同挤压温度下6063铝合金挤压力与挤压比之间关系曲线 （5）变形温度变形温度对挤压力的影响，是通过变 形抗力的大小反映出来的。一般来说， 随着变形温度的升高，金属的变形抗力 下降，挤压力降低 。（6）变形速度变形速度对挤压力大小的影响，也是 通过变形抗力的变化起作用的。如果无 温度、外摩擦条件的变化，挤压力与挤 压速度之间成线性关系，如图3-4所示。 图3-4 6063铝合金挤压力与挤压速度的关系 （7）外摩擦条件的影响（8）模角模角对挤压力的影响如图3-5所示。随 着模角增大，金属进入变形区压
6、缩锥所产 生的附加弯曲变形增大，所需要消耗的金 属变形功增大；但模角增大又会使变形区 压缩锥缩短，降低了挤压模锥面上的摩擦 阻力，二者叠加的结果必然会出现一挤压 力最小值。这时的模角称为最佳模角。一 般情况下，当在45 60范围时挤压力 最小。图3-5 挤压力分量与模角的关系（9）挤压方式的影响反向挤压比同等条件下正向挤压在突 破阶段所需要的挤压力低30% 40%； 润滑穿孔针挤压时作用在穿孔针上的摩 擦拉力约是同等条件下不润滑穿孔针的 四分之一；随动针挤压时作用在穿孔针 上的摩擦拉力只出现在穿孔针运动速度 与金属流动速度不一致的部位，故比固 定针挤压时的小。 3.4 挤压力计算 目前，广泛使
7、用的计算方法有三种：经 验算式；简化算式；借助塑性方程式求 解应力平衡微分方程式所得到的计算式 ，如.皮尔林算式。 3.4.1经验经验 算式 （3- 1）式中 S变形温度下金属静态拉伸时的屈服应力，MPa；摩擦系数，无润滑热挤压取0.5，带润滑热挤压取0.20.25，冷挤压取0.10.15；Dt、dz挤压筒、穿孔针直径，mm；Lt锭坯填充后的长度，mm；挤压挤压 比；a 合金材质修正系数，取1.31.5，其中硬合金取下限，软合金取上限；b 制品断面形状修正系数，圆圆管材挤压挤压 取b =1.0。 此经验算式的最大优点是简单、计算 方便。存在的最明显问题：一是没有考 虑挤压温度、速度变化对金属变
8、形抗力 的影响；二是对于只润滑穿孔针而不润 滑挤压筒的挤压过程来说，正确选择摩 擦系数存在一定困难。 3.4.2简化算式 P =A00ln+0（D +d）L （3-2）式中 p 单位挤压力，MPa；A0挤压筒与穿孔针之间的环形面积，cm2；0与变形速度和温度有关的变形抗力，MPa；挤压比；摩擦系数； D 挤压筒直径，cm；d 穿孔针直径，cm；L 填充后的锭坯长度，cm；修正系数，取=1.31.5 ，其中硬合金取下限，软软合金取上限。 该计算式的主要难点是如何确定不同 挤压温度和应变速度下金属的真实变形 抗力0 ,需要通过大量的实验来测定。 在实际中，可以用一个应变速度系数 CV来近似确定变形
9、抗力：0 = CVS （3-3）式中的S是变形温度下金属静态拉伸时 的屈服应力，Mpa。应变速度系数CV可用图3-6所示的变 形抗力的应变速度系数图来确定，其中 的横坐标为应变速度。图3-6 变形抗力的应变速度系数图平均应变速度：（3-4）式中 e 挤压真实延伸应变，e =ln；ts 金属质点在变形区中停留时间，s。（3-5） Ff 挤压制品的断面积，mm2；Vf 制品流出模孔的速度，mm/s。 （1）无润滑热挤压式（3-2）中摩擦系数=0.577。 （2）全润滑热挤压 式（3-2）中取摩擦系数=0.150.2 。 （3）只润滑穿孔针挤压 式（3-2）可变化成如下形式：P =A00ln+0（D
10、 +1d）L （3-6）式中的、1分别是变形金属与挤压筒 和穿孔针之间的摩擦系数，其取值分别按 无润滑和全润滑挤压的选取。（4）反向挤压式（3-2）可变化成如下形式：P =A01ln+1d L （3-7）式中的1为反向挤压时金属的变形抗力 。反挤压时金属的变形抗力1与正挤压 的不同，要通过实验来确定。对2A11、 2A12两种合金可按下式确定：1-2A11 = 126.8 0.155t 1-2A12 = 121.5 0.124t （3-8 ） 3.4.3.皮尔林算式 皮尔林借助塑性方程式和力平衡方程 式联立求解的方法，建立了各种条件下的 挤压力计算式。 P = RS + Tt + Tzh +
11、Tg (3-9)（1）实现塑性变形作用在挤压垫上力RS 用下式计算：RS =（3-10）（2）克服挤压筒和穿孔针上的摩擦力 作用在挤压垫上力Tt 用下式计算：Tt =（D0 +d1）（L0 hS）ft St （3-11）（3）克服变变形区压缩锥压缩锥 面上摩擦力作 用在挤压垫挤压垫 上力Tzh用下式计算： 圆圆柱式固定针挤压时针挤压时 ： Tzh =（3-12） 瓶式固定针挤压时：Tzh=（3-13） （4）克服模子工作带摩擦力作用在挤压垫 上力T g用下式计算：T g= （3-14）影响.皮尔林算式精度的主要因 素是真实变形抗力选择存在一定困难， 而且计算式中未考虑温升和加工软化等 因素的影
12、响。（5）.皮尔林算式中的参数确定 金属的塑性剪切应力SA 变形区入口处塑性剪切应力Szh0Szh0 = 0.5Kzh0 0.5SB 变形区出口处塑性剪切应力Szh1 Szh1 = CV Szh0 = 0.5 CVSC 挤压筒内金属塑性剪切应力St全润滑挤压时：St = Szh0 无润滑挤压时：St = 1.5Szh0 摩擦因数f摩擦因素与挤压温度、速度条件下的 金属变形抗力有关，需要通过大量实现来 确定。5A02、2A11、2A12三种铝合金无润 滑挤压时的摩擦因素与挤压温度、速度 条件下的金属变形抗力CVS的关系为：5A02 =2.1366 0.0353 CVS 2A11 =1.5380
13、0.0170 CVS 2A12 =1.0470 0.0061 CVS （3-15 ）根据对2A12合金管材的挤压实验，润 滑穿孔针挤压时，作用在穿孔针上的摩擦 拉力大约是不润滑挤压时的四分之一 。目前，在尚缺乏其它牌号铝合金及其 他金属材料实验资料的情况下，其摩擦因 素可以按照下述方法近似确定：A 挤压筒、穿孔针和变形区内的表面摩 擦因数ft和fzh带润滑热挤压时：可取ft = fzh =0.25；无润滑热挤压时：可取ft = fzh =1.0。B 模孔工作带壁摩擦因数fg带润滑热挤压时：可取fg =0.25；无润滑热挤压时：可取fg =0.5。 3.5 穿孔力及穿孔针摩擦拉力计算 穿孔过程中
14、针的受力情况如图3-7所示。图3-7 穿孔针受力情况 3.5.1穿孔力计算（1）穿孔应力（3- 16）（2）穿孔力（3- 17）（3）温度修正系数（3-18）式中dZ 为穿孔针直径，d为管材外径， Lt为填充后锭坯长度，la为穿孔力达到最 大时的穿孔深度，Z为温度修正系数， T为锭与针的温差，为金属导热率，Dt 为挤压筒直径。 3.5.2穿孔针拉力计算 （1）填充挤压阶段穿孔针受力计算 用空心锭挤压管材时，在镦粗过程中穿 孔针会受到弯曲应力作用。作用在穿孔针 根部最大弯曲应力W可用下式计算： W = 3Ed（2L l）（D +d ）/2（L l）2（4L l） （3-19 ）（2）挤压时穿孔针
15、摩擦拉力计算圆柱针挤压 Q =2.72DLCVS （3-20 ）瓶式针挤压- d）2ctg D 2 + d 2 CVS （3-21 ）小 结本章的主要内容是如何较准确的计 算挤压力，以便为合理制定挤压工艺和 进行工模具设计提供依据。其关键是选 用合适的挤压力计算式并正确的确定有 关参数。参考文献1.谢建新,刘静安.金属挤压的理论与技术 M.北京:冶金工业出版社,2001.2.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册(修 订版)M.长沙:中南大学出版社,2002.3.邓小民,孙中建,李胜祗等.铝合金挤压时 的摩擦与摩擦因素J.中国有色金属学报 ,2003,3.4 .邓小民.反向挤压力计算式的误差分析 与实践J.中国有色金属学报,2002,3. 5.邓小民.铝合金无缝管生产原理与工艺 M.北京:冶金工业出版社,2007,6.
