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1、3.挤压力挤压力 主要内容：主要内容：挤压力的概念，挤压力计算式挤压力的概念，挤压力计算式介绍，正确选择挤压力计算式及有关参数，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。影响挤压力的因素分析。重点：重点：挤压力计算。挤压力计算。难点：难点：挤压力计算式中有关参数的确定。挤压力计算式中有关参数的确定。目的和要求：目的和要求：能够根据挤压方法、挤压产能够根据挤压方法、挤压产品及挤压过程金属的变形流动特点的不同，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有关计算参数，从而较准确的
2、计算不同挤压条件下的挤压力。压条件下的挤压力。挤压力及其计算3.1挤压力计算式分析挤压力计算式分析挤压力挤压力:挤压过程中，通过挤压杆和挤压挤压过程中，通过挤压杆和挤压垫作用在金属坯料上的外力。垫作用在金属坯料上的外力。单位挤压力单位挤压力:挤压垫片单位面积上承受的挤压垫片单位面积上承受的挤压力。挤压力。目前，用于计算各种条件下挤压力的算目前，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：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）借助塑性方程式求解应力平衡微分方程式所得的计算式；方程式所得的计算式；（2）利用滑移线法求解平衡方程式所得）利用滑移线法
3、求解平衡方程式所得的计算式；的计算式；挤压力及其计算 （3）根据最小功原理和采用变分法所建）根据最小功原理和采用变分法所建立起来的计算式；立起来的计算式； （4）经验式、简化式。）经验式、简化式。 各计算式的计算精度除了与计算式的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：程度。在选择时要注意以下几点： （1）适用条件；（）适用条件；（2）计算式本身建立的）计算式本身建立的理论基础是否完善、合理，考虑的影响理论基础是否完善、合理，考虑的影响因
4、素是否全面；（因素是否全面；（3）计算过程是否简便；）计算过程是否简便；（4）有关参数的确定是否困难。）有关参数的确定是否困难。挤压力及其计算3.2挤压时的受力情况挤压时的受力情况挤压时的受力情况如图挤压时的受力情况如图3-1所示。所示。图图3-1挤压时的受力情况挤压时的受力情况挤压力及其计算挤压力组成：挤压力组成： P=R锥锥+T锥锥+T筒筒+T定定+T垫垫+Q+I R锥锥使金属产生塑性变形所需的力；使金属产生塑性变形所需的力； T锥锥压缩锥侧表面上的摩擦力；压缩锥侧表面上的摩擦力；T筒筒挤压筒壁和穿孔针表面的摩擦力；挤压筒壁和穿孔针表面的摩擦力； T定定模孔工作带上的摩擦力；模孔工作带上的
5、摩擦力； T垫垫挤压垫接触表面上的摩擦力；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；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。挤压速度变化引起的惯性力。挤压力及其计算通常，挤压垫对金属流动所产生的摩通常，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；在少其弯曲和扭拧，远远小于
6、挤压力；在正常挤压过程中，在挤压温度一定的情正常挤压过程中，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况下，挤压速度的变化是比较平稳且变化化不大，所引起的惯性力是比较小的。不大，所引起的惯性力是比较小的。故后三项故后三项通常可以不用考虑。通常可以不用考虑。挤压力及其计算3.3影响挤压力的主要因素影响挤压力的主要因素（1）金属的变形抗力）金属的变形抗力挤压力大小与金属的变形抗力成正比。挤压力大小与金属的变形抗力成正比。（2）锭坯状态）锭坯状态锭坯组织性能均匀，挤压力较小；经锭坯组织性能均匀，挤压力较小；经过充分均匀化退火，可使不平衡共晶组过充分均匀化退火，可使不平衡共晶组织在基体中分布
7、均匀，过饱和固溶元素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挤压速度对挤压力的影响见图3-2。挤压力及其计算图图3-2纯铝锭坯组织、均匀化退火纯铝锭坯组织、均匀化退火时间及挤压速度对挤压力的影响时间及挤压速度对挤压力的影响挤压力及其计算（3）锭坯的规格及长度）锭坯的规格及长度锭坯的规格对挤压力的影响是通过摩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，挤擦
8、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。也越大；锭坯越长，挤压力也越大。（4）变形程度（或挤压比）变形程度（或挤压比）挤挤压压力力大大小小与与变变形形程程度度成成正正比比，即即随随着着变变形形程程度度增增大大，挤挤压压力力成成正正比比升升高高。图图3-3是是不不同同挤挤压压温温度度下下6063铝铝合合金金挤挤压压力与挤压比之间关系曲线。力与挤压比之间关系曲线。挤压力及其计算图图3-3不同挤压温度下不同挤压温度下6063铝合金铝合金挤压力与挤压比之间关系曲线挤压力与挤压比之间关系曲线挤压力及其计算（5）变
9、形温度）变形温度变形温度对挤压力的影响，是通过变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，形抗力的大小反映出来的。一般来说，随着变形温度的升高，金属的变形抗力随着变形温度的升高，金属的变形抗力下降，挤压力降低下降，挤压力降低。（6）变形速度）变形速度变形速度对挤压力大小的影响，也是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，如图压速度之间成线性关系，如图3-4所示。所示。挤压力及其计算图图3-46063铝合金挤压力与铝合金挤压
10、力与挤压速度的关系挤压速度的关系挤压力及其计算（7）外摩擦条件的影响）外摩擦条件的影响（8）模角）模角模角对挤压力的影响如图模角对挤压力的影响如图3-5所示。随所示。随着模角增大，金属进入变形区压缩锥所产着模角增大，金属进入变形区压缩锥所产生的附加弯曲变形增大，所需要消耗的金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阻力，二者叠加的结果必然会出现一挤压挤压力最小值力最小值。这时。这时的模角的模角称为称为最佳模角最佳模角。一。一
11、般情况下，当般情况下，当在在4560范围时挤压范围时挤压力最小。力最小。挤压力及其计算图图3-5挤压力分量与模角的关系挤压力分量与模角的关系挤压力及其计算（9）挤压方式的影响挤压方式的影响 反反向向挤挤压压比比同同等等条条件件下下正正向向挤挤压压在在突突破破阶阶段段所所需需要要的的挤挤压压力力低低30% 30% 40%40%；润润滑滑穿穿孔孔针针挤挤压压时时作作用用在在穿穿孔孔针针上上的的摩摩擦擦拉拉力力约约是是同同等等条条件件下下不不润润滑滑穿穿孔孔针针的的四四分分之之一一；随随动动针针挤挤压压时时作作用用在在穿穿孔孔针针上上的的摩摩擦擦拉拉力力只只出出现现在在穿穿孔孔针针运运动动速速度度与
12、与金金属属流流动动速速度度不不一一致致的的部部位位，故故比比固固定定针挤压时的小。针挤压时的小。挤压力及其计算3.4挤压力计算挤压力计算 目前，广泛使用的计算方法有三种：目前，广泛使用的计算方法有三种：经经验算式；简化算式；验算式；简化算式；借助塑性方程式求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，解应力平衡微分方程式所得到的计算式，如如.皮皮尔尔林算式林算式。3.4.1经验算式算式 （3-1）挤压力及其计算 式中式中 S S变形温度下金属静态拉伸时变形温度下金属静态拉伸时 的屈服应力，的屈服应力，MPaMPa； 摩擦系数，无润滑热挤压取摩擦系数，无润滑热挤压取 0.5 0.5，带润
13、滑热挤压取，带润滑热挤压取0.20.2 0.25 0.25，冷挤压取，冷挤压取0.10.10.150.15； D Dt t、d dz z挤压筒、穿孔针直径，挤压筒、穿孔针直径，mmmm； L Lt t锭坯填充后的长度，锭坯填充后的长度，mmmm； 挤压比；比；挤压力及其计算 a a 合金材质修正系数，取合金材质修正系数，取1.31.3 1.5 1.5，其中硬合金取下限，软，其中硬合金取下限，软 合金取上限；合金取上限； b b 制品断面形状修正系数，制品断面形状修正系数，圆 管材管材挤压取取b b =1.0=1.0。 此经验算式的最大优点是简单、计算此经验算式的最大优点是简单、计算方便。存在的
14、最方便。存在的最明显问题明显问题：一是没有考：一是没有考虑挤压温度、速度变化对金属变形抗力虑挤压温度、速度变化对金属变形抗力的影响；二是对于只润滑穿孔针而不润的影响；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。擦系数存在一定困难。挤压力及其计算3.4.2简化算式简化算式 P P = =AA0 00 0lnln+ +0 0（D D + +d d）L L （3-23-2） 式中式中 p p 单位挤压力，单位挤压力，MPaMPa； A A0 0挤压筒与穿孔针之间的环形挤压筒与穿孔针之间的环形 面积，面积，cmcm2 2； 0 0与
15、变形速度和温度有关的变与变形速度和温度有关的变 形抗力，形抗力，MPaMPa； 挤压比；挤压比； 摩擦系数；摩擦系数； 挤压力及其计算 D D 挤压筒直径，挤压筒直径，cmcm； d d 穿孔针直径，穿孔针直径，cmcm； L L 填充后的锭坯长度，填充后的锭坯长度，cmcm； 修正系数，取修正系数，取=1.3=1.31.51.5， 其中硬合金取下限，其中硬合金取下限，软合金合金 取上限。取上限。 该计算式的该计算式的主要难点主要难点是如何确定不同是如何确定不同挤压温度和应变速度下金属的真实变形挤压温度和应变速度下金属的真实变形抗力抗力0 0 , ,需要通过大量的实验来测定。需要通过大量的实验
16、来测定。挤压力及其计算在实际中，可以用一个应变速度系数在实际中，可以用一个应变速度系数CV来近似确定变形抗力：来近似确定变形抗力：0=CVS（3-3） 式式中中的的S S是是变变形形温温度度下下金金属属静静态态拉拉伸伸时时的屈服应力，的屈服应力，MpaMpa。应应变变速速度度系系数数CV可可用用图图3-6所所示示的的变变形形抗抗力力的的应应变变速速度度系系数数图图来来确确定定，其其中中的横坐标为应变速度。的横坐标为应变速度。挤压力及其计算图图3-6变形抗力的应变速度系数图变形抗力的应变速度系数图挤压力及其计算平均应变速度：平均应变速度：（3-4） 式中式中 e e 挤压真实延伸应变，挤压真实延
17、伸应变，e e =ln =ln； t ts s 金属质点在变形区中停留时金属质点在变形区中停留时 间，间，s s。（3-5）挤压力及其计算 Ff挤压制品的断面积，挤压制品的断面积，mm2；Vf制品流出模孔的速度，制品流出模孔的速度，mm/s。 （1 1）无润滑热挤压）无润滑热挤压 式（式（3-23-2）中摩擦系数）中摩擦系数=0.577=0.577。 （2 2）全润滑热挤压）全润滑热挤压 式（式（3-23-2）中取摩擦系数）中取摩擦系数=0.15=0.150.20.2。 （3 3）只润滑穿孔针挤压）只润滑穿孔针挤压式（式（3-2）可变化成如下形式：）可变化成如下形式：挤压力及其计算 P P =
18、 =AA0 00 0lnln+ +0 0（D D + +1 1d d）L L （3-63-6） 式式中中的的、1 1分分别别是是变变形形金金属属与与挤挤压压筒筒和和穿穿孔孔针针之之间间的的摩摩擦擦系系数数，其其取取值值分分别别按按无润滑和全润滑挤压的选取。无润滑和全润滑挤压的选取。 （4 4）反向挤压）反向挤压式（式（3-2）可变化成如下形式：）可变化成如下形式： P P = =AA0 01 1lnln+ +1 1d Ld L（3-7） 式中的式中的1 1为反向挤压时金属的变形抗力。为反向挤压时金属的变形抗力。挤压力及其计算 反挤压时金属的变形抗力反挤压时金属的变形抗力1 1与正挤压与正挤压的
19、不同，要通过实验来确定。对的不同，要通过实验来确定。对2A112A11、2A122A12两种合金可按下式确定：两种合金可按下式确定： 1-2A111-2A11 = 126.8 0.155 = 126.8 0.155t t 1-2A121-2A12 = 121.5 0.124 = 121.5 0.124t t （3-3-8 8）3.4.3.皮尔林算式皮尔林算式 皮尔林借助塑性方程式和力平衡方程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式联立求解的方法，建立了各种条件下的挤压力计算式。挤压力计算式。 P =RS+Tt+Tzh+Tg(3-9)挤压力及其计算（1）实现塑性变形
20、作用在挤压垫上力实现塑性变形作用在挤压垫上力R RS S用下式计算：用下式计算： R RS S= （3-103-10） （2 2）克服挤压筒和穿孔针上的摩擦力）克服挤压筒和穿孔针上的摩擦力作用在挤压垫上力作用在挤压垫上力T Tt t用下式计算：用下式计算： T Tt t = =（D0+d1）（）（L0hS）ftSt （3-113-11） （3 3）克服克服变形区形区压缩锥面上摩擦力作面上摩擦力作用在用在挤压垫上力上力T Tzhzh用下式计算：用下式计算：挤压力及其计算圆柱式固定柱式固定针挤压时： T Tzhzh = = （3-123-12）瓶式固定针挤压时：瓶式固定针挤压时： T Tzhzh=
21、 = （3-133-13）（4 4）克服模子工作带摩擦力作用在挤压垫克服模子工作带摩擦力作用在挤压垫上力上力T T g g用下式计算：用下式计算： T T g g= = （3-143-14）挤压力及其计算影影响响.皮皮尔尔林林算算式式精精度度的的主主要要因因素素是是真真实实变变形形抗抗力力选选择择存存在在一一定定困困难难，而而且且计计算算式式中中未未考考虑虑温温升升和和加加工工软软化化等等因素的影响。因素的影响。 （5 5）.皮尔林算式中的参数确定皮尔林算式中的参数确定 金属的塑性剪切应力金属的塑性剪切应力SA变形区入口处塑性剪切应力变形区入口处塑性剪切应力Szh0 Szh0=0.5Kzh0
22、0.5S挤压力及其计算B 变形区出口处塑性剪切应力变形区出口处塑性剪切应力Szh1Szh1=CVSzh0=0.5 CVSC挤压筒内金属塑性剪切应力挤压筒内金属塑性剪切应力St 全润滑挤压时：全润滑挤压时：St=Szh0无润滑挤压时无润滑挤压时：St=1.5Szh0 摩擦因数摩擦因数f 摩擦因素与挤压温度、速度条件下的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金属变形抗力有关，需要通过大量实现来确定。确定。挤压力及其计算5A02、2A11、2A12三种铝合金无润三种铝合金无润滑挤压时的摩擦因素滑挤压时的摩擦因素与挤压温度、速度与挤压温度、速度条件下的金属变形抗力条件下的
23、金属变形抗力CVS的关系为：的关系为： 5A02=2.13660.0353 C CV VS S 2A11=1.53800.0170 C CV VS S 2A12=1.04700.0061 CVS（3-15） 根据对根据对2A12合金管材的挤压实验，润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拉力大约是不润滑挤压时的四分之一。挤压力及其计算目前，在尚缺乏其它牌号铝合金及其目前，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：素可以按照下
24、述方法近似确定：A挤压筒、穿孔针和变形区内的表面摩挤压筒、穿孔针和变形区内的表面摩擦因数擦因数ft和和fzh带润滑热挤压时带润滑热挤压时：可取：可取ft=fzh=0.25；无润滑热挤压时无润滑热挤压时：可取：可取ft=fzh=1.0。B模孔工作带壁摩擦因数模孔工作带壁摩擦因数fg带润滑热挤压时带润滑热挤压时：可取：可取fg=0.25；无润滑热挤压时无润滑热挤压时：可取：可取fg=0.5。挤压力及其计算3.5穿孔力及穿孔针摩擦拉力计算穿孔力及穿孔针摩擦拉力计算穿孔过程中针的受力情况如图穿孔过程中针的受力情况如图3-7所示。所示。图图3-7穿孔针受力情况穿孔针受力情况挤压力及其计算3.5.1穿孔力
25、计算穿孔力计算（1）穿孔应力）穿孔应力（3-16）（2）穿孔力）穿孔力（3-17）挤压力及其计算 （3 3）温度修正系数）温度修正系数 （3-183-18） 式中式中dZ为穿孔针直径，为穿孔针直径，d为管材外径，为管材外径，Lt为填充后锭坯长度，为填充后锭坯长度，la为穿孔力达到最为穿孔力达到最大时的穿孔深度，大时的穿孔深度，Z为温度修正系数，为温度修正系数，T为锭与针的温差，为锭与针的温差，为金属导热率，为金属导热率，Dt为挤压筒直径。为挤压筒直径。挤压力及其计算3.5.2穿孔针拉力计算穿孔针拉力计算 （1）填充挤压阶段穿孔针受力计算）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
26、程中穿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根部最大弯曲应力W可用下式计算：可用下式计算： W=3Ed（2Ll）（）（D +d d ） /2 /2（L l）2（4L l）（3-19）挤压力及其计算 （2）挤压时穿孔针摩擦拉力计算）挤压时穿孔针摩擦拉力计算 圆柱针挤压圆柱针挤压 Q =2.72DLCVS（3-20）瓶式针挤压瓶式针挤压-d）2 2ctgctg D 2+d 2 CVS（3-21）挤压力及其计算小小结结本章的主要内容是如何较准确的计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算挤压
27、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用合适的挤压力计算式并正确的确定有关参数。关参数。挤压力及其计算参考文献参考文献1.谢建新谢建新,刘静安刘静安.金属挤压的理论与技术金属挤压的理论与技术M.北京北京:冶金工业出版社冶金工业出版社,2001.2.王祝堂王祝堂,田荣璋田荣璋.铝合金及其加工手册铝合金及其加工手册(修订版修订版)M.长沙长沙:中南大学出版社中南大学出版社,2002.3.邓小民邓小民,孙中建孙中建,李胜祗等李胜祗等.铝合金挤压铝合金挤压时的摩擦与摩擦因素时的摩擦与摩擦因素J.中国有色金属学中
28、国有色金属学报报,2003,3.挤压力及其计算4.邓小民邓小民.反向挤压力计算式的误差分析反向挤压力计算式的误差分析与实践与实践J.中国有色金属学报中国有色金属学报,2002,3.5.邓小民邓小民.铝合金无缝管生产原理与工艺铝合金无缝管生产原理与工艺M.北京北京:冶金工业出版社冶金工业出版社,2007,6.挤压力及其计算此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢你的支持，我们会努力做得更好！感谢你的支持，我们会努力做得更好！结尾此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢你的支持，我们会努力做得更好！感谢你的支持，我们会努力做得更好！结尾
