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1、金属塑性成型力学第十四讲第十四讲Lesson FourteenTel：Lesson 14Lesson 144.3 轴对称变形轴对称变形-挤压挤压n挤压工艺及其影响因素挤压工艺及其影响因素挤挤压压：对对放放在在容容器器（挤挤压压筒筒）内内的的坯坯料料一一端端施施以以压压力力，使使之之从从特特定定的空隙（模孔）中流出而成型的塑性加工方法。的空隙（模孔）中流出而成型的塑性加工方法。欲完成挤压需有：欲完成挤压需有：1）产生动力的装置：挤压机）产生动力的装置：挤压机2）传递动力、容纳坯料、控制制品尺寸）传递动力、容纳坯料、控制制品尺寸和形状的的工具：和形状的的工具：轴、筒、模、穿孔针、垫片、模座、锁键轴
2、、筒、模、穿孔针、垫片、模座、锁键过过程程：清清理理筒筒、装装模模、落落锁锁键键、送送锭锭、放放锭锭片片、挤挤压压、台台锁锁键键、切切压余、冷却工具、重复下一次。压余、冷却工具、重复下一次。2024/7/312Lesson 14Lesson 14正、反向挤压正、反向挤压2024/7/313Lesson 14Lesson 14基本方法基本方法根据变形温度分：热挤压、冷挤压和温挤压；根据变形温度分：热挤压、冷挤压和温挤压；根据变形特征分：正向挤压、反向挤压、连续挤压等。根据变形特征分：正向挤压、反向挤压、连续挤压等。方法有很多，但最基本的方法有以下两种：方法有很多，但最基本的方法有以下两种：1）正
3、向挤压）正向挤压制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。特点：特点：1）存存在在较较大大的的外外摩摩擦擦（高高温温、高高压压），导导致致能能耗耗大大、变变形形不不均均匀匀（组组织织性性能能不不均均），制品表面质量好。制品表面质量好。2操操作作方方便便、使使用用范范围围广广，是是目前最为广泛应用方法。目前最为广泛应用方法。2024/7/314Lesson 14Lesson 142）反向挤压）反向挤压制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。2024/7/315Lesson 14Lesson 14特点：特点：1）变变形形局局限限
4、在在模模孔孔附附件件，大大部部分分坯坯料料与与挤挤压压筒筒间间没没有有相相对对运运动动，因因此外摩擦小，能耗低、变形均匀（组织性能均匀）；此外摩擦小，能耗低、变形均匀（组织性能均匀）；2）操作不方便、制品的尺寸范围小；）操作不方便、制品的尺寸范围小；3）制品表面质量差。）制品表面质量差。此外还有：卧式挤压、立式挤压等。此外还有：卧式挤压、立式挤压等。注：注：1）冷冷、热热变变形形应应以以合合金金的的再再结结晶晶温温度度界界定定，如如Sn、Pb在在室室温温变变形形也无硬化，属热变形；也无硬化，属热变形；2）冷冷、热热挤挤压压是是挤挤压压的的两两大大分分支支，冶冶金金工工业业中中主主要要应应用用热
5、热挤挤压压、常常称挤压，机械工业主要用冷挤压。称挤压，机械工业主要用冷挤压。2024/7/316Lesson 14Lesson 144 基本特点：基本特点：1）缺点）缺点A工具消耗大，产品成本高工具消耗大，产品成本高工工作作条条件件：高高温温、高高压压、高高摩摩擦擦，工工具具消消耗耗大大，原原料料成成本本高高，占占制制品成本品成本35%以上。以上。B生产率低生产率低挤压速度低、辅助工序多挤压速度低、辅助工序多C成品率低成品率低固固有有的的几几何何损损失失多多（压压余余、实实心心头头、切切头头尾尾），不不能能通通过过增增大大锭锭重重来减少来减少D制品组织性能不均匀。制品组织性能不均匀。2024/
6、7/317Lesson 14Lesson 14二、挤压时金属流动的规律二、挤压时金属流动的规律 挤挤压压时时金金属属的的流流动动规规律律，即即筒筒内内各各部部分分金金属属体体积积的的相相互互转转移移规规律律对对制制品品的的组组织织、性性能能、表表面面质质量量以以及及工工具具设设计计有有重重要要影影响响。因因此此研研究究挤挤压压时时金金属属的的流流动动规规律律以及因素，可改善挤压过程、提高制品的性能和质量。以及因素，可改善挤压过程、提高制品的性能和质量。 挤挤压压时时金金属属的的流流动动规规律律是是十十分分复复杂杂，且且随随挤挤压压方方法法以以及及工工艺艺条条件件的的变变化化而而变变化化，现现以
7、以生生产产中中广广泛泛应应用用的简单挤压过程为例进行分析。的简单挤压过程为例进行分析。2024/7/318Lesson 14Lesson 141简单挤压时金属流动的规律简单挤压时金属流动的规律按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为：按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为：填填充充挤挤压压阶阶段段：金金属属在在挤挤压压杆杆（力力）的的作作用用下下首首先先充充满满挤挤压压筒筒和和模模孔孔（金金属属主主要要径向流动），挤压力急剧升高；径向流动），挤压力急剧升高；基基本本挤挤压压阶阶段段：又又称称层层流流挤挤压压阶阶段段，金金属属不不发发生生紊紊乱乱流流动动，即即锭锭外外（内内）层层金
8、金属属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；终终了了挤挤压压阶阶段段：又又称称紊紊流流挤挤压压阶阶段段，金金属属发发生生紊紊乱乱流流动动，即即外外层层进进入入内内层层，挤挤压压力上升。力上升。2024/7/319Lesson 14Lesson 14影响挤压力的因素影响挤压力的因素 计计算算的的挤挤压压力力，图图中中挤挤压压力力曲曲线线上上的的最最大大值值，它它是是确确定定挤挤压压机机吨吨位位和和校校核核挤压机部件强度的依据。挤压机部件强度的依据。 首首先先是是被被挤挤压压坯坯料料的的变变形形抗抗力力，取取决决于于坯坯料料的的牌牌号号、变变形形温温度度、变变
9、形形速速度度和变形程度。和变形程度。 其其次次是是坯坯料料和和工工具具（挤挤压压模模及及挤挤压压筒筒等等）的的几几何何因因素素，如如坯坯料料的的直直径径（挤挤压压筒筒的的直直径径）和和长长度度，变变形形区区的的形形状状及及变变形形程程度度，模模角角及及工工作作带带长长度度，制制品品形形状和尺寸等。状和尺寸等。 最后是外摩擦，如挤压筒、压模的表面状态及润滑条件等。最后是外摩擦，如挤压筒、压模的表面状态及润滑条件等。2024/7/3110Lesson 14Lesson 141填充挤压阶段填充挤压阶段 挤挤压压时时，为为便便于于将将锭锭坯坯放放入入筒筒中中，常常使使锭锭坯坯外外径径小小于于筒筒内内径
10、径1-15mm，因因此此在在挤挤压压力力的的作作用用下下，锭锭坯坯首首先先径径向向流流动动充充满满挤挤压压筒筒，同同时时有有少少量量金金属属流流入入模模孔。应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、轴向）孔。应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、轴向）2024/7/3111Lesson 14Lesson 14挤压筒内金属分区挤压筒内金属分区 1）前前端端难难变变形形区区，又又称称死死区区，位位于于筒筒、模模交交界界处处的的环环形形区区域域，是是由由于于筒筒、模模的的摩摩擦擦和和冷冷却却，使使此此部部分分金金属属不不易易变变形形形形成成的的。死死区区在在基基本挤压阶段基本不参与流动。本挤
11、压阶段基本不参与流动。 死死区区的的顶顶部部能能阻阻碍碍锭锭坯坯的的表表面面缺缺陷陷进进入入变变形形区区而而流流入入制制品品，因因此此能提高制品的表面质量。能提高制品的表面质量。 影影响响死死区区的的大大小小的的因因素素：模模角角、摩摩擦擦、挤挤压压温温度度等等，随随这这些些参参数数的的增大，死区增大。增大，死区增大。2024/7/3112Lesson 14Lesson 14挤压筒内金属分区挤压筒内金属分区 2）后后端端难难变变形形区区，位位于于垫垫片片端端面面附附近近，是是由由于于筒筒、垫垫片片的的摩摩擦擦和和冷冷却却，使此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。使
12、此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。 3）在在变变形形区区中中，有有一一个个剧剧烈烈滑滑移移区区，位位于于死死区区和和快快速速流流动动区区之之间间。变变形形越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。 剧剧烈烈滑滑移移会会导导致致晶晶粒粒过过渡渡破破碎碎，易易导导致致制制品品表表面面出出现现微微裂裂纹纹和和组组织织粗粗大大，导致制品性能下降。导致制品性能下降。2024/7/3113Lesson 14Lesson 14终了挤压阶段终了挤压阶段 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。筒内锭坯
13、长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。 主要特征：主要特征： 1）挤压力升高；）挤压力升高； 2）金属径向流速增加，金属回流）金属径向流速增加，金属回流 实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）2024/7/3114Lesson 14Lesson 144 基本特点：基本特点：1）优点）优点A可可最最大大限限度度提提高高材材料料的的变变形形能能力力，因因此此可可加加工工脆脆性性材材料料；一一次次可可进进行大变形行大变形B可提高材料的焊合性，因此可提高材料的焊合性，因此 可生产复合材料；粉末挤压；舌模挤压可生产复合材料；粉末挤压；舌模挤压C材料与工具的密合性高，
14、因此材料与工具的密合性高，因此 可生产复杂断面制品；选择坯料自由度大；可生产复杂断面制品；选择坯料自由度大；D生产灵活（只需更换筒、模即可生产不同的制品），制品性能高。生产灵活（只需更换筒、模即可生产不同的制品），制品性能高。2024/7/3115Lesson 14Lesson 14棒材单孔挤压时的四个区域棒材单孔挤压时的四个区域1）定定径径区区，不不发发生生塑塑性性变变形形，除除受受到到挤挤压压模模工工作作带带表表面面给给予予的的压压力力和和摩摩擦擦力力作作用用外外，在在与与2区区的的分分界界面面上上还还将将受受到到来来自自2区区的的压压应应力力。在在1区，坯料的应力状态为三向压应力状态。区
15、，坯料的应力状态为三向压应力状态。2）第第二二区区为为变变形形区区，该该区区域域处处于于1区区、3区区和和4区区的的包包围围中中。它它将将受受到到来来自自1区区的的压压应应力力、来来自自3区区的的压压应应力力，来来自自4区区的的压压应应力力和和摩摩擦擦应应力力作作用用，因因此此应应力力状状态态为为三三向向压压应应力力状状态态。坯坯料料在在此此区区域域内内发生塑性变形，变形状态为两向压缩一向延伸。发生塑性变形，变形状态为两向压缩一向延伸。2024/7/3116Lesson 14Lesson 14棒材单孔挤压时的四个区域棒材单孔挤压时的四个区域3）第第三三区区为为未未变变形形区区，它它在在2区区的
16、的压压应应力力、壁壁片片的的压压应应力力、挤挤压压筒筒壁的压应力和摩擦应力的作用下，产生强烈的三向压应力状态壁的压应力和摩擦应力的作用下，产生强烈的三向压应力状态4）第第四四区区为为难难变变形形区区或或称称为为死死区区，其其应应力力状状态态和和镦镦粗粗时时接接触触表表面面附附近近中中心心部部分分的的难难变变形形区区相相似似，也也近近乎乎三三向向等等值值压压应应力力状状态态，坯坯料料处处于于弹弹性性变变形形状状态态。在在挤挤压压过过程程中中，特特别别是是后后期期，难难变变形形区区不不断断缩缩小小范范围围，转转入入变变形形区区，在在锥锥模模挤挤压压时时，如如果果模模角角及及润润滑滑条条件件合合适，
17、也可以出现无死区的情况。适，也可以出现无死区的情况。2024/7/3117Lesson 14Lesson 14棒材单孔挤压时的挤压力公式棒材单孔挤压时的挤压力公式下面从下面从1区开始逐步推导挤压应力的计算公式区开始逐步推导挤压应力的计算公式根据静力平衡根据静力平衡则得则得2024/7/3118Lesson 14Lesson 14n变形区与死区分界面处的坯料，由塑性流动导致产生相互移动，因而该分界面上的 剪应力达到极限值，即： n作用在单元体锥面的面积单元df上的切向力为 n而它的水平投影则是 n所以作用在微分锥面上的切应力的水平投影为n而2024/7/3119Lesson 14Lesson 1
18、4n作用在单元体锥面的面积单元df的法线压力为 n其水平投影为 n所以作用在微分体锥面上的法向压力的水平投影为 n根据以面投影代替力投影法则，作用在微分球面上法向压力在水平方向上的投影为 n则 2024/7/3120Lesson 14Lesson 14n根据静力平衡 将近似屈服准则上式两边积分，得当当2024/7/3121Lesson 14Lesson 14n在未变形区，由于坯料与挤压筒间的压应力数值很大，所以其摩擦力也取最大值，即 则垫片表面的挤压应力挤压力2024/7/3122Lesson 14Lesson 14n 死区角度，平模时取为600；挤压比，即挤压筒断面积与制品断面积之比挤压模工
19、作带长度挤压模孔直径挤压坯料的变形抗力未变形区长度，其值为镦粗后的坯料长度减去变形区长度，即2024/7/3123Lesson 14Lesson 14 单孔挤压T1紫铜棒，挤压筒直径为185mm，坯料尺寸为 制品尺寸为60mm，定径带长度为5mm，死区角度为600，该挤压过程紫铜的平均变形抗力为45MPa，求挤压力。解：由体积不变条件，得挤压应力挤压应力2024/7/3124Lesson 14Lesson 14多孔、型材挤压 对于棒材的多孔挤压和型材的单孔、多孔挤压，其挤压力计算没有独立的公式，一般都是在棒材单孔挤压力计算公式基础上加以修正。形式为式中 经验系数，制品周边长度总和制品断面积总和
20、2024/7/3125Lesson 14Lesson 14管材挤压 管材挤压与绑材单孔挤压相比，又增加了穿孔针的摩擦力作用，所以使挤压力有所增加。管材挤压又分穿孔针不动和穿孔针与挤压杆一起移动两种情况。显然前者的挤压力出后者大，因为前者整个穿孔针与坯料的接触表面都有阻碍金属向前流动的摩擦力；后者只有变形区和定径区的穿孔针表面与坯料间有摩擦阻力。 2024/7/3126Lesson 14Lesson 14用固定穿针挤压管材 用固定穿孔针挤压管材的过程中，穿孔针不随挤压杆移动，而是相对固定不动。穿孔针的形又可分瓶式的和圆柱形的两种。在这种情况下的挤压力计算公式(推导方法与窄材挤压类似，只需注意在平
21、衡关系中增加了穿孔针的摩擦应力可，具体推导从略)为： 2024/7/3127Lesson 14Lesson 14用可动穿针挤压管材 用随动穿孔针挤压管材时，穿孔针随挤杆一起移动，坯料的未变形部分与穿孔针问没 有相对运动，所以达部分没有摩擦力，而且此时的穿孔针只能是圆柱形。其挤压力计算公 式为 2024/7/3128Lesson 14Lesson 14穿孔力公式 穿孔力由两部分组成，即穿孔针头部受到给予的法向压力以及穿孔针侧表面受到坯料给予的摩擦力。 2024/7/3129Lesson 14Lesson 14反向挤压力公式 上述挤压力计算公式，都是按照正向挤压考虑的。反向挤压时，由于坯料与挤压筒之间没有摩擦力，所以挤压力的组成将减少一个成分。把挤压简的摩擦力那部分减去后，上述挤压力计算公式变成如下形式。 棒材单孔挤压 棒材多孔及型材挤压 管材挤压 2024/7/3130Lesson 14Lesson 14课后作业课后作业Homeworkn习题集习题集p-126（3-1）2024/7/3131
