挤压模具设计参数计算理论

1、型材挤压工艺 型材挤压工艺，包括确定挤压工艺参数、选择合适的润滑条件、挤压 比的确定及合理锭坯尺寸的计算。 它们与合金种类、 制品规格和设备 能力有关。一、挤压工艺参数的确定确定工艺参数时， 应综合考虑金属与合金加工时的可挤压性和对制品 质量的要求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织与性能等） ， 以满足提高成品率与生产率的需要。 热挤压过程的基本参数是挤压温 度和挤压速度（或金属出口速度） ，两者构成了对挤压过程控制十分 重要的温度 -速度条件。（一）挤压过程中的温度变化 挤压变形使坯料具有优越的三向压应力状态， 但由于变形不均匀性导 致金属沿锭坯断面的流速差， 会发生大的纵向拉应力， 甚

2、至引起制品 产生周期性表面裂纹。 为了保持挤压制品的整体性， 挤压塑性变形区 的温度必须与金属塑形最好的温度范围相匹配。 塑性变形区温度取决于坯料和工具的加热温度、 变形热以及被周围介 质所吸收的热量。挤压速度越大，被周围介质吸收的热量就越小，则 塑性变形区的温度就越高；反之亦然。在一定的变形程度下，要么选 择合适的预热温度， 要么选择合适的变形速度， 都可以使塑性变形区 的温度保持在规定的范围内。 当变形速度较小时， 必须提高预热温度； 而变形速度较大时，则必须降低预热温度。在挤压铝合金时，挤压温度较低（400-500 C）,挤压速度较慢，而 且铝合金的导热性很高， 所以在计算塑变区的温度场

3、时必须考虑由于 挤压金属的热传导和金属与挤压工具之间的热交换而引起的温度变 化。(二) 挤压时的温度条件 确定挤压的温度制度时，应考虑以下一些因素：1) 分析合金的塑性图与状态图，了解合金最佳塑性温度范围和相 变情况，避免在多相和相变温度下变形。2) 挤压过程温度条件的特点、影响温度条件变化的因素和调节方 法以及温升情况。3) 尽可能地降低变形抗力以减小挤压力和作用在工具上的载荷。4) 保证最大的金属流出速度。5) 保证温度不超过该合金的临界温度，以免塑性降低产生裂纹。6) 保证挤压时金属不粘结工具，恶化制品表面质量。7) 保证挤压制品的温度分布均匀、尺寸精度高、组织均匀和力学 性能最佳。在确

4、定挤压时的最佳温度时，还应该考虑铸锭的冶金学特点：如 结晶组织的特点、合金化学成分的波动、金属间化合物的特点，以及 坯料的疏松程度、气体和其他的非金属与金属杂志的含量等。常用铝合金挤压时锭坯的加热温度 (表所示)，可供制定工艺和设 计模具时参考。(三) 挤压时的速度条件挤压时的速度有三种：挤压速度 vj ，表示挤压机柱塞、挤压杆和挤压垫的移动速度；金属流出速度 V1，表示金属流出模孔时的速度,V1= Vj ；变形速率:,即单位时间内变形量变化的大小。挤压时的速度与温度是联系在一起的。 一般来说，提高挤压速度 会造成锭坯的温度升高，因此要降低锭坯的加热温度。热加工的目的是为了利用金属材料在高温下

5、屈服强度下降这一 现象来实现大的变形量。但是，如果锭坯原始温度和挤压速度导致制 品出口温度接近该合金的固相线温度时，则表面将产生裂纹、粗糙， 质量变坏。图9-10为挤压速度与出口温度之间的关系曲线。图中给 出了两条极限曲线：一条表示设备能力的最大挤压力曲线；另一条表 示合金制品开裂的冶金学极限。在两条曲线之间的交点上，提供了理 论上最大挤压速度和相应的最佳出口温度。 应强调的是，这个最佳值 只是从挤压速度角度出发，不一定能满足制品的物理-冶金性能要求。在确定常规挤压时的实际金属流出速度时， 可在已知挤压温度的 基础上综合考虑材料与工艺参数（如金属变形抗力与塑性、挤压力、 流动不均匀的特性、工模

6、具结构形式及预热条件）以及设备条件等因 素。表9-3给出了常用的铝合金挤压各种型材的锭坯、 挤压筒加热温 度和平均的流出速度。二、挤压比挤压比值一般在6-100范围内，主要受下列因素影响。1. 金属与合金的可挤压性。确定了挤压温度后，随着挤压比的增大制 品流出模孔的温度与速度均升高。 为避免产生制品表面的粗糙化与裂 纹，应选择适当挤压比。2. 制品质量要求。根据制品断面上的组织与性能要求，挤压热加工态 （R 态）的制品时，挤压比一般不得小于 10-12 。在挤压需继续加工 （如轧制、拉伸、或锻造等）的坯料时，挤压比最好不小于 5。挤压 用于二次挤压的坯料， 一般不限制挤压比的大小， 只根据二次

7、挤压的 挤压筒规格来推算出一次挤压的挤压比。 挤压小断面型材时， 为了使 金属流动较为均匀， 可采用多模孔挤压以降低挤压比。 为了获得表面 质量好的制品，挤压比一般不小于 20。使用组合模挤压空心型材时， 应尽可能采取较高的挤压比值（以及较高的挤压温度与较长的焊合 腔），以保证制品焊缝质量。3. 设备能力限制。根据挤压力与挤压比的对数成正比的关系，综合考 虑挤压筒直径 （挤压垫上的单位挤压力） 和金属坯料在挤压温度下所 承受的挤压应力大小， 使所确定的挤压比值既能实现挤压过程又不超 过设备的能力。三、挤压时的润滑1.润滑的作用。挤压加工一次变形量很大，金属与模具接触面上的单 位正压力极高（相当

8、于金属变形抗力的 3-10 倍，甚至更高）。变形金 属的表面更新作用加剧，从而使金属粘结模具的现象严重。因此，挤 压时润滑剂的作用是尽可能地使表面干摩擦转变为边界摩擦。 这不仅 提高了制品表面质量和模具的使用寿命， 而且由于降低了模具对金属 的冷却作用，使金属流动不均匀性减少，挤压能耗降低。使用平模热挤压型材与棒材时， 平模工作面与挤压筒壁交接处存在一 个环形的死区， 可有效地阻止锭坯表面上的氧化物、 夹杂与灰尘进入 制品表面，故不允许涂抹润滑剂。但是，挤压钛及钛合金材料时则必 须润滑，这是由于新生的未经氧化的表面金属粘结模具很严重， 致使 挤出的制品表面上形成较深的划痕与擦伤。 采用锥模挤压

9、棒材时， 可 以进行润滑。此时，为防止锭坯的不良表面进入制品表面，可机械车 削除去加热前的锭坯表皮或冷挤锭坯表皮。 挤压型材与棒材时， 均不 润滑挤压垫，以防缩尾形成。采用润滑挤压法时，润滑剂涂抹部位一 般限于挤压筒壁、平模工作面和模孔。 使用锥模挤压管材时，穿孔针的摩擦作用可使金属的流动较为均匀。 因此，不管是否有穿孔操作，均应润滑冷却穿孔针。挤压厚壁管时， 亦不允许润滑挤压垫。当使用组合模挤压空心型材与管材时， 为了保证接缝质量， 绝对不允 许润滑。2.常用的润滑剂。在高温高压的热挤压条件下，要求润滑剂具有足够 的粘度与活性， 具有较高的闪点和较少的灰分， 以保证良好的表面润 滑状态。同时， 还要求润滑剂具有一定的化学稳定性，对金属与工具 无腐蚀作用，无污染环境、有害于人体健康的作用。1）对铝及铝合金，多采用在粘性物油中添加各种固态填料的悬浮状 润滑剂、应用最广的是润滑剂为 70%-80% 的72 号汽油加 20%-30% 的石墨，挤压时，油的燃烧物和石