金属塑性加工技术-挤压

1、第一章第一章 挤压成形技术挤压成形技术 第一节第一节 引言引言 第二节第二节 挤压基本理论挤压基本理论 第三节第三节 挤压力与挤压工艺挤压力与挤压工艺 第四节第四节 挤压装备与工模具挤压装备与工模具 第五节第五节 挤压制品组织与性能控制挤压制品组织与性能控制 第一节第一节 引言引言 1.1 1.1 产品品种产品品种 棒材：断面为实心圆形的条材。 简单型材：方形、矩形、六角形 型材：非圆断面的条材。 异形型材：角形、丁形、槽形、工形 变断面型材：断面沿长度方向不相同 大管 外径：小管 毛细管：0.33mm 薄壁管：0.15mm 管材：中空的断面长条。 壁厚：厚壁管：550mm 根：10m左右 长

2、度：盘：几百米 1.2 成形方法成形方法 1.2.1 棒材和实心型材的成形方法棒材和实心型材的成形方法一、轧制、或轧制拉伸法： 锭坯加热孔型轧机上热轧冷拉成形。 优点：生产率高、设备投资少； 缺点：表面质量和尺寸精度差、设备和生产占地面积大。 二、挤压一次成形(或再辅以矫直性的微量拉伸)： 适于有色棒型材品种规格多和断面复杂的特点，产品表面质量高、生产流程短，但成品率较低、设备和工具费用较大。 三、带材冷弯法： 可制造断面上壁厚相等的型材，如角、槽、Z等形状的型材，生产率高，机动灵活。1.2.2 管材的成形方法管材的成形方法一、实心锭实心锭穿孔挤压穿孔挤压冷轧冷轧拉伸法：（无缝管）拉伸法：（无

3、缝管） 用挤压法制得管坯，再用冷轧法将其外径、壁厚进一步减小到接近成品的用挤压法制得管坯，再用冷轧法将其外径、壁厚进一步减小到接近成品的尺寸时，再拉伸而出成品。尺寸时，再拉伸而出成品。二、实心锭二、实心锭穿孔挤压一次成形：（无缝管）穿孔挤压一次成形：（无缝管） 对于异形管、厚壁管和大直径管材，采用挤压法一次成形，但尺寸精度稍差。对于异形管、厚壁管和大直径管材，采用挤压法一次成形，但尺寸精度稍差。 三、挤压三、挤压拉伸：（无缝管）拉伸：（无缝管） 对于无冷轧管设备的工厂，需将挤压出的管坯，进行反复多次的拉伸，最对于无冷轧管设备的工厂，需将挤压出的管坯，进行反复多次的拉伸，最后制得成品。后制得成品

4、。四、实心锭四、实心锭分流挤压分流挤压拉伸法：（有缝管）拉伸法：（有缝管）五、空心锭五、空心锭行星轧制行星轧制拉伸法（奥特昆普，拉伸法（奥特昆普，Outkumpp）：（无缝管）：（无缝管） 六、斜轧穿生产管坯：（无缝管）六、斜轧穿生产管坯：（无缝管） 用斜轧穿孔机生产简便，生产率和成品率较高，但对粘性较大的金属，其用斜轧穿孔机生产简便，生产率和成品率较高，但对粘性较大的金属，其穿孔质量差，另外，穿孔规格单调，可调整幅度很小，不能适应有色管材品穿孔质量差，另外，穿孔规格单调，可调整幅度很小，不能适应有色管材品种多、规格杂而产量小的特点，也使后续变形工作量大。种多、规格杂而产量小的特点，也使后续变

5、形工作量大。 第二节第二节 挤压基本理论挤压基本理论 2.1 挤压的基本方法、品种与流程挤压的基本方法、品种与流程 2.1.1 挤压的基本方法挤压的基本方法一、挤压的概念 对放在容器中（挤压筒）的材料一端施加压力，使其通过模孔成型的加工方法。挤压杆挤压杆挤压垫挤压垫挤压筒挤压筒挤压模挤压模挤压模垫挤压模垫挤压锭挤压锭挤压制品挤压制品二、根据特征分类 1、根据制品特征 实心挤压：如棒；空心挤压：如管；型材挤压：如型材2、根据材料流出模孔的方向与挤压杆运动方向 正向挤压：相同 反向挤压：相反 3、根据挤压力的传输介质 油压（传力平稳） 水压（传力不平稳） 4、根据材料的受力情况 普通挤压 静液挤压

6、 金属流动方向分类金属流动方向分类正向挤压：金属流动方向与挤压轴运动方向相同正向挤压：金属流动方向与挤压轴运动方向相同反向挤压：金属锭坯与挤压筒之间无相对运动反向挤压：金属锭坯与挤压筒之间无相对运动挤压温度分类挤压温度分类挤压冷挤压冷挤压温挤压温挤压热挤压热挤压制品形状分类制品形状分类棒材挤压棒材挤压管材挤压管材挤压板、排、型材挤压板、排、型材挤压线材挤压线材挤压挤压工艺分类挤压工艺分类连续挤压连续挤压静液挤压静液挤压润滑挤压润滑挤压挤压方法分类挤压方法分类三、挤压的优点与缺点 1、优点 (1) 强烈的三向压应力状态； (2) 断面形状复杂； (3) 灵活性，多品种、多规格； (4) 尺寸精度

7、、表面质量好于热轧； (5) 易实现生产过程的自动化和封闭化。 2、缺点 (1) 废料损失大 10-15%； (2) 加工速度低；(摩擦大，温度升高，易产生废品) (3) 长度与断面上组织和性能不均匀； (4) 工具消耗大。 2.1.2 挤压的品种挤压的品种 棒棒 (六角棒) (圆棒) (方棒) 管管 (铝管) (防锈铝管) (散热器管) (方管) (方管) (方管) 型型 (开瓶器型材) (铝管型材) (铝型材) (铝型材) (型管) 2.1.3 挤压的流程挤压的流程 加热挤压矫直一、加热的方式 1、燃气加热 2、电阻炉加热 3、感应加二、矫直 1、辊式矫直 2、拉伸矫直2.2 挤压时金属的

8、变形规律挤压时金属的变形规律 2.2.1 正向挤压的变形特点正向挤压的变形特点 按流动特征与挤压力的变化规律分成三个阶段 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，工具对金属的冷却，强烈的摩擦，使挤压力上升。 用网格法研究的结果 1 、变形区（压缩锥）：纵向线在进出压缩锥时，发生方向相反的两次弯曲，其弯曲的角度由外层向内逐渐减小，挤压中心线上的纵向线不发生弯曲。 当金属进入压缩锥后，径向和周向承受压缩变形，轴向延伸变形。 2、横向线弯曲，中心超前，越接近出口面其弯

9、曲越大(中心金属流速边部)。 a. 边部非矩形，中部近矩形 b. 边部剪切变形中心剪切变形 c. 边部总延伸中部总延伸(或外层金属的主延伸变形内层) d. 纵向上总延伸：前端后端3、存在两个难变形区，前死区，后死区。一般指前死区，用高度来衡量（hs）。 死区的作用：对提高制品表面质量有利。原因：死区的顶部能阻碍锭坯表面的杂质与缺陷进入变形区压缩锥，而流入制品表面。4、剧烈剪切带：处于快速流动区与死区之间。 5、头部未变形区：棒材前端 一、填充挤压阶段1、填充系数 c c= F0/Fp F0：挤压筒内孔横截面积 Fp：锭坯的横截面积2、镦粗 封闭空间压力高封闭空间压力高气泡、起皮气泡、起皮措施：

10、措施： (1)控制长径比控制长径比 34； (2)梯温挤压（前高后低）；梯温挤压（前高后低）； (3)充填系数尽可能小些，以锭充填系数尽可能小些，以锭 坯能顺利推入挤压筒中为原则坯能顺利推入挤压筒中为原则。二、基本挤压阶段 1、挤压比 = F0/F1 制品的断面积为F1 2、变形区内的应力与变形状态 r |r |(由中心到边部) 3、主应力分布的不均匀性 轴向 ： |变形区入口|变形区出口| |变形区边部|变形区中心| 径向 ： |变形区入口|变形区出口| |变形区边部|变形区中心| 三、挤压终了阶段 1、死区引起的缩尾中心流动快，体积供应不足,边部金属向中部转移，形成挤压缩尾。 中心缩尾：后

11、死区小(氧化皮等缺陷带入中心，彼此不能焊合) 环形缩尾：后死区大(挤压垫和挤压筒交界角落处金属沿后端 难变形区流向中间层) 皮下缩尾：剧烈剪切带与死区发生断裂或形成滞流 区，死区金属参与流动。 中心缩尾 环形缩尾 皮下缩尾 2、克服缩尾的措施 a.用适当的工艺，确保流动均匀，减少锭尾径向流动； b.进行不完全挤压(可能出现缩尾时，中止挤压，存在压余，约为锭坯直径的1030%)； c.脱皮挤压； e.车皮挤压； f.改善铸锭表面质量 g.锭接锭挤压 2.2.2 反向挤压的变形特点反向挤压的变形特点 与正向挤压比较而言，主要是摩擦状况不同，导致变形区不同。死区分布不同。 一、网格变化情况： 在变形

12、锥内横线与挤压筒壁垂直，在进入模孔后才发生剧烈弯曲，纵线在进入塑性变形区时的弯曲程度要较正挤压时大的多。 正挤压 反挤压 二、受力情况 三向等压应力状态：未挤部分与筒壁间无摩擦，也不参与变形。 三、延伸系数沿轴向的分布 反挤压制品沿长度方向上的变形 是均匀的，性能也比较均匀。 a =10，棒材40mm； b=4.0，棒材62mm 1反挤压； 2正挤压 四、死区、缩尾情况 1、前死区小，在后期也出现皮下缩尾，无后死区； 2、同时，前死区小，难以对表面杂质和缺陷起阻碍作用， 是不利的，对铸锭质量有较高的要求。 2.2.3 影响变形的因素影响变形的因素一、摩擦的影响 1、铸锭与挤压筒间的摩擦作用 f

13、大，死区hs大，流动不均匀，外层向中心流动形成挤压缩尾。 2、模具工作带的摩擦控制 工作带的长度不同，各部分金属流动速度也不同。 3、挤管材时穿孔针与铸锭间的摩擦的作用 中心金属受摩擦力和冷却作用，流动速度降低，流动均匀，缩尾短。 二、工具与铸锭温度的影响 1、铸锭横断面上温度不均匀 a. 工具的冷却作用： b. 材料本身的导热性： 2、材料相变的影响 单相好于双相或多相 3、材料的温度变化会改变摩擦条件 磷脱氧铜，在650-900，表面氧化膜的效果较好。三、材料的强度 强度高的金属比强度低的金属流动均匀，同一金属，低温时流动比高温好。 四、工具的结构与形状 1、挤压模 模角： 大，均匀差 定

14、径带锥角： 出现非接触变形 组合模：中心阻碍作用，金属流动均匀，缩尾减小。 多孔模：改善几何对称。 2、挤压筒 根据制品形状设计筒的形状。 3、挤压垫 凹面垫可稍微增加金属流动的均匀性。 五、变形程度的影响 一般要求10， 10，大，变形均匀性好 60 hs = (D0-D1) (0.58-cot)/2 60 hs = 0 lnln2120DDiiSFRzhs22cos02ttstttSfhLDFT)(00tS 3.Tzh 压缩锥锥面上的摩擦力 A.挤压垫上克服 Tzh 所消耗的功率N1： N1= TzhVjB.zh 的功率N2： 微元体的侧面积： dF= Dxdl =Dxdx/cos x面上

15、的速度： Vx=Vj zhzhzhSf 微元体侧面上的功率： dNx=zhdFVx 边界条件： Dx=D1 Nx= 0 Dx=D0 Nx= N2 最后求出： 由 N1=N2 得出： zhzhjSfviFNsin02zhzhzhSfiFT01sin 4.Tg 模子工作带上的摩擦力 同3.的办法： N1=TgVj N2=gFgVj 求出 Tg hg 工作带长度； fg 工作带的摩擦系数； 出口锥上的平均剪切应力 11zhgggSfhDT1zhS 5. 挤压力P P = Rs + Tt + Tzh + Tg = 关于Y()，其物理意义和数学分析 ),),(,(gzhtgzhttfffYSSSf或02

16、0406080246Ya五、 的确定 重申三个量的物理意义 1. Szh1与Szh0 的物理意义与确定 Szh0 变形锥入口的塑性变形剪切应力 Szh1 变形锥出口的塑性变形剪切应力 Szh0=0.5b Szh1= CySzh0 Cy = f(程度，速度(时间) gzhtSSS, ts=Vs/Vm Vm= F0Vj 2. t或 的确定 A.由 确定 t 已知： =Szh0 =1.25Szh0 =1.50Szh0 t =ft 0204060801001.11.21.31.41s0.1sCy延 伸率 /%tStStStStStS B.由t确定 已知： t 实测挤压力曲线 (1) t 1 = (Pa

17、1-Pb1)/(F0L1) t 2 = (Pa2-Pb2)/(F0L2) (2) At = (Pmax-Pmin)/(F0L) =t /fttStS 3. 、 的确定 = (Szh1 + Szh0)/2 = Szh1 六、ft、fzh 、fg 的确定 1.ft=fzh = ( 0，0.1，0.25，0.50，1.0) 2.fg = (0.25，0.50 )zhSgSzhSgS3.2.3 穿孔力穿孔力 一、穿孔过程与穿孔力分布 d1 穿孔针直径 )4(21dPckck0.00.20.40.60.81.00100200300400d1=15mmd1=26mmd1=55mmMPaa/L0二、穿孔力计

18、算 f 摩擦系数 Z 金属的冷确系数 a 穿孔力最大时的临界穿孔深度 三、Z与a的确定 1. Z 计算： Z=Z(T，t，) 查表： 2. a 试算，取最大值 查表： bckZfadaLDd)(5 . 04101213.2.4 计算实例计算实例 挤压机： D0=155mm 模子： 孔径20mm，平模，工作带长度10mm 工艺： 挤压速度80mm/s，挤压温度350 坯料： 150200，LD31 求：挤压力 0.00.10.20.30.40.50.61.01.11.21.3Zd1/D00.00.10.20.30.40.00.20.40.60.8a/Ld1/D0 1. L0 2. 挤压比及i 3

19、. 算ts 4. 查Cy * 5. 查强度 * 6. 算SZh0，Szh1 7. 定 * 8. 定ft，fzh，fg * 9. 定hs * 10. 计算挤压力 gzhtSSS,封头封尾铜管穿孔挤压过程数值模拟封头封尾铜管穿孔挤压过程数值模拟特别关注：特别关注： 穿孔针和挤压垫操作穿孔针和挤压垫操作 间隙缩小过程间隙缩小过程 穿孔针受力及表面温穿孔针受力及表面温度变化度变化 挤出铜管弯曲情况挤出铜管弯曲情况 点跟踪结果点跟踪结果q挤压工艺的确定应包括：挤压工艺的确定应包括：正确选择挤压方法、挤压设备及挤压模具正确选择挤压方法、挤压设备及挤压模具确定合理的挤压工艺参数确定合理的挤压工艺参数选择正确

20、的润滑条件选择正确的润滑条件确定合适的锭坯尺寸确定合适的锭坯尺寸3.2.5 挤压工艺挤压工艺铝型材：铸锭铝型材：铸锭加热加热挤压挤压（在线淬火）（在线淬火）矫直（拉伸或辊矫）矫直（拉伸或辊矫）热处理热处理表面处理表面处理检测检测铜管：铸锭铜管：铸锭加热加热挤压挤压酸洗酸洗（冷轧）（冷轧）冷拉冷拉热处理热处理剪切剪切检测检测q挤压方法的选择挤压方法的选择 主要根据被挤压金属的性能、产品质量要求进行选择：主要根据被挤压金属的性能、产品质量要求进行选择： 脱皮挤压（易缩尾材料，如脱皮挤压（易缩尾材料，如H62） 静液挤压（低塑性材料，如粉体材料）静液挤压（低塑性材料，如粉体材料） 包套挤压（易氧化材

21、料、低塑性材料，如包套挤压（易氧化材料、低塑性材料，如Ti、Zr） 等温挤压（热塑性较差；要求性能均匀，如等温挤压（热塑性较差；要求性能均匀，如LY12） 焊接挤压（焊接性好，形状复杂）焊接挤压（焊接性好，形状复杂） 液体挤压（低熔点材料，如液体挤压（低熔点材料，如Pb) 对于铝合金型材挤压：一般采用无润滑正向挤压对于铝合金型材挤压：一般采用无润滑正向挤压q挤压机的选择挤压机的选择 单动挤压机与双动挤压机单动挤压机与双动挤压机 单动式挤压机无独立穿孔系统，适于挤压实心型材与棒材；使用空心锭与单动式挤压机无独立穿孔系统，适于挤压实心型材与棒材；使用空心锭与随动针，或使用实心锭与组合模，亦可挤压管

22、材与空心型材。双动式挤压机随动针，或使用实心锭与组合模，亦可挤压管材与空心型材。双动式挤压机具有独立穿孔系统，一般用于挤压管材；更换实心的挤压杆与挤压垫亦可挤具有独立穿孔系统，一般用于挤压管材；更换实心的挤压杆与挤压垫亦可挤压型材与棒材（浪费）。压型材与棒材（浪费）。 正向挤压机与反向挤压机正向挤压机与反向挤压机 正向挤压机已使用于所有挤压过程挤压各种制品。在挤压条件相同时，反正向挤压机已使用于所有挤压过程挤压各种制品。在挤压条件相同时，反向挤压机相对于正向挤压机可节能向挤压机相对于正向挤压机可节能2040%，制品质量、成品率和生产率均，制品质量、成品率和生产率均较高。但是，由于制品规格受工具

23、长度限制，并对锭坯表面质量要求高，操较高。但是，由于制品规格受工具长度限制，并对锭坯表面质量要求高，操作较复杂，国内外使用反向挤压机尚不如正向挤压机广泛。作较复杂，国内外使用反向挤压机尚不如正向挤压机广泛。 卧式挤压机与立式挤压卧式挤压机与立式挤压 卧式挤压机的操作、监测和维修均较方便，普遍使用于所有规格、各种合卧式挤压机的操作、监测和维修均较方便，普遍使用于所有规格、各种合金制品的挤压。但是卧式挤压机容易失调，挤压杆、穿孔针、挤压筒、模座金制品的挤压。但是卧式挤压机容易失调，挤压杆、穿孔针、挤压筒、模座不对中，使管材壁厚不均或型材挤压时流动不均匀。中、小管材一般可在立不对中，使管材壁厚不均或

24、型材挤压时流动不均匀。中、小管材一般可在立式挤压机上生产而无严重壁厚不均（偏心）。在立式挤压机上甚至可挤压外式挤压机上生产而无严重壁厚不均（偏心）。在立式挤压机上甚至可挤压外径小于径小于30mm的薄壁管。的薄壁管。 q挤压工艺参数挤压工艺参数 挤压温度挤压温度 可挤压性可挤压性: 可挤压性为金属材料的内在性能，即在挤压加工过程中成材的可能可挤压性为金属材料的内在性能，即在挤压加工过程中成材的可能性。它包括在高温条件下金属与合金的变形抗力与塑性这两个指标。性。它包括在高温条件下金属与合金的变形抗力与塑性这两个指标。 将金属加热进行热塑性变形时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的将金属加热进行热塑性

25、变形时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.750.95倍。因此，应查找金属熔点和该成分合金在相图上固相点温度，确倍。因此，应查找金属熔点和该成分合金在相图上固相点温度，确定挤压温度的上限，以避免挤压时的热脆性。其次，高温时存在相变的合金，定挤压温度的上限，以避免挤压时的热脆性。其次，高温时存在相变的合金，最好在最好在单相区单相区热挤压。热挤压。 塑性塑性 : 金属应尽量在高温塑性范围的温度条件下进行热挤压，以免产生周金属应尽量在高温塑性范围的温度条件下进行热挤压，以免产生周期性横向裂纹。同时，应注意到金属与合金在热状态下的表面性质，以防止期性横向裂纹。同时，应注意到金属与合金在热状态下的表面

26、性质，以防止表面过烧。表面过烧。 变形抗力变形抗力： 挤压温度范围的下限，除了考虑材料的高温塑性，还应使其变形抗挤压温度范围的下限，除了考虑材料的高温塑性，还应使其变形抗力不得太高。例如，紫铜在室温时的抗拉强度为力不得太高。例如，紫铜在室温时的抗拉强度为170MPa，加热到，加热到700时便时便降低到降低到30MPa。在同一条件下，高温条件挤压较之低温可增大变形程度和锭。在同一条件下，高温条件挤压较之低温可增大变形程度和锭坯尺寸。坯尺寸。 根据上述分析，可以确定各种金属与合金的高塑性与低变形抗力的温度根据上述分析，可以确定各种金属与合金的高塑性与低变形抗力的温度范围，从而选择合理的挤压温度。范

27、围，从而选择合理的挤压温度。 q挤压工艺参数挤压工艺参数 挤压温度挤压温度 制品质量对挤压温度的要求制品质量对挤压温度的要求1）制品尺寸）制品尺寸 制品出模孔时的温度沿长度方向上波动，冷却后的断面尺寸沿长制品出模孔时的温度沿长度方向上波动，冷却后的断面尺寸沿长度上亦存在波动。一旦制品断面尺寸沿长度上存在波动，实践经验认为，切度上亦存在波动。一旦制品断面尺寸沿长度上存在波动，实践经验认为，切不可首先判断为不可首先判断为“模孔磨损模孔磨损”而急于换模和修模。比较实际的方法是，首先而急于换模和修模。比较实际的方法是，首先检查与调整锭坯的原始温度，无法及时调整时则严格控制挤压速度。检查与调整锭坯的原始

28、温度，无法及时调整时则严格控制挤压速度。 2）组织与性能）组织与性能 锭坯原始温度对流动不均匀性和组织、性能起着重要的影响。锭坯原始温度对流动不均匀性和组织、性能起着重要的影响。一般，为了保证制品的组织、性能，对锭坯表面易产生过硬氧化皮或易粘结一般，为了保证制品的组织、性能，对锭坯表面易产生过硬氧化皮或易粘结工具的金属材料，挤压温度不宜过高；对有合金相变的材料，应避开相变温工具的金属材料，挤压温度不宜过高；对有合金相变的材料，应避开相变温度并采用适于加工的相的温度范围；对具有明显度并采用适于加工的相的温度范围；对具有明显粗晶环和挤压效应粗晶环和挤压效应的合金，的合金，以及利用制品出口温度进行立

29、即淬火以及利用制品出口温度进行立即淬火 的铝合金等，应采用高的加热温度；为保的铝合金等，应采用高的加热温度；为保 证制品性能均一性可采用证制品性能均一性可采用等温挤压等温挤压技术，技术， 简便的方法是，挤压速度不变而使用梯温简便的方法是，挤压速度不变而使用梯温 加热的锭坯，如图所示。加热的锭坯，如图所示。 q挤压工艺参数挤压工艺参数 挤压温度挤压温度 制品质量对挤压温度的要求制品质量对挤压温度的要求3）表面质量）表面质量 易于粘结工具的锭坯，无论是工具表面损伤还是粘易于粘结工具的锭坯，无论是工具表面损伤还是粘结金属，都会使制品表面质量恶化。因此，此类金属材料应在结金属，都会使制品表面质量恶化。

30、因此，此类金属材料应在较低的温度范围加热。较低的温度范围加热。 4）焊缝性能）焊缝性能 使用组合模挤压空心型材与管材时，应提高挤压温使用组合模挤压空心型材与管材时，应提高挤压温度来提高被挤材料的焊合性能，以保证制品的焊缝质量。度来提高被挤材料的焊合性能，以保证制品的焊缝质量。 q挤压工艺参数挤压工艺参数 挤压温度挤压温度挤压时的变形热挤压时的变形热 在确定挤压温度与出口温度的关系时，一个不可忽视的因素是挤压时的在确定挤压温度与出口温度的关系时，一个不可忽视的因素是挤压时的变形热和摩擦热。金属在塑性变形时变形热和摩擦热。金属在塑性变形时9095%的变形能转化为热量。与其它的变形能转化为热量。与其

31、它压力加工方法相比，挤压法的一次变形量很大，而强烈的三向压应力状态又压力加工方法相比，挤压法的一次变形量很大，而强烈的三向压应力状态又使锭坯金属的变形抗力增大。挤压时模孔和挤压筒与金属的摩擦产生的热量使锭坯金属的变形抗力增大。挤压时模孔和挤压筒与金属的摩擦产生的热量中，后者占有较大的比例并与锭坯长度与正比关系。因此，挤压时产生的这中，后者占有较大的比例并与锭坯长度与正比关系。因此，挤压时产生的这种附加热量是很大的，可使制品温度上升几十度，甚至种附加热量是很大的，可使制品温度上升几十度，甚至300以上。以上。 由变形热引起的温度可用下式计算：由变形热引起的温度可用下式计算： 式中式中 k提高物体

32、晶体点阵能所消耗的功的系数，提高物体晶体点阵能所消耗的功的系数，k=0.91.0； V变形物体体积；变形物体体积；金属密度；金属密度； 变形区内金属平均变形抗力；变形区内金属平均变形抗力； ii=ln，挤压比的对数值。，挤压比的对数值。 6063、6061铝合金挤压温度铝合金挤压温度430-520 ；挤压比；挤压比 =30-80cViKktzh427zhKq挤压工艺参数挤压工艺参数 挤压速度和金属流出速度挤压速度和金属流出速度 挤压时的速度一般可分为三种：挤压时的速度一般可分为三种： 挤压速度挤压速度vj挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动速度；挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动速度； 金属流出

33、速度金属流出速度vl金属流出模孔时的速度，金属流出模孔时的速度，vl=vj； 金属变形速度金属变形速度（亦称变形速率）（亦称变形速率）单位时间内变形量变单位时间内变形量变 化的大小，化的大小， ，其平均变形速度为，其平均变形速度为 。 在挤压时，一般比较注重金属在挤压时，一般比较注重金属流出速度流出速度vl。这是因为。这是因为vl值范围取值范围取决于金属在挤压温度下的塑性，以使制品不产生裂纹。根据允决于金属在挤压温度下的塑性，以使制品不产生裂纹。根据允许的许的vl范围和挤压比范围和挤压比计算的计算的vj，用以控制挤压过程。变形速度，用以控制挤压过程。变形速度一般应用于理论分析。当变形程度一定时

34、，金属流出速度越高，一般应用于理论分析。当变形程度一定时，金属流出速度越高，相应的变形速度越高，金属将产生硬化使变形抗力增高。相应的变形速度越高，金属将产生硬化使变形抗力增高。 t tq挤压工艺参数挤压工艺参数v 挤压速度和金属流出速度挤压速度和金属流出速度确定金属流出速度确定金属流出速度vl时，应当全面考虑以下几个因素的综合作用：时，应当全面考虑以下几个因素的综合作用： 金属与合金的可挤压性：金属与合金的可挤压性： 只要允许，越快越好；与挤压温度的交叉作用只要允许，越快越好；与挤压温度的交叉作用 制品质量要求：制品质量要求： 挤压速度或变形区内金属流动速度越快，金属流动不均匀性越挤压速度或变

35、形区内金属流动速度越快，金属流动不均匀性越严重。严重。 挤压型材，特别是壁厚不均、断面形状无对称轴的断面形状复挤压型材，特别是壁厚不均、断面形状无对称轴的断面形状复杂的型材时，为避免充不满模孔和局部产生较大的附加应力，杂的型材时，为避免充不满模孔和局部产生较大的附加应力，或挤制品产生纵向上的弯曲与扭拧，要求其金属流出速度较圆或挤制品产生纵向上的弯曲与扭拧，要求其金属流出速度较圆棒挤压低。棒挤压低。 挤制管材时的金属流出速度，可比棒材的高些。挤制管材时的金属流出速度，可比棒材的高些。 表面摩擦状态差的，较之润滑条件好，且表面不粘结金属的流表面摩擦状态差的，较之润滑条件好，且表面不粘结金属的流出速

36、度低。出速度低。q挤压工艺参数挤压工艺参数v 挤压速度和金属流出速度挤压速度和金属流出速度 对同一合金来说，较高挤压温度下控制的流出速度应比低温时对同一合金来说，较高挤压温度下控制的流出速度应比低温时的低些。的低些。 高温时易产生表面粘结的一些易变形合金，进一步提高挤压速高温时易产生表面粘结的一些易变形合金，进一步提高挤压速度将会使出口温度升高，引起金属与工具间的粘结，导致制品度将会使出口温度升高，引起金属与工具间的粘结，导致制品表面质量恶化，同时也降低了流出模孔的制品力学性能。表面质量恶化，同时也降低了流出模孔的制品力学性能。 为了提高空心型材与管材的横向力学性能，使用组合模挤压时为了提高空

37、心型材与管材的横向力学性能，使用组合模挤压时要求一定的焊缝质量，即焊缝强度应达到基体金属强度的要求一定的焊缝质量，即焊缝强度应达到基体金属强度的95%。为此，各股分流的金属在组合模焊合腔内应有必要的接触时间为此，各股分流的金属在组合模焊合腔内应有必要的接触时间和压力，使金属有充分的扩散过程，而不能任意提高组合模挤和压力，使金属有充分的扩散过程，而不能任意提高组合模挤压时的流出速度。当需要较高的挤压速度以提高生产率时，可压时的流出速度。当需要较高的挤压速度以提高生产率时，可设计较大的焊合腔体积或焊合腔高度，以保证制品焊缝强度。设计较大的焊合腔体积或焊合腔高度，以保证制品焊缝强度。 q挤压工艺参数

38、挤压工艺参数v 挤压速度和金属流出速度挤压速度和金属流出速度 设备能力限制设备能力限制 挤压速度是受挤压机能力制约的。首先，挤压速度的提高将使变形速度升高，挤压速度是受挤压机能力制约的。首先，挤压速度的提高将使变形速度升高，金属变形抗力增大，不允许金属变形抗力增大，不允许挤压力挤压力超过设备能力。其次，应检验挤压速度提超过设备能力。其次，应检验挤压速度提高所要求的高所要求的高压泵高压泵液体流量（挤压机主缸容积）是否能得到保证。使用水泵液体流量（挤压机主缸容积）是否能得到保证。使用水泵站集中传动时，一般不会为一台挤压机的高速挤压而停止其余机台的生产；站集中传动时，一般不会为一台挤压机的高速挤压而

39、停止其余机台的生产；高压泵单独传动时，高速挤压能否实现与高压泵生产率（高压泵单独传动时，高速挤压能否实现与高压泵生产率（l/min）有关。此）有关。此外，还应考虑到锭坯外，还应考虑到锭坯加热炉加热炉的生产能力。加热炉的加热制度（加热温度、保的生产能力。加热炉的加热制度（加热温度、保温时间）与锭坯个数，应当满足挤压机生产的要求。用一般挤压速度所选择温时间）与锭坯个数，应当满足挤压机生产的要求。用一般挤压速度所选择的配套设备挤压时，若不适当地提高挤压速度，会缩短锭坯加热时间，使加的配套设备挤压时，若不适当地提高挤压速度，会缩短锭坯加热时间，使加热热“不透不透”的锭坯投入生产。虽有可能采用较长锭坯以

40、延长挤压周期，缓和的锭坯投入生产。虽有可能采用较长锭坯以延长挤压周期，缓和加热工序与挤压工序间的不平衡关系，但是设备能力、工具尺寸和金属成品加热工序与挤压工序间的不平衡关系，但是设备能力、工具尺寸和金属成品率是否允许也值得考虑。率是否允许也值得考虑。 q 挤压工艺参数挤压工艺参数v 挤压速度和金属流出速度挤压速度和金属流出速度 最大挤压速度最大挤压速度 挤压力是被挤金属材料变形抗力的函数。挤压力是被挤金属材料变形抗力的函数。热加工的目的，是利用金属材料在高温时热加工的目的，是利用金属材料在高温时屈服应力下降这一现象来实现大变形量加工。具有高变形抗力的合金必须加热到高屈服应力下降这一现象来实现大

41、变形量加工。具有高变形抗力的合金必须加热到高的变形温度。但是，如果锭坯原始温度和挤压速度的选择使制品出口温度非常接近的变形温度。但是，如果锭坯原始温度和挤压速度的选择使制品出口温度非常接近该合金的固相线温度时，制品表面将产生裂纹或变得粗糙，质量变坏。该合金的固相线温度时，制品表面将产生裂纹或变得粗糙，质量变坏。 如图所示为最大挤压速度和出口温度之间的如图所示为最大挤压速度和出口温度之间的 关系曲线。图中给出两条极限曲线：一条关系曲线。图中给出两条极限曲线：一条 表示设备能力的挤压力极限曲线，超过它表示设备能力的挤压力极限曲线，超过它 不可能实现挤压；另一条表示合金制品表不可能实现挤压；另一条表

42、示合金制品表 面开始撕裂的冶金学极限。两条曲线之间面开始撕裂的冶金学极限。两条曲线之间 的面积提供了该合金挤压所允许的加工工的面积提供了该合金挤压所允许的加工工 艺参数范围，而两线交点提供了理论上最艺参数范围，而两线交点提供了理论上最 大挤压速度和相应的最佳出口温度。应强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调的是，这个最佳值只是从挤压速度角度 出发的，不一定能满足制品的物理出发的，不一定能满足制品的物理冶冶 金性能要求。金性能要求。 6063铝合金挤出速度：管铝合金挤出速度：管15-80m/min，型材，型材8-20m/min ?q 挤压工艺参数挤压工艺参

43、数v 挤压比挤压比 挤压比一般根据生产工艺流程确定，其值大致控制在挤压比一般根据生产工艺流程确定，其值大致控制在6100范围内。范围内。 金属与合金的可挤压性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。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。 制品质量要求制品质量要求 根据制品断面上的组织与性能要求，挤压热加工态（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，态）的制品时，挤压比一般不得小于挤压比一般不得小

44、于1012。在挤压需继续加工（如轧制、拉伸、或锻造等）。在挤压需继续加工（如轧制、拉伸、或锻造等）的毛料时，挤压比最好不小于的毛料时，挤压比最好不小于5。挤压用于二次挤压的毛料，一般不限制挤。挤压用于二次挤压的毛料，一般不限制挤压比的大小，只根据二次挤压的挤压筒规格来推算出一次挤压的挤压比。挤压比的大小，只根据二次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；降低挤压压小断面型材时，为了使金属流动较为均匀，可采用多模孔挤压；降低挤压比，可获得表面质量较好的挤制品；使用组合模挤压空心型材时，应尽可能比，可获得表面质量较好的挤制品；使用组合模

45、挤压空心型材时，应尽可能采用较高的挤压比（以及较高的挤压温度与较长的焊合腔）值，以保证制品采用较高的挤压比（以及较高的挤压温度与较长的焊合腔）值，以保证制品焊缝质量。焊缝质量。 设备能力限制设备能力限制 根据挤压力与挤压比的对数（根据挤压力与挤压比的对数（i=ln）成正比的关系，综合考虑挤压筒直径）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）和金属材料在挤压温度下所需的挤压应力大小，（挤压垫上的单位挤压力）和金属材料在挤压温度下所需的挤压应力大小，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。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。 q 挤压工艺参数挤压工艺参

46、数v 挤压时的润滑挤压时的润滑 大多数金属材料使用平模热挤压型材与棒材。平模工作面与挤压筒壁交接大多数金属材料使用平模热挤压型材与棒材。平模工作面与挤压筒壁交接处存在一个环形的死区，它可有效地阻止锭坯表面上的氧化物、夹质与灰尘处存在一个环形的死区，它可有效地阻止锭坯表面上的氧化物、夹质与灰尘进入制品表面。因此，不允许涂抹润滑剂。进入制品表面。因此，不允许涂抹润滑剂。 当使用组合模挤压空心型材与管材时，为了保证焊缝质量，绝对不允许润滑。当使用组合模挤压空心型材与管材时，为了保证焊缝质量，绝对不允许润滑。 当使用组合模挤压空心型材与管材时，为了保证焊缝质量，绝对不允许润滑。当使用组合模挤压空心型材

47、与管材时，为了保证焊缝质量，绝对不允许润滑。 热挤硬铝合金时，采用石墨润滑剂可以提高流出速度热挤硬铝合金时，采用石墨润滑剂可以提高流出速度1.52倍，能防止粗晶倍，能防止粗晶环的形成，减少制品沿长度上的组织与性能不均匀性，并可提高制品尺寸精环的形成，减少制品沿长度上的组织与性能不均匀性，并可提高制品尺寸精度。度。 大多数铜及铜合金管棒材的挤压，可采用大多数铜及铜合金管棒材的挤压，可采用45号机油和号机油和030%鳞片状石墨调制鳞片状石墨调制成的润滑剂；实际生产中多采用成的润滑剂；实际生产中多采用沥青沥青润滑。润滑。 挤压高温高强合金如铜镍合金、镍、钛及钢时，目前大多采用了玻璃润滑剂挤压高温高强

48、合金如铜镍合金、镍、钛及钢时，目前大多采用了玻璃润滑剂。 q挤压工艺参数挤压工艺参数v 锭坯选择：考虑挤压摩擦力、锭坯冷却、几何损失锭坯选择：考虑挤压摩擦力、锭坯冷却、几何损失 用以挤压管、棒、型、线材的锭坯一般为实心圆锭坯。用以挤压管、棒、型、线材的锭坯一般为实心圆锭坯。在下列条件下生产管材时最好使用空心锭坯：在下列条件下生产管材时最好使用空心锭坯： 挤压挤压高温高强合金材料，例如钢管和锡磷青铜管材时；高温高强合金材料，例如钢管和锡磷青铜管材时； 挤压重要用途的薄壁管材，且应防止穿孔过程中所产挤压重要用途的薄壁管材，且应防止穿孔过程中所产生的锭坯微裂纹时；生的锭坯微裂纹时； 挤压某些异型管材

49、，特别是内挤压某些异型管材，特别是内孔较小不宜穿孔的双孔管材时；孔较小不宜穿孔的双孔管材时； 挤压极易粘结穿孔挤压极易粘结穿孔针的稀有金属管材时；使用无独立穿孔系统挤压机针的稀有金属管材时；使用无独立穿孔系统挤压机与锥模挤压管材时。与锥模挤压管材时。 q 挤压工艺参数挤压工艺参数v 锭坯选择锭坯选择 锭坯直径：计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径、锭坯直径偏差量、加锭坯直径：计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径、锭坯直径偏差量、加热膨胀后仍能顺利进入筒内等因素。热膨胀后仍能顺利进入筒内等因素。 铝合金热挤压：锭坯直径与挤压筒的间隙铝合金热挤压：锭坯直径与挤压筒的间隙D=310 mm 锭坯长度计

50、算锭坯长度计算圆断面锭坯长度圆断面锭坯长度Lp可按下式计算：可按下式计算： 式中式中 、c挤压比和填充系数；挤压比和填充系数； L1要求供给下工序的毛坯长度（未中断）；要求供给下工序的毛坯长度（未中断）； l1、l2L1的长度裕量和切头尾长，对穿孔料头应按的长度裕量和切头尾长，对穿孔料头应按 实心断面计入，穿孔料头长为其直径的实心断面计入，穿孔料头长为其直径的11.5倍；倍； m挤压根数；挤压根数； hy压余厚度。压余厚度。 cymphllLL211)(q工艺计算工艺计算 挤压力计算挤压力计算 挤压机能力校核挤压机能力校核 挤压工、模具强度校核挤压工、模具强度校核 编制工艺卡编制工艺卡q后续工

51、序后续工序 拉伸矫直：形成一些工艺废料拉伸矫直：形成一些工艺废料 锯切：切定尺（锯切：切定尺（6m)，形成几何废料，形成几何废料 固溶与淬火处理：固溶与淬火处理：T6状态，状态，T5状态无此工序状态无此工序 人工时效处理人工时效处理 阳极氧化阳极氧化 检验、包装检验、包装T6：热挤压：热挤压固溶热处理固溶热处理淬火淬火时效时效T5：热挤压（在线淬火）：热挤压（在线淬火）时效时效q 挤压生产管理挤压生产管理 工艺管理：对挤压工艺执行情况的管理工艺管理：对挤压工艺执行情况的管理 质量管理质量管理 设备管理：包括工、模具管理设备管理：包括工、模具管理 经济技术指标管理经济技术指标管理 生产组织生产组

52、织 三种平衡三种平衡：金属平衡、设备负荷平衡、劳动力平衡：金属平衡、设备负荷平衡、劳动力平衡 设备负荷率、成材率、投料系数设备负荷率、成材率、投料系数u效益来源于效益来源于技术与管理技术与管理3.2.6 工艺卡的制订方法工艺卡的制订方法q挤压设备挤压设备v加热炉加热炉v挤压机挤压机v辅助机构辅助机构q挤压工、模具挤压工、模具v基本工具：挤压筒、挤压轴、轴套、轴座、挤基本工具：挤压筒、挤压轴、轴套、轴座、挤压垫、模支撑、支撑环等等压垫、模支撑、支撑环等等v模具：模子、模垫、穿孔针模具：模子、模垫、穿孔针v辅助工具：牵引装置、导路、吊钳等辅助工具：牵引装置、导路、吊钳等第四节第四节 挤压装备与工模

53、具挤压装备与工模具v加热炉加热炉燃料炉燃料炉：油炉和煤气炉油炉和煤气炉 特点：加热效率高、成本低、投资少特点：加热效率高、成本低、投资少中小企业采用；中小企业采用；炉温不易控制、劳动条件差、自动化程度低炉温不易控制、劳动条件差、自动化程度低电阻加热炉：电阻加热炉：炉温易于控制，加热质量好，占地面积炉温易于控制，加热质量好，占地面积少，少，劳动条件好，自动化程度较高；劳动条件好，自动化程度较高；加热效率较低、成加热效率较低、成本高、投资大本高、投资大感应加热炉：感应加热炉：主要使用主要使用50Hz50Hz工频感应加热炉。加热速工频感应加热炉。加热速度快，体积小，耗电少，自动化程度高度快，体积小，

54、耗电少，自动化程度高q挤压机挤压机v按结构形式分：立式挤压机和卧式挤压机按结构形式分：立式挤压机和卧式挤压机v按传动方式分：机械式挤压机、油压机、水压机按传动方式分：机械式挤压机、油压机、水压机v按穿孔系统分：不带穿孔系统的挤压机、内置式穿按穿孔系统分：不带穿孔系统的挤压机、内置式穿孔挤压机、外置式穿孔挤压机、外置式穿 孔挤压机孔挤压机v按模具装置分：按模具装置分： 锁键式、滑动模座式、锁键式、滑动模座式、 回旋模座式回旋模座式q挤压机挤压机q挤压机挤压机v模座：用于组装模具。模座：用于组装模具。 纵动式、横动纵动式、横动 式、转动式、式、转动式、 联合式联合式v供锭机构：直线式、回转式供锭机

55、构：直线式、回转式v挤压垫与压余分离装置挤压垫与压余分离装置v制品牵引机构制品牵引机构v锯切装置锯切装置v拉矫装置拉矫装置q挤压机挤压机锯切机锯切机冷床冷床q挤压机挤压机拉伸矫直机拉伸矫直机在线淬火在线淬火q挤压模具挤压模具a平面模；平面模；b平面分流组合模；平面分流组合模；c叉架式组合模；叉架式组合模；d舌形模（桥模）舌形模（桥模） q挤压模具挤压模具实心平模实心平模分流组合模分流组合模q挤压模具挤压模具导流模导流模导流孔导流孔q挤压模具挤压模具双孔模双孔模模芯模芯q挤压模具挤压模具空心型材挤压模具空心型材挤压模具挤压筒挤压筒报废的挤压模报废的挤压模q挤压设备发展动态挤压设备发展动态 挤压设

56、备是挤压技术的重要组成部分，随挤压新技挤压设备是挤压技术的重要组成部分，随挤压新技术的开发而发展：术的开发而发展：反向挤压机反向挤压机 静液挤压机静液挤压机高速挤压机高速挤压机大型挤压机：万吨（大型挤压机：万吨（100MN100MN）挤压机）挤压机连续挤压机（连续挤压机（conform)conform)包覆挤压机：挤压复合材料包覆挤压机：挤压复合材料铸挤机铸挤机 q挤压模具发展动态挤压模具发展动态设计原理与强度校核方法的研究设计原理与强度校核方法的研究模具结构优化研究模具结构优化研究挤压模具挤压模具CAD/CAM/CAE CAD/CAM/CAE 技术的研究与开发技术的研究与开发模具材料的选择、

57、开发与热处理模具材料的选择、开发与热处理模具制造、检测与修模技术的研究与开发模具制造、检测与修模技术的研究与开发模具的维护与科学管理模具的维护与科学管理“零试模零试模”技术技术挤压模具设计要诀：挤压模具设计要诀： 孔随形走孔随形走，避焊定桥避焊定桥，预配流量预配流量，定径微调定径微调第五节第五节 挤压制品组织与性能控制挤压制品组织与性能控制5.1 挤压制品的组织与性能一、原理一、原理 位错（变形）；动态回复与再结晶；相变；扩散；温度效应；位错（变形）；动态回复与再结晶；相变；扩散；温度效应；热效应；摩擦；速度；导热性热效应；摩擦；速度；导热性 二、典型现象二、典型现象1. 1. 晶粒组织前粗后

58、细、中粗外细晶粒组织前粗后细、中粗外细 变形：不均匀变形：不均匀 温度：锭坯与筒壁存在温差，发生一次再结晶及晶粒长大温度：锭坯与筒壁存在温差，发生一次再结晶及晶粒长大 2. 2. 晶粒组织前细后粗晶粒组织前细后粗: : 变形变形+ +温度温度 一次再结晶晶粒长大一次再结晶晶粒长大+ +二次再结晶二次再结晶 变形热不易散失，筒、锭温差不大，变形区金属温度升高变形热不易散失，筒、锭温差不大，变形区金属温度升高3. 3. 带状组织：第二相的析出带状组织：第二相的析出 ( (在相变温度发生变形在相变温度发生变形) )4. 4. 粗晶粒：合金在热变形后的热处理中出现的比临界变形后热处粗晶粒：合金在热变形

59、后的热处理中出现的比临界变形后热处 理形成的再结晶晶粒更大的组织。理形成的再结晶晶粒更大的组织。 粗晶环：在淬火后形成的出现在制品周边上的粗晶区。粗晶环：在淬火后形成的出现在制品周边上的粗晶区。5. 5. 层状组织：断口出现分层，分层的界面近似于平行于轴线，后层状组织：断口出现分层，分层的界面近似于平行于轴线，后 续加工也无法消除。续加工也无法消除。6. 6. 挤压效应：挤压制品在淬火时效后，与其它加工方法相比，纵挤压效应：挤压制品在淬火时效后，与其它加工方法相比，纵 向上抗拉强度提高而延伸降低的现象。向上抗拉强度提高而延伸降低的现象。7. 7. 挤压裂纹、挤压缩尾、夹杂等挤压裂纹、挤压缩尾、

60、夹杂等三、粗晶环的进一步认识三、粗晶环的进一步认识1.1.分布规律分布规律 A. A. 单孔模挤出的棒：单孔模挤出的棒： 几乎整个周边几乎整个周边 B. B. 多孔模挤出的棒：多孔模挤出的棒： 月牙形月牙形( (出现在局部周边上出现在局部周边上) ) C. C. 型材：型材： 角部或转角区角部或转角区 D. D. 轴向：轴向： 粗晶环厚度头薄尾重粗晶环厚度头薄尾重 E E：径向：摩擦阻力大，靠近挤压筒部分环粗。：径向：摩擦阻力大，靠近挤压筒部分环粗。 2.形成机理形成机理 A：在变形的剧烈剪切带：在变形的剧烈剪切带 B：变形大：变形大-晶粒破晶粒破-晶格扭晶格扭 C：再结晶温度比其它部位相对要