材料成型概论 第四章 挤压成型

1、第四章第四章 挤压成型挤压成型 4.14.1 挤压成型的特点和基本方法挤压成型的特点和基本方法 4.24.2 挤压过程的基本概念挤压过程的基本概念 4.34.3 挤压成型设备及工具挤压成型设备及工具 4.4 4.4 挤压成型工艺挤压成型工艺主要用于管材、棒材、型材及线坯半成品生产主要用于管材、棒材、型材及线坯半成品生产 4.1 挤压成型的特点和基本方法挤压成型的特点和基本方法 挤压就是采用挤压就是采用挤压轴挤压轴（凸模）将放在密闭的（凸模）将放在密闭的挤压挤压筒筒（凹模）内的坯料压出模孔而成型的（凹模）内的坯料压出模孔而成型的塑性加工塑性加工方法。方法。q挤压时金属坯料受到三向压应力，有利于低

2、塑性挤压时金属坯料受到三向压应力，有利于低塑性金属变形（脆性材料变形）。金属变形（脆性材料变形）。q挤压多用于生产挤压多用于生产有色金属有色金属及合金的棒材、及合金的棒材、薄壁薄壁和和超厚壁超厚壁复杂断面型材和管材，高合金钢材及低塑复杂断面型材和管材，高合金钢材及低塑性合金钢材。冷挤压也用于生产机械零件。性合金钢材。冷挤压也用于生产机械零件。定义定义4.1 挤压成型的特点和基本方法挤压成型的特点和基本方法 1 1. .挤压时金属坯料受到三向压应力挤压时金属坯料受到三向压应力, ,适于低塑性材料适于低塑性材料成型加工成型加工; ;一次可给予金属材料大的变形。一次可给予金属材料大的变形。2 2.

3、.品种规格多样品种规格多样, ,生产灵活生产灵活, ,适于少批量多品种复杂适于少批量多品种复杂管材、棒材、型材及线坯的生产管材、棒材、型材及线坯的生产; ;3 3. .产品尺寸精度和表面质量较高产品尺寸精度和表面质量较高; ;4.4.设备投资少，厂房面积小设备投资少，厂房面积小; ;5.5.易实现自动化生产易实现自动化生产. . 4.1.1 挤压成型的特点挤压成型的特点优点优点7.7.金属损失大金属损失大, ,成材率低成材率低, ,且工具消耗大且工具消耗大, ,生产成本高生产成本高; ;8.8.金属与工模具间摩擦系数大金属与工模具间摩擦系数大, ,金属在变形区内流动金属在变形区内流动不均匀不均

4、匀, ,产品组织性能沿长度和断面上不均匀；产品组织性能沿长度和断面上不均匀；9.9.与轧制成型相比生产率低。与轧制成型相比生产率低。 4.1.1 挤压成型的特点挤压成型的特点缺点缺点图图4-1 4-1 典型挤压材的横截面形状典型挤压材的横截面形状 v按按金属流动方向及变形特征金属流动方向及变形特征：正挤压、反挤压、：正挤压、反挤压、侧向挤压、连续挤压、侧向挤压、连续挤压、复合挤压复合挤压及特殊挤压及特殊挤压（静液（静液挤压等）挤压等）v按按挤压温度挤压温度：热挤压热挤压-（在冶金工业应用在冶金工业应用） 温挤压、冷挤压温挤压、冷挤压-（在机械工业应用在机械工业应用）v按按润滑状态润滑状态：玻璃

5、润滑挤压、静液挤压：玻璃润滑挤压、静液挤压v按按制品种类制品种类：管材挤压、棒材挤压、型材挤压：管材挤压、棒材挤压、型材挤压 4.1.2 挤压成型的基本方法挤压成型的基本方法图图4-2 4-2 工业上常用的挤压方法工业上常用的挤压方法（a a）正挤压；（正挤压；（b b）反挤压；（反挤压；（c c）侧向挤压；（侧向挤压；（d d）玻璃润滑挤压；玻璃润滑挤压； （e e）静液挤压；（静液挤压；（f f）连续挤压连续挤压 正挤压特点：正挤压特点：挤压时坯料与挤压筒之间产生挤压时坯料与挤压筒之间产生相对滑动相对滑动，存在很大的，存在很大的有害外摩擦（基本特征）；有害外摩擦（基本特征）；挤压力大，能耗

6、高；挤压力大，能耗高；金属流动不均匀，制品组织性能不均匀；金属流动不均匀，制品组织性能不均匀；强烈的摩擦发热限制了挤压速度的提高，加剧了模具强烈的摩擦发热限制了挤压速度的提高，加剧了模具的磨损，降低了生产率和产品表面质量。的磨损，降低了生产率和产品表面质量。挤压时更换模具简单、迅速，所需辅助时间少。挤压时更换模具简单、迅速，所需辅助时间少。 4.1.2 挤压成型的基本方法挤压成型的基本方法 正挤压正挤压金属流动方向与挤压轴的运动方向金属流动方向与挤压轴的运动方向。 反挤压特点：反挤压特点：反挤压时金属坯料与挤压筒壁之间反挤压时金属坯料与挤压筒壁之间无相对滑动无相对滑动；挤压力小，一般比正挤降低

7、挤压力小，一般比正挤降低30304040，能耗低；，能耗低；金属流动主要集中在模孔附近的领域，制品的组织性金属流动主要集中在模孔附近的领域，制品的组织性能沿长度是均匀的；能沿长度是均匀的；操作较为复杂，间隙时间较正挤压长，且制品质量的操作较为复杂，间隙时间较正挤压长，且制品质量的稳定性不足。稳定性不足。 4.1.2 挤压成型的基本方法挤压成型的基本方法 反挤压反挤压金属流动方向与挤压轴运动方向金属流动方向与挤压轴运动方向。 金属流动方向与挤压轴运动方向垂直，又称横向挤压。金属流动方向与挤压轴运动方向垂直，又称横向挤压。 侧挤压特点：侧挤压特点：挤压模与坯料轴线成挤压模与坯料轴线成9090角角,

8、 ,将使制品纵向力学性能差将使制品纵向力学性能差异最小；变形程度较大，挤压比可达异最小；变形程度较大，挤压比可达100100；制品强度高；制品强度高；要求模具和工具具有高的强度及刚度。要求模具和工具具有高的强度及刚度。 侧向挤压在侧向挤压在电缆包铅套电缆包铅套和和铝套铝套上应用最广泛。上应用最广泛。 4.1.2 挤压成型的基本方法挤压成型的基本方法 侧向挤压侧向挤压 采用连续挤压机，在压力和摩擦力的作用采用连续挤压机，在压力和摩擦力的作用下，使金属坯料连续不断地送入挤压机，获得无限长下，使金属坯料连续不断地送入挤压机，获得无限长制品的挤压方法。制品的挤压方法。 冷挤压时金属沿挤压杆和挤压筒之间

9、的冷挤压时金属沿挤压杆和挤压筒之间的空间以及挤压模孔两个相反方向同时流动的挤压方法。空间以及挤压模孔两个相反方向同时流动的挤压方法。 利用封闭在挤压筒内坯料周围的高压液利用封闭在挤压筒内坯料周围的高压液体体, ,迫使坯料产生塑性变形，并从模孔中挤出的加工方迫使坯料产生塑性变形，并从模孔中挤出的加工方法。法。 4.1.2 挤压成型的基本方法挤压成型的基本方法 连续挤压连续挤压 静液挤压静液挤压 复合挤压复合挤压4.2.1 4.2.1 挤压成型过程挤压成型过程 包括包括开始挤压开始挤压、基本挤压基本挤压和和终了挤压终了挤压三个阶段三个阶段v开始挤压阶段开始挤压阶段 挤压初始锭坯与挤压筒存在间隙，锭

10、坯在挤压轴的挤压初始锭坯与挤压筒存在间隙，锭坯在挤压轴的压力作用下发生鼓形变形而形成封闭空间，随后金压力作用下发生鼓形变形而形成封闭空间，随后金属向间隙处流动充满挤压筒，同时部分金属流入模属向间隙处流动充满挤压筒，同时部分金属流入模孔，这一阶段为开始挤压阶段，又称孔，这一阶段为开始挤压阶段，又称充填挤压阶段充填挤压阶段。 4.2 挤压过程的基本概念挤压过程的基本概念v基本挤压阶段基本挤压阶段 开始挤压阶段完成后，锭坯在挤压轴的压力作用下，开始挤压阶段完成后，锭坯在挤压轴的压力作用下，由模孔流出形成制品，直至筒内锭坯长度接近变形由模孔流出形成制品，直至筒内锭坯长度接近变形区压缩锥高度，这一阶段为

11、基本挤压阶段，又称区压缩锥高度，这一阶段为基本挤压阶段，又称平平流挤压阶段流挤压阶段。 挤压过程中，锭坯任一横截面上的金属质点皆以相挤压过程中，锭坯任一横截面上的金属质点皆以相同速度或一定的速度差流入变形区压缩锥。同速度或一定的速度差流入变形区压缩锥。 4.2.1 挤压成型过程挤压成型过程v终了挤压阶段终了挤压阶段 筒内锭坯长度接近变形区压缩锥高度的挤压阶段，筒内锭坯长度接近变形区压缩锥高度的挤压阶段，这一阶段锭坯的外层金属向中心剧烈流动，两个这一阶段锭坯的外层金属向中心剧烈流动，两个难变形区中的金属向模孔流动，形成挤压所特有难变形区中的金属向模孔流动，形成挤压所特有的的“挤压缩尾挤压缩尾”。

12、 有：有：中心缩尾、环形缩尾和皮下缩尾中心缩尾、环形缩尾和皮下缩尾三种类型。三种类型。 采取采取“压余压余”措施：措施：留一部分金属在挤压筒内不全部挤出，留一部分金属在挤压筒内不全部挤出，使缩尾不流入制品中。使缩尾不流入制品中。 4.2.1 挤压成型过程挤压成型过程1.1.挤压变形区挤压变形区 挤压筒内的金属在挤压轴作用下产生塑性变形的区挤压筒内的金属在挤压轴作用下产生塑性变形的区域称为挤压变形区。域称为挤压变形区。 包括：包括：塑性流动区、前端难变形区、后端难变形区塑性流动区、前端难变形区、后端难变形区前端难变形区存在于挤压筒与模子交界处前端难变形区存在于挤压筒与模子交界处abcabc区。区

13、。后端难变形区位于挤压垫片处。后端难变形区位于挤压垫片处。 4.2.2 挤压变形区及应力应变状态挤压变形区及应力应变状态图图4-3 4-3 挤压变形区示意图挤压变形区示意图2.2.变形区内的应力应变状态变形区内的应力应变状态q外力外力挤压力挤压力P P和单位压力和单位压力p p挤压筒壁的摩擦力挤压筒壁的摩擦力T Tt t和单位正压力和单位正压力dNdNt t模子压缩面的摩擦力模子压缩面的摩擦力T Tz z和和单位正压力单位正压力dNdNz z定径带的摩擦力定径带的摩擦力T Td d和和单位正压力单位正压力dNdNd d 4.2.2 挤压变形区及应力应变状态挤压变形区及应力应变状态2.2.变形区

14、内的应力应变状态变形区内的应力应变状态v应力状态应力状态：，即轴向压应力，即轴向压应力l l, ,径向压径向压应力应力r r及周向压应力及周向压应力（轴对称（轴对称r r）v应变状态应变状态：，即轴向延伸变形，即轴向延伸变形l l, ,径向压缩变形径向压缩变形r r及周向压缩变形及周向压缩变形 （轴对称（轴对称r r） 4.2.2 挤压变形区及应力应变状态挤压变形区及应力应变状态挤压的主应力挤压的主应力和和主应变状态图示主应变状态图示 挤压为挤压为三向压应力三向压应力状态；状态；二向缩短二向缩短, ,一向伸长一向伸长主应主应变状态。变状态。图图4-4 4-4 挤压时之外力、应力及应变状态挤压时

15、之外力、应力及应变状态v挤压时金属的流动对制品的组织性能、尺寸形状，挤压时金属的流动对制品的组织性能、尺寸形状，以及表面状态有着重要的影响。以及表面状态有着重要的影响。v由于外摩擦的影响和锭坯断面温度分布不均，挤压由于外摩擦的影响和锭坯断面温度分布不均，挤压时金属流动是不均匀的。时金属流动是不均匀的。v通常，心部金属流动速度大于表层金属。通常，心部金属流动速度大于表层金属。 （坐标线弯曲较大，变形不均匀）（坐标线弯曲较大，变形不均匀） 4.2.3 挤压时挤压时金属金属的流动的流动图图4-5 4-5 挤压时金属流动挤压时金属流动 挤压力挤压力P P是挤压杆通过垫片作用在被挤压锭坯是挤压杆通过垫片

16、作用在被挤压锭坯上使金属从模孔流出来的压力。上使金属从模孔流出来的压力。 挤压力是随挤压杆的行程而变化的，所要计算的挤挤压力是随挤压杆的行程而变化的，所要计算的挤压力是指曲线上的最大挤压力，它是确定挤压机吨压力是指曲线上的最大挤压力，它是确定挤压机吨位和校核挤压机部件强度的依据。位和校核挤压机部件强度的依据。 4.2.4 挤压力挤压力 影响挤压力的主要因素有：影响挤压力的主要因素有：v挤压温度；挤压温度；v金属的变形抗力、变形程度、变形速度（流出速度）金属的变形抗力、变形程度、变形速度（流出速度）v模孔形状、制品断面形状；模孔形状、制品断面形状；v锭坯长度；锭坯长度；v外摩擦等。外摩擦等。 4

17、.2.4 挤压力挤压力 挤压力挤压力P P的组成：的组成： P = Tt + Tz + Td + Rs 式中：式中： Tt、Tz和和Td分别为挤压筒壁、压缩锥侧壁和模子定分别为挤压筒壁、压缩锥侧壁和模子定径带的摩擦力分量；径带的摩擦力分量； Rs为金属变形抗力分量。为金属变形抗力分量。 4.2.4 挤压力挤压力 4.3.14.3.1 挤压成型设备挤压成型设备q挤压机按挤压机按传动方式传动方式可分为：机械式挤压机和液压式可分为：机械式挤压机和液压式挤压机。挤压机。q液压传动挤压机液压传动挤压机运动平稳，对过载的适应性好，而运动平稳，对过载的适应性好，而且速度也较易调整，因此广泛应用。且速度也较易

18、调整，因此广泛应用。v挤压机由：动力部分、主体部分、控制元件、工作挤压机由：动力部分、主体部分、控制元件、工作液体、辅助部分等组成。液体、辅助部分等组成。 4.3 挤压成型设备及工具挤压成型设备及工具v挤压机按运动部件的运动方向分为：卧式挤压机、挤压机按运动部件的运动方向分为：卧式挤压机、立式挤压机立式挤压机 卧式挤压机卧式挤压机工作部件的运动方向与地面平行。工作部件的运动方向与地面平行。 占地面积大等，占地面积大等，P P6969 立式挤压机立式挤压机工作部件的运动方向与地面垂直。工作部件的运动方向与地面垂直。 有很深的地槽有很深的地槽, ,或基础高或基础高, ,吨位小：吨位小：6 610M

19、N10MN P P7070 4.3.1 挤压成型设备挤压成型设备v卧式挤压机卧式挤压机特点特点1)1)挤压机本体和大部分附属设备可布置在地面上，便挤压机本体和大部分附属设备可布置在地面上，便于操作、维护和修理；易于实现机械化、自动化；于操作、维护和修理；易于实现机械化、自动化；2)2)挤压机运动部件挤压机运动部件( (柱塞柱塞, ,挤压筒等挤压筒等) )磨损较严重磨损较严重. .3)3)占地面积大等占地面积大等. .v立式挤压机立式挤压机特点特点 有很深的地槽有很深的地槽, ,或基础高或基础高, ,吨位小：吨位小：6 610MN10MN，主要，主要生产中小规格的管材。生产中小规格的管材。 4.

20、3.1 挤压成型设备挤压成型设备卧式挤压机按卧式挤压机按挤压方法挤压方法分为：正向、反向和联合挤分为：正向、反向和联合挤压机压机卧式挤压机按卧式挤压机按结构结构分为：分为： 单动式单动式（不带独立穿孔，必须用空心的坯料）（不带独立穿孔，必须用空心的坯料）、 复动式挤压机复动式挤压机（带独立穿孔，可用空心的也可用实心坯料）（带独立穿孔，可用空心的也可用实心坯料）卧式挤压机按卧式挤压机按产品产品分为：棒型材、管材挤压机分为：棒型材、管材挤压机 挤压机一般由挤压机一般由机架、缸与柱塞、挤压工具机架、缸与柱塞、挤压工具等组成。等组成。 4.3.1 挤压成型设备挤压成型设备 挤压工具包括：挤压工具包括：

21、模子、挤压轴、挤压筒、模子、挤压轴、挤压筒、挤压垫、穿挤压垫、穿孔针、模支撑、模垫、支撑环、冲头、针座等孔针、模支撑、模垫、支撑环、冲头、针座等1.1.模子模子挤压模是使金属产生塑性变形并获得模孔形状尺寸的最重要挤压模是使金属产生塑性变形并获得模孔形状尺寸的最重要的工具。的工具。作用：作用：使金属产生塑性变形并获使金属产生塑性变形并获 得模孔形状和尺寸。得模孔形状和尺寸。基本类型：基本类型：平模和锥模平模和锥模 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具1)1)模角模角v模子轴线与其工作端面的夹角；模子轴线与其工作端面的夹角；v= 90= 90为为平模；平模；v从挤压力的角度，合理模角为从挤压力的角

22、度，合理模角为4545 60 60；v从保证产品质量的角度，合理模角为从保证产品质量的角度，合理模角为55557070v通常取通常取6060 65 65 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具2)2)定径带及定径带长度定径带及定径带长度h hd dv模子中用于保证制品的尺寸和表面质量的工作段称模子中用于保证制品的尺寸和表面质量的工作段称为定径带，又称工作带。为定径带，又称工作带。v定径带长度主要影响制品的表面质量和形状精度，定径带长度主要影响制品的表面质量和形状精度，通常根据材质和规格采用经验法选取。通常根据材质和规格采用经验法选取。v定径带长度过短定径带长度过短, ,模子易磨损模子易磨损, ,

23、制品产生压痕和椭圆制品产生压痕和椭圆. .v定径带长度过长定径带长度过长, ,易粘结金属易粘结金属, ,制品产生毛刺和麻面制品产生毛刺和麻面. . 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具3)3)定径带直径定径带直径d dd dv根据制品尺寸及偏差、模子裕量系数、模子的寿根据制品尺寸及偏差、模子裕量系数、模子的寿命确定定径带直径命确定定径带直径d dd d。4)4)出口直径出口直径d dc cv模子的出口段主要作用是导出制品。模子的出口段主要作用是导出制品。v出口直径不能过小，否则易划伤制品表面。出口直径不能过小，否则易划伤制品表面。v一般一般d dc c d dd d 取取3 35mm5mm，薄

24、壁管材取薄壁管材取10102020mmmm 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具2.2.挤压轴挤压轴v作用：将挤压力传递到金属体，使之产生塑性变形作用：将挤压力传递到金属体，使之产生塑性变形从模孔中流出。从模孔中流出。v挤压轴直径根据挤压轴的抗压强度和压弯稳定性进挤压轴直径根据挤压轴的抗压强度和压弯稳定性进行计算确定。行计算确定。v一般，卧式挤压机挤压轴比挤压筒内径小一般，卧式挤压机挤压轴比挤压筒内径小4 410mm10mm 立式挤压机挤压轴比挤压筒内径小立式挤压机挤压轴比挤压筒内径小2 23mm3mm。v卧式挤压机挤压轴工作长度等于挤压筒长度加卧式挤压机挤压轴工作长度等于挤压筒长度加5 5m

25、mmm余量。余量。 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具3.3.挤压筒挤压筒v作用：作用：使锭坯产生塑性变形，并向模孔流动。使锭坯产生塑性变形，并向模孔流动。v挤压筒内径根据制品的变形抗力、挤压比和挤压力挤压筒内径根据制品的变形抗力、挤压比和挤压力确定。确定。v挤压筒内径最大值应保证单位挤压压力不小于金属挤压筒内径最大值应保证单位挤压压力不小于金属的变形抗力；的变形抗力； 最小值应保证挤压轴的强度。最小值应保证挤压轴的强度。 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具v挤压筒挤压筒长度长度L Lt t （L +lL +l）+ t + s+ t + s L L锭坯的最大长度；锭坯的最大长度； l l长

26、度为锭坯穿孔时金属向后流动增加的；长度为锭坯穿孔时金属向后流动增加的； t t模子进入挤压筒的深度；模子进入挤压筒的深度； s s垫片厚度。垫片厚度。v挤压比：挤压比：挤压筒与模孔断面面积的比，挤压筒与模孔断面面积的比，F F0 0F F 通常挤压比为通常挤压比为6 6100100， 一次挤压的棒、型材一次挤压的棒、型材 10, 10, 锻造用毛坯锻造用毛坯 5 5， 二次挤压用毛坯二次挤压用毛坯 可不限。可不限。 4.3.2 挤压成型工具挤压成型工具q基本工艺流程基本工艺流程 坯料准备坯料准备加热加热挤压成型挤压成型精整精整检验检验入库入库 精整主要包括：热处理、矫直、剪切等。精整主要包括：

27、热处理、矫直、剪切等。 由于材质、坯料种类、制品品种以及挤压方式的不由于材质、坯料种类、制品品种以及挤压方式的不同，其工艺流程有所区别。同，其工艺流程有所区别。 例如例如 LY12LY12型材型材 P72P72 4.4 挤压成型工艺挤压成型工艺n锭坯尺寸：锭坯尺寸：405405900mm900mm 成品尺寸：成品尺寸：H H25mm25mm；B B18mm18mm S S1 12.5mm2.5mm；S S2 23.0mm3.0mm 由于锭坯外径大、成品尺寸小，故需进行二次挤压由于锭坯外径大、成品尺寸小，故需进行二次挤压 4.4 挤压成型工艺挤压成型工艺n其工艺流程为其工艺流程为： 坯料准备加热

28、挤压坯料准备加热挤压 （124mm124mm）剪切）剪切取样加热挤压取样加热挤压 淬火淬火 拉矫取样拉矫取样型辊矫直检验入库型辊矫直检验入库 加热加热400400420420，保温，保温60, 60, 筒温筒温420420，挤速，挤速1.5m/min1.5m/min 加热加热380380420420；筒温筒温380380400,400,挤速挤速2 23m/min3m/min； 水淬水淬 497497502.502. 4.4 挤压成型工艺挤压成型工艺q挤压工艺参数挤压工艺参数 坯料准备坯料准备包括坯料材质、种类、规格的选择和检包括坯料材质、种类、规格的选择和检查，表面处理和预先热处理（如预退火、均匀化退查，表面处理和预先热处理（如预退火、均匀化退火等）。火等）。 挤压速度挤压速度V V挤挤金属流出速度金属流出速度V V流流 VV挤挤 变形速度变形速度最大主变形与变形时