挤压的基本原理

第二章挤压的基本原理本章内容：挤压基本原理挤压变形的应力应变挤压变形的附加应力与残余应力挤压对金属组织和性能的影响一、挤压变形四阶段无论零件形状如何，挤压时金属流动可分以下四阶段：充满型腔阶段施加压力后，金属径向流动而充满模具型腔开始挤压阶段凹模入口处的金属开始进入模孔，变形区域迅速扩大。稳定挤压阶段毛坯高度降低，变形区高度稳定不变挤压完毕阶段

顶出制件二、实心件正挤压的变形过程毛坯自由放入凹模型腔内,整个挤压变形过程如图1-1所示：图1正挤压变形过程（a）充满模腔（b）挤压开始（c）挤压过程（d）挤压终了1-凸模2-毛坯3-凹模初始状态，毛坯与模壁间隙0.05－0.10mm施加压力后，金属径向流动而充满型腔凹模入口处的金属开始进入模孔，变形区域逐渐扩大，开始挤压毛坯高度S降低，变形区高度稳定不变，进入稳定阶段毛坯高度S不小于变形区高度，挤压完毕变形不均匀挤出端部变形不大横向坐标线间距逐渐增加图2正挤压实心件时坐标网的变化A-未变形区B-剧烈变形区C-已变形区D-死角区ABC纵向坐标线发生扭曲正方形网格变成了平行四边形网格存在死区挤压过程中金属很难变形或停留不动的区域，称为死区。

摩擦力越大、凹模锥角越大则死区越大。

正挤压时坯料大致分为：变形区B、不变形区（又分为待变形区A、已变形区C）和死角区D。变形区的应力状态是三向受压。其变形是两向收缩、一向伸长的应变状态。正挤压应力应变:区域1是直接受压缩区区域2是间接受压缩区，受到区域1压力作用三、杯形件反挤压变形过程反挤压应力应变3、复合挤压变形分析：四、影响挤压金属流动的因素挤压时，影响金属流动的主要因素有

金属材料性质、变形条件、变形速度与变形温度。1.金属材料的影响（内因）金属成分的差异、金属组织结构不同，都将影响金属的塑性变形和变形抗力：不同成分、不同种类的金属力学性能不同，塑性和强度不同；不同成分、不同组织结构的金属与模具材料的摩擦系数不同；合金元素的存在，可导致晶粒的细化、晶格扭曲、固容体的形成，影响塑性变形2.变形条件的影响1）摩擦力的的影响：摩擦力对金属流动有显著的影响。摩擦系数很小，变形区集中在凹模出口附近，金属流动比较均匀，死角区也比较小摩擦系数较大，变形区可以扩大到整个体积，金属流动不均匀，外层金属滞后于中心层金属，死角区的高度增加摩擦系数很大，金属的流动很不一致，坐标网格有强烈的扭曲，死角区的高度显著增加另外：外摩擦的作用，使工件产生残余应力，降低工件质量；增加变形阻力和能耗；增加模具负载，缩短模具寿命。总体说，摩擦力对挤压不利，应保证毛坯与模具之间充分且均匀的润滑，但局部而言是有利的：反挤细长杯形件时，在凸模端面刻出“十”字槽，以防凸模失稳。2）模具形状的影响

模具形状决定变形区的形式和大小；正挤压时，凹模入模角的大小直接影响金属流动的均匀性。如图:入模角一般采用30°，60°，90°，120°，150°。

180°润滑不好：缩孔3.变形速度的影响：当变形速度很高，热效应显著，毛坯温度升高，抗力降低，塑性增加，变形不均匀程度减少。4.变形温度的影响

一般而言，温度升高，金属塑性提高5.应力状态的影响主应力中，压应力数越多，数值越大，则塑性越好；反之，塑性越差。

“三向压应力状态”能提高塑性的原因：1)减少晶格间变形，从而防止晶格间变形引起的晶界破坏；2)减少或弥合内部缺陷（缩孔、缩松、气孔）3)降低夹杂物引起的危害（应力集中引起的致裂）4)减少或抵消附加拉应力，避免翘曲或开裂。

五、挤压变形程度的表示方法

变形程度：是表示挤压时金属塑性变形量大小的指标，其最常用的表示方法有两种：

截面收缩率和挤压面积比。截面收缩率式中：——冷挤压的截面收缩率，

F0——

冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2

F1——

冷挤压变形后工件的横截面积，mm2（2）挤压面积比式中G——挤压面积比；

F0

——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2

F1

——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2与G之间存在如下关系：计算例1：一实体毛坯直径为20mm,挤压后零件的直径为15mm，试计算其断面收缩率，并判断可否一次挤压成型。例2：一实心毛坯其直径是30mm，反挤压后零件的内径是28mm，试计算其断面收缩率，并判断可否一次挤压成型。六、挤压变形的附加应力

与残余应力附加应力：在塑性变形过程中,变形金属内部除了存在着与外力相应的基本应力以外，还由于物体内各层的不均匀变形受到变形体整体性的限制,而引起变形金属内部各部分自相平衡的应力,称为附加应力。附加应力产生的原因：变形金属与模具之间存在着摩擦力，由此引起内外层金属流动不均匀，从而产生附加应力。(2)各部分金属流动阻力不一致例如反挤杯形件时,由于模具对中不好,会造成凸、凹模之间间隙不均匀。间隙大的阻力较小,间隙小的阻力较大,这就会引起金属流动不均匀,从而产生附加应力。(3)变形金属的组织结构不均匀变形金属的组织结构往往是不均匀的,例如晶粒有大有小,方位也不相同,从而引起不均匀变形,会导致附加应力的产生。

(4)模具工作部分的形状与尺寸不合理例如在正挤压时，如果凹模工作带高度尺寸不一致,那么在工作带较高的一边的金属流动速度将慢于较矮的一边。这样,挤压件便产生弯曲,因此在挤压件内部将产生相互牵制的附加应力。

残余应力残余应力：引起塑性体变形的作用力取消以后,随之消失的仅是基本应力。附加应力不是由外力引起的,而是为了自身得到平衡引起的。因此,当外力取消以后,附加应力并不消失而残留在变形体内部,称为残余应力。附加应力和残余应力的危害性

(1)缩短挤压件的使用寿命若使具有残余应力的挤压件承受载荷,则其内部作用的应力为外力引起的基本应力与残余应力之和,因此易于产生变形或开裂,从而缩短使用寿命。(2)引起挤压件尺寸及形状的变化在挤压件内部作用着相互平衡的残余应力,表明各部分存在符号不同的弹性变形和晶格畸变。当残余应力消失或平衡受到破坏后,相应的物体各部分的弹性变形也发生了变化,从而引起物体尺寸或形状的改变。

(3)降低金属的耐蚀性当挤压件表层具有残余应力时,会降低其耐蚀性。此外,残余应力还会使金属的塑性、冲击韧性及疲劳强度等降低。

防止和消除附加应力和残余应力的方法：(1)减少摩擦阻力的影响(2)合理设计模具工作部分的结构和尺寸以保证挤压件的变形与应力分布较为均（3)尽可能采用组织均匀的金属变形挤压前对坯料进行均匀化处理,使其尽可能在晶粒大小均匀的状态下变形,以减小附加应力。(4)挤压后采用有效的热处理方法以消除残余应力第一种残余应力用低温回火方法就可大为减小；第二种残余应力采用将挤压件加热到稍低于再结晶温度下可以完全消除；第三种残余应力,只有经过再结晶才能消除。

七、挤压对金属组织和性能的影响组织变化：经挤压，晶粒由等轴状被沿挤压方向拉长，形成纤维组织。变形后，缩孔、缩松被压合，使材料的组织结构更加致密。变形前变形后性能变化1.机械性能变化显著

组织决定性能，组织的变化必然引起机械性能的改变：强度硬度提高；塑性韧性下降；2.出现“各向异性”沿纤维方向，材料的强度硬度明显较高；垂直方向，塑性韧性较好。当入模角为180°时，变形区及变形的不均匀程度都将达