《特种塑性成型》课件-5. 静液挤压

1.1静液挤压的原理和特点铝镁钨目

录静液挤压的基本原理1静液挤压的主要特点2静液挤压利用高压介质对坯料施加载荷进而实现挤压成形的加工方法。图5.1静液挤压工艺原理示意图金属坯料不与挤压筒内壁直接接触，两者之间充入高压液体，挤压载荷通过高压介质传递到坯料上来实现成形过程。特点冲头剪切密封圈高压液体挤压筒坯料O形密封圈芯模制品一、静液挤压的基本原理图5.2静液挤压产品图较大的挤压比脆性材料：钨、钼、镁等热粘结材料:钽、钛、锆等加工：齿轮、键槽、复合材等各类产品一、静液挤压的基本原理优势1.坯料上静水压力值明显增大★防止坯料内部缩孔和裂纹缺陷的产生★提高材料的工艺塑性及流动均匀性2.冲头和坯料间形成流体润滑状态，摩擦会降至最低坯料和挤压筒间没有摩擦3.不会产生表面裂纹二、静液挤压的主要特点优势4.挤压载荷比普通正挤时降低了20%～40%,并可采用较大挤压比进行成形5.可用较长坯料进行加工成形6.摩擦力极小，模具磨损也较小，模具寿命显著提高，制品表面粗糙度低，尺寸精度较高。7.适于不同几何形状坯料的成形8.可实现高速挤压二、静液挤压的主要特点不足1.对模具及密封结构的材料要求极为严格2.对挤压前坯料的要求较高3.挤压过程相对繁杂、效率低、速度可控性差等4.挤压末期常需留有一定压余二、静液挤压的主要特点小结静液挤压的基本原理1静液挤压的特点2学生们树立积极的心态，加强知识的学习，提升自我、不断进步。静液挤压1.2静液挤压的原理和特点目

录静液挤压的分类1特殊材料静液挤压2图5.3静液挤压装置二维图1-成形模具；2-密封结构；3-挤压筒；4-高压介质；5-密封结构；6-压媒交换盘；7-挤压轴；8-坯料；9-模芯；10-支撑块；11-液压千斤顶；12-张力柱；13-紧定螺母；14-后梁；15-定梁；16-前梁；17-模芯底座导入案例图5.4静液挤压装置实物图导入案例挤压温度应用领域施载方式设备结构模具形式介质种类制品类型冷静液挤压挤压温度温静液挤压热静液挤压三、静液挤压的分类粘性液体静液挤压介质种类粘塑性体静液挤压三、静液挤压的分类活塞加压式静液挤压施载方式油泵加压式静液挤压三、静液挤压的分类单挤压筒静液挤压模具形式双挤压筒静液挤压三、静液挤压的分类单动型静液挤压设备结构双动型静液挤压三、静液挤压的分类棒材静液挤压制品类型管材静液挤压线材静液挤压异型材静液挤压三、静液挤压的分类普通静液挤压应用领域机械静液挤压拉拔静液挤压反压力静液挤压三、静液挤压的分类1.难成形材料静液挤压（1）镁合金静液挤压镁合金对挤压速度很敏感。普通挤压时挤压速度过快，由于模具表面摩擦应力增大，制品表面会出现麻点、裂纹等缺陷，同时增加了金属变形的不均匀性，理论上应以较低速度进行挤压成形。但对静液挤压工艺，工模具间在挤压过程中形成流体润滑状态，使摩擦应力大幅降低，因此，镁合金静液挤压可在较低的温度和较高的速度中进行，可同时保证加工的效率及制品的力学性能。四、特殊材料液态成形1.难成形材料静液挤压（2）钛合金静液挤压钛合金材料具有比强度高、耐腐蚀、耐热性强等优点，但由于这类合金热传导系数小、比热容低、化学活泼性强等特点，给机械加工带来了一点的困难，同时，在高温下挤压钛合金型材极易产生裂纹。1.难成形材料静液挤压（2）钛合金静液挤压钛合金材料具有比强度高、耐腐蚀、耐热性强等优点，但由于这类合金热传导系数小、比热容低、化学活泼性强等特点，给机械加工带来了一点的困难，同时，在高温下挤压钛合金型材极易产生裂纹。四、特殊材料液态成形1.难成形材料静液挤压（3）高温合金静液挤压高温合金具有优异的耐高温、耐腐蚀性能，但最大缺陷是塑性低，加工温度范围窄，塑性成形能力差。随着高温合金工作温度和强度的不断提高，合金的强化元素含量不断增加，成分越来越复杂，高温合金的加工难度也越来越高，利用静液挤压强烈的三向压应力作用，可以改善金属的变形能力，实现高温合金零件的直接静液挤压成形。四、特殊材料液态成形钨基高密度合金2.难熔合金静液挤压钨基高密度合金是一种以W为基体，同时加入少量Ni、Fe等元素组成的双相合金。钨合金的密度一般在16.0～18.8g/cm³,相当于钢密度的两倍以上。国防工业高密度高强度塑性好良好的导电性良好的导热性航天工业民用工业四、特殊材料液态成形3.粉末材料静液挤压在高的静水压力作用下对粉末材料进行大剪切变形，促进空隙的变形收缩，并使材料表面的氧化层破碎，是粉末材料实现致密化的有效手段。而静液挤压技术为粉末材料致密化提供了一种高效的途径。复合材料4.复合材料静液挤压作为难加工材料的有效辅助手段，即将难加工材料作为芯材，将高塑性材料作为包覆材料而构成复合材料，通过静液挤压技术使难加工材料获得较大塑性变形，后去除外层金属，进而获得变形后芯材的加工方法。四、特殊材料液态成形小结静液挤压的分类3特殊材料静液挤压4希望学生培养自主学习，拓宽视野，锻炼自己的实践能力和解决问题的能力。2.连续挤压1983年赴法进修,取得博士学位大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心名誉主任、教授、博士生导师。宋宝韫教授我国连续挤压技术的奠基人和开拓者研究及应用概况研究方向为连续挤压工程领域。铝材连续挤压铝连续包覆铜材连续挤压“一位人才的出现，带回了一项技术，打造了一个团队，造就了一个产业。”——大连交通大学校长葛继平宋宝韫教授我国连续挤压技术的奠基人和开拓者研究及应用概况目

录连续挤压的基本原理1连续挤压的主要特点2连续挤压技术1971年由英国格林提出并随后发展起来的一种先进挤压成形方法常规正挤压和反挤压中，变形是通过挤压轴和垫片将所需的挤压力直接作用于坯料上来实现的。传统挤压不可能实现无间断挤压成形中的摩擦作用导致产品组性能不均挤压筒长度有限需通过挤压轴和片直接对坯料施加挤压力来进行挤压连续挤压依靠变形金属与模具之间的摩擦力作为挤压力一、连续挤压的工艺原理连续挤压工艺原理示意图以杆料或颗粒料为坯料，坯料进入旋转的挤压轮与槽封块构成的型腔，坯料与型腔壁产生摩擦力，摩擦力的大小取决于接触压力、接触面积及摩擦系数。连续挤压在摩擦力的作用下，挡料块处产生足够大的压力，使金属发生塑性变形，挤出模孔，挤压过程将维持到坯料的长度小于临界咬合长度时为止。一、连续挤压的工艺原理设备的组成连续挤压工艺原理示意图连续挤压在原理上十分巧妙地利用了挤压轮凹槽壁与坯料之间的机械摩擦作用作为挤压力，只要挤压型腔的入口端能连续地喂入坯料，便可达到连续挤压出无限长制品的目的。一、连续挤压的工艺原理设备的组成1.带凹形沟槽的挤压轮由驱动轴带动旋转。设备的组成2.挤压靴是固定的，与挤压轮相接触的部分成为一个弓形的槽封块与挤压轮的包角一般为90°。作用：封闭挤压轮凹形沟槽。挤压筒的三面为旋转挤压轮的凹槽壁，第四面是固定的槽封块。一、连续挤压的工艺原理3.固定在挤压模腔出口端的堵头设备的组成作用：封闭挤压型腔出口端，迫使金属只能从挤压模孔流出设计原则：在挤压温度和正常的挤压间隙下，堵头的两侧面不与沟槽两侧面发生直接接触，堵头顶部不与沟槽底部发生直接接触，最大限度减少余量。一、连续挤压的工艺原理设备的组成4.挤压模或安装在腔体上实行切向挤压，或实行径向挤压。常规挤压30%以上的能量消耗克服挤压筒壁上的有害摩擦特点1.取消了加热和退火工序，节约能耗及设备投资2.无酸洗工序，无污染物排放，为环保绿色制造技术3.大幅度地减少了原材料损耗，材料利用率高4.制品性能好，尺寸精度高，表面粗糙度好二、连续挤压的特点常规挤压30%以上的能量消耗克服挤压筒壁上的有害摩擦特点7.设备紧凑，占地面积少，运行成本低8.工艺简单，一个模具直接成形，无须配模，更换方便9.原材料规格统一，备料简单5.产品长度不限，生产效率高6.设备自动化程度高二、连续挤压的特点连续挤压工艺被誉为“有色金属成形技术的重大突破”管材型材线材包覆材单轮单槽连续挤压机单轮双槽连续挤压机双轮单槽连续挤压机包覆材单轮单槽连续挤压机小结连续挤压的基本原理1连续挤压的主要特点2我国连续挤压技术的奠基人和开拓者——宋宝韫教授3.积极摩擦挤压目

录摩擦的作用方式1金属流动行为2模具结构形式摩擦影响变形过程中金属流动行为的重要边界条件润滑摩擦作用方式与金属流动行为的关系（a）阻碍作用（b）积极作用摩擦力的大小及方向对成形过程中金属的变形流动行为均有较大影响。一、摩擦的作用方式摩擦作用方式与金属流动行为的关系（a）阻碍作用（b）积极作用在冲头的作用下金属逐渐向型腔内充填流动，凹模静止不动，其受模腔侧壁摩擦力的作用方向与金属的充填流动方向相反。阻碍作用引起模腔内金属流动行为沿径向的不均匀分布轴心处金属的流速较快靠近模腔侧壁处材料的流速较慢一、摩擦的作用方式有效平衡模口处摩擦力的阻碍作用型腔中模壁处金属流速提高摩擦作用方式与金属流动行为的关系（a）阻碍作用（b）积极作用通过改变成形过程中摩擦力的作用方向，减小或消除摩擦阻力的影响。在变形过程进行的同时对模具施加与加载方向相同的运动提高充填时金属变形流动的均匀性一、摩擦的作用方式金属变形流动不均匀的趋势显著加剧两处金属流速的差异增加润滑条件较差摩擦作用方式与金属流动行为的关系（a）阻碍作用（b）积极作用成形过程中坯料的形状尽管会发生显著改变，但仍为一连续整体。一、摩擦的作用方式成形过程中摩擦对金属的变形流动有显著影响对金属充填型腔的能力及效果起决定性的作用压下量为20mm时不同摩擦条件下坯料断面上的网格变形的分布（a）无润滑（b）有润滑（c）积极摩擦成形过程中该处金属较难于发生变形流动无润滑成形过程中靠近模腔底角部金属由于受摩擦条件的影响，此处网格几乎不发生变化。压下量为20mm时不同摩擦条件下坯料断面上的网格变形的分布二、金属流动行为（a）无润滑（b）有润滑（c）积极摩擦压下量为20mm时不同摩擦条件下坯料断面上的网格变形的分布径向流线分布情况模壁与轴心处金属变形流动的差异较大侧壁摩擦阻力该处金属的变形流动明显滞后于轴心部位二、金属流动行为（a）无润滑（b）有润滑（c）积极摩擦压下量为20mm时不同摩擦条件下坯料断面上的网格变形的分布使用润滑剂后，模腔底角部难变形区的范围显著缩小。径向流线的分布对比模壁与轴心处金属的流速差异明显降低二、金属流动行为（a）无润滑（b）有润滑（c）积极摩擦压下量为20mm时不同摩擦条件下坯料断面上的网格变形的分布采用积极摩擦成形变形金属较易向型腔模口内均匀地充填流动显著降低了产生流动缺陷的可能性二、金属流动行为轴向相对移量对比不同变形过程中四个断面上各点的轴向相对位移量几乎都是沿着轴线呈对称分布。随着离轴心距离的减小，其绝对值逐渐增大充填过程中轴心处金属的变形流速最快二、金属流动行为轴向相对移量对比无润滑剂成形时因受凹模侧壁摩擦阻力的影响较大对比不同轴向相对位移量的数值分布不同断面上各点的轴向相对位移量的差别较大二、金属流动行为轴向相对移量对比无润滑剂成形时A—A断面上轴心处点的相对位移量：24.92mmA’—A’断面上轴心处点的相对位移量：17.76mmA”—A”断面上轴心处点的相对位移量：7.98mm采用润滑剂成形时采用积极摩擦成形时二、金属流动行为轴向相对移量对比积极摩擦成形可使成形过程中塑性区内金属变形流动的均匀性明显增大，更利于提高锻件的品质质量二、金属流动行为小结摩擦的作用方式1金属流动行为2积极摩擦挤压4.侧向挤压目

录侧向挤压的工艺原理1侧向挤压工艺的特点2等径角挤压（ECAP)3侧向挤压侧向挤压工艺原理图（b）S形侧挤（a）正向侧挤变形坯料沿着某一方向被挤出，这个方向是与挤压成形方向不同也不相反的一种挤压方法。径向挤压变形坯料沿着径向朝四周方向被挤出侧向挤压变形坯料沿着某单一方向被挤出一、侧向挤压的工艺原理1.挤压模与锭坯轴线成一定角度，金属流动的形式将使制品纵向力学性能差异减小2.制品强度高3.模具应有较高的强度及刚度二、侧向挤压工艺的特点电缆包铅套侧向挤压的应用铝套挤压模内有两个断面相等，以一定角度相交的通道，试样在冲头的压力作用下挤压成形。可制备出大块体超细晶或纳米晶金属材料等通道转角挤压(ECAP)工艺材料科学领域中的一个研究热点。目前细化常规晶粒尺寸至亚微米级甚至纳米级晶粒尺寸最具有工业化应用前景的技术之一。基本工艺原理三、等径角挤压(ECAP)基本工艺原理当经过两通道的转角处，试样产生局部大剪切塑性变形，然后从另一通道挤出。由于材料的横断面形状和面积不改变，故多次反复挤压可使各次变形的应变量累积叠加，从而得到相当大的总应变量。对塑性变形能力较差的镁合金有明显的细化效果ECAP技术具有很强的晶粒细化能力，但道次之间变形不连续导致效率低，很难用于工业化旋转ECAP连续ECPA多道次ECAP三、等径角挤压(ECAP)对塑性变形能力较差的镁合金有明显的细化效果ECAP技术具有很强的晶粒细化能力，但道次之间变形不连续导致效率低，很难用于工业化旋转ECAP只需转动模具就可实现连续变形试样体积较小三、等径角挤压(ECAP)小结侧向挤压的工艺原理1侧向挤压工艺的特点2等径角挤压（ECAP)35.半固态挤压国外研究状况在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。半固态加工技术采用非枝晶半固态浆料打破传统的枝晶凝固模式金属半固态成形研究状况国外研究状况

20世纪80年代后期以来，半固态加工技术已得到了各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种技术开展了许多工艺实验和一些理论研究。半固态加工技术有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工钢铁材料等高熔点黑色金属材料半固态加工金属半固态成形研究状况国内研究状况20世纪70年代后期陆续开展了半固态金属成形技术的研究，但这些尝试大都利用机械搅拌法进行流变铸造或触变铸法研究。成形过程的计算机模拟铝合金、镁合金的半固态金属加工技术半固态合金的流变和触变行为金属半固态成形研究状况目

录半固态挤压的工艺原理1半固态挤压的特点2半固态挤压利用加热炉将金属坯料加热到半固态，放入挤压模腔后施加压力，通过凹模口挤出所需形状和性能的制品。半固态挤压工艺原理图半固态浆料在挤压模腔内处于密闭状态，流动变形的自由度低，内部的固、液相成分不易单独流动。挤压开始时部分液相先行流出正常挤压时固液相一起流出稳定、均一的制品一、半固态挤压的工艺原理半固态挤压工艺原理图工作温度处于固液两相区所需温度降低力学性能和内部组织良好的挤压产品浆料在挤压成形过程中由于液相的存在，流动应力小，使合金形变抗力明显降低，减小了挤压抗力。适宜的工艺条件由于成形件通过挤压作用，经受较大的塑性变形，组织性能得到明显的提高，因而备受瞩目。一、半固态挤压的工艺原理半固态挤压工艺适用于变形合金，也适用于铸造合金以至于脆性合金半固态挤压研究得较多的是铝合金棒、线、管、型材的加工通常半固态挤压成形件可进行T4、T5、T6或T7等多种热处理工艺成形件的内部组织及力学性能均匀，成形工艺容易操作具有广阔的应用前景二、半固态挤压的特点小结半固态挤压的工艺原理1半固态挤压的特点26.其他挤压目录带内锥冲头挤压1剪切挤压2弯曲型材挤压3变断面型材挤压4固态连接挤压5固相再生挤压6其他挤压成形技术（一）冲头结构设计冲头结构形式对成形过程中模腔内金属的变形流动行为有着显著影响，采用一种带内锥结构的冲头，对金属的挤出流动行为具有重要作用。冲头结构示意图

α——锥底角

D——冲头直径

L——锥底直径=0.2Dα值决定了冲头内锥结构的大小，当α=0时相当于平模类挤压过程一、带内锥冲头挤压（一）冲头结构设计采用带内锥结构冲头在成形过程的初始阶段，使金属增加了一个向上充填的过程改变轴心处金属的变形流动状况对金属充填型腔的能力有着重要作用一、带内锥冲头挤压（二）金属流动行为冲头压下量为20mm时坯料断面的网格变形对比模腔底角部区域的金属由于受侧壁和底角部摩擦的影响，该区内金属的变形和流动都很不均匀，部分金属的流线在接近模底时产生明显弯曲、甚至剪裂。平底冲头挤压被剪断的流线部分汇入充填型腔的金属形成折叠部分逐渐留在模底形成死区越靠近模腔侧壁和底部时金属的变形流动越困难一、带内锥冲头挤压（二）金属流动行为冲头压下量为20mm时坯料断面的网格变形对比坯料断面上的网格分布变得相对均匀。带内锥冲头挤压于平底冲头挤压相比靠近侧壁处金属的流线也有向模口弯曲的变形流动趋势靠近模腔底角部相对难变形的区域，范围显著缩小改变冲头结构后模腔内塑性区的范围明显扩大一、带内锥冲头挤压剪切挤压杯-杆复合挤压的一个特殊区域，也即以精冲方式进行杯-杆复合挤压情况的推广。“剪切挤压”发生的几何条件1.必须满足凸模直径不大于枝杈直径条件2.坯料高径比和凸模与坯料直径比的适当关系，通过改变工艺孔深度的大小来实现剪切挤压与侧向挤压的载荷对比二、剪切挤压传统弯曲型材的加工通过先挤压后弯曲的方式获得缺点工序繁琐挤出型材的曲率及表面质量难以得到保证提出弯曲管材挤压成形的新方法基于管材的挤压矫直原理芯模坯料芯轴冲头带侧力矩的弯曲材挤压成形原理图利用模口部位施加一个力矩而形成不同的摩擦力，使挤出的管材产生