塑性成型工艺（09挤压与拉拔）09

null 塑性成型工艺（挤压与拉拔） 塑性成型工艺（挤压与拉拔） 教材：金属塑性加工学 — 挤压、拉拔与管材冷轧 授课班级：09材控本 授课教师：张 红 云null1 挤压概述 主要内容：挤压的基本概念；优缺点及适用范围；挤压基本方法及特点；挤压技术的发展。 重点：挤压的基本方法及特点。 重要概念：正向挤压、反向挤压 目的和要求：清楚挤压的概念、优缺点；挤压技术的发展和中国挤压工业的发展；掌握正挤压、反挤压的概念、特征。 null1.1 挤压的优缺点及适用范围 1.1.1 挤压的定义 所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性成型方法。其基本原理如图1-1。 null 图1-1 挤压的基本原理示意图 nullnull1.1.2挤压生产的优缺点 优点： （1）具有最强烈的三向压应力状态； （2）生产范围广，产品规格、品种多； （3）生产灵活性大，适合小批量生产； （4）产品尺寸精度高，表面质量好； （5）设备投资少，厂房面积小； （6）易实现自动化生产。null缺点： （1）几何废料损失大； （2）金属流动不均匀； （3）挤压速度低，辅助时间长； （4）工具损耗大，成本高。 1.1.3挤压生产的适用范围 （1）品种规格繁多，批量小； （2）复杂断面，超薄、超厚、超不对称; （3）低塑性、脆性。null1.2挤压的基本方法及特点 挤压的方法可按照不同的特征进行分类，有几十种（见表1-1）。 最常见的有6种方法：正向挤压、反向挤压、侧向挤压、连续挤压、玻璃润滑挤压和静液挤压（见图1-2）。 最基本的方法仍然是正向挤压（简称正挤压）和反向挤压（简称反挤压）。null表1-1 挤压方法分类nullnull 图1-2 工业上常用的挤压方法null1.2.1正向挤压法 定义：金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同的挤压生产方法。 特征：变形金属与挤压筒壁之间有相对运动，二者之间有很大的滑动摩擦。引起挤压力增大；使金属变形流动不均匀，导致组织性能不均匀；限制了挤压速度提高；加速工模具的磨损。null1.2.2反向挤压法 定义：金属的流动方向与挤压杆（或模子轴）的相对运动方向相反的挤压生产方法。 特征：变形金属与挤压筒壁之间无相对运动，二者之间无外摩擦。 特点：挤压力小；金属变形流动均匀；挤压速度快。但制品表面较正挤压差；外接圆尺寸较小；设备造价较高；辅助时间较长。null1.3挤压技术发展进步 自1797年英国的布朗曼发明了挤压铅管设备以来，挤压技术得到了迅速发展，主要表现在以下几方面： （1）挤压机的台数和能力不断增加。目前，全球挤压机总台数约6000多台，中国约3000台；最大吨位的挤压机是360MN水压机，最大吨位的油压机是150MN挤压机。null（2）自动化程度不断提高。挤压机的控制已完全摆脱了人工操纵分配器的繁重劳动，实现了自动控制。 （3）强化挤压生产过程，新的挤压技术不断出现。如：等温挤压、等速挤压、静液挤压、连续挤压、有效摩擦挤压、半熔融挤压、无压余挤压、多坯料挤压等等。 null（4）品种、规格不断扩大。仅铝型材的品种大约有50000种；制品的断面外接圆直径最小有如火柴棒大小，最大可达到1000mm；型材的最小壁厚可达到0.3~0.5mm。 （5）理论研究有突破性进展。目前，常用于金属挤压的理论方法主要有工程近似法、滑移线法、上限法、变分法、有限元法、模拟试验法等。 null 主要参考资料 1.谢建新,刘静安.金属挤压的理论与技术.北京:冶金工业出版社,2001 2.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册（修订版）.长沙:中南大学出版社,2002 3.温景林.金属挤压与拉拔工艺学.沈阳:东北大学出版社,2003 4.魏军.有色金属挤压车间机械设备.北京:冶金工业出版社,1988null2 .挤压时金属的变形流动 主要内容：金属变形流动及挤压力的变化特征；正、反向挤压时金属的变形流动特点，挤压制品的组织特点，挤压力的变化规律；影响金属流动的因素。 难点：挤压时的应力与变形分析，挤压缩尾的产生机理，反向挤压时的挤压力变化分析，反向挤压时的缩尾、纺锤体核组织、粗晶芯与粗晶环 。null重要概念：填充系数，挤压比，难变形区，死区，挤压缩尾，纺锤体核组织，粗晶芯，变形区压缩锥。 目的和要求：掌握挤压过程三个阶段的含义、挤压力的变化规律；填充系数的意义及其对制品质量的影响；挤压时金属的变形流动特点；挤压缩尾的概念及产生原因。null2.1正向挤压时金属的变形流动 根据金属变形流动特征和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为 开始(填充) 、基本（平流）和终了（紊流）挤压三个阶段（见图2-1）。 图2-1正、反向挤压力-行程曲线 null2.1.1填充挤压阶段金属的变形流动 2.1.1.1金属变形流动特点 金属发生横向流动，出现单鼓或双鼓变形（见图2-2）。其变形指数——用填充系数λc 来表示： λc =F0 / Fp （2-1） 2.1.1.2挤压力的变化规律 随着挤压杆的向前移动，挤压力呈直线上升。null 图2-2 填充挤压时金属的变形null2.1.1.3金属受力分析（见图2-3） 图2-3 填充挤压阶段锭坯的受力状态 null 随着填充过程中锭坯直径增大，在锭坯的表面层出现了阻碍其自由增大的周向附加拉应力。 随着填充过程进行，锭坯长度缩短，直径增大，中间部分首先与挤压筒壁接触，由于摩擦作用，从而在表面层出现了阻碍金属向前后两个空间流动的纵向附加拉应力。null2.1.1.4对挤压制品质量的影响 （1）填充系数过大，从而易造成制品表面起皮、气泡缺陷。 （2）填充系数过大，用空心锭不穿孔挤压管材时易造成偏心缺陷。 （3）对于具有挤压效应的铝合金来说，填充系数增大，挤压效应损失增大。 null2.1.2 基本挤压阶段金属的变形与应力 2.1.2.1金属变形流动特点 不发生横向流动。其变形指数——用挤压比λ来表示： λ = F0 / F1 （2-2） 2.1.2.2 应力分布（见图2-4） （1）轴向应力σL σL 边 > σL中 σL入 > σL出null 图2-4作用在金属上的力、应力null （2）径向应力σr与周向应力σθ σr中> σr边 σr入> σr出 σθ中>σθ边 σθ入> σθ出 2.1.2.3金属的变形及流动——用坐标网格法分析（见图2-5） A、纵向网格线的变化 （1）变形前后均保持平行直线，间距仍相等。null 图2-5﹡正挤压圆棒材金属流动示意图 null （2）每条线（除中间一条外）发生了两次方向相反的弯曲。各条线的弯曲角度不同，外大内小。 （3）在挤压制品的最前端，除了中间一条外，其它线分别向外弯曲。 挤压变形区：分别连接各条线的两个拐点，形成两个曲面。把这两个曲面与模孔锥面或死区界面间包围的体积称为挤压变形区或变形区压缩锥（见图2-5中虚线）。null B、横向网格线变化 （1）靠近挤压垫一方部分横向线未变化； （2）进入变形区后横向线向前发生弯曲，越靠近模孔，弯曲越大，出模孔后不再发生变化； （3）出模孔后的横向线的弯曲程度由前向后逐渐趋于稳定； （4）横向线距离不等，前小后大，最后趋于稳定。null C、坐标网格的变化 （1）变形前为正方形，变形后横向压缩、纵向拉长为矩形或平行四边形； （2）挤压制品中心部位近似矩形，边部为平行四边形； （3）越靠近边部，平行四边形的短边与原横向线之间的夹角越大。null2.1.2.4难变形区与剧烈变形区 挤压过程中的难变形区如图2-6所示。 图2-6 挤压筒内的金属难变形区 a-平模挤压；b-锥模挤压null A、前端难变形区——死区 （1）死区概念：在基本挤压阶段，位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。 死区的的大小和形状并非绝对不变化，如图2-7所示，挤压过程中，死区界面上的金属随流动区金属会逐层流出模孔而形成制品表面，死区界面外移，高度减小，体积变小。null 图2-7挤压6A02合金的死区变化示意图 Ⅰ-初期；Ⅱ、Ⅲ-中期；Ⅳ-末期 null （2）死区产生原因： a、强烈的三向压应力状态，金属不容易达到屈服条件； b、受工具冷却，σs增大； c、摩擦阻力大。 从能量学角度来看，金属沿着图2-6中adc曲面流动所消耗的能量较小。 （3）影响死区大小的因素： a、模角α 模角大，死区大； b、摩擦系数f 摩擦系数大，死区大；null c、挤压比λ 挤压比大，死区高度大，但总体积减小； d、挤压温度 热挤压死区大，冷挤压死区小； e、挤压速度v 挤压速度快，死区小； f、金属的变形抗力σs 金属变形抗力大，死区大； g、 模孔位置 在多孔模挤压时，模孔靠近挤压筒内壁，死区减小。null（4）死区的作用： 可阻碍锭坯表面的杂质、氧化物、偏析瘤、灰尘及表面缺陷进入变形区压缩锥而流入制品表面，提高制品表面质量。 B 、后端难变形区 产生原因：挤压垫的冷却和摩擦作用。null C、剧烈变形区 如图2-8所示，在变形区压缩锥与死区的交界处，发生强烈的剪切变形，使晶粒破碎非常严重。 这一部分金属流出模孔后位于制品的表面层，造成制品内外层晶粒大小不同，外层细小，内层粗大，从而造成机械性能不均匀。在热处理后易形成粗晶环。null 图2-8 一次挤压棒材金属流动情况null2.1.2.5挤压力的变化规律 随着挤压杆向前移动，金属不断从模孔中流出，挤压力几乎呈直线下降。 2.1.3终了挤压阶段金属的变形流动 如图2-9所示，当挤压垫开始进入变形区，与挤压垫接触的后端难变形区金属，克服垫片的摩擦作用， 挤压力升高。产生径向流动；位于死区部位的金属也发生环流，进入模孔流向制品中。 null 图2-9 挤压垫进入变形区示意图null 终了挤压阶段特点： （1）金属的横向流动剧烈增加，并产生环流； （2）挤压力增加； （3）产生挤压缩尾。 挤压缩尾：挤压快要结束时，由于金属的径向流动及环流，锭坯表面的氧化物、润滑剂及污物、气泡、偏析榴、裂纹等缺陷进入制品内部，具有一定规律的破坏制品组织连续性、致密性的缺陷。null2.1.3.1挤压缩尾的形式 三种：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾。 （1）中心缩尾 图2-10 正向挤压棒材中心缩尾null （2）环形缩尾 图2-11 正向挤压制品的环形缩尾null （3）皮下缩尾 图2-12 正向挤压制品皮下缩尾null2.1.3.2挤压缩尾的形成 图2-13 挤压缩尾形成过程示意图 a-中心缩尾；b-环形缩尾；c-皮下缩尾 null A、中心缩尾 （1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状态，径向流动速度增加。 （2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的中心部位。 （3）进入制品内部，形成中心缩尾。 随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。null B、环形缩尾 （1）随着挤压过程进行，堆积在挤压垫与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和污物的金属会越来越多。 （2）挤压末期，当中间金属供应不足，边部金属开始发生径向流动时，这部分金属将沿着后端难变形区的边界进入锭坯的中间部位。 （3）流入制品中，形成环形缩尾。 挤压厚壁管材时，将形成内成层。null C、皮下缩尾 （1）死区与塑性流动区界面因剧烈滑移使金属受到很大剪切变形而断裂。 （2）表面层带有氧化物、各种表面缺陷及污物的金属，会沿着断裂面流出。 （3）与此同时，死区金属也逐渐流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩尾（外成层）或起皮。null2.1.3.3减少挤压缩尾的 （1）对锭坯表面进行机械加工——车皮。 （2）采用热剥皮挤压，如图2-14。 图2-14 挤压生产线上热剥皮示意图null （3）采用脱皮挤压，如图2-15。 图2-15 铜合金脱皮挤压示意图 a-挤压；b-清除脱皮null （4）进行不完全挤压——留压余。 （5）保持挤压垫工作面的清洁，减少锭坯尾部径向流动的可能性。 2.2反向挤压时金属的变形流动 2.2.1坐标网格线的变化 反向挤压时的坐标网格线的变化如图2-16所示。null 图2-16 反向挤压的坐标网格变化null （ 1）横向网格线 变形区中网格线与挤压筒壁基本垂直，直至模孔时才发生剧烈弯曲。 （2）纵向网格线 进入变形区时的弯曲程度比正向挤压大得多。null 2.2.2变形区及死区 （1）死区 死区很小，紧靠模子端面。死区的高度约为挤压筒直径的1/8~1/4。 （2）变形区 变形区紧靠模面，集中在模孔附近。变形区的高度与摩擦系数及挤压温度有关，一般小于挤压筒直径的1/3。null2.2.3金属流动 反向挤压时，金属的变形仅集中在模孔附近，在挤压筒内不存在锭坯内外层的流速差别，金属的变形要比正向挤压均匀得多。在挤压末期一般也不会产生金属环流现象。 图2-17是正、反向挤压棒材轴向主延伸变形的实测结果。图中a是压出长度为棒材直径的1倍，b是2倍，c是5倍。 null 图2-17正、反向挤压棒材轴向延伸比较null （1）开始挤压时，模孔附近坯料中心部位变形量为5.582，是正挤压的三倍以上。 （2）随着被挤出棒材长度从1d棒—2 d棒——5 d棒，正挤压中心部位的主延伸变形程度变化为1.767—3.904—6.32，反挤压的为5.582—7.608—8.638。 （3）边部与中心部的主延伸变形之比，正挤压为1.09/1.767—4.028/3.906—20.44/6.32；反挤压为1.005/5.582—1.648/7.608—15.55/8.638。null2.2.4反向挤压时挤压力的变化 通常认为，反挤压时，由于锭坯与挤压筒之间无摩擦，挤压力大小与锭坯长度无关，在挤压过程中挤压力不变化。 近年来研究发现，反挤压棒材时，随着挤压过程的进行挤压力是逐渐增加的，特别是在挤压后期，增加的较明显（见图2-18）。null 图2-18 正反向挤压棒材的挤压力变化 1-正挤压；2-反挤压null 主要原因： （1）挤压力大小与锭坯长度无关； （2）主延伸变形随着压出制品长度的增加而增大，而挤压力与主延伸变形量大小成正比； （3）在连续、强烈的三向压应力作用下筒内锭坯密度增大，变形抗力提高； （4）温升小，软化作用小，加工硬化作用明显； （5）温降的影响。null 反挤压管材时，在开始阶段，挤压力呈下降趋势，随着挤压过程进行，逐渐趋于稳定（见图2-19）。 主要原因：在内部有穿孔针的摩擦作用。随着筒内铸锭长度缩短，摩擦力逐渐减小。当摩擦力减小使挤压力下降与上述因素使挤压力升高的作用接近时，挤压力将趋于稳定。 null 图2-19 正反向挤压管材的挤压力变化 1-正挤压；2-反挤压null2.2.5反向挤压制品的表面质量 反挤压时死区体积较小且比较容易参与流动，使得锭坯表面层带有氧化物、脏物等的金属易流入制品表面或表皮之下，形成起皮、气泡等缺陷。 图2-20 反挤压锭坯表层流入制品示意图null 2.2.6挤压缩尾 反挤压时,金属的变形集中在模孔附近,并不波及整个锭坯，变形区是恒定的且随着挤压的进行由锭坯的前端逐渐向后端推移，前端的金属流出模孔，滞后的金属却没有发生挤压变形。 这种流动特征，不可能将边部带有脏物及缺陷的金属带进制品中，也就不会形成环形缩尾。故反挤压只有中心缩尾和皮下缩尾。null （1）中心缩尾 当挤压过程即将终了时，挤压筒内可供流出的金属严重不足，越来越难于充满制品的中心部位，便形成了漏斗状的中空缩尾（见图2-21）。 （2）皮下缩尾 在反向挤压过程中，即使在稳定的挤压阶段也有可能形成明显的皮下缩尾。null 图2-21 反挤压棒材的中心缩尾null2.2.7纺锤体核组织 单孔反向挤压棒材，在切尾约300mm的缩尾处，有沿纵向分布的类似“纺锤体”的核组织，如图2-22所示。 图2-22 反挤压棒材尾端的纺锤体核组织null （1）纺锤形核组织形成机制： 反挤压后期开始形成漏斗状缩尾时，正对模孔中心并紧靠堵头的金属基本未产生变形而被边部流动金属夹持到制品中心。随后周围金属进入不足便形成漏斗状中空缩尾。 （2）组织结构：主要由残留的铸造组织和加工组织组成。 null （3）纺锤形核组织特征： 纺锤体核组织在棒材纵向中心剖面上的形状不一，有核桃形、枣核形等。 下图是2A50合金Φ120mm棒材1/8个纺锤体核立体低倍组织。null 图2-23 1/8个纺锤体核的立体形态null2.2.8粗晶环与粗晶芯 反挤压棒材横截面边缘只有较轻微的粗晶环，深度较正向挤压的浅得多，晶粒尺寸也小得多。 以2A50合金Φ120 mm正、反向挤压棒材为例，正挤压粗晶环深度达26mm，晶粒为7.5级；反挤压的深度不大于15mm，晶粒仅为3级。如图2-24所示。null a b 图2-24 正反向挤压棒材的粗晶环 a-正挤压；b-反挤压null 反挤压棒材纵向低倍组织上，沿中心缩尾边缘一直向前延伸，有一个特殊的粗晶区—粗晶芯，这是正挤压所没有的组织特征。 在挤压后期，在中心金属补充困难的情况下，模孔侧面金属夹持着沿堵头表面径向流动的金属进入棒材尾部中心，这部分金属受表面摩擦作用，在淬火后形成粗大晶粒。null2.3影响金属流动的因素 2.3.1接触摩擦及润滑的影响 摩擦是产生金属流动不均的主要原因,以挤压筒壁影响最大。 润滑可减少摩擦，减少金属流动不均，并可以防止工具粘金属。 2.3.2锭坯与工具温度的影响 2.3.2.1锭坯本身温度 温度高，强度低，流动不均。 null2.3.2.2锭坯断面上的温度分布 对于铝合金，锭坯表面温度低，金属变形较均匀；对于铜合金，表面温度高，变形较均匀。 2.3.2.3相变的影响 温度改变可能使某些合金产生相变，金属处于不同的相组织，会产生不同的流动情况。null2.3.2.4摩擦条件变化 （1）温度不同，摩擦系数不同；产生不同的氧化表面，其摩擦系数也不同。 （2）温度不同，可能产生不同相态组织。 （3）在高温、高压下极容易发生金属与工具的粘结。 2.3.2.5锭坯与工具的温度差 锭坯与工具的温差越大，变形的不均匀性越大。null2.3.3金属性质的影响 变形抗力高的金属比抗力低的流动均匀；合金比纯金属流动均匀。 2.3.4工具形状的影响 （1）模角 模角大，死区大，金属流动不均匀，挤压力大，制品表面质量较好。 （2）形状相似性 挤压筒与制品形状相似，金属流动均匀。null2.3.5变形程度 变形程度大，不均匀流动增加，但当变形程度增加到一定程度时，由于变形从表面深入到内部，反而会使不均匀流动减小。 通常要求挤压比λ>10。 2.4挤压时的典型流动类型 习题： 1.名词解释：填充系数，挤压比，粗晶芯，死区。 2.简述正挤压过程中的三阶段。 3.谈谈终了挤压三大挤压缩尾及其防止措施。null 主要参考文献 1.谢建新,刘静安.金属挤压的理论与技术.北京:冶金工业出版社,2001 2.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册（修订版）.长沙:中南大学出版社,2002 3. 邓小民.反向挤压时的挤压力变化规律.中国有色金属学报,2002,1 4.邓小民.铝合金无缝管生产原理与工艺.北京:冶金工业出版社,2007null3.挤压力 主要内容：挤压力的概念及计算；影响挤压力的因素分析。 重点：挤压力计算。 难点：挤压力计算式中有关参数的确定。 目的和要求：根据挤压方法及金属的变形流动特点，正确选择挤压力计算式，并能够正确确定有关计算参数，从而较准确的计算不同挤压条件下的挤压力。 null3.1挤压力计算式分析 挤压力：挤压过程中，通过挤压杆和挤压垫作用在金属坯料上的外力。 单位挤压力：挤压垫片单位面积上承受的挤压力。 目前，用于计算各种条件下挤压力的算式有几十个，归纳起来分为以下几组： null（1）借助塑性方程式求解应力平衡微分方程式所得的计算式； （2）利用滑移线法求解平衡方程式所得的计算式； （3）根据最小功原理和采用变分法所建立起来的计算式； （4）经验式、简化式。 各计算式的精度除了与其结构合理性有关外，在很大程度上取决于式中各参数选择是否合理与准确程度。null在选择时要注意以下几点： （1）适用条件； （2）计算式本身建立的理论基础是否完善、合理，考虑的影响因素是否全面； （3）计算过程是否简便； （4）有关参数的确定是否困难。null3.2 挤压时的受力情况 挤压时的受力情况如图3-1所示。 图3-1 挤压时的受力情况null 挤压力组成： P =R锥 + T锥 + T筒 + T定 + T垫 + Q + I R锥 —使金属产生塑性变形所需的力； T锥 —压缩锥侧表面上的摩擦力； T筒 —挤压筒壁和穿孔针表面的摩擦力； T定 —模孔工作带上的摩擦力； T垫 —挤压垫接触表面上的摩擦力； Q —作用在制品上的反压力或牵引力； I —挤压速度变化引起的惯性力。 null忽略三个可能力：克服作用制品上的反压力（－）和牵引力（－）Q； 克服因挤压速度变化所引起的惯性力I； 挤压末期克服挤压垫上的摩擦力T垫。 即得到N.JI皮尔林公式： 则：P ＝ Rs ＋ Tt ＋ Tzh ＋ Tg P——挤压力； Rs——为实现塑性变形作用在挤压垫上的力； Tt——为克服挤压筒壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力； Tzh——为克服塑性变形区压缩锥面上的摩擦力作用在挤压垫上的力； Tg——为克服挤压模工作带壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力。null由P32-36可知 令 当 时,平模挤压如图3-10 当a=500时,可得Ymin 则Pminnull3.3 影响挤压力的主要因素 （1）金属的变形抗力 挤压力大小与金属的变形抗力成正比。 （2）锭坯状态 锭坯组织性能均匀，挤压力较小。不同的组织形态，其挤压力也不一样。 图3-2是纯铝锭坯组织、均匀化退火时间及挤压速度对挤压力的影响曲线。null 图3-2 纯铝锭坯组织、均匀化退火 时间及挤压速度对挤压力的影响null （3）锭坯的规格及长度 锭坯的规格对挤压力的影响是通过摩擦力产生作用的。锭坯的越粗、越长，挤压力越大。 （4）变形程度（或挤压比） 挤压力大小与变形程度成正比，即随着变形程度增大，挤压力成正比升高。图3-3是不同挤压温度下6063铝合金挤压力与挤压比之间关系曲线。 null 图3-3 不同挤压温度下6063铝合金 挤压力与挤压比之间关系曲线 null （5）变形温度 变形温度对挤压力的影响，是通过变形抗力的大小反映出来的。一般来说，随着变形温度的升高，金属的变形抗力下降，挤压力降低 。 （6）变形速度 变形速度对挤压力大小的影响，也是通过变形抗力的变化起作用的。如果无温度、外摩擦条件的变化，挤压力与挤压速度之间成线性关系，如图3-4所示。 null 图3-4 6063铝合金挤压力与 挤压速度的关系 null （7）外摩擦条件的影响 摩擦系数越小，挤压力越小。 （8）模角 模角对挤压力的影响如图3-5所示。随着模角增大，金属进入变形区压缩锥所产生的附加弯曲变形增大，所需要消耗的金属变形功增大；但模角增大又会使变形区压缩锥缩短，降低模子锥面上的摩擦阻力，二者叠加的结果必然会出现一挤压力最小值。这时的模角称为最佳模角。一般情况下，当α在45°～ 60°范围时挤压力最小。null 图3-5 挤压力分量与模角的关系null （9）挤压方式的影响 反向挤压比同等条件下正向挤压在突破阶段所需要的挤压力低30% ～ 40%；润滑穿孔针挤压时作用在穿孔针上的摩擦拉力约是同等条件下不润滑穿孔针的四分之一；随动针挤压比固定针挤压时的挤压力小。 null3.4 挤压力计算 目前，广泛使用的挤压力计算方法有三种：经验算式；简化算式；借助塑性方程式求解应力平衡微分方程式所得到的计算式，如И.Л.皮尔林算式。在这里只讲解连续挤压式和适用于现代挤压机挤压力计算的一个简化算式。 null3.4.1连续挤压力公式： 式中： p－挤压力； L－咬合长度； A－坯料截面积≈轮槽截面积； x－接触宽度； μ－坯料与槽壁间的摩擦系数； W－槽深和槽宽； Y－坯料的屈服强度。 null3.4.2简化公式: P =βA0σ0lnλ+μσ0π（Dt +dz）L （3-1）﹡﹡ 式中 p —单位挤压力，MPa； A0—挤压筒与穿孔针之间的环形 面积，cm2； σ0—与变形速度和温度有关的变 形抗力，MPa； λ—挤压比； μ—摩擦系数； null Dt —挤压筒直径，cm； dz —穿孔针直径，cm； L —填充后的锭坯长度，cm； β—修正系数，取β=1.3～1.5， 其中硬合金取下限，软合金 取上限。 该计算式的主要难点是如何确定不同挤压温度和应变速度下金属的真实变形抗力σ0 。 null 在实际中，可以用一个应变速度系数CV来近似确定变形抗力： σ0 = CVσS （3-2） 式中的σS是变形温度下金属静态拉伸时的屈服应力，Mpa。 应变速度系数CV可用图3-6所示的变形抗力的应变速度系数图来确定，其中的横坐标为应变速度。null 图3-6 变形抗力的应变速度系数图null 平均应变速度： （3-3） 式中 εe —真实延伸应变，εe=lnλ； ts —金属质点在变形区中停留时 间，s。 （3-4） null Ff —挤压制品的断面积，mm2； Vf —制品流出模孔的速度，mm/s。 （1）无润滑热挤压 式（3-1）中摩擦系数μ=0.577。 （2）全润滑热挤压 式（3-1）中取摩擦系数μ=0.15～0.2。 （3）只润滑穿孔针挤压 式（3-1）可变化成如下形式：null P =βA0σ0lnλ+σ0π（μDt +μ1dz）L （3-5） 式中的μ、μ1分别是变形金属与挤压筒和穿孔针之间的摩擦系数。 （4）反向挤压 式（3-1）可变化成如下形式： P =βA0σ1lnλ+μσ1πdz L （3-6） 式中σ1为反挤压时金属的变形抗力。null 反挤压时金属的变形抗力σ1与正挤压的不同，要通过实验来确定。对2A11、2A12两种铝合金可按下式确定： σ1-2A11 = 126.8 – 0.155t σ1-2A12 = 121.5 – 0.124t （3-7） （5）挤压型棒材 挤压型棒材时，只要令式（3-1）中的dz等于零即可。null3.4.3其它挤压力公式： 一、JI.B.普罗卓洛夫公式： Z－穿孔针冷却作用的金属冷却系数， 挤压棒材时，Z＝1， 挤压管材时， P46 二、J.塞茹尔内公式： 对管材， null3.5 穿孔力计算 穿孔过程中针的受力情况如图3-7所示。 图3-7 穿孔针受力情况null3.5.1穿孔力计算 （1）穿孔应力 （3-8） （2）穿孔力 （3-9）null （3）温度修正系数 （3-10） 式中dZ 为穿孔针直径，d为管材外径，Lt为填充后锭坯长度，la为穿孔力达到最大时的穿孔深度，Z为温度修正系数，∆T为锭与针的温差，λ́为金属导热率，Dt为挤压筒直径。null 小 结 本章的主要内容是如何较准确的计算挤压力，以便为合理制定挤压工艺和进行工模具设计提供依据。其关键是选用合适的挤压力计算式并正确的确定有关参数。null 参考文献 1.谢建新,刘静安.金属挤压的理论与技术.北京:冶金工业出版社,2001 2.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册（修订版）.长沙:中南大学出版社,2002 3.邓小民,孙中建,李胜祗，等.铝合金挤压时的摩擦与摩擦因素.中国有色金属学报,2003,3null4 .邓小民.反向挤压力计算式的误差分析与实践.中国有色金属学报,2002,3 5.邓小民.铝合金无缝管生产原理与工艺.北京:冶金工业出版社,2007 4 .挤压制品的组织性能 4 .挤压制品的组织性能 主要内容：挤压制品组织的不均匀性;挤压制品的机械性能;挤压制品的质量控制;挤压工艺参数对制品组织性能的影响。 重点：粗晶环；挤压效应。 难点：粗晶环的成形机理 目的和要求：掌握组织不均匀的特征，产生原因；掌握粗晶环的形成机理及分布；掌握挤压效应及影响因素，了解挤压工艺参数对制品组织性能的影响。 null4.1 挤压制品的组织 4.1.1 挤压制品组织的不均匀性 4.1.1.1 表现特征 例：图4-1是正向挤压1060合金、φ90mm棒材的头、尾端宏观组织照片。可以看出具有以下特点： 横向上：外层晶粒细小，中心层粗大。 纵向上：前端晶粒粗大，尾端细小，在 最前端仍保留有铸态组织轮 廓。null 头端 尾端 图4-1 挤压棒材的宏观组织null4.1.1.2 产生原因 A 变形不均匀 （1）在横断面上，变形程度是由中心向边部逐渐增加的。从而导致了外层金属的晶粒破碎程度比中心层剧烈。 （2）在纵向上，变形程度是由头部向尾部逐渐增加的。使得尾端晶粒比前端细小。null B 挤压温度和速度的变化 主要是针对锭温与筒温相差比较大的金属而言的。 例如，对挤压速度慢的锡磷青铜，开始挤压时，金属在高温下变形，出模孔后的组织为再结晶组织；而后段挤压时，由于受工具的冷却作用，变形温度较低，金属出模孔后再结晶不完全；且挤压后期金属流速加快，更不利于再结晶。故尾部晶粒细小。null C 相变的影响 主要是对于温度变化可能会产生相变的合金而言的。 例如HPb59-1，其相变温度为720°C。在高于720°C挤压时，制品组织呈单相β组织。冷却过程中，在相变温度下从β相内均匀析出呈多面体的α相晶粒，组织比较均匀。但如果温度降低到相变温度以下挤压时，所析出的α相会被挤压成长条形的带状组织。null4.1.2挤压制品的粗大晶粒组织—粗晶环 许多合金（特别是铝合金）热挤压制品，经热处理后，经常会形成异常大的晶粒，比临界变形后热处理所形成的再结晶晶粒大得多。晶粒的这种异常长大过程称为粗化，这种组织称为粗大晶粒组织。 这种粗大晶粒在制品中的分布通常是不均匀的,多数情况下呈环状分布在制品断面的周边上，故称为粗晶环。null4.1.2.1粗晶环的分布规律 图4-2 单孔模挤压制品中的粗晶环null7A04、T6状态Φ60mm多孔模挤压棒材 尾端 前端 图4-3 多空模挤压制品中的粗晶环null A 、在横断面上 （1）单孔模挤压：呈环状均匀分布在制品的周边上。 （2）多孔模挤压：呈月牙状分布在靠向模子边缘一 边棒材的周边上。 （3）挤压六角棒、型材：在其角部、转角处的粗晶环较深。 B 、在纵向上：越靠近制品的尾端，粗晶环越深。null4.1.2.2粗晶环的形成机制 如前所述，挤压制品外层金属、尾部金属的晶粒破碎和晶格歪扭程度分别比内部和前端严重。晶粒破碎严重部分的金属，处于能量较高的热力学不稳定状态，降低了该部位的再结晶温度。在随后的热处理过程中易较早发生再结晶，当其他部位刚开始发生或还没有发生再结晶时，该部位发生了晶粒长大。null4.1.2.3 粗晶环对制品性能的影响 （1）粗晶区的纵向强度(σb、σ0.2)比细晶区的低（例如表4-1）。 表4-1 铝合金制品不同区域力学性能null （2）粗晶区的疲劳强度低； （3）淬火时易沿晶界产生应力裂纹； （4）锻造时易产生表面裂纹； （5）粗、细晶区冲击韧性值差别不大； （6）粗晶区的缺口敏感性比细晶区的小。 null4.1.2.4 影响粗晶环的因素 A 、合金元素的影响 铝合金的粗晶组织，与合金中过渡族元素Mn、Cr、Ti、Zr等的含量有关。不含或含少量过渡族元素的铝合金挤压制品中不形成粗晶环。 例如：在Al-Cu-Mg-Mn系合金中，当Mn含量在0.2%~0.6%时，出现粗晶环的深度最大；当Mn含量达到0.8%~1.0%时，粗晶环深度明显减小，甚至完全消失。null B 、 锭坯均匀化的影响 对于含有过渡族元素的铝合金挤压制品，均匀化退火温度越高，时间越长，粗晶环越深（例如表4-2）。null 表4-2 2A11合金粗晶环深度与均匀 化退火温度的关系null C 、挤压温度的影响 挤压温度影响包括锭坯加热温度和挤压筒温度的共同影响。 （1）当二者温度相差不大时，可以获得粗晶环深度浅而晶粒细小的组织。 （2）如果二者温差较大，且锭温高于筒温，这时如果提高锭坯的加热温度，一方面使变形的不均匀性增大；另一方面也会促使第二相的析出并聚集，有利于形成粗大晶粒。null D、 合金中的应力状态的影响 拉应力大的地方，粗晶环较深。 E 、挤压方式的影响 正挤压的粗晶环深；反挤压的浅，甚至可生产无粗晶环的制品。 润滑挤压的粗晶环浅。 F、 变形程度的影响 正向挤压时，随着变形程度的增加，金属的不均匀变形增大（ε=20%~60%之间），使粗晶环深度增加。null4.2 挤压制品的机械性能 4.2.1 挤压制品机械性能的不均匀性 一般来说，对于未经热处理的实心挤压制品，其σb和σ0.2是前端比后端低，中心比边部低。而伸长率δ的变化则相反。如图4-4所示。 对于热处理后有粗晶环的制品，其粗晶区的强度比细晶区低（见前表4-1）。 null 图4-4 挤压制品纵向和横向上的 力学性能变化 1-外层；2-内层 null4.2.2 挤压效应 某些高合金化、并含有过渡族元素的铝合金（如2A11、2A12、6A02、2A14、7A04等）挤压制品，经过同一热处理（淬火与时效）后，其纵向上的抗拉强度比其他加工（轧制、拉拔、锻造）制品的高，而伸长率较低，这种现象称为挤压效应（例如表4-3）。null 表4-3 不同铝合金制品的抗拉强度(Mpa)null4.2.2.1 挤压效应产生的原因 A 、内因—合金元素 凡是含有过渡族元素的热处理可强化铝合金，都会产生挤压效应。 （1）在铸造结晶过程中，过渡族元素与铝形成的化合物MnAl6、CrAl7等质点从过饱和固溶体中弥散析出，分散在固溶体内树枝状晶的周围构成网状膜。防碍了再结晶过程进行，使再结晶温度提高。null （2）过渡族元素Mn、Cr本身在铝中的扩散系数很低，在固溶体内也防碍金属自扩散的进行，阻碍了再结晶过程的进行，使金属的再结晶温度提高。 B 、外因—变形与织构 （1）在挤压过程中，变形区内金属流动平稳，网状膜不破坏。 （2）晶粒沿挤压方向被拉长，形成了较强的[111]织构，即制品内大多数晶粒的[111]晶向按挤压方向取向，使制品的纵向抗拉强度提高。null 结果，在淬火加热过程中不易发生再结晶或再结晶进行不完全。 挤压效应的本质：在淬火后的制品中仍保留着未再结晶组织。 4.2.2.2 影响挤压效应的因素 A 、其他添加元素的影响 例如：在Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系合金中，提高杂质Fe、Si含量，会使挤压效应减弱。null B 、锭坯均匀化的影响 均匀化退火温度越高，保温时间越长，冷却速度越慢，挤压效应的损失越大。 C 、挤压温度的影响 挤压温度的影响主要取决于合金中的Mn含量。 （1）对于含Mn量很少的6A02合金，挤压温度对其性能影响不大。null （2）对于Mn含量超过0.8%的硬铝合金，挤压温度的影响也不大。 （3）在（0.3~0.6）% Mn含量范围，挤压温度对制品的挤压效应有明显影响。挤压温度低，易产生再结晶，其结果使挤压效应消失或减弱。 例如：含Mn量为0.4%和0.46%的2A12合金不同挤压温度下的机械性能见下表4-4。null 表4-4 2A12合金不同挤压温度 下的机械性能null D 、变形程度的影响 变形程度对硬铝合金挤压效应的影响与合金中的含Mn量有关。 （1）当不含Mn或含少量Mn时，增大变形程度使2A12合金挤压效应降低（见下表4-5）。 表4-5 不同变形程度机械性能null（2）当2A12合金含Mn量在0.36%~1.0%范围时，随含Mn量的提高，变形程度越大，挤压效应越显著。 E、 淬火温度与保温时间的影响 淬火加热温度越高，保温时间越长，挤压效应损失越大。 null4.2.2.3挤压效应的实际应用 （1）为了获得较高纵向强度（ σb、σ0.2 ）的挤压制品，一般要采用高温挤压。除此之外，可考虑适当提高合金中过渡族元素和主要合金元素含量，采用不均匀化退火锭坯。null（2）对于要求横向性能的大断面型材，则应适当减小挤压效应。一般可对锭坯进行长时间均匀化退火；降低挤压温度；增大镦粗变形量；延长淬火保温时间；采用中等元素含量。 （3）对于机械性能要求不高的制品，退火状态交货制品，冷加工用坯料，宜采用低温挤压，以获得易于在退火时完全再结晶的组织，并可以提高挤压速度。null§4.3挤压制品的质量控制 质量包括：横断面上和长度上的形状与尺寸，表面质量以及组织与性能。( 见第七章) §4.4挤压工艺参数对制品组织性能的影响 一、挤压温度 挤压温度越高，制品晶粒越粗大（图4-11）挤压制品的抗拉强度，屈服强度和硬度值下降，延伸率增大，T>500℃时，晶粒过分长大，延伸率开始下降。null 二、挤压速度： 挤压速度低时，金属热量逸散较多，致使挤压制品尾部出现加工组织； 挤压速度高时，接触时间短，热量传递来不及进行，导致表面裂纹。 三、变形程度： 变形程度由制品中心向外层，由头部向尾部不断增大，边部形成等轴晶粒，中心随着变形程度增加，中心被拉长形成等轴晶粒，组织与性能趋于均匀。null 主要参考文献 1.邓小民.铝合金无缝管生产原理与工艺.北京:冶金工业出版社,2007 2.金相图谱编写组.变形铝合金金相图谱.北京:冶金工业出版社,1975 3.王祝堂,田荣璋.铝及其合金加工手册.长沙:中南工业大学出版社,1989 null习题： 1.何谓挤压力，它的影响因素有哪些？ 2. 谈谈挤压效应及其产生原因。 3.挤压制品中粗晶环是如何分布的，影响粗晶环的主要因素有那些?null5.挤压设备、挤压模具及设计 主要内容：挤压设备简介，挤压工具的组成及装配；普通棒材模、型材模设计；挤压模具材料选择。 重点：挤压模参数设计；型材模设计中金属的流速调整和模具强度校核。 难点：型材模设计时模孔布置及调整金属流速的具体设计。 null 重要概念：阻碍角，促流角，舌比，比周长，整体模，拆卸模，舌形模，平面分流模，平模，锥模，组合模，正锥模，倒锥模，单动式挤压机，复动式挤压机，固定针挤压，随动针挤压。 目的和要求：了解挤压机的结构及主要工具的作用及装配；不同结构挤压模具的主要用途。掌握普通单孔和多孔棒材模、简单型材模的设计及强度计算方法。null5.1挤压设备简介 5.1.1挤压设备的类型 5.1.1.1按传动类型 分液压和机械传动两大类 。 （1）机械传动挤压机又分为传统机械传动挤压机和现代机械传动挤压机。 传统机械传动挤压机以前曾用于挤压钢材和冷挤压方面，现在已不采用。 目前以CONFORM挤压机为代表的新一代机械传动挤压机得到了广泛应用。null （2）液压传动挤压机是当前应用最广泛的挤压设备。又分为水压机和油压机，目前应用最广泛的是油压机，但大吨位设备仍以水压机为主。 5.1.1.2按总体结构形式 分为卧式和立式挤压机两大类。 卧式挤压机按挤压方法可分为正向、反向和联合挤压机，但其基本结构没有原则性差别。null5.1.1.3按其用途和结构 分为型棒挤压机和管棒挤压机，或者称为单动式挤压机和复动式挤压机。二者主要区别是后者有独立的穿孔系统。 （1）单动式挤压机的主要用途：生产实心断面制品或用组合模生产带有焊缝的空心断面制品。 （2）复动式挤压机的主要用途：生产无缝管材。null5.1.2 挤压设备的结构及主要部件 图5-1 25MN单动式挤压机null 图5-2 16MN双动式挤压机null 图5-3 后置式双动挤压机工作缸布置null 图5-4 侧置式双动挤压机工作缸布置null 图5-5 内置式双动挤压机工作缸布置null 图5-6 6MN立式挤压机null5.1.2.1 模座 图