1、塑料成型工藝(擠壓和拉絲)，教材：金屬塑料加工-擠壓，拉絲和管道冷軋課程：09材料控制本講座教師：張宏云，1擠壓概述主要內容：擠壓的基本概念；優(yōu)缺點和適用范圍；擠壓基本方法和特性；擠壓技術的發(fā)展。重點：擠壓的基本方法和特性。重要概念：正向擠壓，反向擠壓目的和要求：明確擠壓的概念，優(yōu)缺點；擠壓技術發(fā)展和中國擠壓工業(yè)發(fā)展；掌握正擠壓、反擠壓概念、特點。1.1擠壓的優(yōu)點和缺點以及應用范圍1.1.1擠壓的定義所謂擠壓是通過在容器(擠壓管)內放置的金屬坯料的一端施加外力，強制從特定模具孔中退出，以獲得所需橫截面形狀和大小的產品的塑料成型方法。基本原理如圖1-1所示。圖1-1擠壓的基本原理圖，1.1.2擠

2、壓生產的優(yōu)缺點：(1)最強的三向壓縮應力狀態(tài)；(2)生產范圍廣，產品規(guī)格多，品種多；(3)適用于少量生產的大生產靈活性；(4)產品尺寸高精度，表面質量好；(5)設備投資少，廠房面積小。(6)輕松實現(xiàn)自動生產。缺點：(1)幾何廢物損失；(2)金屬流動不均。(3)擠壓速度低，輔助時間長；(4)工具損失大，費用高。1.1.3擠壓生產的適用范圍(1)很大，大量小批量；(2)復雜截面，超薄，超高，不對稱；(3)低塑性，脆性材料。1.2擠壓的基本方法和特性擠壓的方法可以根據幾十個不同的特性進行分類(參見表1-1)。最常用的方法有6種：正向擠壓、反向擠壓、側面擠壓、連續(xù)擠壓、玻璃潤滑擠壓和靜壓擠壓(請參見圖

3、1-2)。最基本的方法仍然是正向擠壓(正向擠壓)和反向擠壓(簡單地取消擠壓)。表1-1擠壓方法分類，圖1-2行業(yè)常用擠壓方法，定義了1.2.1正向擠壓方法：金屬流動方向與擠壓桿(擠壓軸)的運動方向相同的擠壓生產方法。特征：變形金屬和擠壓的筒體壁之間存在相對運動，兩者之間存在較大的滑動摩擦。引起擠壓壓力增加。使金屬變形流動不均勻，使組織特性不均勻。擠壓速度增加限制；加快工作模具的磨損。由1.2.2反向擠壓方法定義：金屬的流動方向與擠壓桿(或模具軸)的相對運動方向相反的擠壓生產方法。特征：變形金屬和擠壓的桶壁之間沒有相對運動，兩者之間沒有外部摩擦。特征：小擠壓壓力；金屬變形流是均勻的。擠壓速度快。

4、但是產品表面比正擠壓更糟。外部圓的大小很小。設備成本高；輔助時間長。1.3擠壓技術的發(fā)展自1797年英國布朗曼發(fā)明擠壓鉛管設備以來，擠壓技術在以下方面有了很大發(fā)展：(1)擠出機的臺數和能力持續(xù)增加。目前，全球擠出機總臺約為6000臺，中國約為3000臺。最大噸位的擠出機是360MN液壓機，最大噸位的液壓機是150MN擠出機。(2)自動化程度不斷提高。擠出機控制已經完全擺脫了人工操縱分配器的繁重勞動，實現(xiàn)了自動控制。(3)加強擠壓生產工藝，新的擠壓技術不斷出現(xiàn)。等溫擠壓、等速擠壓、靜壓擠壓、連續(xù)擠壓、有效摩擦擠壓、半熔融擠壓、無壓擠壓、多毛坯擠壓等。(4)品種，規(guī)格不斷擴大。只有鋁型材的品種約有

5、50000種。產品的單面外接圓直徑像火柴棒大小一樣最小，最大1000毫米；可以到達。輪廓的最小壁厚可以達到0.3至0.5mm。(5)理論研究有突破性進展。目前金屬擠壓常用的理論方法主要有工程近似法、滑移線法、上限法、應變法、有限元法、模擬測試法等。，主要參考資料1。謝新，劉金干。金屬擠壓理論與技術。北京：冶金產業(yè)報道，2001 2。王軸線，天榮章。鋁合金及其加工手冊(修訂)。長沙：中南大學出版社，2002 3。wenjinglin。金屬擠壓和拉絲技術。沈陽：東北大學出版社，2003 4。魏軍。有色金屬擠壓工廠機械設備。北京：冶金產業(yè)出版社，1988，2。擠壓過程中金屬變形流的主要內容：金屬變形

6、流和擠壓壓力的變化特征；鄭、反擠壓過程中金屬的變形流動特性、擠壓產品的組織特性、擠壓壓力的變化；影響金屬流動的因素分析。困難：擠壓過程中的應力和變形分析，壓縮尾產生機理，反向擠壓時擠壓壓力變化分析，反向擠壓時收縮，主軸芯組織，粗芯和粗晶環(huán)。重要概念：填充系數、擠壓比、難變形區(qū)域、死區(qū)、壓縮尾、主軸芯組織、粗芯、變形區(qū)域壓縮錐。目的和要求：確定擠壓過程的三階段意義、擠壓壓力的變化。填充系數的重要性及其對產品質量的影響；擠壓過程中金屬的變形和流動特性；壓縮尾部的概念和原因。2.1正向擠壓時金屬的變形流可以根據金屬變形流特性和擠壓壓力的變化分為開始(填充)、基本(雙流)和結束(湍流)擠壓三個階段(見

7、圖2-1)。圖2-1正向、反向擠壓壓力-行程曲線、2.1.1填充階段金屬的變形流2.1.1金屬變形流特性金屬水平流動，出現(xiàn)單鼓或雙鼓變形(見圖2-2)。其變形指數用填充系數c表示。c=F0/Fp (2-1) 2.1.1.2擠壓壓力的變化規(guī)律隨著擠壓桿的前進，壓縮壓力直線增加。圖2-2在擠壓時金屬的變形，2.1.1.3金屬應力分析(見圖2-3)，圖2-3填充擠壓階段毛坯的應力狀態(tài)，在填充過程中，阻止鋼坯直徑增加而自由增大的主方向附加拉伸應力出現(xiàn)在鋼坯的表面層。隨著填充過程的進行，鋼坯長度縮短，直徑增加，中間部分首先與擠壓槽壁接觸，由于摩擦，在表面層中金屬前進后，產生了阻礙兩個空間流動的垂直附加拉

8、伸應力。2.1.1.4對擠壓產品質量的影響(1)填充系數過大，容易產生產品表面淬火、氣泡缺陷。(2)填充系數過大，如果中空柱不穿孔，則容易出現(xiàn)偏心缺陷。(3)對于具有擠壓效果的鋁合金，填充系數增加，擠壓效果損失增加。2.1.2基本擠壓階段金屬的變形和應力2.1.2.1金屬變形流動特性沒有橫向流動。變形指數用擠壓比表示。=F0/F1 (2-2) 2.1.2.2應力分布(見圖2-4)(1)軸向應力L L邊L到L，圖2-4作用于金屬上的力、應力、(2)徑向，圖2-5正擠壓圓棒材金屬流程圖，(2)每條線(中間除外)發(fā)生了兩次相反方向的彎曲。每條線的彎曲角度不同，外部尺寸小。(3)在擠壓產品的前面，除了

9、中間一條外，其他線分別向外彎曲。擠壓變形區(qū)域：連接每條線的兩個拐點，形成兩個曲面。兩個曲面和模具孔錐形或死區(qū)界面之間包圍的體積稱為擠壓變形區(qū)域或變形區(qū)域壓縮圓錐(請參閱圖2-5中的虛線)。b，水平柵格線改變(1)不改變擠壓墊附近的側線；(2)進入變形區(qū)域后，橫截面線向前彎曲，越接近模具，彎曲程度越大，模具出來后不再變化；(3)模具推出后水平線的彎曲程度從前到后越來越趨于穩(wěn)定。(4)水平線距離不相等，前面小，后面大，最后趨于穩(wěn)定。，c，坐標柵格的變形(1)變形前為矩形，變形后為水平壓縮，縱向長度為矩形或平行四邊形；(2)擠壓產品的中心部分幾乎是矩形，邊緣是平行四邊形。(3)與邊部分越接近，平行四

10、邊形的短邊和原始橫檔之間的角度越大。2.1.2.4困難變形區(qū)和嚴重變形區(qū)擠壓中的困難變形區(qū)，如圖2-6所示。圖2-6擠壓筒的金屬變形區(qū)a-平模擠壓；B- con模擠出，a，前困難變形區(qū)域死區(qū)(1)死區(qū)概念：在基本擠壓階段，位于擠壓圓柱和模具末端相交處的金屬基本上不會發(fā)生塑料變形，因此稱為死區(qū)。死區(qū)的大小和形狀絕對不變，如圖2-7所示。在擠壓過程中，死區(qū)界面中的金屬與流動區(qū)金屬一起逐層離開模具孔，形成產品表面，死區(qū)界面向外移動，高度減小，尺寸減小。圖2-7擠壓6A02合金的死區(qū)變化圖-早期；、-中期；-末期，(2)死區(qū)原因：a，強三向壓力應力狀態(tài)，金屬不易達到屈服條件；b、通過工具冷卻，s增加；

11、c，摩擦阻力大。從能量學的角度來看，金屬沿圖2-6中的ADC表面流動所消耗的能量較少。(3)影響死區(qū)大小的因素：a，模式角模式角，死區(qū)；b、摩擦系數f摩擦系數大，死區(qū)大；c，擠壓比擠壓比，死區(qū)高度，但總體積減少；d、擠壓溫度熱擠壓死區(qū)，小冷擠壓死區(qū)；e、擠壓速度v擠壓速度，小死區(qū)；f、金屬變形電阻s金屬變形電阻，大死區(qū)；g，當壓鑄模位置受到多孔壓鑄模擠壓時，壓鑄?？捉咏鼣D壓管的內壁，死區(qū)減少。(4)死區(qū)作用：坯料表面的雜質、氧化物、分離物、灰塵和表面缺陷進入變形區(qū)壓縮錐形，阻礙進入產品表面，從而提高產品表面質量。b、后端難變形區(qū)域的原因：擠壓墊的冷卻和摩擦。c，劇烈變形區(qū)域圖2-8所示，變形區(qū)

12、域壓縮圓錐和死區(qū)的交點處發(fā)生了模碎得很厲害的強剪切變形。這部分從模具出來后位于產品的表面層，內容物的內部結晶大小不同，外部小，內層粗，因此機械特性不均勻。熱處理后容易形成粗糙的環(huán)。圖2-8一次擠壓桿金屬流動，2.1.2.5擠壓壓力的變化規(guī)律隨著擠壓桿向前移動，金屬繼續(xù)從模具孔流出，擠壓壓力幾乎直線下降。2.1.3最終擠壓階段金屬的變形流如圖2-9所示，擠壓墊開始進入變形區(qū)域時，后端接觸擠壓墊的困難變形區(qū)域金屬、墊片的摩擦克服，擠壓壓力增加。位于徑向流動生成死區(qū)部分的金屬也循環(huán)進入模具孔流動產品。圖2-9擠壓墊進入變形區(qū)域示意圖后，最終擠壓階段特征：(1)金屬的水平流動急劇增加，產生了循環(huán)；(2

13、)擠壓壓力增加；(3)生成壓縮尾部。壓縮尾部壓縮：在擠壓結束前，由于金屬的徑向流動和循環(huán)，鋼坯表面的氧化物、潤滑劑和污物、氣泡、扁石榴、裂紋等缺陷進入產品內部，具有一定的斷裂產品組織連續(xù)性、致密缺陷。2.1.3.1壓縮尾的三種形式：中心收縮、圓形收縮、皮下收縮。(1)中心后綴2-10正向擠壓條中心收縮，(2)環(huán)形后綴圖2-11正向擠壓產品的圓形后綴，(3)皮下后綴圖2-12正向擠壓產品的皮下后綴，2.1.3.2壓縮后綴形成圖2-13壓縮后綴形成過程折疊b形密封圈；C-皮下后綴，a，中心后綴(1)管內剩馀的空位，高度小，金屬處于湍流狀態(tài)，徑向流動速度增加。(2)將鋼坯表面的氧化物、油污染等聚集在

14、鋼坯的中心。(3)進入產品內部，形成中心嫁接。隨著擠壓過程的進一步進行，徑向流動的金屬無法滿足中心部分的不足，WIP中心尾部出現(xiàn)了漏斗形的空缺，即中空的尾部。b，環(huán)后綴(1)隨著擠壓過程的進行，擠壓墊和擠壓缸角部分積累的各種缺陷和污物的金屬越來越多。(2)擠壓末期沒有充分供應中間金屬，當角金屬開始徑向流動時，該金屬部分沿著后端困難變形區(qū)域的邊界進入錠的中間部分。(3)流入產品，形成圓形后綴。編織厚壁管會形成內層。c，皮下收縮(1)死區(qū)和塑性流動區(qū)界面由于嚴重滑動，金屬被大剪切變形破壞。(2)表面層有氧化物、各種表面缺陷和污物的金屬沿破壞面流出。(3)與此同時，死區(qū)金屬也逐漸脫離涂成?？椎漠a品表

15、面，形成皮下收縮(外部分層)或皮膚。2.1.3.3減少壓縮尾的措施(1)鋼坯表面加工次皮。(2)熱灌裝擠壓，如圖2-14所示。圖2-14擠壓生產線的熱脫皮圖(3)圖2-15所示的脫皮擠壓。圖2-15銅合金充填擠壓圖a-擠壓；B-脫皮，(4)不完全擠壓殘余壓力。(5)保持擠壓墊工作面清潔，減少鋼坯尾部呈輻射狀流動的可能性。2.2反向擠壓金屬的變形流2.2.1坐標網格線的變化反向擠壓坐標網格線的變化如圖2-16所示。圖2-16反向擠壓的坐標網格改變，(1)水平網格線變形區(qū)域的網格線基本上與擠壓圓柱壁垂直，直到成為模具孔。(2)垂直方向的網格線在進入變形時比正擠壓彎曲得多。2.2.2變形區(qū)域和死區(qū)(

16、1)死區(qū)是接近模具端面的小死區(qū)。死區(qū)的高度約為擠壓圓柱直徑的1/8到1/4。(2)變形區(qū)域變形區(qū)域接近模具面，集中在模具孔附近。變形區(qū)域的高度與摩擦系數和擠壓溫度有關，通常小于擠壓槽直徑的三分之一。2.2.3金屬流動反向擠壓時，金屬的變形僅集中在模具孔附近，擠壓圓柱內部和外部的流速沒有差異，金屬的變形比正向擠壓均勻得多。擠壓末期一般不會發(fā)生金屬循環(huán)現(xiàn)象。圖2-17是正反向擠壓條軸向主擴展變形的測量結果。在圖中，a表示壓力機長度為棒材直徑的1倍，b表示2倍，c表示5倍。圖2-17正反向擠壓欄軸向擴展比較，(1)擠壓開始時，?？赘浇髦行牟糠值淖冃瘟繛檎?倍以上的5.582。(2)擠壓桿的長度從1d桿-2d桿5 d桿改為1.767-3.904-6.32，防擠壓桿的長度為5.582-7.608-8.638。1.09/1.767-4.028/3.906-20.44/6.32中心的邊緣與主擴展變形的比率；反向擠壓為1.005/5.582-1.648/7.608-15.55/8.638。2.2.4反向擠壓時擠壓壓力的變化一般認為，由于未擠壓時鑄錠與擠壓筒之間沒有摩擦，因此擠壓壓力大小與鋼坯長度無關，擠壓過程中擠壓壓力不變。近年來，研究表明，防擠壓桿(見圖2-18)隨著擠壓工藝的擠壓壓力逐漸增加。圖2-1