第二章铝合金挤压过程理论知识已修改.doc

挤压过程的基本理论知识目 录1 挤压21.1挤压加工21.1.1介绍21.1.2冷挤压和热挤压21.1.3直接挤压21.1.3.1有润滑剂的直接挤压31.1.3.2没有润滑剂的直接挤压31.1.3.2.1没有润滑剂没有外壳的直接挤压31.1.3.2.2没有润滑剂有外壳的直接挤压41.1.4间接挤压41.1.4.1有润滑剂的间接挤压51.1.4.2没有润滑剂的间接挤压51.1.4.2.1没有润滑剂没有外壳的间接挤压51.1.4.2.2没有润滑剂有外壳的间接挤压61.1.5流体静力挤压61.1.6流体膜加工71.2材料流动研究81.2.1矢量塑性Visioplasticity81.2.2挤压中的材料流动81.2.2.1冷挤压中的材料流动81.2.2.2热挤压过程中的材料流动101.2.2.2.1直接热挤压过程中的材料流动111.2.2.2.2间接热挤压中的材料流动121.3直接、间接、流体静力挤压中的轴向力检测131.3.1介绍131.3.2直接挤压中的轴向力141.3.2.1使用润滑剂的直接挤压过程中的轴向力151.3.2.2没有润滑剂的直接挤压中的轴向力161.3.3间接挤压中的轴向力171.3.3.1有润滑剂的间接挤压中的轴向力171.3.3.2没有润滑剂的热间接挤压的轴向力181.3.4流体静力挤压中的轴向力和流体静压力181.4直接和间接挤压中的应力和动力191.4.1介绍191.4.2圆锥形模具中的几何geometry、运动学kinematics、变形和变形比191.4.3作用在模具进口平面的轴向压缩应力compression stress检测211.4.4变形区外将成型材料的应力231.4.5轴向动力的检测261.4.6屈服应力值的检测281.4.7临界切变应力的检测311 挤压1.1挤压加工挤压就是对放在挤压筒中的铝锭施加以压力，使之通过模孔成型的一种压力加工方法。最基本的挤压方法有正向挤压与反向挤压，它们的区别在于金属流动的方向与挤压杆的运动方向是否相同，是则为正向挤压，反则为反向挤压。特点区别在于金属与挤压筒内壁间有无相对运动，或者说有无外摩擦。除此之外，工业上常用的挤压方法还有：测向挤压、玻璃润滑挤压、静液挤压、连续挤压。挤压过程可分为三个阶段：首先是填充阶段，在此阶段铝棒受到挤压杆的作用，首先充满挤压筒和模孔，此时压力急剧上升到100Kg/mm2左右，即从进料到脱气结束。其次是挤压平流阶段，挤压筒充满铝后，挤压力迅速上升到210Kg/mm2左右，开始出料。此阶段压力随着铝棒与挤压筒接触长度的缩短，外摩擦力不断减小，挤压力几乎呈直线下降。再次是挤压终了阶段，即挤压筒内铝棒长度减小到变形区压缩锥高度时到挤压完成。正挤压挤压力挤压轴位移反挤压图1：正、反向挤压时典型的挤压力与行程曲线挤压加工的优点：提高金属的变形能力。制品综合质量高。产品范围广。生产灵活性大。工艺流程简单、设备投资少。挤压加工的缺点：制品组织性能不均匀。挤压工模具的工作条件恶劣、工模具损耗大。生产效率较低。1.1.1介绍以下内容将描述挤压加工的原理，在这里面，将简要说明各种加工的不同点和相同点。1.1.2冷挤压和热挤压在原理上，挤压加工可以分为冷挤压和热挤压两类。冷挤压意味着挤压的棒在被放入挤压机之前没有预热。热挤压，更经常被称为“挤压”(因为它是通常的规则)，意味着棒在被放入盛锭筒之前需要预热。冷挤压：棒被装载前没有预热，也就是说，在室温下。热挤压：棒被预热，也就是说，在高于室温的温度下装载。1.1.3直接挤压图1.1：没有润滑剂和外壳的直接挤压原理这种方法是迄今为止工业上最常见的，一般当一个人说到“挤压”的时候，说的就是直接挤压。在这样的加工中，棒首先在盛锭筒中镦粗(镦粗=压缩而不弯曲，使其变得短些，粗些)并装满盛锭筒的内部。然后，被挤压杆挤出穿过模具。在这个过程中，在棒和盛锭筒之间发生了相对运动。因此，棒在盛锭筒中的移动必须克服它们之间的摩擦。直接挤压的典型特征是棒和盛锭筒之间存在摩擦。1.1.3.1有润滑剂的直接挤压图1.2：有润滑剂的直接挤压原理为了减少摩擦，棒可以在装入盛锭筒之前润滑。摩擦就会因棒和盛锭筒之间的润滑剂薄膜减小。为了保证变形的材料从模具中出来之前被润滑剂薄膜包围住，通常在用润滑剂的挤压中都使用圆锥形的模具。用润滑剂的直接挤压用在钢铁等的热挤压和铝及其合金等的冷挤压中。在用润滑剂的直接挤压中，棒和盛锭筒、模具和加工件之间的摩擦通过润滑剂有相当程度的减少。1.1.3.2没有润滑剂的直接挤压因为棒和盛锭筒及模具和棒之间的较大摩擦，没有润滑剂的直接挤压比使用润滑剂的情况需要更高的挤压负荷。通常这种方法用于热挤压加工，也就是说，预热过的棒被装进预热过的盛锭筒。挤压垫和模具在挤压开始前也要预热。在没有润滑剂的直接挤压中，棒和盛锭筒之间的摩擦体现在粘在盛锭筒内壁的剪切下来的棒的外表面层。在这个过程中，如果盛锭筒壁和挤压垫之间的间隙大得可以形成外壳，这就被称为没有润滑剂有外壳的直接挤压。如果没有外壳形成但是盛锭筒内壁被挤压材料的薄层覆盖，这就被称为没有润滑剂也没有外壳的直接挤压。这两种情况都可以在铝合金的热直接挤压中发生。取决于挤压垫和盛锭筒之间的间隙是否足够大到棒的外壳在棒的挤压中被切削并仍然粘附在盛锭筒的内壁成为“外壳”，或挤压垫和盛锭筒之间的间隙太小而不能形成外壳，这就是没有润滑剂没有外壳的直接挤压和没有润滑剂有外壳的直接挤压之间的区别。1.1.3.2.1没有润滑剂没有外壳的直接挤压(参见图1.1)在这个过程中，挤压垫和盛锭筒之间的间隙选用得不能形成外壳。由于棒和盛锭筒之间的壁面摩擦，取决于摩擦的数量级与棒的热状态，棒在盛锭筒中这样移动而棒的外壳被阻滞在其后，这样造成了棒的中心或多或少的流动到前面。这可能阻止了棒的外壳流进前面模具正在成型的变形区。这种效果应用在轻金属的挤压中。例如，取决于部件形状与盛锭筒和产品截面之间比率，具有持续表面的棒能够用这种方式挤到某一个长度而棒的外表面层不流进挤压产品中，仍留在压余中。在这种情况下，盛锭筒壁总是被挤压材料的薄层覆盖这一事实决定了盛锭筒和棒之间的摩擦，因此严格来说，摩擦不是发生在正在成型的材料和盛锭筒本身之间，而是发生在正在成型的材料与这种材料粘附在盛锭筒的层之间，因此应当被认为是剪切加工。1.1.3.2.2没有润滑剂有外壳的直接挤压图1.3：没有润滑剂有外壳的直接挤压原理为了保证被污染或氧化的棒外表面不流进挤压产品中，挤压同时形成了外壳。在这种方式中盛锭筒壁和挤压垫之间的间隙被选得大到足以使棒的外表面仍然粘附在盛锭筒上，使仅有棒的内部挤压到形成产品。它的缺点是之后必须清理这个外壳。1.1.4间接挤压图1.4：没有润滑剂没有外壳的间接挤压原理如图1.4所示，间接挤压和直接挤压一样，棒先在盛锭筒中镦粗。在这种方式中，一个短的终端杆密封了盛锭筒的一端，而在另一端的挤压模具，用固定的中空杆支撑，向盛锭筒内移动。在挤压过程中，棒和盛锭筒一起移动，之间没有相对运动。相对运动只发生在盛锭筒和模具之间。但是，模具和盛锭筒之间的摩擦在大多数情况下小到几乎可以忽略。因为棒和盛锭筒之间没有相对运动，也就不存在摩擦，这是直接挤压与间接挤压的本质差别。间接挤压的显著特点是棒和盛锭筒之间不存在摩擦。这种加工的特点是运用中空杆，同时也是它的缺点。在一个单一型材的挤压中，挤压产品条必须通过的中空杆的内部，限制了挤压部件的外接圆尺寸。图1.5：部件圆直径的定义，外接圆的直径在大多数情况下，产品条必须引导在石墨筒中通过中空杆以避免损伤表面。因为在间接挤压过程中中空杆的负荷在挤压负荷中表现为反作用力，并且中空杆的外直径必须小于盛锭筒直径，中空杆的内腔不能任意做大，而必须在负荷、中空杆材料的允许压力和受盛锭筒内腔限制的中空杆的外直径的数据基础上计算。1.1.4.1有润滑剂的间接挤压图1.6：有润滑剂的间接挤压原理在有润滑剂的间接挤压中，如同直接挤压一样，棒在引入到盛锭筒时用润滑剂包围。虽然在间接挤压中不可能再减少棒与盛锭筒之间的摩擦因为这摩擦不存在，但如果装载的棒润滑过并使用圆锥形的模具，可以减小模具和正在成型的材料及模具与盛锭筒之间的摩擦。适当设计的模具和终端杆、正确选择润滑剂(通常选用高粘度的)，在模具进口会形成润滑剂软垫，润滑剂还可以从这里流入模具与盛锭筒之间的缝隙。如果包含密封圈，这个过程就描绘了向流体静力挤压的平滑过渡。所有间接挤压的共同之处是，在有润滑剂的间接挤压中，棒和盛锭筒之间没有摩擦(类似于摩擦系数=0的情况)。但是，在模具和成型材料、模具和盛锭筒壁之间存在混合摩擦。对于冷挤压独特的是，使用润滑剂的间接挤压似乎是优点，因为它在原则上允许几乎所有的流体静力挤压的选择，并且因为挤压压力设计为间接热挤压轻或重金属，通过适当的加工，也能够用于那样的过程。1.1.4.2没有润滑剂的间接挤压在间接挤压中没有棒与盛锭筒之间的摩擦需要克服。这种挤压方法因此被用于以下情况：在间接挤压中，总挤压负荷会随用于克服棒与盛锭筒之间摩擦的力增加很多，以致与盛锭筒截面积相关的挤压负荷或总挤压负荷会太多限制挤压加工，与/或摩擦产生的热会对挤压速度和/或产品质量产生极其不利的影响。如同在没有润滑剂的直接挤压一样，在没有润滑剂的间接挤压中，也有产生外壳和不产生外壳的区别。但是应该指出，在有外壳的间接挤压中，外壳实际上是盛锭筒与模具外导流表面之间的二次挤压产品。取决于模具外导流表面与盛锭筒壁之间的间隙是否允许外壳形成，区分了没有润滑剂而有外壳的间接挤压和没有润滑剂也没有外壳的间接挤压。1.1.4.2.1没有润滑剂没有外壳的间接挤压(参见图1.4)在这种加工中，模具与盛锭筒之间的间隙做得比较小，使得一方面用于克服模具与盛锭筒之间摩擦的力相比于成型负荷小得可以忽略，另一方面没有外壳在模具与盛锭筒之间形成。与没有润滑剂和没有外壳的直接挤压中一样，没有润滑剂也没有外壳的间接挤压，例如在铝合金挤压中，挤压材料的薄层覆盖在盛锭筒壁上。但是在这种情况下，棒的外表面层会流入到挤压产品中去，因为与直接挤压不同，外表面层并没有被棒表面的摩擦阻滞在后面。因此，使用的棒必须被车削去除表皮，或必须拥有特别好的连续质量。1.1.4.2.2没有润滑剂有外壳的间接挤压图1.7：没有润滑剂有外壳的间接挤压原理这种加工的优点在于即使铝棒表面层被污染或氧化也可以挤压。在没有润滑剂有外壳的间接挤压中，模具与盛锭筒之间的间隙选择得大到足以让铝棒的外表皮仍然粘在盛锭筒壁上成为外壳。因为这种外壳在模具与盛锭筒之间形成，间隙必须足够大以便允许越过整个圆周和挤压路径形成完整封闭的外壳，并因此仍粘附在盛锭筒壁上。这种方法的缺点在于，与没有润滑剂有外壳的直接挤压一样，外壳必须随后清除。1.1.5流体静力挤压图1.8流体静力挤压原理在流体静力挤压中，盛锭筒中的棒被压力媒介包围，也叫做流体静力媒介。盛锭筒的空间用挤压杆和模具封闭，所以当挤压杆向前移动时，流体静力媒介被压缩而形成挤压压力，而不是挤压杆与棒的直接接触。在挤压时间里，挤压杆本身也不接触棒。因此，棒向模具流动的速度不等于挤压杆的速度，而与流体静力媒介的位移成比例(比较6)。这种加工的一个重要特征是，当流体静力媒介被压缩到挤压压力时，棒必须与模具密封盛锭筒空间，否则就没有足够的压力挤压。也因此，圆锥形模具和仔细削尖的棒是这种加工的前提。使用适当设计的圆锥形模具，可以从外部得到流体静压力的支持，使其超过从将要成型的材料内部作用的径向压力，在盛锭筒中占主要地位。因为棒不接触盛锭筒壁，取而代之的是流体静力媒介处在棒和盛锭筒之间，只有小得可以忽略的流动摩擦在棒的表面作用。只有成型材料与模具之间的摩擦大到影响成型加工。如果流体静力媒介有足够好的润滑性能，棒就不需要再单独润滑，否则必须使用润滑的棒。原则上流体静力挤压能够用于热挤压和冷挤压。但在热挤压中，必须记住密封系统和流体静力媒介，还有填充系统、排水系统、过滤系统，如果需要还有流体媒介冷却系统，都会暴露在提升了的温度中。更进一步的是，在每个挤压情形中保持棒周围的流体静力媒介在挤压要求的温度似乎是很难的。然而，在大多数产品的热挤压中，工具与棒周围媒介在整个挤压过程中的精确温度控制是必要的。因此，流体静力挤压当然被认为是主要的冷挤压方法。这种方法与生俱来的困难就是避免粘滑现象和全部喷出。流体静力挤压的显著特点就是棒表面作用的流体摩擦可以被忽略。1.1.6流体膜加工图1.9：流体膜挤压原理流体膜加工，也称为“厚膜”加工，是从流体静力挤压中派生发展得到的。在流体膜加工中，流体静力媒介的量被保持得足够小，以便允许挤压杆在挤压过程中接触到棒。因此，一方面发生打滑现象的风险减少了，另一方面在这个过程中，棒朝模具移动的速度几乎与挤压杆速度相同，所以挤压过程能够在任何时间通过停止挤压杆运动来中止，通常就排除了全部喷出的危险。因为棒和盛锭筒之间仅通过流体“膜”隔开，模具可以依靠盛锭筒自行支撑。如同流体静力挤压，棒可以用单独的润滑剂包围。与流体静力挤压的关键区别在于加工顺序，在这种情形下在棒加入挤压机前用润滑剂包围成为可能，而流体静力媒介在大气压力下是固体，在挤压压力下成为粘性的。所以，在这种方法中没有必要为流体静力媒介建立系统，如抽吸泵，过滤器，冷却器等。这种加工也主要用于冷挤压，虽然因为它加工顺序较为简单，流体静力媒介的量也较少，所以似乎比流体静力挤压更适合热挤压。1.2材料流动研究1.2.1矢量塑性图1.10：用栅格分析(矢量塑性)研究挤压棒的材料流动的准备图1.11：从扭曲的栅格线中测定速度区在轴对称的挤压中，材料的流动可以用矢量塑性的方法，在棒的纵向平分和用栅格标记的帮助下来研究。(图1.10)在这种方法中，沿棒的中心线所在的平面剖开。棒的一半用矩形通常是正方形的栅格标记。然后用分开的中介(也就是说，油或石墨)涂在棒上，这两半一起作为一个铝棒挤压。为此，一个相对小的元素如一个栅格间距被选用来做对比。通过比较成型步骤或几个这样的步骤(“时期”)前后的栅格，可能可以推论出材料流动是否“类似平稳的状态”，是否存在“死区”(也就是说，没有被卷入材料流动中的批量)，哪一块区域形成实际的(基础的)变形区域，那种变形是模具与成型材料之间摩擦的主要成因。除了这些定性的评估外，在成型过程中个体量的元素的测定也能量化。(图1.11)在成型步骤S0之后，根据挤压杆速度VST用时间t=VST/S0，栅格点A移动到点B，B移动到C，C移动到D。A、B、C、D在一条“路径线”上。在类似平稳状态的成型中这条“路径线”就是一个“流动管”。在小的成型步骤中，从H点到J点的线性关系给出了当时速度测量的数值和方向。检测出 “平均”速度Vm的点M位于HJ连接线的中点。如果这个过程被线路网络中的所有点重复，加工过程中近似的速度区就被测量出来了。1.2.2挤压中的材料流动经过以上的大致介绍后，可以讨论在不同挤压过程中的材料流动了。1.2.2.1冷挤压中的材料流动图1.12和1.13展示了用润滑剂和圆锥形模具的冷间接挤压过程中的时段。图1.12：用润滑剂的冷间接挤压过程中的时段(材料AL99.5，模具孔径角2=60，盛锭筒直径85mm，润滑剂：Shell Barbatia 油脂4，总挤压比Vges=20)在用润滑剂和圆锥形模具的冷直接挤压中，相同实验条件下检测到相似的材料流动图片。流体静力挤压的材料流动节奏也了解到是同类的。但是应该指出，在直接挤压中，因为棒与盛锭筒之间的摩擦尤其是如果润滑剂薄膜局部破裂，情形可能会不同。但这样的效果通常不能通过矢量塑性研究展示出来，因为这种方法不足以精确描述它。对于使用润滑剂和圆锥形模具的直接、间接和流体静力挤压，可以总结出以下几点：-材料流动的矢量塑性研究展示不出他们之间的差别。-模具进口和出口平面界定了变形区域的假定，似乎可适用于模具孔径角至少可高达2=90，对于2=120只是部分适用，因为在这种情况下变形区在进口平面之前已经开始形成。-在直接挤压中，棒与盛锭筒之间润滑剂膜可能发生局部破坏，这会导致轴对称材料流动的混乱。但是，这种现象并不能用矢量塑性的方法检测出来。图1.13：用润滑剂的冷直接挤压过程中的时段(材料AL99.5，模具孔径角2=6090120，盛锭筒直径85mm，润滑剂：Shell Barbatia 油脂4，总挤压比Vges=20，铝棒初始长度350mm+尖端)1.2.2.2热挤压过程中的材料流动图1.14：直接挤压中流动种类（Drrschnabel所区分）图1.15：挤压过程结束时有缩尾危险的C类材料流动原理示意图如W.Drrschnabel建立的学说，热挤压中的材料流动能分为四个基本种类。这些展示在图1.14中，能够总结出以下几点：S类流以棒和盛锭筒、棒和模具面之间摩擦小到可以忽略，以及棒材料中不形成剪切区的假定为基础。根据这些假定，如果棒的材料是均质过的，棒的表面就会成为产品条的表面。S类流是纯理论的，在实际中从来没有遇见。A类流发生在棒的材料是均质过的，棒和盛锭筒之间的摩擦小，但在棒与模具面之间有可以感觉的摩擦。它的特点是模具前形成一个“死区”，死区与棒之间形成一个窄的“剪切区”。剪切区形成一种“漏斗”界定了“基础变形区”。漏斗区外的棒区都不受成型影响。棒表面的材料块可以通过剪切区流到产品条的表皮区。B类流发生在棒的材料是均质过的，棒和盛锭筒、棒与模具面之间都有可以感觉的摩擦。棒和盛锭筒之间的摩擦相对其内部阻滞了棒的外层。死区比A类流更为显著。因此，变形区占据了更多的棒。C类流发生在摩擦情形与B类相同时，但不同的是，棒材是没有均质过的。这种情况下棒的外表面区的流动应力大大超过其内部，因为外表面被冷却得比其内部温度低。盛锭筒的温度比刚装入的棒温度低很多，所以棒的外表区总是受到很大程度的冷却。对某些材料(如-黄铜)这种外皮的降温甚至会导致相变，如棒的里面是黄铜(bcc 结构)而外皮是黄铜(fcc结构)。有较高屈服强度的组成材料的棒外皮，落在棒的核心后面，镦粗在挤压垫的前面，再继续挤压时转向棒的内部，然后进入产品条的中心，在产品条的外表皮下结束。这种“材料流动”产生了“第二变形区域”，导致了称为“缩尾”的挤压缺陷。为了避免缩尾，必须限制棒的长度。(参见图1.15)1.2.2.2.1直接热挤压过程中的材料流动图1.16展示了在AlMg3没有润滑剂没有外壳的直接热挤压中典型的B类流挤压时段。显然由于棒和盛锭筒之间的摩擦，棒的外表皮区被阻滞并且因此棒的核心流在前面。棒和盛锭筒摩擦的效果是没有几何上精确边界的变形区在模具前形成。变形区只能用没有参与材料流动的模具前棒块单元(“死区”)和棒的内部之间的厚的剪切区大致进行几何划分。在没有外壳的直接热挤压中，剪切区界定了“死区”，使其成为孔径角290的漏斗形状。这个角度决定于总挤压比、挤压时段和棒与盛锭筒之间摩擦的大小。总之，对没有润滑剂的直接挤压关于材料流动可以总结如下：S类流是纯理论的，从没有在实际中发生过。A类流假设邦与盛锭筒之间的摩擦低，这在没有润滑的挤压中很少发生。它可能在例如铅或铜合金的挤压中发生，但是即使这样也需要满足一些特定条件，如相当光滑的棒的表面与刚清洁过的盛锭筒。图1.16：在AlMg3没有润滑剂的直接热挤压中的时段(左边：有外壳，右边：没有外壳)；(盛锭筒直径=140mm，总挤压比Vges=50，初始棒长度=450mm，棒装入温度=盛锭筒温度=450)对没有润滑剂和用平模的直接挤压最重要的两类流是B类和C类，它们的界限不是很明显。它们在轻金属和重金属的挤压中都会发生，如图1.17所示，特征总结如下：-模具前形成一个“死区”-一个实际的变形区-在此后称为“基础变形区”-不能清晰的划定界限。它可以看作是划定“死区”界限的剪切区的内容。在轴对称的挤压中，它是漏斗形的。-表皮被摩擦影响。由于棒与盛锭筒之间的摩擦，棒的外表皮承受了剪切成型。-由棒和盛锭筒之间摩擦引起棒的外表皮反向流动，导致棒的尾端形成一个“第二变形区”。在挤压过程结束之前材料能从这个区流到变形区，导致“缩尾”挤压缺陷。-棒的中心很大程度上不被提到的其他区域影响。图1.17：轻金属直接挤压过程中棒的区域示意图1.2.2.2.2间接热挤压中的材料流动图1.18：没有润滑剂的AlMg3的挤压的时段；Vges=50，初始棒长=500mm，盛锭筒直径=140mm图1.18展示了用栅格标记的AlMg3棒在没有使用润滑剂也没有外壳的热间接挤压中从平模中挤出之后的时段。从图中栅格扭曲可以看出，成型的材料在模具前镦粗，并不沿着模具表面流入模具孔。因此，靠着模具表面的棒块元素并不沿着模具表面流动，在模具和棒之间没有摩擦。所以，在使用平模的热间接挤压中，模具表面的正前方有一层仅几毫米厚的挤压材料层并不流入到产品条中，可以称为“死区”。在这个死区之上形成的变形区被精确的划定了的界限，如同后面将说明的一样，并不受各自棒长respective billet length的影响。图1.18也显示出由于没有棒和盛锭筒之间的摩擦，没有形成其他任何区域。栅格的扭曲显示在没有外壳的热间接挤压中，棒的外表皮通过变形区流到产品的外表面。这引起了没有外壳的间接挤压的一个问题：要么挤压必须使用适当表面的棒，例如车削剥皮的棒，棒的外表皮流入产品条就是可以接受的；要么就必须产生外壳。为此，模具外直径和盛锭筒直径之间的缝隙，模具外导流长度，必须选用得使棒的外表皮不能流进变形区，而作为外壳仍粘附在盛锭筒壁上。这些实际上相当于到了第二模具孔。这种方法的不便之处在于外壳必须在随后清除。图1.19：CuZn棒没有润滑剂的间接挤压的时段；盛锭筒直径=110mm图1.19描述了CuZn42棒挤压中的三个时段，显示了在各种情况中变形区的几何形状不受棒的长度影响。在整个挤压过程中材料流动的恒定状态中排除了产品缺陷如“缩尾”，因此在这种情况下棒的长度没有限制。在没有润滑剂、没有外壳和使用平模的热间接挤压中，材料流动如图1.20所示。图1.20：没有外壳的热间接挤压中棒的区域示意图以上说明的目的是显示与材料流动相关的个别挤压方法中的主要差别。在本文中必须注意加工条件，整个棒从内到外的温度，盛锭筒的径向和纵向温度，挤压比，模具几何结构和挤压速度都会影响材料流动。此外，任何没有均质过的棒结构也会有影响。1.3直接、间接、流体静力挤压中的轴向力检测1.3.1介绍在以下部分，首先将讨论个别挤压过程中轴向力的变化。对挤压来说，应力和动力的理论探究是建立在称为一阶成形理论的基础上的。最挤压加工来说，目标是提供在通常条件下对应力和动力的常用处理方法。当情况并非如此，也就说，当特殊情况必须被考虑时，将会用清楚的界限划分各种加工并说明清楚其区别。1.3.2直接挤压中的轴向力对直接挤压先介绍以下术语：力Fst是挤压杆施加在挤压垫上的轴向力。摩擦力RBI/A是在盛锭筒中移动棒需要的轴向力。模具力FM是模具表面材料成型时作用的轴向力。不考虑挤压垫和盛锭筒之间的摩擦、成型材料和模具之间的摩擦，对直接挤压总的挤压力Fges=Fst=FM+RBI/A (1)a检测作用在模具上的轴向力FMb检测作用在盛锭筒上的轴向力FAc检测作用在挤压杆上的总轴向力Fst图1.21：检测直接挤压过程中的轴向力换句话说，挤压杆的力由两部分组成，一个用于克服棒与盛锭筒之间的摩擦，另一个用于在变形区形成材料。如果模具在盛锭筒中被柱形引导，并且盛锭筒靠着反向压板用桩木来支撑，测压元件就能用于测量轴向力Fst，FM和FA。(图1.21)作用在盛锭筒上的轴向力FA由以下摩擦力组成：克服挤压垫和盛锭筒之间摩擦及模具和盛锭筒之间摩擦的力，还有变形区的摩擦接触力。如果不考虑这些相对较小的力，那么FARBI/A (2)1.3.2.1使用润滑剂的直接挤压过程中的轴向力图1.22：使用润滑剂的直接挤压过程中，挤压杆一次行程中轴向力FM、FA和Fst的变化示意图；棒的装载温度B=盛锭筒温度A20在这个过程中，如果FM、FA和Fst都在用圆锥形模具并且棒的装载温度B等于盛锭筒温度A的冷挤压条件下测量，那么-在经过挤压开始时的一个最大值之后，力FM在挤压杆的整个行程中都保持不变。-力FA在挤压开始时最大，然后随着棒行程的增加而递减，遵循e函数。-力Fst是FM和FA之和。测量的轴向力变化大体上可以用图1.22描述。1.3.2.2没有润滑剂的直接挤压中的轴向力图1.23：轻金属热直接挤压过程中，挤压杆一次行程中轴向力FM、FA和Fst的变化示意图这种方法用于热挤压。基本上，可以区分为两种极端的情形：情形1：-棒的装载温度B在整个棒中均衡。-盛锭筒温度A在整个盛锭筒长度中大致均衡。-直接挤压中模具和挤压垫温度大致与盛锭筒温度相同。-均衡的挤压杆速度-棒装载温度B=盛锭筒温度A情形2：-与情形1相同，但是A比B低得多图1.23展示出FM+FA=Fst。如果主缸中的压强乘以活塞截面积，这个力会比挤压杆的力Fst高大约10%因为存在活塞密封摩擦，也就是说：PHzA活塞1.1Fst在挤压工厂中PHz的检测相对容易，因此在文献中通常作为挤压杆行程的函数来展示。作用在模具上的轴向力FM在经过挤压初始阶段的最大值之后一直减少，直到经过仅比s=l0之前几毫米时的最小值，然后又开始增大。作用在模具上的力FM的这种变化，对没有润滑剂、使用平模的、BA(情形1)轻金属热直接挤压来说是典型代表。棒块单元流进变形区时温度越来越高，因为作用在棒的各截面用于克服在盛锭筒壁上摩擦的摩擦功的缘故，各截面的温度增加了。摩擦路径越长，棒的截面增加的温度就越需要考虑。随着挤压杆行程的增加，进入变形区的棒单元温度也增加。由于将成型的材料的流动应力随温度的增加而减小，上述的棒单元在模具中需要的轴向挤压力减小，所以力FM也减小。摩擦热的一部分通过盛锭筒传导并散失，盛锭筒的温度同样影响在一行程中的FM的变化。因此，在挤压过程中从变形区传导到盛锭筒的热提高了紧靠变形区的盛锭筒壁的温度，使其不断增加。这些紧靠变形区的盛锭筒壁温度越高，能够从变形区吸收的热量就越少。这更加强了棒和盛锭筒之间摩擦对FM减小的影响。另外，模具和模座各自的温度，类似于紧靠变形区的盛锭筒，也有影响。但是，随行程增加而轴向力FM减小的主要原因似乎是在盛锭筒内位移过程中流入到棒本身中的那一部分摩擦热的影响。如果进入变形区的棒块单元的温度能够保持一致，那么一旦轴向力FM经过表现出挤压开始时不平稳状态的成型加工的此力的最大值，它在挤压杆的行程中仍会保持大体均衡。因此似乎应当在不平稳状态成型过程结束时考虑一个行程s*。那么有ss*，成型条件仍然是足够精确的类似平稳状态，力FM(s*)=。如果根据(1)，s*=(2.52.6)D0/6，那么如图1.23所示，力FM=f(s)的变化的特征可以用以下力来描述： 在挤压开始时的最大值，和挤压结束时的最小值FM min。更进一步的，从图1.23可以看出，轴向力FA能用经验确定的以下函数表述：FA=m(x-x1)+ Fab (4)斜率由力的行程曲线确定： (5)而Fab描述了挤压结束时的残余力。在s=l0-x1时，力FA采取不变的Fab值。这个力Fab由以下各力成分组成：a) 克服挤压垫与盛锭筒之间摩擦的反作用力。b) 使正在变形区中的棒块元素成型需要的小部分轴向力，通过变形区和盛锭筒之间摩擦接触的作用变成Fab中的反作用力。c) 作用在模具上的小部分轴向力，作用在模具和盛锭筒之间，也成为Fab的一部分。如果FM和FA加在一起，就说明了图1.23原理中展示的一个行程中挤压杆的力Fst的变化。在挤压过程中的挤压杆的最大力Fst max：Fst max=+FA max (7)至于情形2(盛锭筒温度比棒装入温度低很多)，可以说决定于挤压速度，也就是说，各棒区在盛锭筒中的停留时间，也决定于棒到盛锭筒的热传递，而这个热传递能够或多或少被棒表面氧化层的厚度、挤压中棒的截面发生的某些冷却等因素影响。冷却效果被棒和盛锭筒之间摩擦产生的热抵消了，如果冷却占据了主导地位，那么在挤压中FM增加。1.3.3间接挤压中的轴向力在这个过程中，如果不考虑模具与盛锭筒之间的摩擦，终端杆施加在棒和盛锭筒上的轴向力FVSt与总挤压力Fges相等，FVSt也与作用在模具上的轴向力FM相等，因此也等于作用在中空杆上的反作用力FHSt：Fges=FVSt=FM=FHSt (8)图1.24展示出检测这些力的测量技术。a检测作用在中空杆上的总轴向力FHStb检测作用在终端杆上的总轴向力FVSt图1.24：间接挤压过程中轴向力的测定1.3.3.1有润滑剂的间接挤压中的轴向力对于使用润滑剂的冷间接挤压，可以认为棒的装载温度B无条件的等于盛锭筒温度A，而且如果使用圆锥形模具，一旦力FM经过挤压开始时的最大值，它在终端杆的整个行程中就保持不变。图1.25从原理上说明了在终端杆的行程s中的FVSt=FM=FHSt的变化。图1.25：在使用润滑剂的冷间接挤压，终端杆的一个行程s中的FVSt=FM=FHSt的变化示意图。1.3.3.2没有润滑剂的热间接挤压的轴向力对于没有任何润滑剂的间接挤压，图1.26从原理上说明了终端杆的行程s中终端杆的力FVSt。可以看到它一旦经过挤压开始的最大值，如果B=A，那么力FVSt保持不变，如果BA，就会增加。一旦经过挤压开始的最大值，FM=f(s)曲线的下跌仅由流进变形区将成型的材料的温度引起。如果棒块和盛锭筒壁的温度维持恒定，力FVSt在A=B的行程中的变化与使用润滑剂的冷间接挤压特征相同。图1.26：没有润滑剂的热间接挤压中，在终端杆的一个行程中，FVSt的变化示意图当棒的装载温度B比盛锭筒温度A高时，图1.26展示了挤压进行的过程中挤压力的增加，因为热可以从棒流入到盛锭筒，并且随着温度增加，流体应力和挤压力也增加。1.3.4流体静力挤压中的轴向力和流体静压力因为在原则上只涉及轴向力，以下考虑也可以适用于流体膜挤压。但是应当指出，流体静力挤压中的挤压杆速度并不等于棒进入变形区的速度。因为挤压杆象一个“活塞”，压缩流体静力媒介以获得挤压需要的流体静压力。流体静压力等于挤压杆的力划分到挤压杆的截面积上： (9)前提条件是挤压杆密封圈上的摩擦损失可以忽略不计。在文献中报告的流体静力挤压的压力通常是在盛锭筒中测量的。由此类推，在这部分中，整个挤压杆行程路径中的流体静压力的变化也会取代轴向力来讨论。当压力p被划分为挤压杆行程的函数，显然流体静力媒介必然首先被压缩。这决定了压力的特征线作为挤压行程的的函数随其增加，并与流体静力媒介的可压缩性和量，以及流体静力系统的弹性、模具、挤压结构有关。这个线的斜率越大，挤压时的流体静力媒介的量越小，且/或上述媒介的可压缩性越低。一旦必须的“起始压力”达到了，真正的成型过程就开始了。然后这个压力就下降到一个不变的值，表现出类平稳状态成型过程的特征。图1.27展示了不同流体静力媒介和棒润滑条件下，作为挤压杆行程函数的流体静力p的变化。上端的曲线显示出打滑行为。这种现象可以如下解释：如果在类平稳状态的挤压过程中，起始压力比需要的压力大得多，那么在成型材料与模具之间的摩擦从静摩擦向动摩擦转变的过程中，棒被加速太多，以致流体静力媒介中的压力减小了。除非足够快的复原这个压力，但这是不可能的，因此压力会下降到以下，挤压就停止了。然后在重新挤压到后，这个过程还会重复。因为棒和模具之间摩擦，压力和都受流体静力媒介的润滑作用影响。如果流体静力媒介的润滑效果不够，可以增加润滑添加剂(如MoS2或石墨)或将棒装入挤压机之前单独润滑。在这种关系中，图1.27显示摩擦条件的改变可以减小起始压力15%，5%，如果不考虑显示明显的打滑现象的最高曲线。对于流体静力挤压和流体膜挤压，图1.28显示了作为挤压杆行程的函数的流体静压力p的典型变化，并显示了挤压杆的力Fst在某种意义上类似于p变化。流体膜挤压的唯一不同是因为流体静力媒介的量少得多，压力增加和减小的线更陡峭。图1.28：在流体静力挤压整个挤压杆行程w和整个棒行程s过程中，轴向力FSt、FM和流体静压力p的示意图1.4直接和间接挤压中的应力和动力1.4.1介绍在如下部分，在成型工艺主要理论的基础上提出了一个计算模型，它能帮助计算挤压过程中的应力与动力。这个模型提供了对很多种情形的简单计算基础，但它对工艺成型过程足够精确，它不仅可以测量力学，还可以通过计算得到工具的负荷。另外，这种计算模型可以平等对待具有共同成型机制范围内的挤压过程，而突出、分别检测、比较不同成型工艺的区别。因此，在第一个例子中，以下考虑并不涉及任何独特的挤压过程。为了描述变形区中发生的过程，首先将考虑使用圆锥形挤压模具、产品断面为圆型的挤压。1.4.2圆锥形模具中的几何、运动学、变形和变形比模具和成型材料之间的接触区域图1.29：通过圆锥形模具的挤压中变形区的几何与cinematic情形如图1.29所示，模具的锥形部分长度lu描述为： (10)在这里，DE是进入模具中棒的直径。在直接和间接挤压中，这个直径都可以都可以认为等于盛锭筒直径。DA是产品条的出口直径，等于模具孔直径。模具的半孔径角记作。进入到模具中直径为DE的棒在经过模具长为lu的部分后减小到产品条的直径DA。在lu范围内，各直径D=f(x)描述为：D(x)=DA+2xtan (11)根据圆盘模型的成型基础理论，一个位于x=lu处，厚度为dx的抽象的圆盘元素用轴向速度uE进入变形区。在位置x处，它的速度变为u(x)，并且初始位置在x=0处它的速度是uA。为了满足连续性条件：AEuE=A(x)u(x)=AAuA (12)为了描述变形，在变形工艺中最常见的是选择被称为“真正的应变”的对数变形。作为对照，在挤压中通常说的是挤压比。挤压比的定义是模具进口截面积与模具出口截面积的比率。为了以下讨论，似乎应当定义一个特定的挤压比V(x)，就是模具进口面积AE与位置x处的截面积A(x)的比例： (13)另外，总挤压比Vges是模具进口截面积AE与模具出口截面积AA之间的比率： (14)对数原理成型是三种对数成型中数量最大的：log.纵向成型 log.径向成型 log.切线成型 为了满足力守恒的要求：因为，主要成型的必然是。关于(13)，挤压比与对数主要成型之间的关系表示为： (15)和 (16)为了在理论上描述在变形区中的过程，必须知道主要的变形比，也就是说，主要变形随时间的变化。根据(1,19)能够从以下式中计算： (17)从等式(17)可以得到整个变形区的总体平均值：平均主要变形率： (18)从文献(20,21,22,23)由P.Feltham对使用平模的热直接挤压的计算已经得出： (19)这个计算假定形成45度的剪切区，它封住变形区使其像一个圆锥形模具。这个计算的一般化公式： (20)如果等式(18)和(20)中的与比例相关，图1.30展示出等式(20)给出的值必然低于等式(18)。图1.30：使用等式(18)和(20)计算的主要变形率对挤压比的值1.4.3作用在模具进口平面的轴向压缩应力检测根据Siebel(24)的理论，对于一个理想的成型系统，作用在模具进口平面的压缩应力是： (21)在这里，是目前在变形区中的所有成型材料的平均流动应力。理想的是理论上的“没有损失”变形的压力，因此称之为“理想变形”。在成型工艺的主要理论中，“损失”是指需要做的功，以便克服成型材料与模具接触面之间的摩擦，并改变成型元素块的形状形成概念上的“圆盘”。后者称之为“剪切损失”。理想压力不考虑损失，因此描述了在理想状况下，在模具入口平面上所需的最小压缩应力。如果考虑模具壁上的摩擦，那么根据H.Lippmann(25)的理论但使用不同的符号得出： (22)其中 (23)而是整个接触区的平均摩擦系数。等式(22)包含描绘模具壁与将成型材料之间摩擦的轴向压缩应力部分。因此： (24)如果一个摩擦因子CR定义为摩擦部分和理想压力之间的比例，也就是说这个摩擦因子： (25)那么在模具入口平面的轴向压缩应力： (26)而且考虑到等式(21)到(25)，计算得到CR： (27)如果除了摩擦之外，还允许考虑“