固态成形原理讲义-挤压PPT课件.ppt

4.1概述挤压特点:4.2挤压的基本方法正挤压：,图4-1挤压的基本方法1一挤压筒；2一模子；3一挤压杆；4一锭坯；5一制品,1,横向挤压棒材1-挤压杆；2-挤压金属；3-挤压模,挤压杆为不可动的反向挤压过程,挤压杆可动的反向挤压过程,反挤压：,2,4.3挤压时金属的流动,4.3.1研究金属流动的方法(1)坐标网格法(2)低倍和高倍组织法(3)视塑性法(4)光塑性法(偏振光法)(5)云纹法,图4-2-1拉伸时的云纹示意图a-未变形格子；b-拉伸变形后的格子；c-两组格子覆盖产生的云纹,图4-2-2挤压时试件的云纹照片,3,4.3.2挤压时材料的变形特点4.3.2.1棒材挤压时的应力应变特点:,图4-3挤压时的外力、应力和变形状态图1-挤压筒；2-挤压垫片；3-填充挤压前垫片的原始位置；4-模子；P-挤压力；-填充挤压阶段；-平流阶段；-紊流阶段,4,轴对称问题，r=；r=。I区：对着模孔的区域，应力分布为lr=。,I,II,II,l在II区沿长度方向分布,r在II区沿长度方向分布,l沿横断面的分布,5,4.3.2.2棒材挤压时的金属流动(1)填充挤压阶段的变形特点,P,P,图4-4应力分布示意图,4-5填充挤压示意图a-填充挤压开始时；b-填充挤压终了时,6,(2)平流挤压阶段的变形特点特点:质点不发生交错或反向的流动，原来处于坯料中心或边缘部分的金属，在变形后仍处于挤压产品的中心或边缘。,7,沿横断面径向上，外层金属的主延伸变形比内层的大；沿纵向上制品后端的主延伸变形比前端的大。,8,挤压筒内的金属，存在两个难变形区。前端难变形区：位于挤压筒与模子交界的环形死区部位。后端难变形区：位于塑性变形区压缩锥后面的锭坯未变形部分。,图4-7正挤压时的弹性变形区a-平模挤压；b-锥形模挤压,9,形成死区原因：从能量的观点分析：从流动观点分析：,10,挤压LD2铝合金时的死区变化示意图1-挤压初期；2、3-挤压中期；4-挤压末期,11,影响死区大小的因素：（1）模角、摩擦状态：（2）挤压比：（3）温度T：（4）挤压速度v：（5）金属的强度特性及模孔位置：,12,从工艺角度分析死区的存在对制品表面质量的影响：,13,形成后端难变形区的原因：挤压垫和金属间的摩擦力的作用和冷却的结果。,14,(3)挤压终了阶段的变形特点此阶段纵向上的金属供应体积大大减小，金属在径向上的流动增大，在垫片及模子表面上的滑动也增加，外层金属沿着垫片从周边向中心作回转交错的紊乱流动，并形成了挤压缩尾。,15,1)中心缩尾,16,当锭坯逐渐被挤出模孔，未变形区变短时，后端难变形区也渐渐地变小到楔形区域7。挤压垫对金属的高压作用和冷却作用，界面产生粘结，致使后端难变形区7内的金属体积难以克服粘结力纵向补充到流速较快的内层。但是后端金属可以较容易地克服挤压垫上的摩擦阻力而产生径向流动。,17,箭头1，示出外部承受力dNt和t的作用沿难变形区2界面ab向中心流动的情况。外层金属径向流动时，将锭坯表面上常有的氧化皮、偏析瘤、杂质或油污一起带入制品中心，且彼此不能焊合，从而破坏了挤制品所应有的致密性和连续性，使制品性能低劣。,18,2)环形缩尾特点：出现在制品横断面的中间层部位，其形状呈一个完整的圆环或是部分圆环。原因：堆积在靠近挤压垫和挤压筒交界角落处的金属沿着后端难变形区的界面流向了制品的中间层。,19,3）皮下缩尾皮下缩尾出现在制品表皮内，存在一层使金属径向上不连续的缺陷。原因：挤压时，剧烈滑移区金属和死区金属之间发生断裂或形成滞流区，死区金属参与流动而包覆在制品的外面，形成分层或起皮。,图4-7-4皮下缩尾形成过程1-表面层；2-死区,20,图4-8镶填物在正挤压过程中的变化a-挤压前；b-无润滑；c-有润滑,21,(4)挤压时金属变形流动分区的假定（看书）(5)“死区”的应力应变分析“死区”形成的原因：1）凹模底部摩擦的影响，愈靠近凹模侧壁处摩擦阻力愈大，而孔口部分较小；2）热挤压时，愈靠近筒壁处，金属温度降低愈多，变形也愈困难。,22,死区金属有两种可能的情况：1)此区是以变形，该区高度减小，被压成薄状，金属被挤入凹模孔口内。,图4-9-2“死区”的应力应变简图,23,2)摩擦阻力很大或此处金属温度降低较大，此区与A区金属相比不易满足塑性条件，于是便成为真正的死区了。特点：1）在交接处发生强烈的剪切变形，并可能引起金属剪裂。2）可能由于上部金属的大量流动带着死区金属流动而形成折迭。,图4-9-3“死区”附近的金属流动和受力情况,图4-9-4折迭的形成情况,图4-9-5凹模锥角对改善金属流动的影响图,A,24,4.3.2.3其它挤压过程金属流动的特点(1)用单孔模正向挤压非园实心型材的金属流动特点：,图4-10-1单孔挤压非圆形材,25,(2)多模孔正向挤压实心断面型材时金属流动的特点,图4-10-2模孔位置对制品长度的影响,26,(3)正向挤压管材或中空型材时的金属流动特点挤压方式：挤压时的作用力：,27,金属流动特点：1)应力的变化：,图4-12用同一变形程度挤压时金属流动情况a-管材；b-棒材,28,2)管材的外表面受到轴向附加拉应力，内表面受到轴向附加压应力。由于流动均匀，附加应力值较小。3）金属的移动：与模子接触的坯料的前端面，挤压后挤到管材头部的外表面；与垫片接触的表面挤压后转移到管材尾端的内表面。,29,(4)反向挤压时金属流动的特点：特点：优点：缺点：,图4-13-1反挤压时作用于金属的力1-挤压筒；2-空心挤压杆；3-模子；4-锭坯未挤压部分；5-塑性变形区；6-挤压制品,30,图4-14挤压实验的坐标网格对比1-反挤压；2-正挤压,31,(5)横向挤压金属流动特点：先镦粗再横向挤压,图4-14-1十字接头锻件图,图4-14-2十字接头的横向挤压过程示意图,32,图4-14-2十字接头的横向挤压过程示意图,图4-14-3挤压力和张模力随工作行程变化的曲线P-挤压力；Q-张模力,图4-14-4十字接头挤压后的网格变化图,33,4.3.2.4挤压时的典型流动类型根据流动的特点，可以将它们归纳为四种基本类型。,流动模式S：只有反挤压时才能获得。流动模式A：正挤压时，如果挤压筒壁与锭坯间的摩擦极小会获得。,34,流动模式B：如果挤压筒壁和模子上的摩擦较大时会获得。流动模式C：挤压筒壁与锭坯间摩擦很大，且锭坯内外温差又很明显时会得到。,35,4.3.3影响金属流动的因素（1）金属特性本身的影响难挤压的金属流动比易挤压金属均匀，而纯金属又比合金流动要均匀些，从而不易发生挤压缩孔。,第一类型,第二类型,第一类型,第二类型,a,b,图4-15金属在挤压开始与末期两种类型的流动示意图a-易挤压的金属；b-难挤压的金属,36,(2)摩擦及润滑的影响摩擦力T和挤压力P之间关系Rs不考虑外摩擦时挤压变形所需的力，牛顿；T挤压时的总摩擦力，牛顿；在其它条件不变的情况下，Rs越大或T越小，则金属流动越均匀。润滑作用：（1）减小摩擦，使金属的流动趋于均匀；（2）防止某些粘性较大的金属粘结工具，以提高产品的表面质量。,37,（3）温度对金属流动的影响a)改变金属的性能：b)对导热性的影响：,图4-15-1紫铜与黄铜锭坯的温度、硬度径向分布规律a-温度分布；b-硬度分布,38,c)相变的影响：凡相变导致强度提高、塑性降低的，均有利于金属流动均匀，如果塑性过于降低，在热挤时会产生破断。注意选择挤压温度。例如H62黄铜：453以下+相：450800为+相：800以上时为单相：d)摩擦条件变化的影响：,39,（4）变形程度和挤压速度的影响,图4-16不同变形程度对坐标网个格变化的影响,40,图4-17挤压制品机械性能与变形程度间的关系,41,（5）工具结构与形状的影响a)模子的影响：,图4-18模角对挤压时流动的影响,42,图4-19用平模与锥形模挤压形成死区体积的示意图1-模子；2-死区；3-锭坯,43,图4-20工作带内的金属非接触变形1-金属；2-模子；3-工作带；4-非接触变形区；5-工作带入口带锐角,44,图4-20-1模孔排列对制品长度的影响a-同心圆距模子中心15mm；b-同心圆距模子中心20mm,45,b)垫片的影响：C）挤压筒的影响：,挤压铝合金壁板的扁挤压筒a-扁挤压筒；b-用扁挤压筒挤压示意图1-模子；2-锭坯；3-挤压筒；4-挤压杆；5-壁板,46,4.4挤压力的计算,4.4.1影响挤压力的诸因素（1）被挤压金属化学成份的影响碳含量：Si元素：S：P：,47,（2）变形程度的影响：（3）变形速度的影响：综合考虑挤压速度。（4）挤压温度的影响：（5）挤压工具的影响：（6）润滑情况的影响：,48,4.4.2棒材单孔挤压时的挤压力（自学1学时）根据挤压时坯料的受力情况，可将其分为四个区域，如图4-22所示。压应力n值比s要小，考虑到热挤压时的摩擦系数较大，故摩擦应力近似取为k=0.5s根据静力平衡条件：(4-6),图4-22棒材单孔挤压,图4-23定径受力情况,49,在变形区（2区）的单元体上坯料所受的应力如图4-24示。变形区（2区）与死区（4区）的分界面（即单元体的锥面）是在坯料内部由于塑性流动不同而被切开的，所以作用在该分界面上的切应力可以认为达到了极值。作用在单元体锥面上的切应力合力的水平投影为(4-7)作用在单元体锥面上的法线应力合力的水平投影为(4-8),图4-24作用在变形区单元体上的应力,50,根据静力平衡得(4-10)将近似条件代入式(4-10)并积分得（4-11）将D=Da,x=xb=代入（4-11）并与（4-11）相减得当D=Db，x=xb时，则有（4-12）在未变形区（3区），由于坯料与挤压筒间的压应力n数值很大，所以摩擦力k也取最大值。则垫片表面的挤压应力（4-13）将式（4-12）代入（4-13），则有,51,则挤压力为(4-14)式中死区角度，平模挤压时取=60，锥模挤压如果无死区，则即为模角；挤压系数，即挤压筒断面积F与产品断面积f之比，=F/f；L定挤压模工作带长度，毫米；L锭未变形区长度，其值为镦粗后的坯料长度减去变形区长度,毫米，即Da挤压模孔直径，毫米；Db挤压筒直径，毫米；s挤压坯料的变形抗力，Mpa。,52,4.4.3管材挤压的挤压力4.4.3.1固定穿孔棒挤压管材固定式穿孔棒挤压管材的挤压力计算公式推导与棒材挤压类似，只是在平衡关系中增加一项穿孔棒的摩擦力，推导步骤与前相同。（4-16）式中变形区坯料平均直径，毫米；d产品内径，毫米；Da产品外径，毫米；Db挤压筒内径，毫米；d穿孔棒棒体直径，毫米；L定挤压模定径区长度，毫米；L锭坯料未变形部分长度，毫米；延伸系数，固定穿孔棒挤压另一种方式是采用圆柱式穿孔棒，此时式（4-16)中穿孔棒棒体直径d与d相同，其他不变。,53,4.4.3.2随动穿孔棒挤压随动穿孔棒挤压管材时，坯料未变形部分与穿孔棒间没有相对运动，因此这部分摩擦力不存在，而且此时只用圆柱形穿孔棒，因而其挤压力公式为：（4-17）（4-18）,54,4.4.3.3穿孔力计算,图4-25穿孔,55,在C区与B区的分界面面上：（4-19）由前所述hd，则（4-20）在B区内：，将式（4-20）代入得：（4-21）A区与B区的分界面上，故（4-22）在A区内：，在边缘a点，将式（4-22）代入：（4-23）,56,虽然穿孔棒端面上的Z分布规律与镦粗时类似，但由于穿孔棒前面的金属柱（图4-25中虚线所示）的d/h比值很小，所以Z的分布曲线陡度很小，可以近似地用Za来取代平均单位压力，即。因此:（4-24）作用在穿孔棒侧面上的摩擦力为：（4-25）穿孔力：（4-26）,57,4.5挤压制品的组织性能及质量控制4.5.1挤压制品的组织4.5.1.1挤压制品组织的不均匀性特点：组织在其断面上与长度方向上分布都很不均匀。一般来说，沿制品长度前端晶粒粗大后端细小，沿断面径向上中心处晶粒粗大外层细小。原因：,I-中心层；II-外层,58,4.5.1.2挤压制品的粗大晶粒组织分布规律：1）沿径向分布规律：靠近挤压筒壁的部分出现较厚粗晶环，工作带摩擦阻力较大的部分具有较厚粗晶环；较厚粗晶环处的晶粒比较粗大。2）沿挤制品长度方向分布规律：头部薄尾部厚，严重情况下会在全断面上出现粗晶组织。原因：,59,4.5.1.3挤压制品的层状组织层状组织也叫片状组织。分层的断口凹凸不平并带有裂纹，各层分界面近似平行于轴线。继续压力加工或热处理均无法消除这种层状组织。它对制品纵向力学性能影响不大而使横向机械性能有所降低。层状组织的产生原因：,60,4.5.2挤压制品的机械性能4.5.2.1挤压制品机械性能的不均匀性,图4-27镁合金棒材机械性能与变形程度的关系1-外层；2-内层,61,4.5.2.2挤压效应某些工业用铝合金经过同一热处理淬火与时效后，出现挤压制品纵向上的抗拉强度要比其它压力加工(轧制，拉伸或锻造)制品的高，而延伸率较低的现象。通常将此现象称为“挤压效应”。工艺参数：1)挤压温度2)变形程度,62,4.5.3挤压制品的质量控制4.5.3.1制品断面形状与尺寸(1)型材挤压时的流动不均匀性，所导致的缺陷有拉薄、扩口等。(2)工作带过短，挤压速度和挤压比过大，可能产生工作带内的非接触变形缺陷，使制品的外形与尺寸均不规则。(3)模孔变形(4)工模具不对中或变形挤压机运动部件的磨损不均或调整不当，致使各工模具间装配不对中，都有可能导致管材偏心。,6