塑性成型工艺(09挤压与拉拔)

1、塑料成型工艺(挤压和拉丝)，教材：金属塑料加工-挤压，拉丝和管道冷轧课程：09材料控制本讲座教师：张宏云，1挤压概述主要内容：挤压的基本概念；优缺点和适用范围；挤压基本方法和特性；挤压技术的发展。重点：挤压的基本方法和特性。重要概念：正向挤压，反向挤压目的和要求：明确挤压的概念，优缺点；挤压技术发展和中国挤压工业发展；掌握正挤压、反挤压概念、特点。1.1挤压的优点和缺点以及应用范围1.1.1挤压的定义所谓挤压是通过在容器(挤压管)内放置的金属坯料的一端施加外力，强制从特定模具孔中退出，以获得所需横截面形状和大小的产品的塑料成型方法。基本原理如图1-1所示。图1-1挤压的基本原理图，1.1.2挤

2、压生产的优缺点：(1)最强的三向压缩应力状态；(2)生产范围广，产品规格多，品种多；(3)适用于少量生产的大生产灵活性；(4)产品尺寸高精度，表面质量好；(5)设备投资少，厂房面积小。(6)轻松实现自动生产。缺点：(1)几何废物损失；(2)金属流动不均。(3)挤压速度低，辅助时间长；(4)工具损失大，费用高。1.1.3挤压生产的适用范围(1)很大，大量小批量；(2)复杂截面，超薄，超高，不对称；(3)低塑性，脆性材料。1.2挤压的基本方法和特性挤压的方法可以根据几十个不同的特性进行分类(参见表1-1)。最常用的方法有6种：正向挤压、反向挤压、侧面挤压、连续挤压、玻璃润滑挤压和静压挤压(请参见图

3、1-2)。最基本的方法仍然是正向挤压(正向挤压)和反向挤压(简单地取消挤压)。表1-1挤压方法分类，图1-2行业常用挤压方法，定义了1.2.1正向挤压方法：金属流动方向与挤压杆(挤压轴)的运动方向相同的挤压生产方法。特征：变形金属和挤压的筒体壁之间存在相对运动，两者之间存在较大的滑动摩擦。引起挤压压力增加。使金属变形流动不均匀，使组织特性不均匀。挤压速度增加限制；加快工作模具的磨损。由1.2.2反向挤压方法定义：金属的流动方向与挤压杆(或模具轴)的相对运动方向相反的挤压生产方法。特征：变形金属和挤压的桶壁之间没有相对运动，两者之间没有外部摩擦。特征：小挤压压力；金属变形流是均匀的。挤压速度快。

4、但是产品表面比正挤压更糟。外部圆的大小很小。设备成本高；辅助时间长。1.3挤压技术的发展自1797年英国布朗曼发明挤压铅管设备以来，挤压技术在以下方面有了很大发展：(1)挤出机的台数和能力持续增加。目前，全球挤出机总台约为6000台，中国约为3000台。最大吨位的挤出机是360MN液压机，最大吨位的液压机是150MN挤出机。(2)自动化程度不断提高。挤出机控制已经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)加强挤压生产工艺，新的挤压技术不断出现。等温挤压、等速挤压、静压挤压、连续挤压、有效摩擦挤压、半熔融挤压、无压挤压、多毛坯挤压等。(4)品种，规格不断扩大。只有铝型材的品种约有

5、50000种。产品的单面外接圆直径像火柴棒大小一样最小，最大1000毫米；可以到达。轮廓的最小壁厚可以达到0.3至0.5mm。(5)理论研究有突破性进展。目前金属挤压常用的理论方法主要有工程近似法、滑移线法、上限法、应变法、有限元法、模拟测试法等。，主要参考资料1。谢新，刘金干。金属挤压理论与技术。北京：冶金产业报道，2001 2。王轴线，天荣章。铝合金及其加工手册(修订)。长沙：中南大学出版社，2002 3。wenjinglin。金属挤压和拉丝技术。沈阳：东北大学出版社，2003 4。魏军。有色金属挤压工厂机械设备。北京：冶金产业出版社，1988，2。挤压过程中金属变形流的主要内容：金属变形

6、流和挤压压力的变化特征；郑、反挤压过程中金属的变形流动特性、挤压产品的组织特性、挤压压力的变化；影响金属流动的因素分析。困难：挤压过程中的应力和变形分析，压缩尾产生机理，反向挤压时挤压压力变化分析，反向挤压时收缩，主轴芯组织，粗芯和粗晶环。重要概念：填充系数、挤压比、难变形区域、死区、压缩尾、主轴芯组织、粗芯、变形区域压缩锥。目的和要求：确定挤压过程的三阶段意义、挤压压力的变化。填充系数的重要性及其对产品质量的影响；挤压过程中金属的变形和流动特性；压缩尾部的概念和原因。2.1正向挤压时金属的变形流可以根据金属变形流特性和挤压压力的变化分为开始(填充)、基本(双流)和结束(湍流)挤压三个阶段(见

7、图2-1)。图2-1正向、反向挤压压力-行程曲线、2.1.1填充阶段金属的变形流2.1.1金属变形流特性金属水平流动，出现单鼓或双鼓变形(见图2-2)。其变形指数用填充系数c表示。c=F0/Fp (2-1) 2.1.1.2挤压压力的变化规律随着挤压杆的前进，压缩压力直线增加。图2-2在挤压时金属的变形，2.1.1.3金属应力分析(见图2-3)，图2-3填充挤压阶段毛坯的应力状态，在填充过程中，阻止钢坯直径增加而自由增大的主方向附加拉伸应力出现在钢坯的表面层。随着填充过程的进行，钢坯长度缩短，直径增加，中间部分首先与挤压槽壁接触，由于摩擦，在表面层中金属前进后，产生了阻碍两个空间流动的垂直附加拉

8、伸应力。2.1.1.4对挤压产品质量的影响(1)填充系数过大，容易产生产品表面淬火、气泡缺陷。(2)填充系数过大，如果中空柱不穿孔，则容易出现偏心缺陷。(3)对于具有挤压效果的铝合金，填充系数增加，挤压效果损失增加。2.1.2基本挤压阶段金属的变形和应力2.1.2.1金属变形流动特性没有横向流动。变形指数用挤压比表示。=F0/F1 (2-2) 2.1.2.2应力分布(见图2-4)(1)轴向应力L L边L到L，图2-4作用于金属上的力、应力、(2)径向，图2-5正挤压圆棒材金属流程图，(2)每条线(中间除外)发生了两次相反方向的弯曲。每条线的弯曲角度不同，外部尺寸小。(3)在挤压产品的前面，除了

9、中间一条外，其他线分别向外弯曲。挤压变形区域：连接每条线的两个拐点，形成两个曲面。两个曲面和模具孔锥形或死区界面之间包围的体积称为挤压变形区域或变形区域压缩圆锥(请参阅图2-5中的虚线)。b，水平栅格线改变(1)不改变挤压垫附近的侧线；(2)进入变形区域后，横截面线向前弯曲，越接近模具，弯曲程度越大，模具出来后不再变化；(3)模具推出后水平线的弯曲程度从前到后越来越趋于稳定。(4)水平线距离不相等，前面小，后面大，最后趋于稳定。，c，坐标栅格的变形(1)变形前为矩形，变形后为水平压缩，纵向长度为矩形或平行四边形；(2)挤压产品的中心部分几乎是矩形，边缘是平行四边形。(3)与边部分越接近，平行四

10、边形的短边和原始横档之间的角度越大。2.1.2.4困难变形区和严重变形区挤压中的困难变形区，如图2-6所示。图2-6挤压筒的金属变形区a-平模挤压；B- con模挤出，a，前困难变形区域死区(1)死区概念：在基本挤压阶段，位于挤压圆柱和模具末端相交处的金属基本上不会发生塑料变形，因此称为死区。死区的大小和形状绝对不变，如图2-7所示。在挤压过程中，死区界面中的金属与流动区金属一起逐层离开模具孔，形成产品表面，死区界面向外移动，高度减小，尺寸减小。图2-7挤压6A02合金的死区变化图-早期；、-中期；-末期，(2)死区原因：a，强三向压力应力状态，金属不易达到屈服条件；b、通过工具冷却，s增加；

11、c，摩擦阻力大。从能量学的角度来看，金属沿图2-6中的ADC表面流动所消耗的能量较少。(3)影响死区大小的因素：a，模式角模式角，死区；b、摩擦系数f摩擦系数大，死区大；c，挤压比挤压比，死区高度，但总体积减少；d、挤压温度热挤压死区，小冷挤压死区；e、挤压速度v挤压速度，小死区；f、金属变形电阻s金属变形电阻，大死区；g，当压铸模位置受到多孔压铸模挤压时，压铸模孔接近挤压管的内壁，死区减少。(4)死区作用：坯料表面的杂质、氧化物、分离物、灰尘和表面缺陷进入变形区压缩锥形，阻碍进入产品表面，从而提高产品表面质量。b、后端难变形区域的原因：挤压垫的冷却和摩擦。c，剧烈变形区域图2-8所示，变形区

12、域压缩圆锥和死区的交点处发生了模碎得很厉害的强剪切变形。这部分从模具出来后位于产品的表面层，内容物的内部结晶大小不同，外部小，内层粗，因此机械特性不均匀。热处理后容易形成粗糙的环。图2-8一次挤压杆金属流动，2.1.2.5挤压压力的变化规律随着挤压杆向前移动，金属继续从模具孔流出，挤压压力几乎直线下降。2.1.3最终挤压阶段金属的变形流如图2-9所示，挤压垫开始进入变形区域时，后端接触挤压垫的困难变形区域金属、垫片的摩擦克服，挤压压力增加。位于径向流动生成死区部分的金属也循环进入模具孔流动产品。图2-9挤压垫进入变形区域示意图后，最终挤压阶段特征：(1)金属的水平流动急剧增加，产生了循环；(2

13、)挤压压力增加；(3)生成压缩尾部。压缩尾部压缩：在挤压结束前，由于金属的径向流动和循环，钢坯表面的氧化物、润滑剂和污物、气泡、扁石榴、裂纹等缺陷进入产品内部，具有一定的断裂产品组织连续性、致密缺陷。2.1.3.1压缩尾的三种形式：中心收缩、圆形收缩、皮下收缩。(1)中心后缀2-10正向挤压条中心收缩，(2)环形后缀图2-11正向挤压产品的圆形后缀，(3)皮下后缀图2-12正向挤压产品的皮下后缀，2.1.3.2压缩后缀形成图2-13压缩后缀形成过程折叠b形密封圈；C-皮下后缀，a，中心后缀(1)管内剩馀的空位，高度小，金属处于湍流状态，径向流动速度增加。(2)将钢坯表面的氧化物、油污染等聚集在

14、钢坯的中心。(3)进入产品内部，形成中心嫁接。随着挤压过程的进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部分的不足，WIP中心尾部出现了漏斗形的空缺，即中空的尾部。b，环后缀(1)随着挤压过程的进行，挤压垫和挤压缸角部分积累的各种缺陷和污物的金属越来越多。(2)挤压末期没有充分供应中间金属，当角金属开始径向流动时，该金属部分沿着后端困难变形区域的边界进入锭的中间部分。(3)流入产品，形成圆形后缀。编织厚壁管会形成内层。c，皮下收缩(1)死区和塑性流动区界面由于严重滑动，金属被大剪切变形破坏。(2)表面层有氧化物、各种表面缺陷和污物的金属沿破坏面流出。(3)与此同时，死区金属也逐渐脱离涂成模孔的产品表

15、面，形成皮下收缩(外部分层)或皮肤。2.1.3.3减少压缩尾的措施(1)钢坯表面加工次皮。(2)热灌装挤压，如图2-14所示。图2-14挤压生产线的热脱皮图(3)图2-15所示的脱皮挤压。图2-15铜合金充填挤压图a-挤压；B-脱皮，(4)不完全挤压残余压力。(5)保持挤压垫工作面清洁，减少钢坯尾部呈辐射状流动的可能性。2.2反向挤压金属的变形流2.2.1坐标网格线的变化反向挤压坐标网格线的变化如图2-16所示。图2-16反向挤压的坐标网格改变，(1)水平网格线变形区域的网格线基本上与挤压圆柱壁垂直，直到成为模具孔。(2)垂直方向的网格线在进入变形时比正挤压弯曲得多。2.2.2变形区域和死区(

16、1)死区是接近模具端面的小死区。死区的高度约为挤压圆柱直径的1/8到1/4。(2)变形区域变形区域接近模具面，集中在模具孔附近。变形区域的高度与摩擦系数和挤压温度有关，通常小于挤压槽直径的三分之一。2.2.3金属流动反向挤压时，金属的变形仅集中在模具孔附近，挤压圆柱内部和外部的流速没有差异，金属的变形比正向挤压均匀得多。挤压末期一般不会发生金属循环现象。图2-17是正反向挤压条轴向主扩展变形的测量结果。在图中，a表示压力机长度为棒材直径的1倍，b表示2倍，c表示5倍。图2-17正反向挤压栏轴向扩展比较，(1)挤压开始时，模孔附近毛坯中心部分的变形量为正3倍以上的5.582。(2)挤压杆的长度从1d杆-2d杆5 d杆改为1.767-3.904-6.32，防挤压杆的长度为5.582-7.608-8.638。1.09/1.767-4.028/3.906-20.44/6.32中心的边缘与主扩展变形的比率；反向挤压为1.005/5.582-1.648/7.608-15.55/8.638。2.2.4反向挤压时挤压压力的变化一般认为，由于未挤压时铸锭与挤压筒之间没有摩擦，因此挤压压力大小与钢坯长度无关，挤压过程中挤压压力不变。近年来，研究表明，防挤压杆(见图2-18)随着挤压工艺的挤压压力逐渐增加。图2-1