有色金属塑性加工

1、12有色金属塑性加工方法及加工材的构成特点,1)加工方法 板带箔材轧制 棒型材挤压 管材挤压、拉拔 线材轧制、拉拔 锻件锻压,2.2挤压时金属的流动,1）圆棒材正向挤压（典型） 挤压过程三阶段：填充挤压、稳定挤压、挤压终了 填充挤压阶段特点： a.D坯 D筒，先横向流动填充挤压筒（为什么？），少部分流出模孔 b.挤压力随挤压轴行程增加而增大,稳定挤压特点（代表挤压变形基本特征）： a.变形金属充满挤压筒，连续稳定流出模孔，金属与筒壁摩擦大 b.挤压力随挤压轴行程增加而减小 C.弹性变形、塑性变形、刚性（死区）三区（重点分析） d.变形不均匀（重点分析），内应力大,塑性变形区，弹性变形区，刚性区

2、 I1区， I2区，,紊流挤压（挤压终了）特点 a、坯料长度接近压缩锥高度 b、挤压力随挤压轴行程增加而急剧增加 c、有挤压尾缩 d、径向流动金属比重增加，变形区金属流动紊乱 问题：管材正向挤压、型材正向挤压？（作业）,反向挤压的特点： a、塑性变形区集中在模孔或出口间隙附近 b、摩擦小，变形区小，挤压力较正挤压力小 c、变形流动较均匀，缩尾与压余小 d、A-粘滞区（刚性区）,B-塑性变形区,C-弹性区 问题：复合挤压的特点？,3）影响挤压金属流动的因素 （1）摩擦与润滑的影响 摩擦 ，变形区和死区 ，金属流动不均匀性 高强材料挤压由于摩擦影响因素减低比低强材料流动均匀，润滑减小摩擦而改善变形

3、和受力 （2）温度的影响 温度 ，塑性 ，变形抗力 ，金属流动性 注意：预热模具，铝合金对模具有粘着性,（3）模具结构与形状的影响 a、模子模角 增大，流动不均匀性增加，死区高度增加，但制品表面质量好 b、挤压筒形状与制品形状相似，金属流动均匀，宽厚比大的制品不宜用圆坯 c、垫篇平、凸、凹形状的影响约有不同，一般用平垫片,（4）变形程度的影响 相同情况下，变形程度增加，变形不均匀性增加，当变形大于85%，变形趋于均匀。 原因：剪切变形深入中心部。 注意：如制品无二次变形，又有性能均匀性要求，需将变形大于85%。,（5）挤压速度的影响 a、较小变形时，速度增加，热效应可使流动性有所改善 b、较小

4、变形时，速度增加，制品产生周期性周向裂纹。原因：流动不均匀、附加应力作用大；加工硬化；高温脆性。 （6）坯料尺寸和形状的影响 a、L/d=11.5,L增加，变形不均匀性增加； L/d1.5,变形不均匀性不再增加，成品率提高； L/d1一般不用 b、坯料断面形状接近模孔中心，变形不均匀性有所改善,3)挤压比 挤压比 表征挤压变形程度，主要受模具强度和使用寿命限制（提问：其它工艺还受材料塑性、工艺参数等影响吗？）,23 挤压制品的组织与性能,1)组织特征：组织不均匀，有层状组织和粗晶环 （1）组织不均匀：中心部晶粒比外层粗大，前端晶粒比后端粗大（变形热不易逸出的铝和软铝合金热挤压相反）。为什么？（

5、剪切变形使晶粒破碎、充分再结晶使晶粒粗大）,（2）粗晶环：部分有色金属挤压制品出现外层沿主应变方向被拉长的粗大晶粒组织,产生原因：外层金属弯曲变形大，畸变大，势能高，再结晶温度降低，再结晶时晶粒急剧长大。 主要解决办法：增加Mn、Cr等能提高再结晶温度的“有益合金” 含量；采用低温挤压；使挤压筒温度高于坯料温度；适当降低淬火加热温度；附加拉应力使“有益合金” 容易析出等根据实际情况有针对性加以解决。,（3）层状组织：制品折断面呈现分层方向与轴线平行的木质状断口,产生原因：无权威解释，铸锭组织缺陷挤压时拉长？ 主要解决办法：使铸造组织均匀化,2）力学性能特征：性能不均匀，有挤压效应现象 （1）性

6、能不均匀：未热处理状态，制品内部前端强度低、延伸率高，制品外层后端强度高、延伸率低，纵向强度指标大于横向指标。 为什么？为什么变形程度大于85%后性能趋于均匀？,（2）挤压效应：部分有色金属材料的挤压制品与轧制、锻造等方法加工的制品经相同的热处理后相比，内部强度高、塑性低。 产生原因：热处理后仍保留变形织构而未再结晶。 主要解决办法：采用使其发生再结晶的办法、通过变形方式,2.4挤压力,1、各种因素对挤压力的影响 1）挤压温度、变形抗力及摩擦 2） 变形程度 3）坯料长度 如无温度降低，因摩擦力增加而 4）挤压速度 受加工硬化、热效应等多因素影响，有增有降,5）模角 金属弯曲变形与接触面大小综

7、合作用，存合理模角,2、挤压力计算 Rs克服金属变形抗力部分 Tt克服挤压筒摩擦阻力部分 Tzh克服压缩锥金属与模壁的摩擦阻力部分 Tg克服模具定径带摩擦阻力部分 C其它（反拉力、牵引力、惯性力、垫片摩擦力等）部分等效作用,模具结构设计原则、步骤 （1）上下（左右）两部分应有足够的同心度 （2）工作部分安装、拆卸方便，固定可靠 （3）装出料（坯）方便、安全、顺畅 （4）整体结构有足够的刚度 （5）热、温挤压有冷却模具或预热与保温模具措施,2、挤压轴（挤压杆）设计 1）结构与尺寸,DZ,LZ,LD,LG,实心挤压棒型材 空心挤压管棒材 结构整体形式、根部与杆部过盈组装形式 直径:：卧式挤压机 （

8、过大过小如何？） 立式挤压机 D0挤压筒内径 长度： LT挤压同长度,2）抗压强度与抗弯刚度校核：略，LT/DZ10 3）材料及精度要求：5CrNiMo,4CrNiW,3Cr2W8V；HRC45-49； 杆身与根部不同心度0.1mm； 两端面对轴线的跳动度0.1mm； 杆外圆和内孔表面粗造度为1.23-2.50,3、挤压垫片设计 1）结构与尺寸,dd,（过大过小如何？） 2）强度校核：抗压强度，略 3）材料：耐磨、抗高压， 5CrNiMo, 3Cr2W8V等,HRC41-49,（1）圆柱式针 用途：多用于空心坯挤压管材 特征：工作部分为圆柱，决定管材内径，固定针头部带锥度，随动针全长带锥度（为

9、减小针受拉力，便于抽针） 锥度：针工作长度直径差为0.5-1.5mm(卧式挤压）、 0.2-0.5mm(立式挤压），以管壁厚负差为限,断面尺寸：由空心材内孔尺寸确定 工作部分长度： L工作=L锭长+L垫片厚+L工作带长+L伸出工作带长 缺点：内孔20-30mm的厚壁管或供立式挤压坯，易出现偏心、针被拉细或拉断、垫片划伤针表面影响制品内孔质量等（为什么？）,（）瓶式针 用途：挤压内孔20-30mm的厚壁管或供立式挤压坯， 特征：针头部分为工作部分，针杆大，抗弯 断面尺寸：由空心材内孔尺寸确定 工作部分长度： L工作= L余量+ L工作带长+L伸出工作带长 L余量=20-30mm,要小于压余厚度，

10、防止金属回流入空心轴,结构：高温合金挤压宜用整体式，一般用组装式，针头与针身300-500过渡，针头长度直径差0.2-0.3mm （3）浮动穿孔针 浮动套与连接杆存在1-3mm间隙，挤压时模孔金属受理后可以自动调心（为什么？） （4）强度校核 稳定性校核（长径比5时不校核），抗拉弯强度校核，略 （5）材料： 3Cr2W8V；HRC41-54,圆孔、扁孔： 圆孔优点受力均匀，制造与装拆容易；扁孔用于挤压大型壁板，受力不均匀 单层、多层： 多层优点预应力结构，降低应力峰值，增大承载能力，只换内衬套,衬套结构 圆柱面配合：加工简便，装内套困难 圆锥面配合：加工困难，更换容易 圆锥圆柱面配合： 凸台结

11、构柱面配合：便于装配，防止工作中脱出好,2）预应力结构及强度校核,a,b,r,q1,q2,圆挤压筒受力情况,强度校核 层数由内衬套最大单位压力确定 每层用强度理论校核,3）挤压筒预热设计 热锭法 专用加热炉 电阻元件筒外加热 预设筒内加热孔电阻或电感加热,4）挤压筒与模子的支承配合 双锥面配合 单锥面配合 锥面配合 对中性好，承载力低 锥模配合 平面配合：铝棒型材挤压，抗压，密封和对中性较差,5）尺寸确定 （1）内孔尺寸 已系列化，查表， 受材料强度、挤压比 、垫片强度、挤压轴 刚度、设备吨位等限 制（孔过大、过小 有何弊端？）,（2）长度尺寸 主要受挤压机结构和挤压轴刚度限制 L=LMAX+

12、l+t+s；一般L/ D03-4 LMAX锭坯最大长度，实心锭挤棒型材（3-4）D0；空心锭挤管材（2-3）D0；铝镁合金挤棒型材（4-6）D0，挤管材小于3D0；扁挤压筒（3-5）a(短轴） l锭坯料穿孔金属回流增加的长度，无穿孔为0 T模子进入挤压筒深度 s挤压垫片厚度,（3）衬套厚度确定 先经验后校核，也可用有限元计算,一般,平模：挤压表面质量好，挤压力大，模孔受力差，常用于有色金属挤压 锥模：金属流动均匀，挤压力较小，适用于表面质量要求不高的有色金属、难变形金属挤压 双锥模：兼顾平模与锥模优点，与平模比较模具寿命提高，与锥模比较轴向压力增加可增加挤压速度，适用于有色金属金属管材挤压 平

13、锥模：介于平模与锥模之间，但比双锥模模具强度好（为什么？），适用于钢、钛合金挤压 流线模：与平锥模相似，金属流动比平锥模优，加工难度稍大 平流线模：介于平模与流线模之间 碗形模：利于润滑，用于润滑挤压和无压余挤压（为什么？尾缩 小）,2）可拆卸模（用于变断面挤压）,3）舌模（桥式模） 特点：模子与舌芯一体，用于实心锭挤压空心材，有焊缝，压余长 凸桥式、半凸桥式、隐桥式（各自有优缺点）,4）分流组合模 特点：金属经阳模分流在阴模焊合，用于带空心型材挤压，有焊缝 孔道式（常用）、叉架式,6.2 模子结构与尺寸 1）普通整体模,模角 铝合金、纯铜 、黄铜：90 镁合金：25 锌合金：30 钛合金：6

14、0 定径带长度h 作用：平衡金属流动，保证模具寿命，确定制品形状尺寸及精度。太小出现模子磨损、压伤制品、出现压痕、椭圆、制品超差、扭曲等缺陷；过大易粘附金属、制品表面出现划痕、毛刺、麻面等，增加挤压力 尺寸：轻金属2-8，铜8-12，详见手册,定径带尺寸d C1裕量系数，与金属热涨、模子弹性变形、拉伸矫直、公差等影响，对只有负偏差且易粘附模孔挤压（如铜棒材） C1 要大一些，铝合金温度低模孔磨损变大C1 要小一些（有拉伸轿直的综合考虑，模孔设计用正偏差）。详见手册 出口尺寸、入口圆角半径、模子外形尺寸,多孔模 用途：常用于直径 小于3040的棒材 和简单断面型材 模孔数： F0挤压筒断面积 F

15、1一制品的断面积 平均挤压比，一般 4050，过大易扭绞、擦伤、增加操作难度和废品,模孔排布原则：尽可能保证金属均匀流动 一般均匀分布在同心圆上 a=2.52.8，n大时取下限，D0大时取上限 模孔间距、模孔距外边缘最小距离： 见手册,主要问题：金属流动均匀性、模具强度 减轻金属流动不均匀性的常用措施： （1）型材重心尽量靠近模子中心，薄壁难流动部分靠近模子中心， 尽量通过流动仿真确定,（2）采用多孔模对称布置,（3）采用不等长定径带 壁薄、断面形状复杂处，h越短，过长效果不明显（冷缩，模子出口弹性变大，可设计一锥度），定径带加工困难,（4）采用阻流角、促流角、导流角 可在定径带超出极限时采用

16、,（5）采用平衡孔 （6）采用工艺裕量,型材模孔设计： 圆角、圆弧与圆角： （1）无公差要求圆角、圆弧，按名义尺寸设计； （2）有公差要求圆角、圆弧及由圆角、圆弧组成的型材，按前公式计算；,（3）带角度型材，角度与名义角度相同，易并口者（如角型型材）加1-20，易张口（如U型型材）减1-20,不等长定径带： 计算时先定最小处，再依次确定其它断面，可用CAE进行流动校核，目标函数模孔各部分单位压力相等，流动均匀,2)舌型模,桥式突刀设计 形状及尺寸 梭子形：易分离残余，缺点是刀高 棱形：可降低刀高，缺点焊合室金属残留多 水滴形：理想形状，使金属流动均匀 尺寸设计见教材（略）,焊合室设计 高度：保

17、证焊合，要深浅适度 h2=k(dt-50)+60 K0.0138 d-舌头直径 t-管壁厚 h=1040，小吨位压机取下限,优点 比舌型模加工容易，强度高，分离残余方便，残余少，可挤压复杂型材，95%以上建筑型材采用该模挤压 结构 上、下模结构，平面分流 分流孔 分流比：,分流孔中心圆直径：D=0.7D0(此时挤压力最小） 分流桥,桥宽：B=b+3-20(大尺寸取下限） 分流桥截面形状： 矩形强度高，易成死区，不利于金属流动与焊合 矩形倒角型 水滴型 较好,模孔尺寸 外形尺寸A=Am(1+K) K=0.007-0.015，6063材料K0.012 壁厚尺寸B=Bm+ Bm3, =0.1 Bm3

18、, =0.2 适当加大难成形处壁厚尺寸 挤压比 民用建筑装饰型材,26挤压工艺及设备选择,1、锭坯尺寸选择 依据：制品形状体积、金属损耗、模具强度、挤压机能力等综合选定 顺序：制品形状体积计算挤压力选挤压筒锭坯形状尺寸；制品形状体积挤压比挤压机及其挤压筒锭坯形状尺寸 坯料直径、长度（可计算，可查表）：,2、工艺参数确定 温度、速度、挤压比、润滑、热处理 6063等无润滑挤压，大多材料润滑挤压 热处理：坯料、中间、成品退火；淬火与时效 3、挤压机 要求：会选,选挤压机： 立式、卧式 单动、复动 机械、液压（泵直接传动、泵蓄能器传动） 棒型材挤压机、管材挤压机、零件挤压机 吨位,用途：管、线、棒、

19、型 优点：制品尺寸精度高、 表面质量好、 模具和设备简单 缺点：道次变形量和两次 退火间总变形量较 小，多用于成品加工 和精加工工序,31拉拔工艺分类 冷、温、热 实心材整体模、辊模 空拉：减径适于小径管、异型管、盘管、减径和整形 固定芯头拉拔：不宜拉薄壁、长和盘管，减径和减壁 游动芯头拉拔：适于拉长管和盘管，减径和减壁 空心材 长芯杆拉拔：适于薄壁及低塑性材拉拔，减径和减壁 道次变形大，需芯杠多，脱杆难，少用 顶管、扩管、旋管等,32拉拔时的应力与变形 1、拉拔系数（变形程度）,2、拉拔变形的基本条件 K=1.42.0，安全系数，小直径制品取上限 其中：棒材、厚壁管和型材取1.351.4 薄

20、壁管和型材取1.6 直径0.0151.0线材取1.42.0 思考：为什么K1，过大过小会出现和问题？,3、拉拔时的应力与变形 1）棒材拉拔 应力与应变,金属流动 中心部近于理想拉压变形，远离中心剪切变形越严重,2）管材拉拔 空拉（减径） 应力与应变：,金属流动： 内壁自由表面，内侧金属较外侧流动快 壁厚变化：,自由入口， 入口出口， 增加，入口壁增厚,影响因素 厚径比、材料硬度、道次加工率、模角、反拉力增加，壁厚增加趋势越弱 空拉纠偏作用同一圆周轴向拉应力相同，周向压应力不同，薄壁处周向压应力大于厚壁处，使壁薄处增厚趋势加强（注意大变形使薄壁失稳）,固定芯头拉拔 应力与变形 金属流动 壁中部较

21、内外侧 金属流动快 壁厚变化： 减径区（壁厚有所增加） 空拉 减壁区（内径不便）棒材拉拔,游动芯头拉拔 应力与变形、金属流动及壁厚变化 五区：入口空拉区、减径区、中间空拉区、减壁区、定径区 稳定拉拔条件,长芯杆拉拔 应力与变形 金属流动 内侧较外侧 金属流动快 壁厚变化： 与圆柱形固定芯头拉拔基本相同，但摩擦不是阻力，可采用较大拉拔系数，有利于较差塑性材料的拉拔,3）反向拉力及其对应力与变形的影响 一定大小的反向拉力Q，对应力与变形的影响不大，但可以显著降低金属对模壁的压力，减少润滑剂的挤出，Q不宜过大。,P,Q,4、拉拔残余应力及处理 1）残余应力分布,2）残余应力的消除 （1）减少不均匀变

22、形 （2）矫直 （3）去应力退火,3.3 拉拔力,1、各种因素对拉拔力的影响,模具振动声波25500赫（低频）、超声波10800千赫（高频）可降低拉力，原因：可使变形抗力（高频）或接触摩擦（低频）降低,2、拉拔力的计算 理论推导公式（作业：读懂教材中理论推导内容） 经验公式 实测 （直接测量、间接测量,34 拉拔模具设计,包括模子与芯头设计 1、模子设计 1）结构 形状圆孔模（圆锥、弧线模），异形模 组合整体模，组合模 材料铸铁模、工具钢模、硬质合金模、金属陶瓷模、金刚石模,2）尺寸 入口段Lr 作用：坯料、润滑易进入 锥角 太大润滑剂不易储存，过小金属碎屑不易流出,工作段Lg 作用:使金属变形 锥形用于大变形，弧线用于直径小于1毫米的丝线拉拔 定径段Ld 作用：定尺寸、保证模具寿命 出口段Lc 作用：防止制品划伤 模子外形、高度尺寸尽量系列化,