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挤压成形技术

（南昌航空大学航空制造学院南昌330063）孟维金

摘要：挤压成形是最重要的压力加工技术之一。本文综述了挤压成形技术的基本实现原理，简述了挤压成形工艺的发展历史及研究现状。并介绍了几种先进的挤压成形技术，以及展望了挤压成形技术的发展前景。

关键字：挤压成形；等温挤压；静液挤压；半固态挤压

1引言

挤压成型[1]（Press Forming）是对放在模具模腔（或挤压筒）内的的金属坯料施加强大的压力，迫使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模的模孔中挤出而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。挤压成形的成形原理如图1所示。挤压是在专用挤压机上进行的，也可在经适当改进后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。这种成形方法起初只用于生产金属型材，至20世纪50年代以来[5]，逐步扩大到用来制造各种零件或毛坯。

图1金属挤压方法示意图

Figure1Sketch of metal extrusion method

按挤压温度可分为冷挤压、温挤压和热挤压；按金属从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向的关系可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。由于挤压处于三

向压应力状态，可显著提高金属的塑性。不仅塑性号的低碳钢，铝、铜合金可以挤压，而且塑性差的合金结构钢、不锈钢，甚至在一定变形量条件下某些高碳钢、轴承钢、以至高速钢也可以挤压成形[6]。图2为挤压时金属的流动。

图2金属流动的四个阶段

Figure2The four stages of metal flow

用作少无切削工艺的方法主要是冷挤压，冷挤压件尺寸精度IT7-IT6，表面粗糙度Ra值可达1.6-0.2µm,材料利用率可高达95%，并能提高机械性能[2]。

2挤压技术的发展与现状

与其他技术塑性加工方法相比，挤压发出现较晚，而且初期发展非常缓慢，在很长一段时期内只对及中国软金属（铅和锡）进行挤压[3]。约在1797年[4]，英国人布拉曼设计出了世界上第一台用于铅挤压的机械式挤压机。到19世纪末20世纪初，开始挤压较硬的有色金属。由于在挤压钢材时需要很大的挤压力，在当时不能解决挤压钢用的模具材料、适合的润滑剂与大吨位的压力机等问题。1910年出现了铝材挤压机，1927年出现了可移动挤压筒，并采用了电感应加热技术。1930年欧洲出现了钢的热挤压，但由于润滑效果差，使制品缺陷多，模具寿命短，后来玻璃润滑剂的发明才使钢的挤压大范围地得到工业应用，而钢的冷挤压在1947年正式应用于民用工业。

在我国[5]，建国前的冷挤压加工十分落后。建国后，冷挤压技术得到了发展。20世纪70年代末，国内不少高等学校、研究所和工厂开展了冷挤压技术的研究发展，初步

形成了一支研究和应用冷挤压技术的队伍。

随着工业的高速发展[6]，特别是汽车工业的飞速发展，已经发展出了多种现代挤压工艺。科学技术的发展对挤压技术产生了重大影响，具体地说主要是计算机在工艺分析、模具设计、制造及工艺过程控制中的应用对了冷挤压技术产生的影响。

3影响挤压力的因素

3.1金属坯料的影响

3.1.1金属的变形抗力

不同的材料有不同的化学成分及金相组织，因而有不同的强度极限及屈服极限。强度极限和屈服极限越高，材料变形抗力越高。理论和试验研究表明，挤压力随金属坯料

的变形抗力的增加而线性地增加。

3.1.2坯料状态

当坯料内部组织性能均匀时，所需地挤压力较小。经均匀退火后的铸态坯料与未退火的坯料的挤压力更低。挤压力还与挤压历史有关，一次挤压后的二次挤压的挤压力更高，这与第一次挤压后产生的加工硬化有关。

图3挤压力与锭坯长度的关系曲线

Figure3Relation curve of extrusion and the length of the billet

3.1.3坯料长度

坯料长度越长，挤压过程越长，挤压终了时温度变化大，变形抗力变大。正挤压时，

要克服锭坯与挤压筒壁的摩擦力，故挤压力增加，反挤压时，挤压力与锭坯长无关。图3为挤压力与坯料长度的关系曲线[7]。

3.2挤压速度的影响

变形速度是通过变形抗力的变化来影响加压力的。在较高速度下冷挤压时，工件的发热现象是比较严重的，挤压速度越高，工件的温度越高，提高了坯料的塑性；但另一方面，高的挤压速度也需要更高的起始挤压力。图4曲线反映了挤压速度对挤压力的影响[8]。

图4挤压速度对挤压力的影响

Figure4The influence of extrusion speed on extrusion

3.3变形温度的影响

变形温度对挤压力的影响是通过变形抗力的大小反应出来的。一般地讲，随着变形温度的升高，坯料的变形抗力下降，挤压力也下降。

3.4摩擦条件的影响

润滑在冷挤压成形中时极为关键的，如果没有合适的润滑剂，钢的冷挤压是很难实

现的。挤压筒内表面的状态、润滑条件影响坯料与筒壁间的摩擦状况，从而会影响挤压力大小。

4挤压工艺的应用

4.1静液挤压

一般挤压时，凸模直接施加作用于坯料，使其发生变形，在毛坯与凹模容器的侧壁存在着摩擦力。静液挤压[11]是将凸模施加于液体，压力经过液体传给毛坯而促使其变形。毛坯的侧表面侵在液体之中，在坯料的侧表面不存在摩擦阻力，因而使挤压力大为减小。如图5，为静液挤压成形的原理简图。

图5静液挤压成形原理示意图

Figure5Principle diagram of hydrostatic extrusion

与常规变形工艺相比，静液挤压工艺具有独特的优越性，其主要的技术特点如下：①材料在静液挤压时处于三向压应力状态，而材料的塑性随着压应力的增强而增加，因而变形材料的塑性会因为静液挤压而得到提高，这对材料的变形十分有利。②材料挤压变形时与挤压筒壁不直接接触，同时高压介质与材料润滑良好，摩擦力大大降低，材料的变形较为均匀，因而材料变形后在横纵向性能的均匀性较高。③材料挤压变形时没有锻粗阶段，且毛坯与模具处于流体动力润滑状态，所以挤压变形时所受的摩擦力大大降低，对模具的磨损也较少，挤压出的制品表面光洁度较高。④材料在挤压变形时所受的摩擦力较小，因而挤压力较通常的机械挤压力小，在同一挤压压力下，可以实现更大的挤压比。⑤材料在静液挤压时，挤压速度快，成品尺寸精度高，加工范围较宽，挤压制品的长径比较高。

静液挤压工艺因其独特的技术特点，在将材料的强度提高的同时，保证材料有足够