挤压理论基础知识

四. 挤压理论基础知识

挤压是对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。挤压的基本原理如下图所示。

工业上广泛应用的几种主要挤压方法有：正向挤压法、反向挤压法、侧向挤压法、玻璃润滑挤压法、静液挤压法、连续挤压法等等（见下图），以正挤压和反挤压最为常用。

正挤压时，金属的流动方向与挤压轴的运动方向相同，其最主要的特征是金属与挤压筒内壁间有相对滑动，故存在着很大的外摩擦。它会使金属流动不均匀，导致挤压制品头部与尾部、表层部与中心部的组织性能不均匀。

反挤压时的金属流动方向与挤压轴运动方向相反，其特点是除靠近模孔附近处之外，金属与挤压筒内壁间无相对滑动，故无摩擦，挤压能耗较低。而且反挤压时金属流动主要集中在模孔附近的领域，因而沿制品长度方向金属的变形是均匀的。

（一）掌握挤压过程的三个基本阶段

根据金属在挤压过程中的流动特点，通常把挤压变形过程划分为三个阶段（对应下图挤压力行程曲线上的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区），分别是：

(1) 开始挤压阶段（也称填充挤压阶段）。金属受挤压轴的压力后，首先充满挤压筒与模孔，挤压力直线上升。

(2) 基本挤压阶段（也称平流挤压阶段）。从金属开始流出模孔到正常挤压过程即将结

束时为止。在此阶段，筒内的锭坯一般来说，其内部与外部金属之间基本上不发生交错流动，锭坯的外层金属流出模孔后仍在制品的外层而不会流到制品的中心。在挤压时，锭坯任一横断面上的金属质点皆以同一速度或一定的速度差进入变形区压缩锥。靠近垫片和模子角落处的金属不流动，形成难变形区。正挤压的挤压力随着锭坯长度的减小而直线下降。

(3) 终了挤压阶段（也称缩尾挤压阶段或紊流挤压阶段）。在此阶段，锭坯的外层金属向其中心剧烈流动，同时两个难变形区中的金属也向模孔流动，形成挤压所特有的缺陷“挤压缩尾”。挤压力重新开始上升，此时应结束挤压操作。

（二）熟悉挤压时的变形特点

下图为正挤压时作用于金属上的外力、应力分布和变形状态。作用在金属上的外力有：挤压轴通过垫片给与金属的单位压力σp，挤压筒壁、模子压缩锥面和定径带给予金属的单位正压力dN t、dN z、dN d和摩擦应力τt、τz、τd；在一定条件下，垫片与金属间也会出现摩擦应力τp。

挤压时变形区内的应力状态一般来说是呈三向压应力状态，即轴向压应力σl、径向压应力σr和周向压应力σθ。其中，轴向压应力σl是由于挤压轴作用于金属上的压力和模子的反作用力产生的；径向压应力σr和周向压应力σθ则是由于挤压筒和模孔的侧壁作用的压力所产生的。变形区内的变形状态图为两向压缩变形和一向延伸变形，即径向压缩变形δr、周向压缩变形δθ及轴向延伸变形δl。

（三）掌握影响挤压力的主要因素

影响挤压力的主要因素有：挤压时的金属变形抗力、变形程度、模孔形状、制品断面形状、流出速度、锭坯的长度、接触摩擦条件等。

(1) 挤压时的金属变形抗力。挤压力与之成正比关系。（但由于金属性质的不均匀性，往往不能保持严格的线性关系。）变形温度通过影响金属变形抗力而影响挤压力，随着温度的升高，挤压力降低。

(2) 变形程度。挤压力与之也是成正比关系，随着变形程度增大挤压力增加。

(3) 模孔形状。模孔形状主要是指模角α大小的不同而言，它对挤压力也有明显影响。模角α由0°改变到90°之间，在45°-60°范围内挤压力最小。

(4) 制品断面形状。制品断面形状只有在比较复杂的情况下才对挤压力有明显的影响。制品断面的复杂程度可以用C1表示：C1=型材断面周长/等断面圆周长。实验证明，只有当C1大于1.5以上时，制品的断面形状才对挤压力有明显的影响。

(5) 挤压速度与流出速度。是通过对金属的变形抗力的变化来影响挤压力的。冷挤压时，挤压速度对挤压力的影响较小。热挤压时，通常随挤压速度增加，挤压力增加。（热挤压时，金属在变形过程中产生的硬化可以通过再结晶软化，但这需要充分的时间，当挤压速度增加时，软化来不及进行，导致变形抗力增加，使挤压力增加。）

(6) 挤压方法。不同的挤压方法所需挤压力不同。反挤压比同等条件下正挤压所需挤压力低30%-40%以上；侧向挤压比正挤压所需积压力大。此外，采用有效润滑挤压、静液挤压、连续挤压比正挤压所需挤压力要低的多。

(7) 接触摩擦条件。外摩擦对挤压金属流动具有极大的影响。一般来讲，随着外摩擦增加，金属流动不均匀程度增加，金属与挤压筒、挤压模表面之间的摩擦阻力增加，从而使挤压力增加。