2_挤压的基本原理

• 纵向坐标线发生扭曲 • 正方形网格变成了平行四边形网格 • 存在死区 挤压过程中金属很难变形或停留不动 的区域，称为死区。 摩擦力越大、凹模锥角越大则死区越 大。
第二章 挤压的基本原理
正挤压时坯料大致分为：
变形区B、不变形区（又分为待变形区 A、已变形区C）和死角区D。变形区的应力 状态是三向受压。其变形是两向收缩、一 向伸长的应变状态。
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• 正挤压应力应变:
第二章 挤压的基本原理
• 区域1是直接受压缩区 • 区域2是间接受压缩区，受到区域1压力作 用
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三、杯形件反挤压变形过程
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• 反挤压应力应变
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3、复合挤压变形分析：
第二章 挤压的基本原理
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第二章 挤压的基本原理
本章内容：
• • • • 挤压基本原理 挤压变形的应力应变 挤压变形的附加应力与残余应力 挤压对金属组织和性能的影响
第二章 挤压的基本原理
一、挤压变形四阶段
• 无论零件形状如何，挤压时金属流动可分 以下四阶段： • 充满型腔阶段 施加压力后，金属径向流 动而充满模具型腔 • 开始挤压阶段 凹模入口处的金属开始进 入模孔，变形区域 迅速扩大 。 • 稳定挤压阶段 毛坯高度降低，变形区高 度稳定不变 • 挤压完毕阶段 顶出制件
图1 正挤压变形过程 （a）充满模腔（b）挤压开始（c）挤压过程（d）挤压终了 1-凸模 2-毛坯 3-凹模
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A
B
C
图2 正挤压实心件时坐标网的变化 A-未变形区 B-剧烈变形区 C-已变形区 D-死角区
• 变形不均匀 • 挤出端部变形不大 • 横向坐标线间距逐渐增加
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六、挤压变形的附加应力 与残余应力
• 附加应力：在塑性变形过程中, 变形金属 内部除了存在着与外力相应的基本应力以 外，还由于物体内各层的不均匀变形受到 变形体整体性的限制, 而引起变形金属内 部各部分自相平衡的应力, 称为附加应力 。
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附加应力产生的原因：
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二、实心件正挤压的变形过程
毛坯自由放入凹模型腔内, 整个挤压变形 过程如图1-1所示：
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初始状态，毛坯 与模壁间隙 0.05 －0.10mm 施加压力后， 金属径向流动 而充满型腔 凹模入口处的金属 开始进入模孔，变 形区域逐渐扩大， 开始挤压 毛坯高度S降低， 变形区高度稳定 不变，进入稳定 阶段 毛坯高度S不小 于变形区高度， 挤压完毕
变形后
经挤压，晶粒由等轴状被沿挤压方向拉长，形成纤 维组织。 变形后，缩孔、缩松被压合，使材料的组织结构更 加致密。
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性能变化
1.机械性能变化显著 组织决定性能，组织的变化必然引起机械性 能的改变：
–强度硬度提高； –塑性韧性下降；
2.出现“各向异性” 沿纤维方向，材料的强度硬度明显较高； 垂直方向，塑性韧性较好。
(3) 变形金属的组织结构不均匀 变形金属的组织结构往往是不均匀的, 例如晶 粒有大有小, 方位也不相同, 从而引起不均匀变形 , 会导致附加应力的产生。 (4) 模具工作部分的形状与尺寸不合理 例如在正挤压时 ，如果凹模工作带高度尺寸不 一致, 那么在工作带较高的一边的金属流动速度将 慢于较矮的一边 。这样, 挤压件便产生弯曲, 因 此在挤压件内部将产生相互牵制的附加应力。
四、影响挤压金属流动的因素
挤压时，影响金属流动的主要因素有 金属材料性质、变形条件、变形速度与变形温度。 1.金属材料的影响（内因） 金属成分的差异、金属组织结构不同，都将 影响金属的塑性变形和变形抗力：
– 不同成分、不同种类的金属力学性能不同，塑性和 强度不同； – 不同成分、不同组织结构的金属与模具材料的摩擦 系数不同； – 合金元素的存在，可导致晶粒的细化、晶格扭曲、 固容体的形成，影响塑性变形
第二章 挤压的基本原理
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3.变形速度的影响： 当变形速度很高，热效应显著，毛坯温度 升高，抗力降低，塑性增加，变形不均匀 程度减少。
4.变形温度的影响 一般而言，温度升高，金属塑性提高
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5.应力状态的影响 主应力中，压应力数越多， 数值越大，则塑性越好； 反之，塑性越差。
(1) 变形金属与模具之间存在着摩擦力，由此 引起内外层金属流动不均匀，从而产生附加应力。 (2) 各部分金属流动阻力不一致 例如反挤杯形件时, 由于模具对中不好, 会造成 凸、凹模之间间隙不均匀。间隙大的阻力较小, 间隙小的阻力较大, 这就会引起金属流动不均 匀, 从而产生附加应力。
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1 F (1 ) 100% G
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计算
例 1： 一实体毛坯直径为20mm,挤压后零件的 直径为15mm，试计算其断面收缩率，并判 断可否一次挤压成型。
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例 2：
一实心毛坯其直径是30mm，反挤压后 零件的内径是28mm，试计算其断面收缩率 ，并判断可否一次挤压成型。
“三向压应力状态”能提高塑性的原因：
1)减少晶格间变形，从而防止晶格间变形引起的晶 界破坏； 2)减少或弥合内部缺陷（缩孔、缩松、气孔） 3)降低夹杂物引起的危害（应力集中引起的致裂） 4)减少或抵消附加拉应力，避免翘曲或开裂。
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五、挤压变形程度的表示方法
变形程度：是表示挤压时金属塑性变形量 大小的指标，其最常用的表示方法有两种： 截面收缩率和挤压面积比。
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八、挤压件常见缺陷
当入模角为180°时，变形区及 变形的不均匀程度都将达到最大。 甚至出现“涡流”，产生缩孔裂纹。
挤压件常见的缺陷有： 缩孔、表面折叠、裂纹
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折叠是线材表面沿轧制方向平直或
弯曲的细线，通常与盘条表面呈某一角度 分布，很长且形状相似。有时以两条平行 线的形态出现。折叠两侧伴有脱碳层或部 分脱碳层，折缝中间常存在氧化铁夹杂。
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课后复习： 1、正、反挤压的变化过程 2、断面收缩率的计算
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(3) 降低金属的耐蚀性 当挤压件表层具有残余应力时, 会降低其耐 蚀性。此外, 残余应力还会使金属的塑性、冲击 韧性及疲劳强度等降低。
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防止和消除附加应力和残余应力的方法：
(1) 减少摩擦阻力的影响 (2) 合理设计模具工作部分的结构和尺寸 以保证挤压件的变形与应力分布较为均 （3) 尽可能采用组织均匀的金属变形 挤压前对坯料进行均匀化处理, 使其尽可能在 晶粒大小均匀的状态下变形, 以减小附加应力。
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2.变形条件的影响 1）摩擦力的的影响： 摩擦力对金属流动有 显著的影响。
摩擦系数很小，变形区 集中在凹模出口附近， 金属流动比较均匀，死 角区也比较小 摩擦系数较大，变形区 可以扩大到整个体积， 金属流动不均匀，外层 金属滞后于中心层金属， 死角区的高度增加
摩擦系数很大，金属 的流动很不一致，坐 标网格有强烈的扭曲， 死角区的高度显著增 加
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残余应力
• 残余应力：引起塑性体变形的作用力取消 以后, 随之消失的仅是基本应力。附加应 力不是由外力引起的, 而是为了自身得到 平衡引起的。因此, 当外力取消以后, 附 加应力并不消失而残留在变形体内部, 称 为残余应力。
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附加应力和残余应力的危害性
(1) 缩短挤压件的使用寿命 若使具有残余应力的挤压件承受载荷, 则其 内部作用的应力为外力引起的基本应力与残余应 力之和, 因此易于产生变形或开裂, 从而缩短使 用寿命。 (2) 引起挤压件尺寸及形状的变化 在挤压件内部作用着相互平衡的残余应力, 表 明各部分存在符号不同的弹性变形和晶格畸变。 当残余应力消失或平衡受到破坏后, 相应的物体 各部分的弹性变形也发生了变化, 从而引起物体 尺寸或形状的改变。
(1)截面收缩率 F F0 F1 100%
式中：
F
F0
—— 冷挤压的截面收缩率， F0 —— 冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2 F1 —— 冷挤压变形后工件的横截面积，mm2
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（2）挤压面积比
F0 G F1
式中 G ——挤压面积比； F0 ——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2 F1 ——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2 与G之间存在如下关系：
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另外：外摩擦的作用，使工件产生残余 应力，降低工件质量；增加变形阻力和能耗 ；增加模具负载，缩短模具寿命。 总体说，摩擦力对挤压不利，应保证毛 坯与模具之间充分且均匀的润滑，但局部而 言是有利的：反挤细长杯形件时，在凸模端 面刻出“十”字槽，以防凸模失稳。
2）模具形状的影响 模具形状决定变形区的形式和大小； 正挤压时，凹模入模角的大小直接影响金 属流动的均匀性。如图: 入模角一般采用30°，60°，90°， 120°，150°。 180°润滑不好 ：缩孔
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(4) 挤压后采用有效的热处理方法以 消除残余应力 第一种残余应力用低温回火方法就可大为减 小； 第二种残余应力采用将挤压件加热到稍低于 再结晶温度下可以完全消除；第三种残余应力, 只有经过再结晶才能消除。
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七、挤压对金属组织和性能的影响
组织变化：
变形前