挤压

先进工艺：挤压
轧管
（圆盘）拉拔
联合拉拔
B 棒、型、线材
棒、型、线 挤压 连铸连轧 拉拔 成品
型轧
挤压：适用于多品种、多规格、复杂断面； 连铸连轧：生产率、成品率高、能耗低（利用余热直接 轧制）；但品种、规格单一； 型轧：适于单一品种、大批量产品的生产。 发展方向： 中小棒材：挤压（轧制）圆盘坯料后联合拉拔出成品； 线材：多模、高速方向发展。
A 工具消耗大，产品成本高 工作条件：高温、高压、高摩擦，工具消耗大，原 料成本高，占制品成本35％以上 B 生产率低 挤压速度低、辅助工序多 C 成品率低 固有的几何损失多（压余、实心头、切头尾），不 能通过增大锭重来减少 D 制品组织性能不均匀。
二、挤压时金属流动的规律
挤压时金属的流动规律，即筒内各部分金属 体积的相互转移规律对制品的组织、性能、表面 质量以及工具设计有重要影响。因此研究挤压时 金属的流动规律以及影响因素，可改善挤压过程、 提高制品的性能和质量。
B 棒、线材 棒材：D>6mm；分类与管材类似；大多是半成品，进 一步加工成各种零件，如弹簧，螺栓、螺母等； 线材： D<6mm；多以盘状供货，广泛应用于仪器仪 表、电子电力部门，如电线电缆等。 C 型材 非圆截面材，又称经济断面材（可提高材料的利用 率）；铝、钢型材较多；
许多型材只能用压力加工法生产，如钢轨、变断面型 材等。
kt F筒 F锭
一般 kt 1.05 1.10
b 锭坯的长度与直径比小于3－4，即L/D<3 -4。否则 变形不均出现鼓形，甚至失稳弯曲，导致封闭在模、筒 交界处的空气压入表面微裂纹中，出模后若焊合则形成 气泡，若未焊合则出现起皮缺陷。 c 锭坯梯温加热，即坯料获得长度上的原始温度梯度， 变形抗力低的高温端靠近模孔，填充挤压时坯料由前向 后依次变形，从而将空气排除。
制品
过程：清理筒、装模、落锁键、送锭、放垫片、挤压、 抬锁键、切压余、冷却（润滑）工具、重复下一次。
3 基本方法
根据变形温度分：热挤压、冷挤压和温挤压； 根据变形特征分：正（向）挤压、反（向）挤压、连续 挤压等。 方法有很多，但最基本的方法有以下两种： 1）正向挤压 制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。 特点： 1）存在较大的外摩擦（高温、 高压），导致能耗大、变形 不均匀（组织性能不均）,制 品表面质量好； 2）操作方便、适用范围广， 是目前最广泛应用的方法。
2）反向挤压 制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。
固定
））
））
空 心 锭
））
特点：
1）变形局限在模孔附近，大部分坯料与挤压筒间没 有相对运动，因此外摩擦小，能耗低、变形均匀（组 织性能均匀）； 2）操作不方便、制品的尺寸范围小； 3）制品表面质量差。
此外还有：卧式挤压、立式挤压等。
注： 1）冷、热变形应以合金的再结晶温度界定，如Sn、 Pb在室温变形也无硬化，属热变形； 2）冷、热挤压是挤压的两大分支，冶金工业中主要 应用热挤压，常称挤压；机械工业主要应用冷挤压。
挤压时金属的流动规律十分复杂，且随挤压 方法以及工艺条件的变化而变化，现以生产中广 泛使用的简单挤压（单孔模正挤圆棒）过程为例 进行分析。
1、简单挤压时金属流动的规律
按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为： 填充挤压阶段：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满 挤压筒和模孔（金属主要径向流动），挤压力急剧升高；
4 基本特点
1）优点 A 可最大限度提高材料的变形能力，因此 可加工脆性材料；一次可进行大变形 B 可提高材料的焊合性，因此
可生产复合材料；粉末挤压；舌模挤压
C 材料与工具的密合性高，因此 可生产复杂断面制品；选择坯料自由度大 D 生产灵活（只需更换筒、模即可生产不同 的制品），制品性能高。
2）缺点
2 基本概念
挤压：对放在容器（挤压筒）内的坯料一端施以压力，使 之从特定的空隙（模孔）中流出而成型的塑性加工方法。
穿孔针 模
模座
欲完成挤压需有： 1）产生动力的装臵： 锁 挤压机 键 2）传递动力、容纳坯 料、控制制品尺寸和形 状的工具： 轴、筒、模、穿孔针、 垫片、模座、锁键
P
））
轴
筒
垫片 坯料
材料成型工艺学（中）
主 讲
东北大学
李宝绵
EPM重点实验室
第一篇
挤压
一、概述
1 简介
压力加工：借助外力使金属产生塑性变形进而形成各种 尺寸、形状和用途的零件和半成品。（不同于机加工） 工业中广泛使用的零件一般通过下列方法获得： 铸造，如轧机牌坊； 铸造后机加工，如轧辊； 铸造后压力加工，如钢轨； 铸造后压力加工再机加工，如螺栓等。 重要用途的零件一般均需通过压力加工。
压力加工的主要方法有： 轧制；挤压与拉拔；锻造与冲压（锻压）
主要产品有：
板、带、条、箔；轧制
管、棒、型、线；挤压与拉拔 各种零件如车轴、饭盒、洗衣机筒等；锻造与冲压
1）挤压与拉拔产品简介
A 管材 按截面形状分：圆管、型管如方、六角形管等；
按合金种类分：铝管、铜管、钢管等；
按生产方法分：挤制管、拉制管、焊管、铸管、无缝 管等； 按用途分：空调管、压力表管、波导管、锅炉管、输 油管、冷凝管、天线管等； 按性能分：M（退火态）、R（热态）、Y（硬态）、 Y2（半硬态）、C（淬火态）、CZ（淬火自然时效态）、 CS（淬火人工时效态）等； 此外：盘管、蚊香管等。
3）终了挤压阶段： 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。
n
n1
n > n1
ln
ln 1
l n > ln 1
主要特征：
A 挤压力升高；（死区参与流动、温度低）
B 金属径向流速增加，金属回流（紊流）（维持体积 不变规律）。 实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。
P
应力状态：为三向压应力， 即 L、 r 、 ，且可近似看 成是轴对称，即 r 。 在Ⅰ区有：
N
轴向应力 L 分布：
r > L 在Ⅱ区有： L > r
轴向上：由前向后逐渐增大； 径向上：由中心向边部逐渐增大。
C 变形（应变）分析
应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向） 变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标网格变化分析。
斜轧穿孔
铸造 弯形 焊接
拉拔 轧管 拉拔
成 品
挤压：生产灵活、产品质量好，适用于品种、规格多、 产量小（有色金属）的场合，但成本高、成品率低；
斜轧穿孔：生产率、成品率高；成本低；但制品形状尺 寸精度差；尺寸规格受限制；多用于产量大的钢坯生产， 有色金属厂基本没有； 铸造：产品的尺寸规格少、质量差、性能低；主要用于 生产大尺寸、性能要求不高的产品，如下水管； 轧管：道次变形量大，几何损失少，适于难变形合金， 能缩短工艺流程，也是提供长管坯的主要方法（使盘管生 产得以实现），但形状、尺寸精度差； 拉拔：是获得精确尺寸、优质表面和性能的主要方法； 焊管：效率高、成本低，但性能、质量差。
n
n1
n > n1
ln
ln 1
l n > ln 1
c
制品的网格也有畸变，表现在：
① 横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐 渐增大，说明变形（延伸变形和剪切变形）由前向后逐 渐增大。 ② 中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四边形， 说明外层质点不仅承受了纵向延伸，还承受了附加的剪 切变形，且剪切变形由中心向外层逐渐增大。
N
P
L
N
原因：轴向应力 L 在径向上的分布是不均匀的，且 在模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力， 当此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金 属便沿模孔被剪出。
E 填充阶段应注意的问题 a 尽量减小变形量（锭坯与挤压筒的间隙），否则易 造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；低塑性 材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数 表征，定义填充挤压系数为：
2）产品的生产方法
产品的生产一般可分两步; 坯料制取（开坯）：充分利用金属在高温时的塑性对 其进行大变形量加工，如热挤、热轧、热锻 制品的获得：进行目的在于控制形状、尺寸精度、提 高综合性能的各种冷加工，如冷轧、拉拔、冲压
目前研究：近终形成形技术、短流程生产技术
A 管材 挤压
无缝管
管 材 有 缝 管 轧 制 带
挤 压 力
终了阶段
基本挤压阶段：又称层流 挤压阶段，金属不发生紊乱 流动，即锭外（内）层金属 出模后仍在外（内）层，挤 压力稳中有降； 终了挤压阶段：又称紊流 挤压阶段，金属发生紊乱流 动，即外层进入内层，挤压 力上升。
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ 挤压杆行程
填充阶段 基本阶段
1）填充挤压阶段
P
挤压时，为便于将锭坯放 入筒中，常使锭坯外径小于 筒内径1－15mm，因此在挤 压力的作用下，锭坯首先径 向流动充满挤压筒，同时有 少量金属流入模孔。杆、垫 片、锭坯开始接触到锭坯充 满挤压筒的阶段称为填充挤 压阶段。
n
n1
n > n1
ln
ln 1
l ห้องสมุดไป่ตู้ > ln 1
b 在变形区中，横向（垂直方向）网格的中心朝前， 且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速大于外层 质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是因为： 外摩擦影响：外层大，中心小； 断面温度分布：一般外层低，中心高； 模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。
n
n1
n > n1
ln
ln 1
l n > ln 1
a 纵向（水平方向）网格在进、出模孔发生方向相 反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增大，说明变 形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个 曲面，一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成 的区域叫变形区压缩锥，或简称变形区。
2）基本挤压阶段 金属从模孔中流出到锭坯长度等于变形区高度的阶段。
A 挤压比
挤压时的变形量常用挤压比表征，定义挤压比为：
F筒 F制品
单孔模挤压时，挤压比为：
F筒 F制品
挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定，可查表。
B 应力分析
L
N
T
Ⅰ Ⅱ
外力：挤压力P ；筒、模的 反力N ；筒、模、垫片与坯料 间的摩擦力T 。 N
变形规律总结： 径向上：外层大，中心小； 轴向上：后端大，前端小； 变形差异：由前向后逐渐增加； 流动速度：中心大，外层小；
总体看流动平稳（层流）。
变 形 外层 中心
前
后
D 挤压筒内金属分区
后 端 难 变 形 区 死区（前端难变形区） 变形区 剧烈滑移区
① 前端难变形区 又称死区，位于筒、模交界处的环 形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却，使此部分金属不 易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不参与流动。
Ⅱ Ⅲ
T
T
Ⅲ
N
Ⅰ
N
Ⅱ
轴向上：
对着模孔部分：由前向后增大
Ⅲ
对着模壁部分：由前向后减小
C 变形（应变）分析
应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向）
Ⅱ 断面首先充满挤压筒；继续加 变形过程：开始出鼓形， Ⅰ 断面充满挤压筒；最后， Ⅲ 断面充满挤 力，
压筒。
P
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
P
P
D 坯料端面变形分析 填充挤压时，部分金 属会流入模孔，但此部 分金属并不是发生塑性 变形后流入模孔的，而 是被剪出的，其组织是 铸态组织，必须切下 （棒材头）。
死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入 制品，因此能提高制品的表面质量。 影响死区大小的因素：模角、摩擦、挤压温度等，随 这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。
后 端 难 变 形 区
死区（前端难变形区） 变形区 剧烈滑移区
② 后端难变形区 位于垫片端面附近，是由于筒、垫 片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的，在基 本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。 ③ 在变形区中，有一个剧烈滑移区，处于死区和快速 流动区之间。变形越不均匀，此区越大，因此随挤压过 程的进行，此区不断扩大。 剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品表面出现 微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制品性能下降。
A 必要性
a 操作要求； b 实心锭挤管， 否则穿孔针弯曲导致 管材偏心 ； c 制品要求横向性能， 如航空用型材必须 有一定的镦粗变形（25－30％）
B 应力分析
Ⅰ
P T T
Ⅰ Ⅱ
作用于坯料上的外力： 挤压力： P ； 模端面反力： N ； 摩擦 力： T
应力状态类似于自由体镦粗， 为三向压应力，即 L、 r 、 ，且可看成是主应力，但由 于模孔的存在，导致 L 分布不 均匀，体现在： 径向上：中心小，两边大，差 异由前向后逐渐减小。