连续挤压技术

连续挤压技术

一、连续挤压技术的原理及应用

挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件生产、零件成型加工的主要生产方法之一，也是

各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。有色金属挤压制品在国民经济

的各个领域获得了广泛的应用。连续挤压技术是挤压成型技术的一项较新的技术，以连续挤

压技术为基础发展起来的连续挤压复合、连续铸挤技术为有色金属管、棒、型、线及其复合

材料的生产提供了新的技术手段和发展空间。

1. 连续挤压技术的原理

传统的挤压方法主要有正向挤压、反向挤压、静液挤压等。以正挤压为例，如图1所示:

图1.正向挤压

正向挤压时，挤压杆运动方向与挤压产品的出料方向一致，坯料与挤压筒之间产生相对

滑动，存在很大的摩擦，这种摩擦阻力使金属流动不均匀，从而给挤压制品的质量带来了不

利影响，导致挤压制品组织性能不均匀，挤压能耗增加，由于强烈的摩擦发热作用，限制了

挤压速度且加快了模具的磨损。反向挤压和静液挤压等方法虽然从不同的角度对正向挤压进行了改进，但是这些传统的挤压方法都存在一个共同的缺点，即生产的不连续性，制品长度

受到限制，前后坯料的挤压之间需要进行分离压余、填充坯料等一系列辅助操作，影响了挤

压生产的效率。

为了解决传统挤压中的问题，20世纪70年代人们开始致力于挤压生产的连续性研究。

1971年，英国原子能局的 D.Gree n发明了CONF OR连续挤压方法。此方法以颗粒料或杆料为坯料，巧妙地利用了变形金属与工具之间的摩擦力。如图2所示，由旋转的挤压轮上的矩

形断面槽和固定模座所组成的环形通道起到普通挤压法中挤压筒的作用，当挤压轮旋转时，借助于槽壁上的摩擦力不断地将杆状坯料送入而实现连续挤压。连续挤压时坯料与工具表面

的摩擦发热较为显著，因此，对于低熔点金属，如铝及铝合金，不需进行外部加热即可使变

形区的温度上升400〜500 C而实现热挤压。

图2.连续挤压原理

在常规的正挤压中，变形是通过挤压轴将所需的挤压力直接施加于坯料上来实现的，由

于挤压筒的长度有限，要实现无间断的连续挤压是不可能的。一般来讲，要实现连续挤压需

满足以下两个条件：

（1）不需借助挤压轴的直接作用，即可对坯料施加足够的力实现挤压变形；

（2）挤压筒应具有无限的连续工作长度，以便实现无限长度的坯料供给。

为了满足第一个条件，其方法之一是采用图3所示的方法，用带矩形断面的运动槽块和

将挤压模固定在其上的固定矩形块构成一个方形挤压筒，以代替常规的圆形挤压筒。当运动

槽块沿图中箭头所示方向连续向前运动时，上下两面上方向相反的摩擦力相互抵消，坯料在两侧面的摩擦力作用下向前运动而实现挤压。

图3.利用摩擦力挤压

为了满足上述第二个条件，其方法之一是采用挤压轮来代替槽块，如图2所示。随着挤压轮的不断旋转，即可获得无限长度的挤压筒。挤压时，借助挤压轮表面的主动摩擦力作用，坯料连续不断地被送入，通过安装在挤压靴上的模子挤出所需断面形状的制品。

综合以上两方面考虑，CONF ORM续挤压机做了如下设计，它主要由四大部分组成：轮缘车制有凹形沟槽的挤压轮，它由驱动轴带动旋转；挤压靴，它是固定的，与挤压轮相接触

的部分为一个弓形的槽封块，该槽封块与挤压轮的包角一般为90度，起到封闭挤压轮凹形

沟槽的作用，构成一个方形的挤压型腔，相当于常规的挤压筒，不过这一方形挤压筒的三面

为旋转挤压轮槽的槽壁，第四面才是固定的槽封块；固定在挤压腔出口端的堵头，其作用是

把挤压型腔出口端封住，迫使金属只能从挤压模流出；挤压模，它或安装在堵头上，实行切

向挤压，或安装在靴块上实行径向挤压。这样，当从挤压型腔的人口端连续喂入挤压坯料时，由于它的三面时向前运动的可动边，在摩擦力的作用下，轮槽咬着坯料，并牵引着金属向模

孔移动，当夹持长度足够时，摩擦力的作用足以在模孔附近产生高达1000 MPa的挤压应力，

迫使金属从模孔流出。可见CONF OR连续挤压原理是巧妙的利用了挤压轮凹槽槽壁与坯料之间的机械摩擦作用作为挤压力。而且只要挤压型腔的入口端能连续地喂入坯料，便可达到连

续挤压出无限长制品的目的。

连续挤压的工艺流程如图4所示：

冥挤压弓制品

图4连续挤压工艺流程

由连续挤压变形原理和工艺可以看出，同传统的挤压工艺相比，连续挤压具有一系列

优点：

(1)采用连铸连轧的盘条作为原材料，供应方便，没有挤压压余，材料利用率高，一般可达95%，组织性能均匀性好。

(2)连续挤压利用摩擦所产生的热量升温，无需加热，从而节省了能源。

(3)工序少，生产效率高，产品成品率高。以管材加工为例，此加工工艺比一般管材加工方法省略15道以上工序，且成品率可达90%以上，而一般方法生产同类管材成品率只有50%左右。因此连续挤压加工工艺可缩短工艺流程和生产周期，从而降低了成本，提高产品的竞争能力。

(4)坯料既可用线材也可用颗粒状原料，甚至可以直接用液体原料。也能利用废屑不经重熔而直接再生成材。

（5）可实现产品的连续生产，无间隔时间。

（6）可生产超长制品传统加工方法一般不超过30-50m，而利用连续挤压法长度一般可在数千米直到数万米之间，呈卷状交货，运输方便。

（7）既适合大批量生产，也适于小批量多品种生产。

（8）产品性能好，尺寸精度高，光洁度好。

2. 连续挤压技术的塑性变形特点及金属流动规律

连续挤压时塑性变形过程包括挤压型腔变形区和挤压模腔变形区两个过程，其中挤压型

腔变形区是指轮槽和挡料块组成的变形区域，包括孔型轧制区、摩擦剪切变形区、镦粗区、粘着区、直角弯曲挤压区等五个变形分区。挤压模腔包括扩展成型区和挤压成型区两个变形

分区。

研究金属在挤压变形过程中的流动行为在实际生产中具有十分重要的意义。挤压制品的

组织性能、表面质量、外形尺寸和形状精度、成材率、挤压模具的正确设计、挤压生产效率等，均与金属流动有着十分密切的关系。

（1）连续挤压中，摩擦力变为驱动力。径向流出这一结构约束的特点使得激烈的剪切

变形并不是沿传统正挤压那样出现在边部，而是出现在中部区域。该剧烈剪切变形带的存在

使金属流动更加均匀，而且使得金属产生更为优越的塑性成形条件。

（2）变形区内大部分金属处于三向压应力状态，其应力从中心向边部基本上呈减小的

趋势。在中心，其静水压力比其他区域高得多。和传统挤压相比，应力峰值不是出现在边部，

因而可以避免传统挤压中心层金属和边部金属变形不均匀的缺点。

（3）在连续挤压过程中，挡料块与挤压轮槽底的间隙是必然存在的。此时金属的塑性

流动模式是由径向挤压的流动模式与泄漏处的类似于正挤压的流动模式组合而成的。由于摩

擦驱动边界和泄漏间隙的存在，使得塑性变形区增大，而死区减小。两个不同方向的金属变

形的存在，使得金属同时发生两个相差近90度方向的塑性流动，因而在侧向挤压模孔附近

的变形区内有十分剧烈的剪切变形。

这种剪切变形带的存在对连续挤压是特别有利的。剧烈剪切变形产生较大的变形热，而

且可以使材料变形在整个区域较为均匀，从而提高金属的塑性变形能力。在泄漏口附近出现

了拉应力。这一拉应力的出现有助于坯料内部及挤压死区内夹杂物通过泄漏口排出，因而有

利于制品内部质量的改善与提高。

3. 影响金属挤压加工的工艺因素

（1）挤压速度和温度。

在连续挤压加工母材的生产过程中，挤压速度和温度是影响金属加工质量和使用寿命的重要因素。一般而言，挤压速度越大，被周围介质吸收的热量就越少，则金属塑性变形的温