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.Green发明了CONFORM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℃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，CONFORM连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CONFORM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：
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度就越高，反之亦然。

在挤压过程中，挤压速度与温度密切相关。

提高挤压速度，则挤压温度也随着升高，反之亦然。

为了保持挤出产品的形状整体性，塑性变形区的温度必须与金属塑性最好时的温度相适应。

变形温度对金属的塑性有着重大影响，就大多数金属而言，总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加。

（2) 材料的冷却收缩性。

金属在冷却过程中，由于各部分收缩的非均匀性，容易造成材料表面受拉、内层受压，从而产生热应力，影响其表面质量。

此外，金属在冷却过程中可能发生相变，相变过程导致的体积变化可能使材料晶粒内部产生组织应力，当叠加的应力超过金属强度时，就会破坏产品的完整性，在材料的内部或表面产生微观和宏观裂纹，导致产品形状变形。

为了避免金属在冷却过程中产生尺寸变形，必须选择适当的冷却速度，并按一定的冷却规范进行冷却。

（3) 材料的流动性。

所谓流动性是指金属充满腔体及模具型腔的能力。

若合金的流动性不佳，金属则无法完全充满模腔。

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。

4.连续挤压技术的应用
连续挤压和连续包覆技术的应用如今已经相当的广泛，主要分为以下几个方面：
（1) 制冷用管制造技术
制造小直径薄壁制冷用管的传统工艺方法是：热挤压+冷轧+减径拉伸，但该方法设备投资大，工序多，材料利用率低，制造异形空心管的工艺就更为复杂，由于连续挤压技术的应用使得这一难题得以解决。

该方法与传统工艺相比具有如下优点：①一次成形为产品，大大简化了生产工序、缩短了生产周期；②无压余及工序间废料，材料利用率可达到95％以上；③不需要加热设备，节约能源；④连续生产，无间隔时间，生产率高，自动化程度高；
⑤可生产超大长度的产品，为制冷管的应用厂家自动化生产提供了基础；⑥投资省，占地面积小。

（2) 有线电视同轴电缆外导体、通信信号电缆护套制造技术
有线电视同轴电缆外导体和通信信号电缆护套的传统制造方法为铝带纵向弯曲后焊接，
一般采用氩弧焊或高频焊。

但由于焊接方法的限制总存在焊缝，使得电缆的气密性、电气特性及生产效率难以得到根本的改善和提高。

（3) 铝包钢丝制造技术
钢丝连续挤压包覆的工作原理是钢芯线直接穿过模腔，挤压轮沿顺时针方向旋转，两根铝杆坯料进入挤压轮轮槽时，在槽壁摩擦力的作用下被曳引到模腔内，在摩擦力产生的高压和高温作用下，铝在模腔内与钢芯线形成良好结合后通过模口挤出形成铝包钢丝。

采用“连续挤压包覆+拉拔”技术生产铝包钢丝，是对传统制造工艺的一次重大变革，具体表现在如下几个方面：①生产线自动化程度高，工艺简单，各工艺参数容易控制，生产成本低；②通过改变钢芯线性能、尺寸和包覆层厚度，就可调节产品的力学性能和电性能；
③原材料铝为统一规格的盘条杆，备料方便；④变换产品仅需更换一只模具，快捷方便，准备周期短，特别适于多品种生产；⑤连续生产，生产效率高。

工人劳动强度低，工作环境得到改善。

（4) 高速铁路铜合金接触线制造技术
目前，国内生产的纯铜接触线、铜银合金接触线还不能适应高速铁路建设的需要，铜镁合金接触线还正在试验，现在运营和正在建设的准高速、高速铁路线路的接触线基本都采用进口产品。

在生产铜合金接触线时，连续挤压技术与其他工艺相比，有以下特点：①工艺简单，可连续生产。

连续挤压变形是靠旋转的挤压轮对坯料的摩擦来驱动的，其操作不受最大行程的限制，可以不间断地连续生产；②坯料无须加热。

连续挤压是通过坯料与进料导板的摩擦生热来控制金属的变形温度，铜合金在变形时的温度最高可达800℃～850℃，因此无须加热，降低了60％的能耗；③变形金属受力状态好，组织致密。

坯料在连续挤压过程中处于强烈的三向压应力状态，有利于提高金属的塑性，消除铸造缺陷，同时发生再结晶，改善组织结构，细化晶粒，从而提高了金属的机械性能和电性能。

由该方法获得的铜合金线晶粒度通常仅为0.01～0.02 mm；④同一种直径的杆坯既可以生产更小截面的产品，也可以通过扩张模生产比杆坯截面还大的产品，从而满足不同线径产品的需要。

（5) 铜扁线制造技术
随着铝的连续挤压技术的趋于成熟化、系统化，现在主要的精力放在了铜扁线的连续挤压上面，而目前这项技术已经在实际中获得了广泛的应用。

二、连续挤压设备
大连交通大学自从成立了连续挤压工程研究中心以来，在设备能力方面，从250单槽挤压发展到350双槽挤压和包覆；在所生产产品的品种方面，从单一材料发展到多种材料的复合，实现了直接包覆和间接包覆；在成形的金属材料方面，从铝、铜扩展到铝合金及铜合金，先后研制成功了KLJ250、TLJ250、TLJ300、LIA300、TIA350、SLJB350生产线，分别用于加工铝及合金的管材与型材、铝包钢丝、光纤护套、有线电视同轴电缆(CATV)、铁路通信信号电缆、电力机车铜合金接触导线、光纤复合架空地线(OPGW)、优质铜扁线、铜母线等产品，形成了完全国产化的连续挤压和连续包覆系列成套设备和具有自主产权的关键技术。

特别是新研制开发的铜扁线短流程连续挤压技术和成套设备，具有产品质量高、工艺简单、高效节能、符合环保等优点，倍受铜扁线制造厂家的青睐，已经成为铜扁线生产的更新换代产品，该套设备在国内市场的占有量已达90％以上，完全取代了进口。

三、连续挤压技术的工艺
1.铝及铝合金的挤压
铝具有一系列比其它有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，如密度小，约为钢的1/3；良好的耐蚀性和耐候性；良好的塑性和加工性能；良好的导热性和导电性；良好的耐低温性能；弹性系数小；良好的力学性能。

此外，铝材的高温性能、成形性能、铆接性、胶合性以及表面处理性能等也比较好。

因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑等各个领域都获得了十分广泛的应用。

在20世纪80年代，连续挤压机主要用于挤压铝质电冰箱冷凝管用光面小管材。

我国早期引进的CH300型连续挤压机，如广州铝材厂、长沙有色金属加工厂、南宁铝材厂、东北轻合金加工厂、石家庄铝厂等的连续挤压机都是为了生产这类材料。

随着连续挤压技术的不断发展，连续挤压机可生产的品种已由最初的铝光面管扩展到D形管、汽车空调用口琴管等诸多产品领域。

生产平行流多孔铝管采用连续挤压法，即用连续挤压机(Conform)直接挤压成品管，工艺流程短，生产成本低，而且盘管质量大，精整后尺寸较精确，管材内表面清洁，没有任何润滑剂残留物，生产效率高。

铝制品连续挤压的生产流程如图5所示。

图5铝制品连续挤压生产工艺流程
连续挤压生产铝制品的原材料一般采用的是铝线（杆）坯料，是用经精炼再过滤的铝水连铸连轧得到的，在生产时，开卷进行挤压之前，要先清洗出去表面的油污和氧化物等，然后才可沿挤压轮的沟槽送入压实轮，后者紧紧地将坯料压在沟槽内，靠沟槽两侧的摩擦力将铝线坯料带入，在此过程中会产生很大的摩擦，依靠摩擦发热以及变形热，可使变形铝金属的温度有室温快速上升到250～450℃，在进料孔附近甚至可达到500℃以上的高温，而后铝线坯料在沟槽内产生塑性流动，在模腔堵头处改变流动方向，直接进入模具分流孔，充满焊合室，最后流出模孔形成所需的产品。

铝管连续挤压的技术参数如表1所示。

表1 技术参数
2.铜扁线连续挤压
铜扁线是制造变压器所用电磁线的主要材料，其导电性能、抗拉强度、延展性、表面质量直接影响到变压器绕组的性能和制造质量。

目前，生产铜扁线的工艺方法主要有：拉拔法和连续挤压法(即上引连铸——连续挤压法)两种。

其中拉拔法的工艺为上引连铸——轧制(压扁)——拉拔——退火法，是传统的铜扁线生产方法。

该方法的最后一道工序是“退火”。

由于是冷加工，难以保证扁线的质量和性能，又由于其生产工序多、周期长，原料尺寸又与产品规格有关，因此给多品种、小批量模式的生产准备带来困难。

铜扁线连续挤压是在铝连续挤压技术基础上发展起来的一项新技术。

由于该技术所具有的显著优点，发达国家一直在潜心研究，并积极开拓市场，尤其应用在对铜扁线质量要求高的场合。

据资料介绍，世界著名的ABB电气公司已拥有14条生产线用以进行铜扁线生产，以确保其电气产品的质量。

我国正在进行农村电网和城市电网的改造，急需大量优质的输变电设施，从而对铜扁线的生产制造提出了更高要求。

尤其是我国加入世贸组织之后，大批外国企业要求我国提供优质的产品。

针对这一情况，大连交通大学与有关工厂合作，成功的开发了铜扁线连续挤压技术及成套设备，由于立足国内，价格相当低廉。

目前，该技术已应用于生产并取得了良好的效果，与传统工艺相比，显示出了其卓越的优点和生命力。

采用该技术不仅可生产各种规格的铜扁线，在挤压机上更换不同的模具后，还可生产异型截面的铜型材产品。

此外，该技术若进一步开发还可应用于管材和铜包钢复合线的生产领域，从而使铜加工的传统产业由于新技术的引进而发生重大变革，将产生巨大的经济效益。

图6 铜扁线连续挤压生产线
铜扁线连续挤压生产线由连续挤压机和辅助设备组成，如图6所示。

坯料采用上引法生产的无氧铜杆，由坯料放线盘放出，经过矫直后送入连续挤压机。

通过挤压机后挤压成铜扁线产品，但此时温度较高，所以在挤压机的出口处有防氧化装置和冷却系统。

最后经由摆臂、计米和涂油等装置由收排线机收卷成盘。

同传统的铜扁线生产工艺（拉拔法）相比，采用连续挤压方法生产铜扁线具有以下优点：
(1) 采用连续挤压生产铜扁线，铜坯料在挤压模口前的温度可达600℃以上，压力高达1000MPa以上，而且为三向压应力。

在这种高温、高压条件下，铜坯料的原始内部缺陷，如气孔等可以在连续挤压过程中消除。

而拉拔工艺则由于其轴向拉应力的作用，会使横向缺陷发生并扩展。

(2) 由于连续挤压铜扁线仅需一道工序即可将铜盘条直接挤压成铜扁线产品，使得铜扁线表面不会产生毛刺等表面缺陷，铜扁线具有良好的表面质量。

而传统的拉拔工艺中，铜杆表面的原始缺陷一般会“遗传”到铜扁线最终成品，易使扁线表面产生毛刺等缺陷。

(3) 由于采用单一的坯料，仅需要简单更换模具就可以产生各种规格的铜扁线产品，且不需要退火，因此生产周期非常短，可实现“当天交货”，而不需要库存和准备各种规格的坯料，大大缩短了生产周期，减少资金的占用，提高了材料利用率和成品率，特别适合于多品种、小批量的铜扁线的生产特点。

(4) 经优化的模具材料和结构可保证产品具有较高的尺寸精度，不仅可以达到国家标准的要求，而且保证了同批产品具有相同的尺寸。

(5) 整条生产线采用的先进计算机控制系统，生产过程可自动检测和运行，实现了自动化生产，降低了操作工人的劳动强度。

3.连续挤压包覆工艺
CONFORM 切向包覆的工作原理如图7所示。

将靴座的位置从挤压轮的侧面改换到顶部，铝杆从挤压轮下方输人轮槽，与径向挤压的
原理完全相同。

在挡块前铝料达到高温和高
压状态，并向上流人靴座中的模腔，由于芯
线从模腔中穿过，铝科便围绕在芯线周围，
从模孔中挤出，形成包覆产品。

根据芯线材料和模具结构不同，可以分
为直接包覆和问接包覆，直接包覆的芯线是
金属线材。

铝料直接包覆在芯线上，并形成
图 7切向包覆原理
冶金结合，典型产品如铝包钢线等。

间接包
覆的芯线是软绝缘材料。

为避免灼伤芯线，
将铝料先挤压一个套管，同芯线不直接接触，待离开模具后，加以迅速冷却，然后通过在线的拉拔工序制成护套，同芯线贴合。

确切地说，间接包覆应称为包套，包套工艺可用于制造有线电视同轴电缆(CATV)，光纤复合架空地(OPGW)，电气铁路通信信号电缆等。

CONFORM 切向包覆的这种功能在电缆制造行业中表现了突出的优势，同传统的用铝带为原料的轧制包覆工艺或冷弯焊接包套工艺相比，它具有一系列优点：①生产不同规格的产品只需同一种规格的铝杆(常用中Φ9.5mm)，而不同各种规格的铝带,原材料供应方便,而
且价格也相对便宜；②材料利用率高，可达95％左右；③生产率高，铝包钢线的生产速度可达100m/min 以上,电缆包套的速度也可超过4O m/min，包覆层越薄，直径越小，生产率便越高；④产品质量好，铝护套无焊缝，消除了漏泄的可能性。

铝包钢线的铝覆层同钢芯线形成了均匀而牢固的冶金结台，可以进行后续的拉拔工序。

图8 连续挤压包覆生产线的工艺流程
- 11 -。