挤压基本原理

第二挤压基本原理

第一节挤压变形的金属流动分析

为了搞清楚各种挤压方法的金属流动情况, 可以采用坐标网格法、视塑性法、去光塑性法、密栅云纹法等实验方法和上限法、有限元法等数值计算方法。下面采用直观、简便的坐标网格法来分析各种挤压方法的金属流动情况。

一、正挤压实心件黑色金属流动分析

为了解黑色金属正挤压实心件的金属流动情况, 可将圆柱体坯料切成两块 ,见

图 2-1a 。在其中的一块剖面刻上均匀的网格 , 并在剖面上涂润滑油 , 再与另一块的剖面拼合在一起放人挤压凹模模腔内进行正挤压。当挤压至某一时刻时停止挤压 , 取出试件 ,将试件沿拼合面分开 , 此时可以观察到坐标网格的变化情况。

假如凹模出口形状和润滑状态是理想的话 , 则挤出的材料变形为理想情况 ,见图2-1b ,是均匀的、无剪切变形的理想变形。但是 , 由于外部摩擦、工件形状、变形程度及各种因素的影响 , 实际情况与之有一定的差别。理想润滑时的挤压金属变形见图2-1c。可以看到 , 坯料的边缘接近凹模孔口时才发生变形。坯料的中心部分首先开始变形 , 横格线向挤压方向弯曲 , 接近模具孔口部分的弯曲程度最大。而与模具型腔表面的接触部分 , 却倾向于停留不动 , 其表现是位于表层的横格线间隔基本不变。由于锥面的推挤作用 ,纵向方格线向中心靠拢，发生不同程度的扭曲 , 位于模具孔口附近的扭曲变形最为显著 , 可见 , 变主要集中在模具孔口附近。处于凹模下底面转角处的那一小部分金属很难变形或停留不动 , 被称之为死区。死区的大小与摩擦、凹模锥角、变形程度有关。

在实际生产中 , 润滑条件达不到理想的情况。因而 , 坯料与模具表面之间的摩擦会使变形不均匀程度加剧 , 见图 2-1d 。其表现是网格歪扭得更严重 , 死区也相应比较大。横向坐标线在出口处发生了较大的弯曲 , 且中间部分弯曲更剧烈，这是由于凹模与被挤压坯料表面之间存在着接触摩擦，使金属在流动时外层滞后于中层的缘故。

图2-1 正挤压变形的网格示意

a) 变形前 b) 理想变形 c) 理想润滑时的变形 d) 实际变形

正挤压时坯料大致分为 : 变形区、不变形区 ( 又分为待变形区、已变形区)和死区 , 见图 2-2a。因为变形区始终处于凹模孔口附近 , 只要压余厚度不小于变形区的高度 , 变形区的大小、位置都不变 , 所以正挤压变形属于稳定变形。

图2-2 正挤压变形分区

a)变形分区 b) 变形区应力应变状态

1 一待变形区

2 一变形区

3 一死区

4 一已变形区

变形区的应力状态与应变状态见图2–2b。

从上述分析可以看出,正挤压实心件的变形特点是：金属进入变形区才发生变形,此区称为剧烈变形区。进入此区以前或离开此区以后,金属几乎不变形，仅作刚性平移。在变形区内,金属的流动是不均匀的，中心层流动，外层流动慢；而当进入稳定变形阶段以后,不均匀变形的程度是相同的。在凹模出口转角处会产生程度不同的金属"死区"。

二、正挤压空心件变形的流动分析

正挤压空心件的坐标网格变化情况见图2-3。坯料除了受凹模工作表面的接触摩擦影响外，还受到芯棒表面接触摩擦的影响，因而坯料上的横向坐标线向后弯曲，不再有产生超前流动的中心区域，这说明正挤压空心件的金属流动比正挤压实心件均匀一些。在进入稳定流动时，剧烈变形区也是集中在凹模锥孔附近高度很小的范围内，金属在进入变形区以前或离开变形区以后几乎不发生塑性变形，仅作刚性平移。

a) b)

图2-3正挤压空心件的金属流动情况

a)挤压前的初始状态 b)挤压时的网格变化情况

三、反挤压变形的流动分析

用实心坯料反挤压杯形件时,挤压变形过程的坐标网格变化情况见图2-4。

图2 - 4b表示坯料高径比大于1进入稳定挤压状态时的网格变化情况。此时可将坯料内部的变形情况分为五个区域(见图2-5)：2区为金属“死区”，它紧贴着凸模端表面，呈倒锥形，该锥形大小随凸模端表面与坯料间的摩擦阻力大小而变化；3区为剧烈变形区，坯料金属在此区域内产生剧烈流动，该区的轴向

dl

a) b) c)

图2-4反挤压变形的网格图

a)变形前b)稳定变形c)非稳定变

形

范围大约为(0.1~02)d1(d1为反挤压凸模直径)，当凸模下行到坯料底部尺寸仍大于此界限尺寸时，仍为稳定变形状态,金属流动局限于3区内;5区即紧贴凹模腔底部的一部分金属,保持原状,不产生塑性变形;当凸模再继续下行到坯料底厚小于此界限尺寸时,在此底厚内的全部金属材料皆产生流动,成为如图2-4c所示的非稳定变形状态,图中D表示金属"死区"。反挤压变形区的应力状态与应变状态见图2-5b。

a)

图2-5反挤压变形分区

a)变形分区

1一已变形区2一死区3一变形区4一过渡区5一待变形区

由图可以看出,反挤压时内壁的变形程度大于外壁。同时,强烈变形区的金属一旦到达筒壁后,就不再继续变形,仅在后续变形金属的推动和流动金属本身的惯性力作用下以刚性平移的形式向上运动。

四、复合挤压变形的流动分析

复合挤压因为是正挤压、反挤压的组合,有很多种复合的情况,其坐标网格的变化情况,见图2-6。复合挤压存在向不同出口挤出的流动的分界面,即分流面。分流面的位置影响两端金属的相对挤出量,但由于受到零件形状及变形条件(如模具结构、摩擦润滑等)的影响,分

流面至今尚无简单决定的方法。

a)

b)

图2-6复合挤压变形的网格图

a)杆-杆b)杯-杯 c)杯-杆

1凸摸2一工件3一凹模4一下凸模D一死区