第一章挤压基本原理

4.变形温度的影响 变形温度的影响
一般而言，温度升高，金属塑性提高。 一般而言，温度升高，金属塑性提高。 原因有三： 原因有三： 原子动能增加，吸引力降低，位错易于滑动； 原子动能增加，吸引力降低，位错易于滑动； 变形金属发生回复与再结晶，即软化退火。 变形金属发生回复与再结晶，即软化退火。 金属结构发生变化，可能转变成单相组织， 金属结构发生变化，可能转变成单相组织，或变为有利的 晶格。 晶格。
三、挤压变形时的应力与应变 “三向压应力”状态利于提高材料的塑性且使晶粒细 三向压应力” 三向压应力 组织致密。 小、组织致密。
a)正挤 b)反挤 图1—9 挤压变形时金属的应力与应变
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、 挤压时，影响金属流动的主要因素有金属材料性质、变形条 变形速度与变形温度。 件、变形速度与变形温度。
图1-7 塑料体挤压流动
3．硬度试验法：在冷变形 ．硬度试验法：
时，金属的硬度是随变形程 度的增加而增加的， 度的增加而增加的，所以只 要知道变形各部分硬度的变 化，就可以大体上了解变形 的数值以及变形不均匀分布 的情况。 所示。 的情况。图1一8所示。 一 所示
4．光塑性法：目前研究塑 ．光塑性法：
性变形体内应力分布情况的主 要方法是光学分析法。 要方法是光学分析法。它利用 偏振光（或称偏极光） 偏振光（或称偏极光）透过各 向同性的变形试样以产生各种 彩色的线条， 彩色的线条，借以观察试样内 应力的分布情况。 应力的分布情况。
图1-8 用硬度试验法 a)反挤压 b)正挤实心件 c)正挤空心件
网格试验： 二、网格试验： 1、正挤压实心件的金属流动 、
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1．坐标网法： ．
坐标网法是一种应用广泛 的方法。如图1-6所示，先把 毛坯剖成两半，其中一块刻 有坐标网，另一块表面光滑、 平整；再把两剖切面涂上润 滑剂并拼合后放入凹模挤压； 最后依网格的变化情况分析 应力应变。
2．模拟试验法： ．模拟试验法：
它是用塑料体进行模拟 试验来研究金属的流动情况。 试样分别以不同的颜色分层 制成。挤压后将试样沿对称 而切开，由分层的位置变化 来观察变形的情况。如图1 －7。 由于塑料体进行挤压的 结果与金属挤压时的流动情 况不可能完全相同，因此这 种方法仅能用作模拟试验。
2）模具形状的影响 ）
模具形状决定变形区 的形式和大小； 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: 匀性。如图 入模角一般采用30°， 入模角一般采用 °
60°，90°，120°， ° ° ° 150°。 °
180°润滑不好 ：缩孔 °
3）变形程度的影响：许用极限 ε F许 ）变形程度的影响：
第一章 挤压基本原理
冷挤压是在一定温度下， 冷挤压是在一定温度下， 根据塑性变形原理， 根据塑性变形原理，利 用装在压力机上的模具， 用装在压力机上的模具， 通过凸模对放进凹模内 金属毛坯施加压力， 金属毛坯施加压力，使 坯料在一定的速度下产 生塑性变形而制得所需 形状、 形状、尺寸及一定力学 性能的零件的塑性加工 方法。 方法。如右图 1－1。 －。
1.金属材料的影响（内因） 金属材料的影响（内因） 金属材料的影响
金属成分的差异、金属组织结构不同， 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： 变形和变形抗力： 不同成分、不同种类的金属力学性能不同， 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、 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。 的形成，影响塑性变形。
图1-2 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 ）充满模腔（ ）挤压开始（ ）挤压过程（ ） 1-凸模 2-毛坯 3-凹模 凸模 毛坯 凹模
三、杯形件反挤压变形过程
§1－2 挤压变形时的应力与应变
一、研究金属应力应变的方法
研究金属变形和应力的方法很多，目前应用的方法有坐标 网法、模拟实验法、硬度实验法、光塑性法和密栅云纹法。
5.应力状态的影响： 应力状态的影响： 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； 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。 反之，塑性越差。
“三向压应力状态”能提高塑性的原因： 三向压应力状态” 提高塑性的原因： 的原因
减少晶间变形，从而防止晶间变形引起的晶界破坏； 减少晶间变形，从而防止晶间变形引起的晶界破坏； 减少或弥合内部缺陷（缩孔、缩松、气孔） 减少或弥合内部缺陷（缩孔、缩松、气孔） 降低夹杂物引起的危害（应力集中引起的致裂） 降低夹杂物引起的危害（应力集中引起的致裂） 减少或抵消附加拉应力，避免翘曲或开裂。 减少或抵消附加拉应力，避免翘曲或开裂。 增加三向压应力，提高塑性的措施： 增加三向压应力，提高塑性的措施： 加反压进行挤压、包套挤压脆性金属和增加脆性金属 加反压进行挤压、包套挤压脆性金属和增加脆性金属 和增加 挤压变形程度等
3.终了态 终了态
当未变形区厚度小于（ － ） 进入非稳定变形态。 当未变形区厚度小于（0.1－0.2）d1时，进入非稳定变形态。
4、复合挤压时金属的流动 、
复合挤压是正挤和反挤 的组合；复合挤压时存在 向不同出口挤出的流动分 界面，即分流面 分流面。 分流面 1.双杯类挤压件 双杯类挤压件 如图1－13a所示，为上 下对称的双杯零件，挤压 时金属均匀的向上和向下 流动，分流面在中间对称 面上。 2.杯－杆类挤压件 杯 如图1－13b所示，上部 金属流动情况与杆件反挤相似；下部与实心件正挤相似。
D
A
B
C
图1-10 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-弹性区（死角区）
1）变形不均匀 ） 2）挤出端部变形不大 ） 3）横向坐标线间距逐渐增加 ）
4）纵向坐标线发生扭曲 ） 5）正方形网格变成了平行四边形网格 ） 6）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 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。 摩擦力越大、凹模锥角越大则死区越大。
当其它条件相同时，变形程度增加，变形的不均匀性也增加。 当其它条件相同时，变形程度增加，变形的不均匀性也增加。
4）毛坯尺寸的影响： ）毛坯尺寸的影响：
“毛坯高径比 设毛坯高度为 0，直径为 0 毛坯高径比” 毛坯高径比 设毛坯高度为h 直径为d 当1<h0／d0<1.5时，变形不均匀程度随 0的增加而增加； ／ 时 变形不均匀程度随h 的增加而增加； 当h0／d0＞1.5时，变形不均匀程度不再增高。 ／ ＞ 时 变形不均匀程度不再增高。
变形较均匀
因受凸模或芯棒摩擦 力的影响， 力的影响，金属流动比正 挤实心件均匀一些。 挤实心件均匀一些。 在凹模锥口附近很小 高度范围内， 高度范围内，金属剧烈变 形，未、已变形区仅作刚 性平移， 性平移，几乎无或不再塑 变。
a)挤压前 b)挤压后 图1-11 正挤压空心件时金属的流动
3、反挤压杯形件时的金属流动 、
迅速扩大 。 毛坯高度降低， 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 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－ 毛坯自由放入凹模型腔内 整个挤压变形过程如图 －2
毛坯高度S降低 毛坯高度 不小 毛坯高度S不小 毛坯高度 降低， 初始状态， 施加压力后， 初始状态，毛 施加压力后， 凹模入口处的金属开始 降低， 坯与模壁间隙 金属径向流动 进入模孔， 变形区高度稳定不 于变形区高度， 进入模孔，变形区域逐 于变形区高度， 0.05－0.10mm 充满型腔 渐扩大，开始挤压 进入稳定阶段 － 而 渐扩大， 变，进入稳定阶段 挤压完毕
图1-1 冷挤压示意图
§1－1 挤压的变形过程
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： 无论零件形状如何，挤压时金属流动可分以下四阶段： 施加压力后， 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 凹模入口处的金属开始进入模孔，
“形状相似性” 形状相似性” 形状相似性 毛坯横断面的形状越接近凹模孔的形状， －毛坯横断面的形状越接近凹模孔的形状， 则变形越均匀。 则变形越均匀。
3.变形速度的影响：（设备的工作部分的运动速度） 变形速度的影响：（设备的工作部分的运动速度 设备的工作部分的运动速度）
“双面性”------临界速度 临界速度 一般来讲，变形速度增加，金属变形抗力增加， 一般来讲，变形速度增加，金属变形抗力增加，塑性 降低，变形不均匀程度增加； 降低，变形不均匀程度增加； 当变形速度很高，热效应显著，毛坯温度升高， 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。 降低，塑性增加，变形不均匀程度减少。
2、正挤压空心件的金属流动 、
金属毛坯在挤压时受凸模作用的挤压力、 金属毛坯在挤压时受凸模作用的挤压力、凹模作用的正压 力和凸、凹模壁阻止金属流动的摩擦力。 力和凸、凹模壁阻止金属流动的摩擦力。金属毛坯受三向压 应力（径向、切向和轴向压应力）。 如图1－ 。 应力（径向、切向和轴向压应力）。 如图 －11。
但是，低碳钢有三个脆区： 但是，低碳钢有三个脆区：
Ⅰ区：原子热震动极小，晶界脆化； 原子热震动极小，晶界脆化； Ⅱ区（蓝脆）：氧化物以沉淀形式存 蓝脆）：氧化物以沉淀形式存 ）： 在于晶界，类似时效强化； 在于晶界，类似时效强化； Ⅰ 300 δ Ⅱ Ⅲ 950 Ⅳ 1250 T/ ℃
Ⅲ区（热脆）：晶界出现低熔点共晶 －200 热脆）：晶界出现低熔点共晶 ）： 熔点910℃）； 体（熔点 ℃ Ⅳ区（高温）：过烧，晶界融化。 高温）：过烧，晶界融化。 ）：过烧
2.变形条件的影响 变形条件的影响 1）摩擦力的的影响： ）摩擦力的的影响：
摩擦力对金属流动有显著的影响。如图 － 。 摩擦力对金属流动有显著的影响。如图1－14。
① 摩擦系数很小，变形区集中 摩擦系数很小， 在凹模出口附近， 在凹模出口附近，金属流动 比较均匀， 比较均匀，死角区也比较小 如图1－ （如图 －14a）。 ）。 摩擦系数较大， ② 摩擦系数较大，变形区可以 扩大到整个体积， 扩大到整个体积，金属流动 不均匀， 不均匀，外层金属滞后于中 心层金属，死角区的高度增 心层金属， 加（图1－14b） － ） ③ 摩擦系数很大，金属的流动 摩擦系数很大， 很不一致， 很不一致，坐标网格有强烈 的扭曲， 的扭曲，死角区的高度显著 增加（ 增加（图1－14c）。 － ）。
用实心毛坯反挤杯形件时，各阶段的流动情况，如图 用实心毛坯反挤杯形件时，各阶段的流动情况，如图1— 12所示。 所示。 所示
1.初始态 初始态 2.稳定态 稳定态
Ⅰ－死区：紧贴凸模端面， 死区：紧贴凸模端面， 呈倒锥形， 呈倒锥形，这是因摩擦力而粘 滞了金属而形成的。 滞了金属而形成的。 Ⅱ－剧烈变形区：稳定变形 剧烈变形区： 后，该区仅限于轴向范围约 （0.1－0.2）d1之内。 － ） 之内。 Ⅲ－刚性平移区：金属流动 刚性平移区： 至形成杯壁后，不再变形。 至形成杯壁后，不再变形。 内外壁变形不均： 内外壁变形不均：内壁变形 程度较大。 程度较大。
另外：外摩擦的作用，使工件产生残余应力，降低工件质量； 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。 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 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 充分且均匀的润滑 部而言是有利的：反挤细长杯形件时，在凸模端面刻出“ 字槽， 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。