东北大学材料成型工艺学第二篇(一)

材料成型工艺学(下)主 讲

李宝绵EPM重点实验室

东北大学

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

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。

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。

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

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。

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。

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

模座锁 键

欲完成挤压需有： 1)产生动力的装臵： 挤压机 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

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。

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。 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； 基本挤压阶段：又称层 挤 流挤压阶段，金属不发生 终了阶段 压 紊乱流动，即锭外(内) 力 层金属出模后仍在外(内) 层，挤压力稳中有降；Ⅰ Ⅱ Ⅲ 挤压杆行程 基本阶段

填充阶段

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。

1)填充挤压阶段

P

A 必要性

挤压时，为便于将锭坯 放入筒中，常使锭坯的外 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。

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。

Ⅱ Ⅲ

T

T

Ⅲ

NⅠ

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。PⅠ

P

P

ⅡⅢ

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)。

N

P

LN

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。

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