金属塑性加工技术及模具挤压

湖 南 大 学 材 料 学 院 金 属 材 料 专 业 核 心 课 程金 属 塑 性 加 工 技 术 及 模 具挤 压 技 术 及 模 具 主 讲 教 师 ： 袁 武 华 夏 伟 军 2010年 3月 12日 一 挤 压 的 基 本 概 念w 挤 压 -采 用 挤 压 杆 (或 凸 模 )将 放 在 挤 压 筒 (或 凹 模 )内 的坯 料 压 出 模 孔 ,获 得 一 定 端 面 形 状 和 尺 寸 的 塑 性 加 工 方 法 。w 挤 压 可 以 生 产 管 、 棒 、 型 、 线 材 以 及 各 种 机 械 零 件 等 。w 挤 压 类 型 可 分 许 多 种 ： 按 金 属 流 动 及 变 形 特 征 ： 正 向 、 反 向 、 侧 向 、 连 续 挤 压及 特 殊 挤 压 （ 静 液 挤 压 、 有 效 摩 擦 挤 压 、 扩 展 模 挤 压 、半 固 态 挤 压 等 ） 。 按 挤 压 温 度 ： 热 、 温 及 冷 。 在 冶 金 工 业 系 统 主 要 应 用 热挤 压 。 基 本 挤 压 方 法实 心 （ 正 、 反 ） 、 空 心 材 （ 正 、 反 ） 1 正 向 挤 压（ 1） 实 心 材 正 向 挤 压普 通 正 向 挤 压 、 脱 皮 挤 压 、 变 断 面 型 材 挤 压 变 断 面 型 材 挤 压 变 断 面 型 材 挤 压 （ 2） 空 心 材 正 向 挤 压 带 独 立 穿 孔 系 统 、 不 带 独 立 穿 孔 系 统 、 联 合 挤 压 、 焊 合挤 压 （ 3） 其 他 正 向 挤 压 方 法 ： 水 封 挤 压 、 恒 张 力 挤 压 2 反 向 挤 压（ 1） 实 心 材 反 向 挤 压 （ 2） 空 心 材 反 向 挤 压 （ 4） 连 续 挤 压 ： 连 续 挤 压 (conformcastex）连 续 挤 压（ 3） 侧 向 挤 压 （ 5） 静 液 挤 压 （ 6） 等 通 道 角 挤 压 （ 7） 半 固 态 挤 压 （ 8） 其 他 挤 压 ： 有 效 摩 擦 挤 压 、 冷 挤 压 、温 挤 压 、 扩 展 模 挤 压 、 液 态 挤 压 、 层 状 复 合材 料 挤 压 、 粉 末 挤 压 二 、 挤 压 时 金 属 的 流 动w 影 响 组 织 、 性 能 、 尺 寸 、 形 状 、 表 面 状 态 等 。1、 挤 压 时 金 属 的 流 动 特 点 填 充 阶 段 、 基 本 挤 压 阶 段 、 紊 流 压 出 阶 段 模 角 区 气 体 等 对 制 品 表 面 的 影 响 ？梯 温 加 热 、 排 气 （ 1） 填 充 阶 段 死 区 、 塑 性 变 形 区 、 后 端 弹 性 变 形 区特 点 ；死 区 的 形 成 ： 近 似 三 向 等 值 应 力 状 态 。摩 擦 、 冷 却 降 温 导 致 ； 对 挤 型 材 表 面质 量 的 影 响 ？影 响 死 区 大 小 因 素 ： 模 角 、 模 孔 位 置 、挤 压 比 、 摩 擦 、 金 属 强 度 。（ 2） 平 流 压 出 阶 段（ 3） 紊 流 挤 压 阶 段挤 压 力 增 加 ， 死 区 金 属 被 挤 出 2 影 响 金 属 流 动 的 因 素（ 1） 金 属 强 度 ： 强 度 高 （ 如 合 金 ） ， 流 动 均 匀 。 （ f）（ 2） 摩 擦 ： 挤 压 筒 、 模 面 、 挤 压 垫 片 摩 擦 的 影 响 （ 3） 温 度 ： 芯 /表 温 度 差 、 相 变 、 摩 擦 条 件 变 化 （ 4） 工 具 形 状 ： 模 角 、 垫 片（ 5） 变 形 程 度 ： ， 均 匀 性 降 低 ， 85%后 趋 于 均 匀 ；（ 6） 挤 压 速 度 ： ， 流 动 更 不 均 匀 、 塑 性 降 低 、 T 脆 性区 3 挤 压 时 金 属 的 流 动 模 型主 要 有 四 种 情 况 ： a 反 挤 压 和 静 液 挤 压 ， 摩 擦 系 数 小 ， 模 子 附 近 筒 壁 才 有 摩擦 ， 金 属 流 动 均 匀 ， 其 变 形 集 中 于 模 口 附 近 。 b 在 润 滑 挤 压 时 ， 摩 擦 系 数 小 ， 金 属 流 动 较 均 匀 。 c 摩 擦 系 数 较 大 ， 锭 坯 内 外 温 差 大 ， 则 变 形 区 域 扩 张 到 整 个毛 坯 的 高 度 上 ， 在 挤 压 后 期 出 现 较 短 缩 尾 。 d 摩 擦 力 非 常 大 的 ， 锭 坯 内 外 温 差 非 常 大 ， 金 属 流 动 不 均 匀 。（ 多 出 现 于 铜 合 金 挤 压 ） 三 、 挤 压 制 品 的 组 织 与 性 能1 组 织 特 征 ： 径 向 、 轴 向 组 织 不 均 （ 润 滑 挤 压 、 静 液 挤 压 、 反 向 挤 压 等 趋 于 均 匀 ）影 响 因 素 ： f、 T、 v、 合 金 相 等 （ 1） 层 状 组 织制 品 在 折 断 后 ,呈 现 出 与 木 质 相似 的 断 口 ,分 层 的 断 口 表 面 凹 凸不 平 ,带 有 布 状 裂 纹 ,方 向 与 挤压 制 品 轴 向 平 行 。 在 制 品 纵 向上 力 学 性 能 影 响 不 大 ,而 在 制 品横 向 上 力 学 性 能 降 低 30%左 右 。 层 状 组 织 产 生 的 原 因 ：v 在 铸 锭 组 织 中 存 在 大 量 的 微 小 气 孔 、 缩 孔 或 在 铸 锭 晶界 上 分 布 着 未 被 溶 解 的 第 二 相 或 者 杂 质 等 ,在 挤 压 时 都 被拉 长 ,从 而 呈 现 层 状 组 织 。v 层 状 组 织 一 般 出 现 在 制 品 的 前 端 ,这 是 由 于 在 挤 压 后 期金 属 变 形 程 度 大 且 流 动 紊 乱 ,从 而 破 坏 了 杂 质 薄 膜 的 完 整性 ,而 使 层 状 组 织 显 现 得 不 明 显 。v 防 止 层 状 组 织 出 现 的 措 施 ,应 当 从 铸 锭 组 织 着 手 ,减 少铸 锭 柱 状 晶 区 ,扩 大 等 轴 晶 区 ,同 时 使 晶 间 杂 质 分 散 或 减 少等 。 对 于 不 同 的 合 金 还 有 不 同 的 解 决 层 状 组 织 的 办 法 ， 如铝 合 金 的 层 状 组 织 ,减 少 合 金 中 的 氧 化 膜 、 金 属 化 合 物 的晶 内 偏 析 可 减 少 或 消 除 层 状 组 织 。 （ 2） 粗 晶 环挤 压 棒 、 型 材 时 ， 或 挤 压 后 的 淬 火 处 理 后 ， 在 制 品 尾 部 靠 外层 出 现 粗 大 晶 组 织 。 如 ： 黄 铜 、 铝 合 金 室 温 强 度 降 低 2030%.形 成 机 理 ：以 Al、 Al合 金 为 例 ：为 什 么 在 制 品 外 层 会 出 现 粗 晶 组 织 ,内 部 为 细 晶 组 织 ?为 什 么 纯 铝 等 在 挤 压 时 即 出 现 粗 晶 组 织 ,而 铝 合 金 则 在 淬 火加 热 时 才 出 现 粗 组 织 ?v再 结 晶v影 响 粗 晶 环 的 主 要 因 素 ：Mn、 Cr等 合 金 元 素 （ 2A12： 0.80.9Mn可 避 免 ） ；铸 锭 均 匀 化 （ 2A12等 不 均 匀 化 ， MnAl6， 其 他 不 含 Mn影 响 不 大 ） ；挤 压 温 度 ； 挤 压 筒 加 热 温 度 ； 淬 火 温 度 ； 应 力 状 态 。总 体 目 标 ： 减 小 不 均 匀 变 形 、 控 制 再 结 晶 2 挤 压 制 品 力 学 性 能 特 征组 织 不 均 匀 性 能 不 均 匀一 般 棒 材 如 右 图 。 软 铝 合 金 相 反 。挤 压 效 应 ： 挤 压 制 品 与 轧 、 锻 、 拉 等 制 品 经 过相 同 的 热 处 理 后 ， 挤 压 制 品 强 度 较 高 ，塑 性 较 低 。原 因 ： （ 1） Al(fcc)111织 构 ； （ 2） Mn、 Cr等 使 芯 部 再 结 晶温 度 提 高 （ 表 层 挤 压 效 应 不 明 显 ） 。影 响 因 素 ： 挤 压 温 度 、 变 形 程 度 、 二 次 挤 压 3 挤 压 裂 纹4 挤 压 缩 尾皮 下 （ 表 层 ） 、 中 心 、 环 行 缩 尾 四 、 挤 压 设 备w 机 械 式 （ 少 ） 、 液 压 式 （ 水 、 油 ）1 分 类 ： 卧 式 -立 式 ； 单 动 式 -复 动 式 （ 带 独 立 穿 孔 系 统 ） ；长 行 程 -短 行 程 ； 正 -反 向 ； 水 -油 压 2 挤 压 机 结 构 （ 1） 挤 压 机 主 机 结 构棒 材 挤 压 机 （ 固 定 针 也 可 以 挤 管 材 ）管 材 挤 压 机 ： 后 置 式 、 侧 置 式 、 内 置 式 等 （ 2） 挤 压 机 主 体 结 构机 座 （ 前 机 座 、 中 间 机 座 、 后 机 座 ）横 梁 （ 前 、 后 ）张 力 柱（ 3） 挤 压 机 辅 助 装 置模 座 、 剪 切 装 置 、 牵 引 机 、 冷 床 等 五 、 挤 压 工 具w 挤 压 工 具 ： 挤 压 模 挤 压 杆 穿 孔 针 挤 压 垫 片 挤 压 筒 1 挤 压 筒 圆 形 筒 、 扁 形 筒 两 层 /三 层 过 盈 配 合 组 装 挤 压 筒 尺 寸 ： Dp 挤 压 材 料 ： 耐 热 钢 ， 420C 2 挤 压 杆 实 心 ： 棒 、 型 材 空 心 ： 管 材 材 料 ： 3Cr2W8V、5CrNiMo等 。3 垫 片自 由 式 、 固 定 式 4 穿 孔 针柱 式瓶 式浮 动 式断 针 及 预 防 ？5 挤 压 模整 体 模 、 可 拆 卸 模 、 舌 摸 、 分 流 组 合 摸 （ 1） 整 体 模（ 2） 可 拆 卸 模 -变 断 面 型 材 挤 压 （ 3） 舌 模（ 4） 分 流 组 合 模 （ 4） 挤 压 模 设 计单 孔 整 体 模 设 计 ：平 模 ： 90， 锥 模 ： 4560工 作 带 长 度 ： 表 6-4模 孔 尺 寸 ： 考 虑 公 差 、 热 膨 胀 等模 孔 出 口 直 径 ： 大 d模 45mm模 孔 外 接 圆 D max=0.80.85D筒 多 孔 模 设 计 ：模 孔 数 ： n=Ft/F模 孔 排 列 原 则 ： 模 孔 布 置 在 同 心 圆 D=Dt/2.6-0.1(n-2) 过 大 、 过 小 ？模 孔 设 计 原 则 ： 流 动 均 匀 、 模 具 强 度v 轴 对 称 型 材 重 心 在 挤 压 模 中 心v 对 称 面 少 的 型 材 用 多 孔 模 增 加 对 称 性 ， 薄 壁 靠 中v 不 等 长 工 作 带v 阻 流 角 、 促 流 角 、 引 流 角v 平 衡 模 孔 D减 10mm， L+0.3 :39,h4mmw 材 料 ： 4Cr5MoVSi(H13)（ 渗 N） 、 3Cr2W8V等w CAD/CAM设 计分 流 模 设 计 中 注 意 的 问 题 ：v焊 合 问 题 ： 成 分 、 工 艺 、 模 具v粗 晶 问 题 ： 工 艺 、 模 具v椭 圆 、 弯 扭 、 翘 曲 问 题v表 面 质 量 （ 阳 极 氧 化 质 量 等 ） 六 、 挤 压 力 的 计 算w 影 响 挤 压 力 的 因 素 ：材 料 、 挤 压 方 法挤 压 温 度坯 料 长 度变 形 程 度挤 压 速 度模 角摩 擦 1、 棒 材 单 孔 挤 压 力棒 材 ：由 棒 材 推 出 型 材 ： 管 材 ： 固 定 针 挤 压管 材 ： 随 动 针 挤 压管 材 ： 反 向 挤 压 分 流 模 挤 压挤 压 经 验 公 式 ： 七 、 挤 压 工 艺 1、 锭 坯 尺 寸 的 选 择w 选 择 原 则 ： 质 量 、 变 形 量 、 挤 制 品 尺 寸 、 设 备 能 力 （ 机 、模 ） 、 间 隙 一 般 10， 棒 型 材 ： D0=d 1/2 管 材 ： D0=(d2-d12)+d121/2 L0=Kt(Lz+LQ)/ +hy一 般 长 度 变 化 较 少 ， 规 格 化 铸 锭 产 品 。 2、 温 度 和 速 度 的 选 择VT匹 配 关 系合 金 状 态 图 ： T=(0.850.9)T固塑 性 图 ： 压 缩 率 max、 断 面 收 缩 率 max第 二 类 再 结 晶 图 ： T-v-d具 体 考 虑 ： 合 金 种 类 （ 高 温 易 氧 化 粘 结 ） 、热 效 应 、 合 金 相 、 挤 压 机 形 式 等 温 度 -速 度 优 化 3、 挤 压 润 滑w 流 动 均 匀 、 提 高 质 量 、 降 低 挤 压 力 、 延 长 工 模 具 使 用 寿 命w 不 利 ： 铸 锭 氧 化 物 等 易 进 入 制 品 。 挤 压 垫 片 不 能 润 滑 。选 择 润 滑 剂 原 则 ： 黏 度 ， 形 成 润 滑 膜 ； 化 学 稳 定 性 、 无 腐 蚀 作 用 ； 闪 点 高 ； 对 接 触 表 面 高 活 性 ； 灰 分 少 ； 无 污 染 。 （ 1） 挤 压 铝 合 金 用 的 涧 滑 剂 70%80%72号 汽 缸 油 +30%20%粉 状 石 墨 ; 60%70%250号 苯 甲 基 硅 油 +40%30%粉 状 石 墨 ; 65%汽 缸 油 +15%硬 脂 酸 铅 +10%石 墨 +10%滑 石 粉 ; 65%汽 缸 油 +10%硬 脂 酸 铅 +10%石 墨 +15%二 硫 化 钼 。铝 合 金 挤 压 一 般 不 使 用 润 滑 剂 ,有 时 在 模 子 上 涂 极 少 的 润滑 剂 。 分 流 模 尤 其 注 意 。（ 2） 挤 压 铜 使 用 的 润 滑 剂 用 45号 机 油 加 30%40%的 片 状 石 墨 。（ 3） 挤 压 钛 、 不 锈 钢 等 用 润 滑 剂 玻 璃 润 滑 剂 （ 润 滑 、 绝 热 ）