金属塑性加工技术及模具挤压.ppt

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,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。挤压可以生产管、棒、型、线材以及各种机械零件等。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,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：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。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。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?再结晶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,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,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Dmax=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 轴对称型材重心在挤压模中心 对称面少的型材用多孔模增加对称性，薄壁靠中 不等长工作带 阻流角、促流角、引流角 平衡模孔,D减10mm，L+0.3,:39,h25mm,分流组合模设计 分流+焊合：纯铝、防锈铝、锻造铝合金 上模（阳）：分流孔、分流桥、模芯 下模（阴）：焊合室、型孔、空刀挤压比：3080。过小？大？分流比K：K=F分流孔/F制品；型材：1030，管材：510分流孔：分流孔的形状有圆形、腰形、扇形、异形等；分流孔形状、分布的选择，应能使金属流动均匀为原则。一般情况下分流孔数目要尽量少，以减少焊合缝：同时也能增大外流孔的面积，降低挤压力。分流孔形状主要选择原则就是“仿形”即分流孔的形状模仿该孔下的型材的形状、其次，在保证模具强度的条件下，使分流孔的面积尽量大，因此一般选用扇形分流孔降低挤压力，提高模具寿命，增进焊合。二孔、三孔、四孔、六孔、多孔等。,分流桥：矩形、矩形倒角、水滴形、倒梯形等；焊合角：一般30，模芯较小22.5 模孔最好被分流桥遮住。模芯：锥式、锥台式、凸台式,焊合室：大小、形状、深度均影响焊合及挤压力形状：圆形-在分流孔间产生死区，增大挤压力，影响焊合；碟形-有利于消除死区，提高焊合质量；焊合室入口与模口平面可以用大圆角(R=520mm)或15斜度高度：可根据挤压筒直径定0.10.15D挤压筒直径mm 焊合室深度mm 95130 1015 150200 2025 200280 3035 300500 4050太浅：焊合质量问题；太深：芯头不稳；其高度应根据挤制品的壁厚及截面复杂程度来确定，壁厚越大或越复杂，其高度亦应更大。,模孔尺寸：热膨胀、模子变形工作带长度：桥下分流孔(+0.51mm)模出口带：4mm材料：4Cr5MoVSi(H13)（渗N）、3Cr2W8V等CAD/CAM设计分流模设计中注意的问题：焊合问题：成分、工艺、模具粗晶问题：工艺、模具椭圆、弯扭、翘曲问题表面质量（阳极氧化质量等）,六、挤压力的计算,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,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,流动均匀、提高质量、降低挤压力、延长工模具使用寿命不利：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）,