• 1. §2 挤压时金属的流动 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。
    • 2. 2.1 挤压时金属流动的特点2.2 正向挤压时金属流动的特点2.4 影响金属挤压流动的因素2.3 反挤压时金属流动的特点2.5 挤压金属流动模型
    • 3. 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:又称层流挤压阶段,金属不发生紊乱流动,即锭外(内)层金属出模后仍在外(内)层,挤压力稳中有降;挤压杆行程挤压力Ⅰ Ⅱ Ⅲ 填充阶段基本阶段终了阶段 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。
    • 4. (1) 挤压的填充挤压阶段 挤压时,为便于将锭坯放入筒中,常使锭坯外径小于筒内径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。
    • 5. A 必要性 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%)
    • 6. B 应力分析 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 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、、且可看成是主应力,但由于模孔的存在,导致分布不均匀,体现在:径向: 中心小,两边大,差异由前向后逐渐减小。轴向: 对着模孔部分:由前向后增大 对着模壁部分:由前向后减小
    • 7. 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) 变形过程:开始出鼓形, 断面首先充满挤压筒;继续加力, 断面充满挤压筒;最后, 断面充满挤压筒。Ⅰ Ⅱ Ⅲ
    • 8. D 坯料端面变形分析 NN 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)。 原因:轴向应力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。
    • 9. E 填充阶段应注意的问题 a 尽量减小变形量(锭坯与挤压筒的间隙),否则易造成:制品性能不均匀;棒材头大,即切头大;低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数表征,定义填充挤压系数为:一般
    • 10. b 锭坯的长度与直径比小于3-4,即L/D<3 -4。否则变形不均出现鼓形,甚至失稳弯曲,导致封闭在模、筒交界处的空气压入表面微裂纹中,出模后若焊合则形成气泡,若未焊合则出现起皮缺陷。 c 锭坯梯温加热,即坯料获得长度上的原始温度梯度,变形抗力低的高温端靠近模孔,填充挤压时坯料由前向后依次变形,从而将空气排除。
    • 11. (2) 挤压的基本挤压阶段 金属从模孔中流出到锭坯长度等于变形区高度的阶段。 A 挤压比 挤压时的变形量常用挤压比表征,定义挤压比为: 单孔模挤压时,挤压比为: 挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定,可查表。
    • 12. B 应力分析 外力:挤压力P ;筒、模的反力N ;筒、模、垫片与坯料间的摩擦力T 。 应力状态:为三向压应力,即 、 、 ,且可近似看成是轴对称,即 。 在 区有: Ⅰ> 在 区有:Ⅱ >轴向应力 分布: 轴向上:由前向后逐渐增大; 径向上:由中心向边部逐渐增大。NNNTⅠ Ⅱ
    • 13. C 变形(应变)分析 应变状态:二向压缩(径向、周向)、一向延伸(轴向) 变形规律(应变分布):可由此阶段坐标网格变化分析,如下图。>>
    • 14. >> a 纵向(水平方向)网格在进、出模孔发生方向相反的两次弯曲,弯曲程度由内向外逐渐增大,说明变形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个曲面,一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥,或简称变形区。
    • 15. >> b 在变形区中,横向(垂直方向)网格的中心朝前,且越接近模孔弯曲越大,说明中心质点的流速大于外层质点的流速,且差异越接近模孔越大。这是因为: 外摩擦影响:外层大,中心小; 断面温度分布:一般外层低,中心高; 模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。
    • 16. >> c 制品的网格也有畸变,表现在: ① 横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐渐增大,说明变形(延伸变形和剪切变形)由前向后逐渐增大。 ② 中心网格变成近似矩形,外层网格变成平行四边形,说明外层质点不仅承受了纵向延伸,还承受了附加的剪切变形,且剪切变形由中心向外层逐渐增大。
    • 17. 变形规律总结: 径向上:外层大,中心小; 轴向上:后端大,前端小; 变形差异:由前向后逐渐增加; 流动速度:中心大,外层小; 总体看流动平稳(层流)。变形前后外层中心
    • 18. d 挤压筒内金属分区 死区(前端难变形区)变形区后端难变形区剧烈滑移区 ① 前端难变形区 又称死区,位于筒、模交界处的环形区域,是由于筒、模的摩擦和冷却,使此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不参与流动。
    • 19. 死区(前端难变形区)变形区后端难变形区剧烈滑移区 死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品,因此能提高制品的表面质量。 影响死区大小的因素:模角、摩擦、挤压温度等,随这些参数的增大,死区增大,如平模挤压时死区大。
    • 20. ② 后端难变形区 位于垫片端面附近,是由于筒、垫片的摩擦和冷却,使此部分金属不易变形形成的,在基本挤压末期,此区域逐渐变成一小楔形区。死区(前端难变形区)变形区后端难变形区剧烈滑移区
    • 21. 死区(前端难变形区)变形区后端难变形区剧烈滑移区 ③ 在变形区中,有一个剧烈滑移区,处于死区和快速流动区之间。变形越不均匀,此区越大,因此随挤压过程的进行,此区不断扩大。 剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎,易导致制品表面出现微裂纹和组织粗大(粗晶环),导致制品性能下降。
    • 22. (3) 挤压的终了挤压阶段: 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。 >>主要特征: A 挤压力升高;(死区参与流动、温度低) B 金属径向流速增加,金属环流(紊流)(维持体积不变规律)。 实际生产中,在此阶段停止挤压(留压余)。
    • 23. 2.1 挤压时金属流动的特点2.2 正向挤压时金属流动的特点2.4 影响金属挤压流动的因素2.3 反挤压时金属流动的特点2.5 挤压金属流动模型
    • 24. 2.2 正向挤压时金属流动的特点2.2.1 管材和空心材正向挤压金属流动特点2.2.2 实心型材正向挤压金属流动特点2.2.3 圆棒材正向挤压金属流动的特点
    • 25. ))轴筒垫片坯料制品模模座穿孔针 1) 金属流动比挤压棒材时均匀。主要是由于穿孔针的摩擦和冷却,使内部质点的流动阻力增大; 2) 穿孔时强烈的内摩擦易导致制品内表面出现裂纹,因此一般润滑穿孔针。 A.管材正向挤压金属流动特点
    • 26. B.空心材正向挤压金属流动特点 主要特点是型材各部分的流出速度非常不均匀。这常引起型材的翘曲、破裂,不能充满模孔,使芯棒位置偏移,从而改变了对型材所要求的尺寸。因此在挤压空心材时要采取有效的措施。
    • 27. 2.2 正向挤压时金属流动的特点2.2.1 管材和空心材正向挤压金属流动特点2.2.2 实心型材正向挤压金属流动特点2.2.3 圆棒材正向挤压金属流动的特点
    • 28. 2.2.2 实心型材正向挤压金属流动特点 挤压型材时,金属的流动具有挤压圆棒时的一切特性外,还具有的特点: 1) 金属的流动失去了像在挤压圆棒时的完全对称性,型材和坯料之间缺乏相似性。 2)型材各部分的金属流动受比周长的影响。
    • 29. 比周长是指把型材假想分为几部分后,每部分面积上的外周长与该面积的比值。 如左图:型材各部分的比周长为确定型材各部分的比周长
    • 30. 挤压坯料横断面上金属流线示意图 如右图所示,采用平模,型材模孔的工作带相同,当至始至终用同一速度挤压时。则在挤压后期,型材薄的部分将起波浪。因此需在挤压后期降低挤压速度。
    • 31. 由于型材F1部分的比周长小于F2部分的比周长,所以金属易从这一部分流出。又由于圆锭坯料供给F1部分的金属A比供给F2部分的金属量B部分大,且当挤压速度为Vj时,从这两部分流出的速度分别为显然,F2部分的金属受到拉副应力的作用,易出现裂纹。
    • 32. 2.2 正向挤压时金属流动的特点2.2.1 管材和空心材正向挤压金属流动特点2.2.2 实心型材正向挤压金属流动特点2.2.3 圆棒材正向挤压金属流动的特点
    • 33. 2.2.3 圆棒材正向挤压金属流动的特点 挤压圆棒材一般采用平面模生产,如果是单孔模挤压,棒材与坯料之间是相似形,金属流动受模孔工作带的摩擦阻力是相同的,所以挤压时金属流动是均匀的(圆棒的比周长L=圆周长/断面积=4/D—直径,较短)。
    • 34. 如果是多孔模挤压的特点: 优点:比单孔模挤压金属流动更为均匀; 前端变形区显著缩短,缩尾现象少些。 缺点:由于模孔在模面上布置的相对位置、模孔尺寸、形状和定径带的长度等因素的影响,金属流出速度不相等,各根制品长度差大,有时差距可达1米。如没有牵引机牵引,制品之间互相缠绕,影响制品表面质量。
    • 35. 2.1 挤压时金属流动的特点2.2 正向挤压时金属流动的特点2.4 影响金属挤压流动的因素2.3 反挤压时金属流动的特点2.5 挤压金属流动模型
    • 36. 2.3 反挤压时金属流动的特点))挤压力Ⅰ Ⅱ Ⅲ 填充阶段基本阶段终了阶段正挤反挤A 三个阶段受力变化情况
    • 37. B 网格变化情况 在变形锥内横线与挤压筒壁垂直,在进入模孔后才发生剧烈弯曲,纵线在进入塑性变形区时的弯曲程度要较正挤压时大的多。正挤压反挤压
    • 38. C 死区、缩尾情况 1、前死区小,在后期也出现皮下缩尾,无后死区; 2、同时,前死区小,难以对表面杂质和缺陷起阻碍作用, 是不利的,对铸锭质量有较高的要求。
    • 39. D 延伸系数沿轴向的分布 反挤压制品沿长度方向上的变形是均匀的,性能也比较均匀。 a——λ=10,棒材Φ40mm; b——λ=4.0,棒材Φ62mm 1——反挤压; 2——正挤压
    • 40. 1) 变形区小且集中在模孔附近,金属流动均匀; 2) 死区小,制品表面质量差; 3) 挤压力小且在基本挤压阶段不变。 由上知,反向挤压的特点
    • 41. 2.1 挤压时金属流动的特点2.2 正向挤压时金属流动的特点2.4 影响金属挤压流动的因素2.3 反挤压时金属流动的特点2.5 挤压金属流动模型
    • 42. 2.4 影响金属挤压流动的因素 任何一种金属或合金在挤压时的流动特性并非一成不变的,当外部和内部条件变化时,就会引起流动特性的变化,进而影响产品的质量。因此,研究挤压时各种因素对金属流动的影响,对获得优质产品有重要意义。
    • 43. 2.4.1 摩擦的影响 ●铸锭与挤压筒间的摩擦作用 f大,死区hs大,流动不均匀,外层向中心流动形成挤压缩尾。 ●模具工作带的摩擦控制 工作带的长度不同,各部分金属流动速度也不同。 ●挤管材时穿孔针与铸锭间的摩擦的作用 中心金属受摩擦力和冷却作用,流动速度降低,流动均匀,缩尾短。
    • 44. 模主要有平模( )和锥模( < ),模角越大,流动越不均匀,平模挤压时流动最不均匀(死区大,摩擦大;弯曲(剪切)变形大)。2.4.2 工具结构与形状 指与坯料接触的筒、模、垫片和穿孔针,筒、穿孔针的结构和形状基本不变,为圆柱形,故只分析模和垫片。
    • 45. 垫片主要有平、凸、凹三种,凹垫片流动均匀,但仅在挤压初期有作用,同时由于加工、切压余困难,实际中除了在半连续挤压中外,还是采用平垫片。
    • 46. 2.4.3 变形程度 随变形程度的增大,外层质点向中心流动的阻力增加,导致坯料中心质点与外层质点的流速差增加,变形不均匀。但当变形程度增加到一定程度时,剪切变形深入到内部,变形向均匀方向转化。 变形程度变形不均匀性60%6%85%
    • 47. 实践表明: 当变形程度为60%时,变形最不均匀; 当变形程度>85-90%时,变形均匀,性能均匀; 当变形程度< 6%时,变形较均匀,但性能低。
    • 48. 2.4.4 温度的影响(1) 锭坯横断面上的力学性能分布 锭坯在出炉后,由于空气和挤压筒的冷却作用,使其外层金属的塑性降低,强度升高,内部则塑性高而强度低,这就势必造成坯料的内部金属易于流动而外部金属难于流动,导致金属流动不均匀。 因此,需要对挤压工具预热以减少坯料内、外部的温度,使其金属流动均匀。
    • 49. (2) 导热性的差异 一般来说,金属加热温度升高导热性能下降,促使铸锭断面温度分布不均匀,因而挤压时金属的流动不均匀。坯进行均匀加热后,控制空冷20s和挤压筒冷却10s,测定两种锭坯横断面上的温度与硬度,如图所示。例如将紫铜与黄铜锭
    • 50. 由于紫铜导热性能良好,而黄铜的导热率比紫铜低,所以锭坯断面上的温度分布就不同,紫铜比黄铜锭坯的温度分布均匀。虽然紫铜强度没有黄铜高,但是由于紫铜的导热率高,同时紫铜在高温下,其氧化皮又起润滑作用,所以紫铜在挤压时金属流动比黄铜均匀。
    • 51. (3) 相的变化单相好于双相或多相 例如铅黄铜HPb59-1在720℃以上为β组织,在此温度下挤压时,金属流动均匀。在720℃以下为α+β组织,在此温度下挤压时,金属流动不均匀。
    • 52. (4) 摩擦条件的变化 对多数金属(如铝合金、黄铜等)来说,随着锭温度升高,摩擦系数增大,从而使金属在挤压时流动不均匀。一般情况下,挤压筒温度升高,挤压时金属流动趋于均匀,这是因为挤压温度升高,摩擦系数虽然有些提高,但相对来说,这种影响是次要的,主要还是挤压筒温度升高,铸锭内外温度差减小,变形抗力趋于一致,所以挤压时金属流动趋于均匀。 在实际生产中,都采用预热和加热挤压筒的方法,使挤压筒保持在一定温度下工作。
    • 53. 2.4.5 金属强度的影响 一般情况,强度高的金属比强度低的金属流动均匀。即难挤压的合金较易挤压的合金流动均匀,挤压合金比纯金属流动均匀。 挤压强度大的金属时,由于降低了金属与工具的摩擦系数,使摩擦阻力减小,所以金属流动均匀。
    • 54. 2.4.6 挤压速度的影响 挤压时金属各部分体积的流动速度是不相同的,由关系式关系,当其他条件相同时,延伸率数与流出速度 通常是挤压速度Vj大,不均匀流动加剧,副应力增大,在挤压制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。 可知,速度与变形程度有密切的V1成正比。
    • 55. 挤压速度的影响通过三个方面起作用: 1) 挤压速度高,流动更不均匀,副应力增大; 2) 挤压速度提高,来不及软化,加快了加工硬化,使金属塑性降低; 3) 挤压速度的提高,增加了变形热效应,使铸锭温度上升,可能进入高温脆性区,降低金属加工塑性。
    • 56. 在实际生产中常常把温度和挤压速度统一考虑,在挤压温度高时,就需要适当地控制速度;在温度低时,可提高挤压速度,保证产品质量。
    • 57. 2.1 挤压时金属流动的特点2.2 正向挤压时金属流动的特点2.4 影响金属挤压流动的因素2.3 反挤压时金属流动的特点2.5 挤压金属流动模型
    • 58. 2.5 挤压金属流动模型 不同的工艺条件下挤压各种制品,金属流动是不同的。根据金属流动的特性分析,有四种基本流动模型。
    • 59. 1) 流动模型Ⅰ在反向挤压和静液挤压时出现。 锭坯与挤压筒之间绝大部分没有摩擦力,只有靠近模子附近处的筒壁上才存在着摩擦力,金属流动均匀,几乎沿锭坯整个高度都没有金属周边层剪切变形,弹性区的体积较大,塑性变形区只局限在模口附近,死区很小。在整个挤压的过程中,压力、变形和温度条件稳定,所以不产生中心缩尾和环形缩尾。
    • 60. 2) 流动模型Ⅱ 在润滑挤压时,锭坯与挤压筒的摩擦极小时出现。塑性变形区和死区比流动模型Ⅰ大,金属的流动较均匀,不产生中心缩尾和环形缩尾。 一般情况下,挤压紫铜、H96黄铜、锡磷青铜、铝、镁合金、钢等属于Ⅱ型流动模型。
    • 61. 3) 流动模型Ⅲ 锭坯内外温差较大,且受到挤压筒与模子的摩擦较大时出现。塑性变形区几乎扩展到整个锭坯,但在基本挤压阶段尚未发生外部金属向中心流动的情况。在挤压后期出现较短的缩尾。 一般情况下,挤压α黄铜、白铜、镍合金、铝合金等属于此流动模型。
    • 62. 4) 流动模型Ⅳ 当挤压筒与锭坯间的摩擦力很大,且锭坯内外温差又很大时出现。金属流动不均匀,挤压后期易出现缩尾。 一般情况下,挤压α+β黄铜、铝青铜、钛合金等属于此种流动模型。