第二章鋁合金擠壓過程理論知識已修改

1、擠壓過程的基本理論知識目 錄1 擠壓21.1擠壓加工21.1.1介紹21.1.2冷擠壓和熱擠壓21.1.3直接擠壓21.1.3.1有潤滑劑的直接擠壓31.1.3.2沒有潤滑劑的直接擠壓31.1.3.2.1沒有潤滑劑沒有外殼的直接擠壓31.1.3.2.2沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓41.1.4間接擠壓41.1.4.1有潤滑劑的間接擠壓51.1.4.2沒有潤滑劑的間接擠壓51.1.4.2.1沒有潤滑劑沒有外殼的間接擠壓51.1.4.2.2沒有潤滑劑有外殼的間接擠壓61.1.5流體靜力擠壓61.1.6流體膜加工71.2材料流動研究81.2.1矢量塑性Visioplasticity81.2.2擠壓中的材

2、料流動81.2.2.1冷擠壓中的材料流動81.2.2.2熱擠壓過程中的材料流動101.2.2.2.1直接熱擠壓過程中的材料流動111.2.2.2.2間接熱擠壓中的材料流動121.3直接、間接、流體靜力擠壓中的軸向力檢測131.3.1介紹131.3.2直接擠壓中的軸向力141.3.2.1使用潤滑劑的直接擠壓過程中的軸向力151.3.2.2沒有潤滑劑的直接擠壓中的軸向力161.3.3間接擠壓中的軸向力171.3.3.1有潤滑劑的間接擠壓中的軸向力171.3.3.2沒有潤滑劑的熱間接擠壓的軸向力181.3.4流體靜力擠壓中的軸向力和流體靜壓力181.4直接和間接擠壓中的應(yīng)力和動力191.4.1介紹1

3、91.4.2圓錐形模具中的幾何geometry、運(yùn)動學(xué)kinematics、變形和變形比191.4.3作用在模具進(jìn)口平面的軸向壓縮應(yīng)力compression stress檢測211.4.4變形區(qū)外將成型材料的應(yīng)力231.4.5軸向動力的檢測261.4.6屈服應(yīng)力值的檢測281.4.7臨界切變應(yīng)力的檢測311 擠壓1.1擠壓加工擠壓就是對放在擠壓筒中的鋁錠施加以壓力，使之通過?？壮尚偷囊环N壓力加工方法。最基本的擠壓方法有正向擠壓與反向擠壓，它們的區(qū)別在于金屬流動的方向與擠壓桿的運(yùn)動方向是否相同，是則為正向擠壓，反則為反向擠壓。特點區(qū)別在于金屬與擠壓筒內(nèi)壁間有無相對運(yùn)動，或者說有無外摩擦。除此之外

4、，工業(yè)上常用的擠壓方法還有：測向擠壓、玻璃潤滑擠壓、靜液擠壓、連續(xù)擠壓。擠壓過程可分為三個階段：首先是填充階段，在此階段鋁棒受到擠壓桿的作用，首先充滿擠壓筒和模孔，此時壓力急劇上升到100Kg/mm2左右，即從進(jìn)料到脫氣結(jié)束。其次是擠壓平流階段，擠壓筒充滿鋁后，擠壓力迅速上升到210Kg/mm2左右，開始出料。此階段壓力隨著鋁棒與擠壓筒接觸長度的縮短，外摩擦力不斷減小，擠壓力幾乎呈直線下降。再次是擠壓終了階段，即擠壓筒內(nèi)鋁棒長度減小到變形區(qū)壓縮錐高度時到擠壓完成。正擠壓擠壓力擠壓軸位移反擠壓圖1：正、反向擠壓時典型的擠壓力與行程曲線擠壓加工的優(yōu)點：提高金屬的變形能力。制品綜合質(zhì)量高。產(chǎn)品范圍廣

5、。生產(chǎn)靈活性大。工藝流程簡單、設(shè)備投資少。擠壓加工的缺點：制品組織性能不均勻。擠壓工模具的工作條件惡劣、工模具損耗大。生產(chǎn)效率較低。1.1.1介紹以下內(nèi)容將描述擠壓加工的原理，在這里面，將簡要說明各種加工的不同點和相同點。1.1.2冷擠壓和熱擠壓在原理上，擠壓加工可以分為冷擠壓和熱擠壓兩類。冷擠壓意味著擠壓的棒在被放入擠壓機(jī)之前沒有預(yù)熱。熱擠壓，更經(jīng)常被稱為“擠壓”(因為它是通常的規(guī)則)，意味著棒在被放入盛錠筒之前需要預(yù)熱。冷擠壓：棒被裝載前沒有預(yù)熱，也就是說，在室溫下。熱擠壓：棒被預(yù)熱，也就是說，在高于室溫的溫度下裝載。1.1.3直接擠壓圖1.1：沒有潤滑劑和外殼的直接擠壓原理這種方法是迄今

6、為止工業(yè)上最常見的，一般當(dāng)一個人說到“擠壓”的時候，說的就是直接擠壓。在這樣的加工中，棒首先在盛錠筒中鐓粗(鐓粗=壓縮而不彎曲，使其變得短些，粗些)并裝滿盛錠筒的內(nèi)部。然后，被擠壓桿擠出穿過模具。在這個過程中，在棒和盛錠筒之間發(fā)生了相對運(yùn)動。因此，棒在盛錠筒中的移動必須克服它們之間的摩擦。直接擠壓的典型特征是棒和盛錠筒之間存在摩擦。1.1.3.1有潤滑劑的直接擠壓圖1.2：有潤滑劑的直接擠壓原理為了減少摩擦，棒可以在裝入盛錠筒之前潤滑。摩擦就會因棒和盛錠筒之間的潤滑劑薄膜減小。為了保證變形的材料從模具中出來之前被潤滑劑薄膜包圍住，通常在用潤滑劑的擠壓中都使用圓錐形的模具。用潤滑劑的直接擠壓用在

7、鋼鐵等的熱擠壓和鋁及其合金等的冷擠壓中。在用潤滑劑的直接擠壓中，棒和盛錠筒、模具和加工件之間的摩擦通過潤滑劑有相當(dāng)程度的減少。1.1.3.2沒有潤滑劑的直接擠壓因為棒和盛錠筒及模具和棒之間的較大摩擦，沒有潤滑劑的直接擠壓比使用潤滑劑的情況需要更高的擠壓負(fù)荷。通常這種方法用于熱擠壓加工，也就是說，預(yù)熱過的棒被裝進(jìn)預(yù)熱過的盛錠筒。擠壓墊和模具在擠壓開始前也要預(yù)熱。在沒有潤滑劑的直接擠壓中，棒和盛錠筒之間的摩擦體現(xiàn)在粘在盛錠筒內(nèi)壁的剪切下來的棒的外表面層。在這個過程中，如果盛錠筒壁和擠壓墊之間的間隙大得可以形成外殼，這就被稱為沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓。如果沒有外殼形成但是盛錠筒內(nèi)壁被擠壓材料的薄層

8、覆蓋，這就被稱為沒有潤滑劑也沒有外殼的直接擠壓。這兩種情況都可以在鋁合金的熱直接擠壓中發(fā)生。取決于擠壓墊和盛錠筒之間的間隙是否足夠大到棒的外殼在棒的擠壓中被切削并仍然粘附在盛錠筒的內(nèi)壁成為“外殼”，或擠壓墊和盛錠筒之間的間隙太小而不能形成外殼，這就是沒有潤滑劑沒有外殼的直接擠壓和沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓之間的區(qū)別。1.1.3.2.1沒有潤滑劑沒有外殼的直接擠壓(參見圖1.1)在這個過程中，擠壓墊和盛錠筒之間的間隙選用得不能形成外殼。由于棒和盛錠筒之間的壁面摩擦，取決于摩擦的數(shù)量級與棒的熱狀態(tài)，棒在盛錠筒中這樣移動而棒的外殼被阻滯在其后，這樣造成了棒的中心或多或少的流動到前面。這可能阻止了棒的

9、外殼流進(jìn)前面模具正在成型的變形區(qū)。這種效果應(yīng)用在輕金屬的擠壓中。例如，取決于部件形狀與盛錠筒和產(chǎn)品截面之間比率，具有持續(xù)表面的棒能夠用這種方式擠到某一個長度而棒的外表面層不流進(jìn)擠壓產(chǎn)品中，仍留在壓余中。在這種情況下，盛錠筒壁總是被擠壓材料的薄層覆蓋這一事實決定了盛錠筒和棒之間的摩擦，因此嚴(yán)格來說，摩擦不是發(fā)生在正在成型的材料和盛錠筒本身之間，而是發(fā)生在正在成型的材料與這種材料粘附在盛錠筒的層之間，因此應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是剪切加工。1.1.3.2.2沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓圖1.3：沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓原理為了保證被污染或氧化的棒外表面不流進(jìn)擠壓產(chǎn)品中，擠壓同時形成了外殼。在這種方式中盛錠筒壁和

10、擠壓墊之間的間隙被選得大到足以使棒的外表面仍然粘附在盛錠筒上，使僅有棒的內(nèi)部擠壓到形成產(chǎn)品。它的缺點是之后必須清理這個外殼。1.1.4間接擠壓圖1.4：沒有潤滑劑沒有外殼的間接擠壓原理如圖1.4所示，間接擠壓和直接擠壓一樣，棒先在盛錠筒中鐓粗。在這種方式中，一個短的終端桿密封了盛錠筒的一端，而在另一端的擠壓模具，用固定的中空桿支撐，向盛錠筒內(nèi)移動。在擠壓過程中，棒和盛錠筒一起移動，之間沒有相對運(yùn)動。相對運(yùn)動只發(fā)生在盛錠筒和模具之間。但是，模具和盛錠筒之間的摩擦在大多數(shù)情況下小到幾乎可以忽略。因為棒和盛錠筒之間沒有相對運(yùn)動，也就不存在摩擦，這是直接擠壓與間接擠壓的本質(zhì)差別。間接擠壓的顯著特點是棒

11、和盛錠筒之間不存在摩擦。這種加工的特點是運(yùn)用中空桿，同時也是它的缺點。在一個單一型材的擠壓中，擠壓產(chǎn)品條必須通過的中空桿的內(nèi)部，限制了擠壓部件的外接圓尺寸。圖1.5：部件圓直徑的定義，外接圓的直徑在大多數(shù)情況下，產(chǎn)品條必須引導(dǎo)在石墨筒中通過中空桿以避免損傷表面。因為在間接擠壓過程中中空桿的負(fù)荷在擠壓負(fù)荷中表現(xiàn)為反作用力，并且中空桿的外直徑必須小于盛錠筒直徑，中空桿的內(nèi)腔不能任意做大，而必須在負(fù)荷、中空桿材料的允許壓力和受盛錠筒內(nèi)腔限制的中空桿的外直徑的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計算。1.1.4.1有潤滑劑的間接擠壓圖1.6：有潤滑劑的間接擠壓原理在有潤滑劑的間接擠壓中，如同直接擠壓一樣，棒在引入到盛錠筒時用潤

12、滑劑包圍。雖然在間接擠壓中不可能再減少棒與盛錠筒之間的摩擦因為這摩擦不存在，但如果裝載的棒潤滑過并使用圓錐形的模具，可以減小模具和正在成型的材料及模具與盛錠筒之間的摩擦。適當(dāng)設(shè)計的模具和終端桿、正確選擇潤滑劑(通常選用高粘度的)，在模具進(jìn)口會形成潤滑劑軟墊，潤滑劑還可以從這里流入模具與盛錠筒之間的縫隙。如果包含密封圈，這個過程就描繪了向流體靜力擠壓的平滑過渡。所有間接擠壓的共同之處是，在有潤滑劑的間接擠壓中，棒和盛錠筒之間沒有摩擦(類似于摩擦系數(shù)=0的情況)。但是，在模具和成型材料、模具和盛錠筒壁之間存在混合摩擦。對于冷擠壓獨(dú)特的是，使用潤滑劑的間接擠壓似乎是優(yōu)點，因為它在原則上允許幾乎所有的

13、流體靜力擠壓的選擇，并且因為擠壓壓力設(shè)計為間接熱擠壓輕或重金屬，通過適當(dāng)?shù)募庸?，也能夠用于那樣的過程。1.1.4.2沒有潤滑劑的間接擠壓在間接擠壓中沒有棒與盛錠筒之間的摩擦需要克服。這種擠壓方法因此被用于以下情況：在間接擠壓中，總擠壓負(fù)荷會隨用于克服棒與盛錠筒之間摩擦的力增加很多，以致與盛錠筒截面積相關(guān)的擠壓負(fù)荷或總擠壓負(fù)荷會太多限制擠壓加工，與/或摩擦產(chǎn)生的熱會對擠壓速度和/或產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生極其不利的影響。如同在沒有潤滑劑的直接擠壓一樣，在沒有潤滑劑的間接擠壓中，也有產(chǎn)生外殼和不產(chǎn)生外殼的區(qū)別。但是應(yīng)該指出，在有外殼的間接擠壓中，外殼實際上是盛錠筒與模具外導(dǎo)流表面之間的二次擠壓產(chǎn)品。取決于模具

14、外導(dǎo)流表面與盛錠筒壁之間的間隙是否允許外殼形成，區(qū)分了沒有潤滑劑而有外殼的間接擠壓和沒有潤滑劑也沒有外殼的間接擠壓。1.1.4.2.1沒有潤滑劑沒有外殼的間接擠壓(參見圖1.4)在這種加工中，模具與盛錠筒之間的間隙做得比較小，使得一方面用于克服模具與盛錠筒之間摩擦的力相比于成型負(fù)荷小得可以忽略，另一方面沒有外殼在模具與盛錠筒之間形成。與沒有潤滑劑和沒有外殼的直接擠壓中一樣，沒有潤滑劑也沒有外殼的間接擠壓，例如在鋁合金擠壓中，擠壓材料的薄層覆蓋在盛錠筒壁上。但是在這種情況下，棒的外表面層會流入到擠壓產(chǎn)品中去，因為與直接擠壓不同，外表面層并沒有被棒表面的摩擦阻滯在后面。因此，使用的棒必須被車削去除

15、表皮，或必須擁有特別好的連續(xù)質(zhì)量。1.1.4.2.2沒有潤滑劑有外殼的間接擠壓圖1.7：沒有潤滑劑有外殼的間接擠壓原理這種加工的優(yōu)點在于即使鋁棒表面層被污染或氧化也可以擠壓。在沒有潤滑劑有外殼的間接擠壓中，模具與盛錠筒之間的間隙選擇得大到足以讓鋁棒的外表皮仍然粘在盛錠筒壁上成為外殼。因為這種外殼在模具與盛錠筒之間形成，間隙必須足夠大以便允許越過整個圓周和擠壓路徑形成完整封閉的外殼，并因此仍粘附在盛錠筒壁上。這種方法的缺點在于，與沒有潤滑劑有外殼的直接擠壓一樣，外殼必須隨后清除。1.1.5流體靜力擠壓圖1.8流體靜力擠壓原理在流體靜力擠壓中，盛錠筒中的棒被壓力媒介包圍，也叫做流體靜力媒介。盛錠筒

16、的空間用擠壓桿和模具封閉，所以當(dāng)擠壓桿向前移動時，流體靜力媒介被壓縮而形成擠壓壓力，而不是擠壓桿與棒的直接接觸。在擠壓時間里，擠壓桿本身也不接觸棒。因此，棒向模具流動的速度不等于擠壓桿的速度，而與流體靜力媒介的位移成比例(比較6)。這種加工的一個重要特征是，當(dāng)流體靜力媒介被壓縮到擠壓壓力時，棒必須與模具密封盛錠筒空間，否則就沒有足夠的壓力擠壓。也因此，圓錐形模具和仔細(xì)削尖的棒是這種加工的前提。使用適當(dāng)設(shè)計的圓錐形模具，可以從外部得到流體靜壓力的支持，使其超過從將要成型的材料內(nèi)部作用的徑向壓力，在盛錠筒中占主要地位。因為棒不接觸盛錠筒壁，取而代之的是流體靜力媒介處在棒和盛錠筒之間，只有小得可以忽

17、略的流動摩擦在棒的表面作用。只有成型材料與模具之間的摩擦大到影響成型加工。如果流體靜力媒介有足夠好的潤滑性能，棒就不需要再單獨(dú)潤滑，否則必須使用潤滑的棒。原則上流體靜力擠壓能夠用于熱擠壓和冷擠壓。但在熱擠壓中，必須記住密封系統(tǒng)和流體靜力媒介，還有填充系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)，如果需要還有流體媒介冷卻系統(tǒng)，都會暴露在提升了的溫度中。更進(jìn)一步的是，在每個擠壓情形中保持棒周圍的流體靜力媒介在擠壓要求的溫度似乎是很難的。然而，在大多數(shù)產(chǎn)品的熱擠壓中，工具與棒周圍媒介在整個擠壓過程中的精確溫度控制是必要的。因此，流體靜力擠壓當(dāng)然被認(rèn)為是主要的冷擠壓方法。這種方法與生俱來的困難就是避免粘滑現(xiàn)象和全部噴出。

18、流體靜力擠壓的顯著特點就是棒表面作用的流體摩擦可以被忽略。1.1.6流體膜加工圖1.9：流體膜擠壓原理流體膜加工，也稱為“厚膜”加工，是從流體靜力擠壓中派生發(fā)展得到的。在流體膜加工中，流體靜力媒介的量被保持得足夠小，以便允許擠壓桿在擠壓過程中接觸到棒。因此，一方面發(fā)生打滑現(xiàn)象的風(fēng)險減少了，另一方面在這個過程中，棒朝模具移動的速度幾乎與擠壓桿速度相同，所以擠壓過程能夠在任何時間通過停止擠壓桿運(yùn)動來中止，通常就排除了全部噴出的危險。因為棒和盛錠筒之間僅通過流體“膜”隔開，模具可以依靠盛錠筒自行支撐。如同流體靜力擠壓，棒可以用單獨(dú)的潤滑劑包圍。與流體靜力擠壓的關(guān)鍵區(qū)別在于加工順序，在這種情形下在棒加

19、入擠壓機(jī)前用潤滑劑包圍成為可能，而流體靜力媒介在大氣壓力下是固體，在擠壓壓力下成為粘性的。所以，在這種方法中沒有必要為流體靜力媒介建立系統(tǒng)，如抽吸泵，過濾器，冷卻器等。這種加工也主要用于冷擠壓，雖然因為它加工順序較為簡單，流體靜力媒介的量也較少，所以似乎比流體靜力擠壓更適合熱擠壓。1.2材料流動研究1.2.1矢量塑性圖1.10：用柵格分析(矢量塑性)研究擠壓棒的材料流動的準(zhǔn)備圖1.11：從扭曲的柵格線中測定速度區(qū)在軸對稱的擠壓中，材料的流動可以用矢量塑性的方法，在棒的縱向平分和用柵格標(biāo)記的幫助下來研究。(圖1.10)在這種方法中，沿棒的中心線所在的平面剖開。棒的一半用矩形通常是正方形的柵格標(biāo)記

20、。然后用分開的中介(也就是說，油或石墨)涂在棒上，這兩半一起作為一個鋁棒擠壓。為此，一個相對小的元素如一個柵格間距被選用來做對比。通過比較成型步驟或幾個這樣的步驟(“時期”)前后的柵格，可能可以推論出材料流動是否“類似平穩(wěn)的狀態(tài)”，是否存在“死區(qū)”(也就是說，沒有被卷入材料流動中的批量)，哪一塊區(qū)域形成實際的(基礎(chǔ)的)變形區(qū)域，那種變形是模具與成型材料之間摩擦的主要成因。除了這些定性的評估外，在成型過程中個體量的元素的測定也能量化。(圖1.11)在成型步驟S0之后，根據(jù)擠壓桿速度VST用時間t=VST/S0，柵格點A移動到點B，B移動到C，C移動到D。A、B、C、D在一條“路徑線”上。在類似平

21、穩(wěn)狀態(tài)的成型中這條“路徑線”就是一個“流動管”。在小的成型步驟中，從H點到J點的線性關(guān)系給出了當(dāng)時速度測量的數(shù)值和方向。檢測出 “平均”速度Vm的點M位于HJ連接線的中點。如果這個過程被線路網(wǎng)絡(luò)中的所有點重復(fù)，加工過程中近似的速度區(qū)就被測量出來了。1.2.2擠壓中的材料流動經(jīng)過以上的大致介紹后，可以討論在不同擠壓過程中的材料流動了。1.2.2.1冷擠壓中的材料流動圖1.12和1.13展示了用潤滑劑和圓錐形模具的冷間接擠壓過程中的時段。圖1.12：用潤滑劑的冷間接擠壓過程中的時段(材料AL99.5，模具孔徑角2=60°，盛錠筒直徑85mm，潤滑劑：Shell Barbatia 油脂4，

22、總擠壓比Vges=20)在用潤滑劑和圓錐形模具的冷直接擠壓中，相同實驗條件下檢測到相似的材料流動圖片。流體靜力擠壓的材料流動節(jié)奏也了解到是同類的。但是應(yīng)該指出，在直接擠壓中，因為棒與盛錠筒之間的摩擦尤其是如果潤滑劑薄膜局部破裂，情形可能會不同。但這樣的效果通常不能通過矢量塑性研究展示出來，因為這種方法不足以精確描述它。對于使用潤滑劑和圓錐形模具的直接、間接和流體靜力擠壓，可以總結(jié)出以下幾點：-材料流動的矢量塑性研究展示不出他們之間的差別。-模具進(jìn)口和出口平面界定了變形區(qū)域的假定，似乎可適用于模具孔徑角至少可高達(dá)2=90°，對于2=120°只是部分適用，因為在這種情況下變形區(qū)

23、在進(jìn)口平面之前已經(jīng)開始形成。-在直接擠壓中，棒與盛錠筒之間潤滑劑膜可能發(fā)生局部破壞，這會導(dǎo)致軸對稱材料流動的混亂。但是，這種現(xiàn)象并不能用矢量塑性的方法檢測出來。圖1.13：用潤滑劑的冷直接擠壓過程中的時段(材料AL99.5，模具孔徑角2=60°90°120°，盛錠筒直徑85mm，潤滑劑：Shell Barbatia 油脂4，總擠壓比Vges=20，鋁棒初始長度350mm+尖端)1.2.2.2熱擠壓過程中的材料流動圖1.14：直接擠壓中流動種類（Dürrschnabel所區(qū)分）圖1.15：擠壓過程結(jié)束時有縮尾危險的C類材料流動原理示意圖如W.Dü

24、rrschnabel建立的學(xué)說，熱擠壓中的材料流動能分為四個基本種類。這些展示在圖1.14中，能夠總結(jié)出以下幾點：S類流以棒和盛錠筒、棒和模具面之間摩擦小到可以忽略，以及棒材料中不形成剪切區(qū)的假定為基礎(chǔ)。根據(jù)這些假定，如果棒的材料是均質(zhì)過的，棒的表面就會成為產(chǎn)品條的表面。S類流是純理論的，在實際中從來沒有遇見。A類流發(fā)生在棒的材料是均質(zhì)過的，棒和盛錠筒之間的摩擦小，但在棒與模具面之間有可以感覺的摩擦。它的特點是模具前形成一個“死區(qū)”，死區(qū)與棒之間形成一個窄的“剪切區(qū)”。剪切區(qū)形成一種“漏斗”界定了“基礎(chǔ)變形區(qū)”。漏斗區(qū)外的棒區(qū)都不受成型影響。棒表面的材料塊可以通過剪切區(qū)流到產(chǎn)品條的表皮區(qū)。B類

25、流發(fā)生在棒的材料是均質(zhì)過的，棒和盛錠筒、棒與模具面之間都有可以感覺的摩擦。棒和盛錠筒之間的摩擦相對其內(nèi)部阻滯了棒的外層。死區(qū)比A類流更為顯著。因此，變形區(qū)占據(jù)了更多的棒。C類流發(fā)生在摩擦情形與B類相同時，但不同的是，棒材是沒有均質(zhì)過的。這種情況下棒的外表面區(qū)的流動應(yīng)力大大超過其內(nèi)部，因為外表面被冷卻得比其內(nèi)部溫度低。盛錠筒的溫度比剛裝入的棒溫度低很多，所以棒的外表區(qū)總是受到很大程度的冷卻。對某些材料(如-黃銅)這種外皮的降溫甚至?xí)?dǎo)致相變，如棒的里面是黃銅(bcc 結(jié)構(gòu))而外皮是黃銅(fcc結(jié)構(gòu))。有較高屈服強(qiáng)度的組成材料的棒外皮，落在棒的核心后面，鐓粗在擠壓墊的前面，再繼續(xù)擠壓時轉(zhuǎn)向棒的內(nèi)部

26、，然后進(jìn)入產(chǎn)品條的中心，在產(chǎn)品條的外表皮下結(jié)束。這種“材料流動”產(chǎn)生了“第二變形區(qū)域”，導(dǎo)致了稱為“縮尾”的擠壓缺陷。為了避免縮尾，必須限制棒的長度。(參見圖1.15)1.2.2.2.1直接熱擠壓過程中的材料流動圖1.16展示了在AlMg3沒有潤滑劑沒有外殼的直接熱擠壓中典型的B類流擠壓時段。顯然由于棒和盛錠筒之間的摩擦，棒的外表皮區(qū)被阻滯并且因此棒的核心流在前面。棒和盛錠筒摩擦的效果是沒有幾何上精確邊界的變形區(qū)在模具前形成。變形區(qū)只能用沒有參與材料流動的模具前棒塊單元(“死區(qū)”)和棒的內(nèi)部之間的厚的剪切區(qū)大致進(jìn)行幾何劃分。在沒有外殼的直接熱擠壓中，剪切區(qū)界定了“死區(qū)”，使其成為孔徑角290&

27、#176;的漏斗形狀。這個角度決定于總擠壓比、擠壓時段和棒與盛錠筒之間摩擦的大小?？傊?，對沒有潤滑劑的直接擠壓關(guān)于材料流動可以總結(jié)如下：S類流是純理論的，從沒有在實際中發(fā)生過。A類流假設(shè)邦與盛錠筒之間的摩擦低，這在沒有潤滑的擠壓中很少發(fā)生。它可能在例如鉛或銅合金的擠壓中發(fā)生，但是即使這樣也需要滿足一些特定條件，如相當(dāng)光滑的棒的表面與剛清潔過的盛錠筒。圖1.16：在AlMg3沒有潤滑劑的直接熱擠壓中的時段(左邊：有外殼，右邊：沒有外殼)；(盛錠筒直徑=140mm，總擠壓比Vges=50，初始棒長度=450mm，棒裝入溫度=盛錠筒溫度=450)對沒有潤滑劑和用平模的直接擠壓最重要的兩類流是B類和C

28、類，它們的界限不是很明顯。它們在輕金屬和重金屬的擠壓中都會發(fā)生，如圖1.17所示，特征總結(jié)如下：-模具前形成一個“死區(qū)”-一個實際的變形區(qū)-在此后稱為“基礎(chǔ)變形區(qū)”-不能清晰的劃定界限。它可以看作是劃定“死區(qū)”界限的剪切區(qū)的內(nèi)容。在軸對稱的擠壓中，它是漏斗形的。-表皮被摩擦影響。由于棒與盛錠筒之間的摩擦，棒的外表皮承受了剪切成型。-由棒和盛錠筒之間摩擦引起棒的外表皮反向流動，導(dǎo)致棒的尾端形成一個“第二變形區(qū)”。在擠壓過程結(jié)束之前材料能從這個區(qū)流到變形區(qū)，導(dǎo)致“縮尾”擠壓缺陷。-棒的中心很大程度上不被提到的其他區(qū)域影響。圖1.17：輕金屬直接擠壓過程中棒的區(qū)域示意圖1.2.2.2.2間接熱擠壓中

29、的材料流動圖1.18：沒有潤滑劑的AlMg3的擠壓的時段；Vges=50，初始棒長=500mm，盛錠筒直徑=140mm圖1.18展示了用柵格標(biāo)記的AlMg3棒在沒有使用潤滑劑也沒有外殼的熱間接擠壓中從平模中擠出之后的時段。從圖中柵格扭曲可以看出，成型的材料在模具前鐓粗，并不沿著模具表面流入模具孔。因此，靠著模具表面的棒塊元素并不沿著模具表面流動，在模具和棒之間沒有摩擦。所以，在使用平模的熱間接擠壓中，模具表面的正前方有一層僅幾毫米厚的擠壓材料層并不流入到產(chǎn)品條中，可以稱為“死區(qū)”。在這個死區(qū)之上形成的變形區(qū)被精確的劃定了的界限，如同后面將說明的一樣，并不受各自棒長respective bill

30、et length的影響。圖1.18也顯示出由于沒有棒和盛錠筒之間的摩擦，沒有形成其他任何區(qū)域。柵格的扭曲顯示在沒有外殼的熱間接擠壓中，棒的外表皮通過變形區(qū)流到產(chǎn)品的外表面。這引起了沒有外殼的間接擠壓的一個問題：要么擠壓必須使用適當(dāng)表面的棒，例如車削剝皮的棒，棒的外表皮流入產(chǎn)品條就是可以接受的；要么就必須產(chǎn)生外殼。為此，模具外直徑和盛錠筒直徑之間的縫隙，模具外導(dǎo)流長度，必須選用得使棒的外表皮不能流進(jìn)變形區(qū)，而作為外殼仍粘附在盛錠筒壁上。這些實際上相當(dāng)于到了第二模具孔。這種方法的不便之處在于外殼必須在隨后清除。圖1.19：CuZn棒沒有潤滑劑的間接擠壓的時段；盛錠筒直徑=110mm圖1.19描述

31、了CuZn42棒擠壓中的三個時段，顯示了在各種情況中變形區(qū)的幾何形狀不受棒的長度影響。在整個擠壓過程中材料流動的恒定狀態(tài)中排除了產(chǎn)品缺陷如“縮尾”，因此在這種情況下棒的長度沒有限制。在沒有潤滑劑、沒有外殼和使用平模的熱間接擠壓中，材料流動如圖1.20所示。圖1.20：沒有外殼的熱間接擠壓中棒的區(qū)域示意圖以上說明的目的是顯示與材料流動相關(guān)的個別擠壓方法中的主要差別。在本文中必須注意加工條件，整個棒從內(nèi)到外的溫度，盛錠筒的徑向和縱向溫度，擠壓比，模具幾何結(jié)構(gòu)和擠壓速度都會影響材料流動。此外，任何沒有均質(zhì)過的棒結(jié)構(gòu)也會有影響。1.3直接、間接、流體靜力擠壓中的軸向力檢測1.3.1介紹在以下部分，首先

32、將討論個別擠壓過程中軸向力的變化。對擠壓來說，應(yīng)力和動力的理論探究是建立在稱為一階成形理論的基礎(chǔ)上的。最擠壓加工來說，目標(biāo)是提供在通常條件下對應(yīng)力和動力的常用處理方法。當(dāng)情況并非如此，也就說，當(dāng)特殊情況必須被考慮時，將會用清楚的界限劃分各種加工并說明清楚其區(qū)別。1.3.2直接擠壓中的軸向力對直接擠壓先介紹以下術(shù)語：力Fst是擠壓桿施加在擠壓墊上的軸向力。摩擦力RBI/A是在盛錠筒中移動棒需要的軸向力。模具力FM是模具表面材料成型時作用的軸向力。不考慮擠壓墊和盛錠筒之間的摩擦、成型材料和模具之間的摩擦，對直接擠壓總的擠壓力Fges=Fst=FM+RBI/A (1)a檢測作用在模具上的軸向力FMb

33、檢測作用在盛錠筒上的軸向力FAc檢測作用在擠壓桿上的總軸向力Fst圖1.21：檢測直接擠壓過程中的軸向力換句話說，擠壓桿的力由兩部分組成，一個用于克服棒與盛錠筒之間的摩擦，另一個用于在變形區(qū)形成材料。如果模具在盛錠筒中被柱形引導(dǎo)，并且盛錠筒靠著反向壓板用樁木來支撐，測壓元件就能用于測量軸向力Fst，F(xiàn)M和FA。(圖1.21)作用在盛錠筒上的軸向力FA由以下摩擦力組成：克服擠壓墊和盛錠筒之間摩擦及模具和盛錠筒之間摩擦的力，還有變形區(qū)的摩擦接觸力。如果不考慮這些相對較小的力，那么FARBI/A (2)1.3.2.1使用潤滑劑的直接擠壓過程中的軸向力圖1.22：使用潤滑劑的直接擠壓過程中，擠壓桿一次

34、行程中軸向力FM、FA和Fst的變化示意圖；棒的裝載溫度B=盛錠筒溫度A20在這個過程中，如果FM、FA和Fst都在用圓錐形模具并且棒的裝載溫度B等于盛錠筒溫度A的冷擠壓條件下測量，那么-在經(jīng)過擠壓開始時的一個最大值之后，力FM在擠壓桿的整個行程中都保持不變。-力FA在擠壓開始時最大，然后隨著棒行程的增加而遞減，遵循e函數(shù)。-力Fst是FM和FA之和。測量的軸向力變化大體上可以用圖1.22描述。1.3.2.2沒有潤滑劑的直接擠壓中的軸向力圖1.23：輕金屬熱直接擠壓過程中，擠壓桿一次行程中軸向力FM、FA和Fst的變化示意圖這種方法用于熱擠壓?；旧?，可以區(qū)分為兩種極端的情形：情形1：-棒的裝

35、載溫度B在整個棒中均衡。-盛錠筒溫度A在整個盛錠筒長度中大致均衡。-直接擠壓中模具和擠壓墊溫度大致與盛錠筒溫度相同。-均衡的擠壓桿速度-棒裝載溫度B=盛錠筒溫度A情形2：-與情形1相同，但是A比B低得多圖1.23展示出FM+FA=Fst。如果主缸中的壓強(qiáng)乘以活塞截面積，這個力會比擠壓桿的力Fst高大約10%因為存在活塞密封摩擦，也就是說：PHz·A活塞1.1Fst在擠壓工廠中PHz的檢測相對容易，因此在文獻(xiàn)中通常作為擠壓桿行程的函數(shù)來展示。作用在模具上的軸向力FM在經(jīng)過擠壓初始階段的最大值之后一直減少，直到經(jīng)過僅比s=l0之前幾毫米時的最小值，然后又開始增大。作用在模具上的力FM的這

36、種變化，對沒有潤滑劑、使用平模的、BA(情形1)輕金屬熱直接擠壓來說是典型代表。棒塊單元流進(jìn)變形區(qū)時溫度越來越高，因為作用在棒的各截面用于克服在盛錠筒壁上摩擦的摩擦功的緣故，各截面的溫度增加了。摩擦路徑越長，棒的截面增加的溫度就越需要考慮。隨著擠壓桿行程的增加，進(jìn)入變形區(qū)的棒單元溫度也增加。由于將成型的材料的流動應(yīng)力隨溫度的增加而減小，上述的棒單元在模具中需要的軸向擠壓力減小，所以力FM也減小。摩擦熱的一部分通過盛錠筒傳導(dǎo)并散失，盛錠筒的溫度同樣影響在一行程中的FM的變化。因此，在擠壓過程中從變形區(qū)傳導(dǎo)到盛錠筒的熱提高了緊靠變形區(qū)的盛錠筒壁的溫度，使其不斷增加。這些緊靠變形區(qū)的盛錠筒壁溫度越高

37、，能夠從變形區(qū)吸收的熱量就越少。這更加強(qiáng)了棒和盛錠筒之間摩擦對FM減小的影響。另外，模具和模座各自的溫度，類似于緊靠變形區(qū)的盛錠筒，也有影響。但是，隨行程增加而軸向力FM減小的主要原因似乎是在盛錠筒內(nèi)位移過程中流入到棒本身中的那一部分摩擦熱的影響。如果進(jìn)入變形區(qū)的棒塊單元的溫度能夠保持一致，那么一旦軸向力FM經(jīng)過表現(xiàn)出擠壓開始時不平穩(wěn)狀態(tài)的成型加工的此力的最大值，它在擠壓桿的行程中仍會保持大體均衡。因此似乎應(yīng)當(dāng)在不平穩(wěn)狀態(tài)成型過程結(jié)束時考慮一個行程s*。那么有ss*，成型條件仍然是足夠精確的類似平穩(wěn)狀態(tài)，力FM(s*)=。如果根據(jù)(1)，s*=(2.52.6)D0/6，那么如圖1.23所示，力

38、FM=f(s)的變化的特征可以用以下力來描述： 在擠壓開始時的最大值，和擠壓結(jié)束時的最小值FM min。更進(jìn)一步的，從圖1.23可以看出，軸向力FA能用經(jīng)驗確定的以下函數(shù)表述：FA=m(x-x1)+ Fab (4)斜率由力的行程曲線確定： (5)而Fab描述了擠壓結(jié)束時的殘余力。在s=l0-x1時，力FA采取不變的Fab值。這個力Fab由以下各力成分組成：a) 克服擠壓墊與盛錠筒之間摩擦的反作用力。b) 使正在變形區(qū)中的棒塊元素成型需要的小部分軸向力，通過變形區(qū)和盛錠筒之間摩擦接觸的作用變成Fab中的反作用力。c) 作用在模具上的小部分軸向力，作用在模具和盛錠筒之間，也成為Fab的一部分。如果

39、FM和FA加在一起，就說明了圖1.23原理中展示的一個行程中擠壓桿的力Fst的變化。在擠壓過程中的擠壓桿的最大力Fst max：Fst max=+FA max (7)至于情形2(盛錠筒溫度比棒裝入溫度低很多)，可以說決定于擠壓速度，也就是說，各棒區(qū)在盛錠筒中的停留時間，也決定于棒到盛錠筒的熱傳遞，而這個熱傳遞能夠或多或少被棒表面氧化層的厚度、擠壓中棒的截面發(fā)生的某些冷卻等因素影響。冷卻效果被棒和盛錠筒之間摩擦產(chǎn)生的熱抵消了，如果冷卻占據(jù)了主導(dǎo)地位，那么在擠壓中FM增加。1.3.3間接擠壓中的軸向力在這個過程中，如果不考慮模具與盛錠筒之間的摩擦，終端桿施加在棒和盛錠筒上的軸向力FVSt與總擠壓力

40、Fges相等，F(xiàn)VSt也與作用在模具上的軸向力FM相等，因此也等于作用在中空桿上的反作用力FHSt：Fges=FVSt=FM=FHSt (8)圖1.24展示出檢測這些力的測量技術(shù)。a檢測作用在中空桿上的總軸向力FHStb檢測作用在終端桿上的總軸向力FVSt圖1.24：間接擠壓過程中軸向力的測定1.3.3.1有潤滑劑的間接擠壓中的軸向力對于使用潤滑劑的冷間接擠壓，可以認(rèn)為棒的裝載溫度B無條件的等于盛錠筒溫度A，而且如果使用圓錐形模具，一旦力FM經(jīng)過擠壓開始時的最大值，它在終端桿的整個行程中就保持不變。圖1.25從原理上說明了在終端桿的行程s中的FVSt=FM=FHSt的變化。圖1.25：在使用潤

41、滑劑的冷間接擠壓，終端桿的一個行程s中的FVSt=FM=FHSt的變化示意圖。1.3.3.2沒有潤滑劑的熱間接擠壓的軸向力對于沒有任何潤滑劑的間接擠壓，圖1.26從原理上說明了終端桿的行程s中終端桿的力FVSt?？梢钥吹剿坏┙?jīng)過擠壓開始的最大值，如果B=A，那么力FVSt保持不變，如果B>A，就會增加。一旦經(jīng)過擠壓開始的最大值，F(xiàn)M=f(s)曲線的下跌僅由流進(jìn)變形區(qū)將成型的材料的溫度引起。如果棒塊和盛錠筒壁的溫度維持恒定，力FVSt在A=B的行程中的變化與使用潤滑劑的冷間接擠壓特征相同。圖1.26：沒有潤滑劑的熱間接擠壓中，在終端桿的一個行程中，F(xiàn)VSt的變化示意圖當(dāng)棒的裝載溫度B比盛

42、錠筒溫度A高時，圖1.26展示了擠壓進(jìn)行的過程中擠壓力的增加，因為熱可以從棒流入到盛錠筒，并且隨著溫度增加，流體應(yīng)力和擠壓力也增加。1.3.4流體靜力擠壓中的軸向力和流體靜壓力因為在原則上只涉及軸向力，以下考慮也可以適用于流體膜擠壓。但是應(yīng)當(dāng)指出，流體靜力擠壓中的擠壓桿速度并不等于棒進(jìn)入變形區(qū)的速度。因為擠壓桿象一個“活塞”，壓縮流體靜力媒介以獲得擠壓需要的流體靜壓力。流體靜壓力等于擠壓桿的力劃分到擠壓桿的截面積上： (9)前提條件是擠壓桿密封圈上的摩擦損失可以忽略不計。在文獻(xiàn)中報告的流體靜力擠壓的壓力通常是在盛錠筒中測量的。由此類推，在這部分中，整個擠壓桿行程路徑中的流體靜壓力的變化也會取代

43、軸向力來討論。當(dāng)壓力p被劃分為擠壓桿行程的函數(shù)，顯然流體靜力媒介必然首先被壓縮。這決定了壓力的特征線作為擠壓行程的的函數(shù)隨其增加，并與流體靜力媒介的可壓縮性和量，以及流體靜力系統(tǒng)的彈性、模具、擠壓結(jié)構(gòu)有關(guān)。這個線的斜率越大，擠壓時的流體靜力媒介的量越小，且/或上述媒介的可壓縮性越低。一旦必須的“起始壓力”達(dá)到了，真正的成型過程就開始了。然后這個壓力就下降到一個不變的值，表現(xiàn)出類平穩(wěn)狀態(tài)成型過程的特征。圖1.27展示了不同流體靜力媒介和棒潤滑條件下，作為擠壓桿行程函數(shù)的流體靜力p的變化。上端的曲線顯示出打滑行為。這種現(xiàn)象可以如下解釋：如果在類平穩(wěn)狀態(tài)的擠壓過程中，起始壓力比需要的壓力大得多，那么

44、在成型材料與模具之間的摩擦從靜摩擦向動摩擦轉(zhuǎn)變的過程中，棒被加速太多，以致流體靜力媒介中的壓力減小了。除非足夠快的復(fù)原這個壓力，但這是不可能的，因此壓力會下降到以下，擠壓就停止了。然后在重新擠壓到后，這個過程還會重復(fù)。因為棒和模具之間摩擦，壓力和都受流體靜力媒介的潤滑作用影響。如果流體靜力媒介的潤滑效果不夠，可以增加潤滑添加劑(如MoS2或石墨)或?qū)粞b入擠壓機(jī)之前單獨(dú)潤滑。在這種關(guān)系中，圖1.27顯示摩擦條件的改變可以減小起始壓力15%，5%，如果不考慮顯示明顯的打滑現(xiàn)象的最高曲線。對于流體靜力擠壓和流體膜擠壓，圖1.28顯示了作為擠壓桿行程的函數(shù)的流體靜壓力p的典型變化，并顯示了擠壓桿的力

45、Fst在某種意義上類似于p變化。流體膜擠壓的唯一不同是因為流體靜力媒介的量少得多，壓力增加和減小的線更陡峭。圖1.28：在流體靜力擠壓整個擠壓桿行程w和整個棒行程s過程中，軸向力FSt、FM和流體靜壓力p的示意圖1.4直接和間接擠壓中的應(yīng)力和動力1.4.1介紹在如下部分，在成型工藝主要理論的基礎(chǔ)上提出了一個計算模型，它能幫助計算擠壓過程中的應(yīng)力與動力。這個模型提供了對很多種情形的簡單計算基礎(chǔ)，但它對工藝成型過程足夠精確，它不僅可以測量力學(xué)，還可以通過計算得到工具的負(fù)荷。另外，這種計算模型可以平等對待具有共同成型機(jī)制范圍內(nèi)的擠壓過程，而突出、分別檢測、比較不同成型工藝的區(qū)別。因此，在第一個例子中

46、，以下考慮并不涉及任何獨(dú)特的擠壓過程。為了描述變形區(qū)中發(fā)生的過程，首先將考慮使用圓錐形擠壓模具、產(chǎn)品斷面為圓型的擠壓。1.4.2圓錐形模具中的幾何、運(yùn)動學(xué)、變形和變形比模具和成型材料之間的接觸區(qū)域圖1.29：通過圓錐形模具的擠壓中變形區(qū)的幾何與cinematic情形如圖1.29所示，模具的錐形部分長度lu描述為： (10)在這里，DE是進(jìn)入模具中棒的直徑。在直接和間接擠壓中，這個直徑都可以都可以認(rèn)為等于盛錠筒直徑。DA是產(chǎn)品條的出口直徑，等于模具孔直徑。模具的半孔徑角記作。進(jìn)入到模具中直徑為DE的棒在經(jīng)過模具長為lu的部分后減小到產(chǎn)品條的直徑DA。在lu范圍內(nèi)，各直徑D=f(x)描述為：D(x

47、)=DA+2xtan (11)根據(jù)圓盤模型的成型基礎(chǔ)理論，一個位于x=lu處，厚度為dx的抽象的圓盤元素用軸向速度uE進(jìn)入變形區(qū)。在位置x處，它的速度變?yōu)閡(x)，并且初始位置在x=0處它的速度是uA。為了滿足連續(xù)性條件：AEuE=A(x)u(x)=AAuA (12)為了描述變形，在變形工藝中最常見的是選擇被稱為“真正的應(yīng)變”的對數(shù)變形。作為對照，在擠壓中通常說的是擠壓比。擠壓比的定義是模具進(jìn)口截面積與模具出口截面積的比率。為了以下討論，似乎應(yīng)當(dāng)定義一個特定的擠壓比V(x)，就是模具進(jìn)口面積AE與位置x處的截面積A(x)的比例： (13)另外，總擠壓比Vges是模具進(jìn)口截面積AE與模具出口截面

48、積AA之間的比率： (14)對數(shù)原理成型是三種對數(shù)成型中數(shù)量最大的：log.縱向成型 log.徑向成型 log.切線成型 為了滿足力守恒的要求：因為，主要成型的必然是。關(guān)于(13)，擠壓比與對數(shù)主要成型之間的關(guān)系表示為： (15)和 (16)為了在理論上描述在變形區(qū)中的過程，必須知道主要的變形比，也就是說，主要變形隨時間的變化。根據(jù)(1,19)能夠從以下式中計算： (17)從等式(17)可以得到整個變形區(qū)的總體平均值：平均主要變形率： (18)從文獻(xiàn)(20,21,22,23)由P.Feltham對使用平模的熱直接擠壓的計算已經(jīng)得出： (19)這個計算假定形成45度的剪切區(qū)，它封住變形區(qū)使其像一

49、個圓錐形模具。這個計算的一般化公式： (20)如果等式(18)和(20)中的與比例相關(guān)，圖1.30展示出等式(20)給出的值必然低于等式(18)。圖1.30：使用等式(18)和(20)計算的主要變形率對擠壓比的值1.4.3作用在模具進(jìn)口平面的軸向壓縮應(yīng)力檢測根據(jù)Siebel(24)的理論，對于一個理想的成型系統(tǒng)，作用在模具進(jìn)口平面的壓縮應(yīng)力是： (21)在這里，是目前在變形區(qū)中的所有成型材料的平均流動應(yīng)力。理想的是理論上的“沒有損失”變形的壓力，因此稱之為“理想變形”。在成型工藝的主要理論中，“損失”是指需要做的功，以便克服成型材料與模具接觸面之間的摩擦，并改變成型元素塊的形狀形成概念上的“圓盤”。后者稱之為“剪切損失”。理想壓力不考慮損失，因此描述了在理想狀況下，在模具入口平面上所需的最小壓縮應(yīng)力。如果考慮模具壁上的摩擦，那么根據(jù)H.Lippmann(25)的理論但使用不同的符號得出： (22)其中 (23)而是整個接觸區(qū)的平均摩擦系數(shù)。等式(22)包含描繪模具壁與將成型材料之間摩擦的軸向壓縮應(yīng)力部分。因此： (24)如果一個摩擦因子CR定義為摩擦部分和理想壓力之間的比例，也就是說這個摩擦因子： (25)那么在模具入口平面的軸向壓縮應(yīng)力： (26)而且考慮到等式(21)到(25)，計算得到CR： (27)如果除了摩擦之外，