擠壓的基本原理

第二章擠壓的基本原理本章內(nèi)容：擠壓基本原理擠壓變形的應(yīng)力應(yīng)變擠壓變形的附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力擠壓對金屬組織和性能的影響一、擠壓變形四階段無論零件形狀如何，擠壓時金屬流動可分以下四階段：充滿型腔階段施加壓力后，金屬徑向流動而充滿模具型腔開始擠壓階段凹模入口處的金屬開始進(jìn)入?？?，變形區(qū)域迅速擴(kuò)大。穩(wěn)定擠壓階段毛坯高度降低，變形區(qū)高度穩(wěn)定不變擠壓完畢階段

頂出制件二、實(shí)心件正擠壓的變形過程毛坯自由放入凹模型腔內(nèi),整個擠壓變形過程如圖1-1所示：圖1正擠壓變形過程（a）充滿模腔（b）擠壓開始（c）擠壓過程（d）擠壓終了1-凸模2-毛坯3-凹模初始狀態(tài)，毛坯與模壁間隙0.05－0.10mm施加壓力后，金屬徑向流動而充滿型腔凹模入口處的金屬開始進(jìn)入?？?，變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大，開始擠壓毛坯高度S降低，變形區(qū)高度穩(wěn)定不變，進(jìn)入穩(wěn)定階段毛坯高度S不小于變形區(qū)高度，擠壓完畢變形不均勻擠出端部變形不大橫向坐標(biāo)線間距逐漸增加圖2正擠壓實(shí)心件時坐標(biāo)網(wǎng)的變化A-未變形區(qū)B-劇烈變形區(qū)C-已變形區(qū)D-死角區(qū)ABC縱向坐標(biāo)線發(fā)生扭曲正方形網(wǎng)格變成了平行四邊形網(wǎng)格存在死區(qū)擠壓過程中金屬很難變形或停留不動的區(qū)域，稱為死區(qū)。

摩擦力越大、凹模錐角越大則死區(qū)越大。

正擠壓時坯料大致分為：變形區(qū)B、不變形區(qū)（又分為待變形區(qū)A、已變形區(qū)C）和死角區(qū)D。變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是三向受壓。其變形是兩向收縮、一向伸長的應(yīng)變狀態(tài)。正擠壓應(yīng)力應(yīng)變:區(qū)域1是直接受壓縮區(qū)區(qū)域2是間接受壓縮區(qū)，受到區(qū)域1壓力作用三、杯形件反擠壓變形過程反擠壓應(yīng)力應(yīng)變3、復(fù)合擠壓變形分析：四、影響擠壓金屬流動的因素擠壓時，影響金屬流動的主要因素有

金屬材料性質(zhì)、變形條件、變形速度與變形溫度。1.金屬材料的影響（內(nèi)因）金屬成分的差異、金屬組織結(jié)構(gòu)不同，都將影響金屬的塑性變形和變形抗力：不同成分、不同種類的金屬力學(xué)性能不同，塑性和強(qiáng)度不同；不同成分、不同組織結(jié)構(gòu)的金屬與模具材料的摩擦系數(shù)不同；合金元素的存在，可導(dǎo)致晶粒的細(xì)化、晶格扭曲、固容體的形成，影響塑性變形2.變形條件的影響1）摩擦力的的影響：摩擦力對金屬流動有顯著的影響。摩擦系數(shù)很小，變形區(qū)集中在凹模出口附近，金屬流動比較均勻，死角區(qū)也比較小摩擦系數(shù)較大，變形區(qū)可以擴(kuò)大到整個體積，金屬流動不均勻，外層金屬滯后于中心層金屬，死角區(qū)的高度增加摩擦系數(shù)很大，金屬的流動很不一致，坐標(biāo)網(wǎng)格有強(qiáng)烈的扭曲，死角區(qū)的高度顯著增加另外：外摩擦的作用，使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低工件質(zhì)量；增加變形阻力和能耗；增加模具負(fù)載，縮短模具壽命。總體說，摩擦力對擠壓不利，應(yīng)保證毛坯與模具之間充分且均勻的潤滑，但局部而言是有利的：反擠細(xì)長杯形件時，在凸模端面刻出“十”字槽，以防凸模失穩(wěn)。2）模具形狀的影響

模具形狀決定變形區(qū)的形式和大?。徽龜D壓時，凹模入模角的大小直接影響金屬流動的均勻性。如圖:入模角一般采用30°，60°，90°，120°，150°。

180°潤滑不好：縮孔3.變形速度的影響：當(dāng)變形速度很高，熱效應(yīng)顯著，毛坯溫度升高，抗力降低，塑性增加，變形不均勻程度減少。4.變形溫度的影響

一般而言，溫度升高，金屬塑性提高5.應(yīng)力狀態(tài)的影響主應(yīng)力中，壓應(yīng)力數(shù)越多，數(shù)值越大，則塑性越好；反之，塑性越差。

“三向壓應(yīng)力狀態(tài)”能提高塑性的原因：1)減少晶格間變形，從而防止晶格間變形引起的晶界破壞；2)減少或彌合內(nèi)部缺陷（縮孔、縮松、氣孔）3)降低夾雜物引起的危害（應(yīng)力集中引起的致裂）4)減少或抵消附加拉應(yīng)力，避免翹曲或開裂。

五、擠壓變形程度的表示方法

變形程度：是表示擠壓時金屬塑性變形量大小的指標(biāo)，其最常用的表示方法有兩種：

截面收縮率和擠壓面積比。截面收縮率式中：——冷擠壓的截面收縮率，

F0——

冷擠壓變形前毛坯的橫截面積，mm2

F1——

冷擠壓變形后工件的橫截面積，mm2（2）擠壓面積比式中G——擠壓面積比；

F0

——冷擠壓變形前毛坯的橫截面積，mm2

F1

——冷擠壓變形后工件的橫截面積，mm2與G之間存在如下關(guān)系：計算例1：一實(shí)體毛坯直徑為20mm,擠壓后零件的直徑為15mm，試計算其斷面收縮率，并判斷可否一次擠壓成型。例2：一實(shí)心毛坯其直徑是30mm，反擠壓后零件的內(nèi)徑是28mm，試計算其斷面收縮率，并判斷可否一次擠壓成型。六、擠壓變形的附加應(yīng)力

與殘余應(yīng)力附加應(yīng)力：在塑性變形過程中,變形金屬內(nèi)部除了存在著與外力相應(yīng)的基本應(yīng)力以外，還由于物體內(nèi)各層的不均勻變形受到變形體整體性的限制,而引起變形金屬內(nèi)部各部分自相平衡的應(yīng)力,稱為附加應(yīng)力。附加應(yīng)力產(chǎn)生的原因：變形金屬與模具之間存在著摩擦力，由此引起內(nèi)外層金屬流動不均勻，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力。(2)各部分金屬流動阻力不一致例如反擠杯形件時,由于模具對中不好,會造成凸、凹模之間間隙不均勻。間隙大的阻力較小,間隙小的阻力較大,這就會引起金屬流動不均勻,從而產(chǎn)生附加應(yīng)力。(3)變形金屬的組織結(jié)構(gòu)不均勻變形金屬的組織結(jié)構(gòu)往往是不均勻的,例如晶粒有大有小,方位也不相同,從而引起不均勻變形,會導(dǎo)致附加應(yīng)力的產(chǎn)生。

(4)模具工作部分的形狀與尺寸不合理例如在正擠壓時，如果凹模工作帶高度尺寸不一致,那么在工作帶較高的一邊的金屬流動速度將慢于較矮的一邊。這樣,擠壓件便產(chǎn)生彎曲,因此在擠壓件內(nèi)部將產(chǎn)生相互牽制的附加應(yīng)力。

殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力：引起塑性體變形的作用力取消以后,隨之消失的僅是基本應(yīng)力。附加應(yīng)力不是由外力引起的,而是為了自身得到平衡引起的。因此,當(dāng)外力取消以后,附加應(yīng)力并不消失而殘留在變形體內(nèi)部,稱為殘余應(yīng)力。附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的危害性

(1)縮短擠壓件的使用壽命若使具有殘余應(yīng)力的擠壓件承受載荷,則其內(nèi)部作用的應(yīng)力為外力引起的基本應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和,因此易于產(chǎn)生變形或開裂,從而縮短使用壽命。(2)引起擠壓件尺寸及形狀的變化在擠壓件內(nèi)部作用著相互平衡的殘余應(yīng)力,表明各部分存在符號不同的彈性變形和晶格畸變。當(dāng)殘余應(yīng)力消失或平衡受到破壞后,相應(yīng)的物體各部分的彈性變形也發(fā)生了變化,從而引起物體尺寸或形狀的改變。

(3)降低金屬的耐蝕性當(dāng)擠壓件表層具有殘余應(yīng)力時,會降低其耐蝕性。此外,殘余應(yīng)力還會使金屬的塑性、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度等降低。

防止和消除附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的方法：(1)減少摩擦阻力的影響(2)合理設(shè)計模具工作部分的結(jié)構(gòu)和尺寸以保證擠壓件的變形與應(yīng)力分布較為均（3)盡可能采用組織均勻的金屬變形擠壓前對坯料進(jìn)行均勻化處理,使其盡可能在晶粒大小均勻的狀態(tài)下變形,以減小附加應(yīng)力。(4)擠壓后采用有效的熱處理方法以消除殘余應(yīng)力第一種殘余應(yīng)力用低溫回火方法就可大為減小；第二種殘余應(yīng)力采用將擠壓件加熱到稍低于再結(jié)晶溫度下可以完全消除；第三種殘余應(yīng)力,只有經(jīng)過再結(jié)晶才能消除。

七、擠壓對金屬組織和性能的影響組織變化：經(jīng)擠壓，晶粒由等軸狀被沿擠壓方向拉長，形成纖維組織。變形后，縮孔、縮松被壓合，使材料的組織結(jié)構(gòu)更加致密。變形前變形后性能變化1.機(jī)械性能變化顯著

組織決定性能，組織的變化必然引起機(jī)械性能的改變：強(qiáng)度硬度提高；塑性韌性下降；2.出現(xiàn)“各向異性”沿纖維方向，材料的強(qiáng)度硬度明顯較高；垂直方向，塑性韌性較好。當(dāng)入模角為180°時，變形區(qū)及變形的不均勻程度都將達(dá)