铝合金的成型方法.doc

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变形铝及铝合金的挤压生产

第一节：

挤压方法

挤压成形是对在挤压筒内的金属锭坯施加外力，使之从设定的模孔中流出，从而获得所需要的形状和尺寸的产品，这样一种塑性加工方法称挤压。

（图1-1）

图1-1金属挤压原理示意图

1.挤压轴2.挤压垫片3.挤压筒4.锭坯5.挤压模6.挤压制品

从200多年前，英国人S.Braman设计出世界上第一台机械式铝挤压机开始,经历了一百多年的发展,这中间产生了水压机、油压机。

特别是近40多年来铝挤压工业和技术获得了飞速发展，出现了润滑挤压，复合坯料挤压，在线淬火挤压，反向挤压，变断面挤压，组合模挤压，固定垫片挤压，Conform连续挤压，扁挤压筒挤压……

带穿孔

不带穿孔

正向挤压法

（见图1-2）

带穿孔

最基本分类：

反向挤压法

不带穿孔

侧向挤压法

图1-2铝挤压最基本方法a.正向挤压法b.型、棒材反向挤压法

c.管材正向挤压法d.管材反向挤压法

第二节：

铝合金挤压技术的发展现状

1、设备：

据资料介绍，世界各国已装备不同类别、结构、用途、压力的挤压机6000台以上。

（其中美国600多台，日本400多台，法国200多台，俄罗斯400多台，中国2800多台，其他国家1400多台），绝大部分为15—25MN的中小型挤压机。

目前，世界上已正式投产使用的80MN以上的大型挤压机20台以上，拥有的国家是美国、俄罗斯、中国、日本和西欧。

最大的是美国雷诺公司的270MN挤压机。

（全机自动控制）,主机、辅机均用PLC系统。

2、工具：

大型优质圆、扁挤压筒与特种模具技术

如固定挤压垫片、舌型模、平面分流组合模、叉架模、前室模、导流模、宽展模、可卸模、水冷模等。

3、挤压工艺不断改进和完善

舌型模挤压、平面组合模挤压、变断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压，精密气、水（雾）冷却在线淬火挤压，高效反向挤压，等温挤压技术……扩大了铝材的品种，提高了挤压速度和生产效率，产品质量……

4、铝挤压材的产品结构有了很大的改进

目前，全世界铝合金挤压材的年产量已超过1000万吨，民用铝型材应用大增，军用挤压材一年产量占挤压材产量的比例已下降到5%以下。

铝合金型材发展最快，其产量约占整个挤压材的80%左右。

由于铝挤压材正向大型化、扁宽化、整体化方向发展，大型材的比重日益上升，已达整个型材产量的10%左右。

我国的铝合金挤压生产也有了很大发展，已建立起完整的大、中、小配套的挤压工业体系。

据初步统计，2003年我国铝合金型材产量为220万吨以上，占铝材总产量的55%以上，品种已超过8000种，壁板的最大宽度为800MM左右，型材的最大断面积达400㎝2，长度达10-20m，同时可用宽展法挤压宽度为680mm的16孔空心壁板型材和938mm大型特种型材。

目前，我们生产的棒材最大外径可达Ф620mm，管材尺寸可达φ620×15mm。

第三节：

挤压成形的优缺点

1、优点：

①提高金属的变形能力。

金属在挤压变形区中处于强烈的三向压缩应力状态，可以充分发挥其塑性，获得大变形量。

②制品综合质量高。

挤压变形可以改善金属材料的组织、性能，特别是具有挤压效应的铝合金，可以获得较高的纵向（挤压方向）力学性能。

③产品范围广。

不仅可生产形状简单的管、棒、带材产品，还可以生产断面形状非常复杂的实心和空心型材，以及阶段变断面和逐渐变断面型材。

④生产灵活性大。

可以在同一台设备上通过换工模具生产多品种产品。

操作简单，效率高，适于多品种，多规模、小批量材料生产。

⑤工艺流程简单。

2、缺点：

①制品组织性能不均匀。

由于挤压时金属的流动不均匀（无润滑正向挤压时尤为严重），使制品存在表层与中心，头部与尾部组织性能不均匀现象，特别是6A02、2A50、2A10、2A12等合金挤压制品，在热处理后形成粗晶环。

②挤压工模具工作条件恶劣，工模具耗损大（据某厂统计，占总成本的15%以上）。

③生产效率相对较低，常规的多种挤压法不能实现连续生产。

④与其它成形法相比，几何废料损失较大。

（切头、尾、留残料……）几何废料可达铸锭重量的10%—20%。

第四节：

铝合金正向挤压的基本变形条件和特点

一、挤压时的金属的应力应变状态

图示4-1为单孔平模挤压圆棒材的外力、应力和变形状态。

挤压金属所受外力有：

挤压轴的正向压力P；挤压筒壁和模孔壁的作用力P′；在金属与垫片，挤压筒及模孔接触面上的摩擦力T，其作用方向与金属的流动方向相反。

图4-1挤压时的外力、应力和应变状态

1-挤压筒2-挤压垫片3-填充挤压前垫片的原始位置4-模子

P-挤压力Ⅰ-填充挤压阶段Ⅱ-平流阶段Ⅲ-紊流阶段

这些外力的作用就决定了挤压时的基本应力状态是三向压应力状态。

这种应力状态对利用和发挥金属的塑性是极其有利的。

与此相应，在金属内产生轴向压应力为σe,径向压力为σr,周向或环形压应力为σθ,挤压的变形状态为：

一维延伸变形即轴向变形εe,二维压缩变形，即径向变形εr及周向变形εθ，根据塑性变型理论在轴对称条件下（挤压和拉伸）其圆周向与径向的应力和压变可以认为是相等的。

二、正向挤压时金属的变型过程和特点

一般认为，挤压过程的三个阶段，即充填，平流和紊流（倒流）阶段。

（图4-2）

图4-2正挤压时铸锭的填充挤压过程（平模）

1、第一阶段为开始挤压阶段，金属受挤压轴的压力后，首先充满挤压筒和模孔，充填阶段应缓慢，以逐步充满挤压筒，此时挤压力直线上升直至最大。

第二阶段为平流阶段，即基本挤压阶段。

资料介绍当挤压达到突破压力（高峰压力），金属开始从模孔流出即进入此阶段，金属流出模孔500㎜时，平流阶段也建立，此时金属已经达到了平稳的层状流动，第三阶段为挤压终止阶段或称紊流挤压阶段。

在此阶段中，随着挤压垫片（已进入变形区内）与模子间距离的缩小，由于中心金属供给不足和金属受力状态的改变，迫使尾端金属沿着挤压垫片倒流，发生横向流动。

同时两个死区的金属也向模孔流动，形成挤压加工特有的“挤压缩尾”。

挤压力增加，此时应结束挤压操作过程。

2、平流压出阶段的变形特点

金属在平流压出阶段中的流动特点随着挤压条件的变化而不同，在一般情况下，其主要变形特点是金属的流动相似于无数同心薄壁圆管的流动。

即铸绽的内外层金属在此阶段内不发生交错或反向的紊乱流动，原来处于铸绽中心或边部的金属，在变形后仍处于挤压出制品中心或边部，图4-3为单孔锥形模不润滑正向挤压圆棒时平流阶段中的变形过程坐标网格变化图形。

图4-3单孔锥形模不润滑正挤压圆棒时的典型座标网格图

1-变形区压缩锥的开始点2-变形区压缩锥的终了点3-弹性区4-由于堆挤现象形成了周边层的加厚

金属流动坐标网格变形分析：

①—原坐标网格所有平行于挤压轴线的各条平行直线，除了前端部分外，基本上仍保持为直线，说明金属作近的平流运动。

②—这些纵向线在进入和流出变形压缩锥时，都发生两次方向相反的弯曲变形，为图4-3Ⅰ-A-Ⅰ和Ⅱ-B-Ⅱ的两条虚线所示，形成两个均匀的轴对称曲面，这两个曲面朝着与金属流动方向相反的方向凸出，由这两个曲面和模子附近的死区（即弹性区）所形成的回转曲面所包围的体积就是金属正挤压时的变形区压缩锥。

③—在变形区内，各条纵向线的弯曲程度从周边向中心逐渐减小，说明距离中心层越远其相对变形程度越大，即变形不均匀性增加。

④—原坐标所有横向线，在变形后都朝着金属流出方向发生轴对称形的弯曲凸出。

这是由于周边层的金属受到挤压筒内壁摩擦力的作用而使其流动比中心层滞后所造成的。

x2/a2-y2/b2=1

⑤—在正常挤压条件下，除了少数密集在制品前端的横向线外，其他横向线都变成为近似于双曲线的形状。

（有的资料认为是抛物线）前端横向线成了折线。

⑥—横向线朝金属运动相反的方向越来越尖。

这说明这些横向线在进入变形压之前由于挤压筒壁摩擦已使其发生弯曲。

距离变形区越远的横向线，在挤压筒内的移动距离越长，所受摩擦力的影响越大，则其弯曲程度越大。

⑦—这些曲线顶点之间的距离，在前端较小，在中间大部分位置上大致相同，而在尾端其距离明显增大，这说明在挤压制品的长度方向上，金属的变形也是不均匀的。

⑧—从横向线的弯曲程度可知，在挤压制品的所有环形层上，除了要发生剪切变形外，金属还要发生基本的延伸和压缩变形。

⑨—正向挤压时，金属与挤压筒内壁等的接触摩擦是死区，缩尾，成层产生的根本原因。

⑩—前端头的变形特点:

制品头部横向线弯曲程度较小，说明前端头部金属的变形量较小。

例如：

在挤压大截面的制品时，由于前端变形量太小，常保留着一定程度的铸造组织，故在生产工艺规程中都规定在挤压制品的前端一律剪切一定长度的几何废料，再取力学性能试样。

在相同条件下，采用锥模比平模前端变形量要大。

3、紊流挤压阶段的变形特点：

挤压过程的最后阶段属于紊流压出阶段。

在此阶段内，随着挤压垫片已进入变形区内，与模子距离缩小，迫使变形区内的金属朝着挤压轴线方向，由周边向中心发生剧烈的横向流动，使外层金属沿着挤压垫片，从周边向中心回转交错的紊乱流动，形成挤压缩尾等缺陷。

4、挤压缩尾是挤压生产中特有的一种废品类型，它是在挤压过程的末期，即紊流压出阶段形成的。

在我国生产实践中，按缩尾形成原因和分布特点分为三类：

第一类是中空缩尾，第二类是环形缩尾，第三类是边部缩尾。

第一类缩尾呈漏斗状，它是由于挤压大直径棒材时，在垫片上抹油或者留的挤压残料过薄，造成金属严重不足等原因所造成的。

第二类（环形缩尾）是挤压生产中最常见的一种缩尾，它的形状和分布随挤压条件，合金种类，制品形状及模孔排列情况而不同，单孔模挤压圆棒材时，环形缩尾一般分布在挤压棒材尾端中部,顺着压出方向逐渐收缩而消失,在制品尾端的断面上多呈连续或不连续的圆环状。

采用多孔模挤压圆棒时，其环形缩尾多分布在靠挤压中心线一侧，呈月牙状，带状或点状，从后向前，逐渐缩小消失。

环形缩尾分布特点大致是：

正挤压比反挤压长，不润滑挤压比润滑挤压长，软合金的比硬合金的长，挤压垫片表面光滑或抹油的比表面粗糙或不抹油的长等等。

环形缩尾形成原因主要是由于在挤压过程的末期，变形区内的金属供应不足，迫使金属沿着挤压垫片周边发生横向紊乱流动，把边部及侧表面较冷或粘有油污的金属回流而卷入到制品之中所造成的（如图4-4）

图4-4环形缩尾形成过程示意图

a.开始形成缩尾时的流动情况b.缩尾形成后的流动情况

第三类是边部缩尾，形状和分布都无固定规律，大多分布在挤压制品尾部的边缘部分，其形状多呈不连续的圆环形或圆孤形的线状薄层。

在低倍试片上的边缘上可见到明显的壳状分层，形成的主要原因是当进入挤压过程的末期，那些被阻滞堆积在前端死角处的铸锭表面上的脏物，被迫沿着死角边缘滑动流入挤压制品而形成的。

5、挤压残料

挤压时把一部分金属残留在挤压筒内而不压出，通常这部分为挤压残料或压余。

主要目的，其一是把形成挤压缩尾的这部分金属保留在挤压筒中作为几何废料消除，从而节约了挤压能量，工时和随后的人力消耗，保证产品质量，其二是使挤压垫与模子不发生接触而保护挤压工具。

残料的大小随挤压方法和工艺条件而不同，正挤压比反挤压残料长，不润滑挤压比润滑挤压时长；软合金比硬合金残料长，挤压筒直径大的比挤压筒直径小的要长等等。

在工厂中为节约挤压工时和能量，常采用增大残料挤压工艺。

死区：

是在平流阶段挤压时金属不发生流动的区域。

死区分为前死区和后死区（图4-5）。