挤压模具设计参数计算理论

型材挤压工艺

型材挤压工艺，包括确定挤压工艺参数、选择合适的润滑条件、挤压比的确定及合理锭坯尺寸的计算。它们与合金种类、制品规格和设备能力有关。

一、挤压工艺参数的确定

确定工艺参数时，应综合考虑金属与合金加工时的可挤压性和对制品质量的要求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织与性能等），以满足提高成品率与生产率的需要。热挤压过程的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属出口速度），两者构成了对挤压过程控制十分重要的温度-速度条件。

（一）挤压过程中的温度变化

挤压变形使坯料具有优越的三向压应力状态，但由于变形不均匀性导致金属沿锭坯断面的流速差，会发生大的纵向拉应力，甚至引起制品产生周期性表面裂纹。为了保持挤压制品的整体性，挤压塑性变形区的温度必须与金属塑形最好的温度范围相匹配。

塑性变形区温度取决于坯料和工具的加热温度、变形热以及被周围介质所吸收的热量。挤压速度越大，被周围介质吸收的热量就越小，则塑性变形区的温度就越高；反之亦然。在一定的变形程度下，要么选择合适的预热温度，要么选择合适的变形速度，都可以使塑性变形区的温度保持在规定的范围内。当变形速度较小时，必须提高预热温度；而变形速度较大时，则必须降低预热温度。

在挤压铝合金时，挤压温度较低（400-500℃），挤压速度较慢，而

且铝合金的导热性很高，所以在计算塑变区的温度场时必须考虑由于挤压金属的热传导和金属与挤压工具之间的热交换而引起的温度变化。

（二）挤压时的温度条件

确定挤压的温度制度时，应考虑以下一些因素：

1）分析合金的塑性图与状态图，了解合金最佳塑性温度范围和相变情况，避免在多相和相变温度下变形。

2）挤压过程温度条件的特点、影响温度条件变化的因素和调节方法以及温升情况。

3）尽可能地降低变形抗力以减小挤压力和作用在工具上的载荷。4）保证最大的金属流出速度。

5）保证温度不超过该合金的临界温度，以免塑性降低产生裂纹。6）保证挤压时金属不粘结工具，恶化制品表面质量。

7）保证挤压制品的温度分布均匀、尺寸精度高、组织均匀和力学性能最佳。

在确定挤压时的最佳温度时，还应该考虑铸锭的冶金学特点：如结晶组织的特点、合金化学成分的波动、金属间化合物的特点，以及坯料的疏松程度、气体和其他的非金属与金属杂志的含量等。

常用铝合金挤压时锭坯的加热温度（表所示），可供制定工艺和设计模具时参考。

（三）挤压时的速度条件

挤压时的速度有三种：挤压速度

v，表示挤压机柱塞、挤压杆和

j

挤压垫的移动速度；金属流出速度

v，表示金属流出模孔时的速度，

l

v=j vλ；变形速率ε，即单位时间内变形量变化的大小。

l

挤压时的速度与温度是联系在一起的。一般来说，提高挤压速度会造成锭坯的温度升高，因此要降低锭坯的加热温度。

热加工的目的是为了利用金属材料在高温下屈服强度下降这一现象来实现大的变形量。但是，如果锭坯原始温度和挤压速度导致制品出口温度接近该合金的固相线温度时，则表面将产生裂纹、粗糙，质量变坏。图9-10为挤压速度与出口温度之间的关系曲线。图中给出了两条极限曲线：一条表示设备能力的最大挤压力曲线；另一条表示合金制品开裂的冶金学极限。在两条曲线之间的交点上，提供了理论上最大挤压速度和相应的最佳出口温度。应强调的是，这个最佳值只是从挤压速度角度出发，不一定能满足制品的物理-冶金性能要求。

在确定常规挤压时的实际金属流出速度时，可在已知挤压温度的基础上综合考虑材料与工艺参数（如金属变形抗力与塑性、挤压力、流动不均匀的特性、工模具结构形式及预热条件）以及设备条件等因素。

表9-3给出了常用的铝合金挤压各种型材的锭坯、挤压筒加热温度和平均的流出速度。

二、挤压比

挤压比值一般在6-100范围内，主要受下列因素影响。

1.金属与合金的可挤压性。确定了挤压温度后，随着挤压比的增大制

品流出模孔的温度与速度均升高。为避免产生制品表面的粗糙化与裂纹，应选择适当挤压比。

2.制品质量要求。根据制品断面上的组织与性能要求，挤压热加工态（R态）的制品时，挤压比一般不得小于10-12。在挤压需继续加工（如轧制、拉伸、或锻造等）的坯料时，挤压比最好不小于5。挤压用于二次挤压的坯料，一般不限制挤压比的大小，只根据二次挤压的挤压筒规格来推算出一次挤压的挤压比。挤压小断面型材时，为了使金属流动较为均匀，可采用多模孔挤压以降低挤压比。为了获得表面质量好的制品，挤压比一般不小于20。使用组合模挤压空心型材时，应尽可能采取较高的挤压比值（以及较高的挤压温度与较长的焊合腔），以保证制品焊缝质量。

3.设备能力限制。根据挤压力与挤压比的对数成正比的关系，综合考虑挤压筒直径（挤压垫上的单位挤压力）和金属坯料在挤压温度下所承受的挤压应力大小，使所确定的挤压比值既能实现挤压过程又不超过设备的能力。

三、挤压时的润滑

1.润滑的作用。挤压加工一次变形量很大，金属与模具接触面上的单位正压力极高（相当于金属变形抗力的3-10倍，甚至更高）。变形金属的表面更新作用加剧，从而使金属粘结模具的现象严重。因此，挤压时润滑剂的作用是尽可能地使表面干摩擦转变为边界摩擦。这不仅提高了制品表面质量和模具的使用寿命，而且由于降低了模具对金属的冷却作用，使金属流动不均匀性减少，挤压能耗降低。

使用平模热挤压型材与棒材时，平模工作面与挤压筒壁交接处存在一个环形的死区，可有效地阻止锭坯表面上的氧化物、夹杂与灰尘进入制品表面，故不允许涂抹润滑剂。但是，挤压钛及钛合金材料时则必须润滑，这是由于新生的未经氧化的表面金属粘结模具很严重，致使挤出的制品表面上形成较深的划痕与擦伤。采用锥模挤压棒材时，可以进行润滑。此时，为防止锭坯的不良表面进入制品表面，可机械车削除去加热前的锭坯表皮或冷挤锭坯表皮。挤压型材与棒材时，均不润滑挤压垫，以防缩尾形成。采用润滑挤压法时，润滑剂涂抹部位一般限于挤压筒壁、平模工作面和模孔。

使用锥模挤压管材时，穿孔针的摩擦作用可使金属的流动较为均匀。因此，不管是否有穿孔操作，均应润滑冷却穿孔针。挤压厚壁管时，亦不允许润滑挤压垫。

当使用组合模挤压空心型材与管材时，为了保证接缝质量，绝对不允许润滑。

2.常用的润滑剂。在高温高压的热挤压条件下，要求润滑剂具有足够的粘度与活性，具有较高的闪点和较少的灰分，以保证良好的表面润滑状态。同时，还要求润滑剂具有一定的化学稳定性，对金属与工具无腐蚀作用，无污染环境、有害于人体健康的作用。

1）对铝及铝合金，多采用在粘性物油中添加各种固态填料的悬浮状润滑剂、应用最广的是润滑剂为70%-80%的72号汽油加20%-30%的石墨，挤压时，油的燃烧物和石墨所构成的润滑油膜具有足够的强度。但其韧性不足，在挤压比足够大时可能产生表面活性物质。直到

目前为止，润滑挤压尚未在铝合金方面获得广泛应用，因为润滑挤压时用普通结构的模子不能完全消除死区，从而导致制品的皮下缩尾。此外，润滑挤压还有可能出现制品表面的气泡、起皮和润滑剂燃烧产物的压入等缺陷。