擠壓力及其計(jì)算

3.擠壓力主要內(nèi)容：擠壓力的概念，擠壓力計(jì)算式介紹(jièshào)，正確選擇擠壓力計(jì)算式及有關(guān)參數(shù)，影響擠壓力的因素分析。重點(diǎn)：擠壓力計(jì)算。難點(diǎn)：擠壓力計(jì)算式中有關(guān)參數(shù)的確定。目的和要求：能夠根據(jù)擠壓方法、擠壓產(chǎn)品及擠壓過(guò)程金屬的變形流動(dòng)特點(diǎn)的不同，正確選擇擠壓力計(jì)算式，并能夠正確確定有關(guān)計(jì)算參數(shù)，從而較準(zhǔn)確的計(jì)算不同擠壓條件下的擠壓力。精品資料3.1擠壓力計(jì)算式分析擠壓力:擠壓過(guò)程中，通過(guò)擠壓桿和擠壓墊作用在金屬坯料上的外力。單位擠壓力:擠壓墊片單位面積上承受的擠壓力。目前，用于計(jì)算各種條件下擠壓力的算式有幾十個(gè)，歸納起來(lái)分為以下幾組：（1）借助塑性方程式求解(qiújiě)應(yīng)力平衡微分方程式所得的計(jì)算式；（2）利用滑移線(xiàn)法求解(qiújiě)平衡方程式所得的計(jì)算式；精品資料（3）根據(jù)最小功原理和采用變分法所建立起來(lái)的計(jì)算式；（4）經(jīng)驗(yàn)式、簡(jiǎn)化式。各計(jì)算式的計(jì)算精度除了與計(jì)算式的結(jié)構(gòu)合理性有關(guān)外，在很大程度上取決于計(jì)算式中各參數(shù)選擇的合理性與準(zhǔn)確程度。在選擇時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）適用條件；（2）計(jì)算式本身建立的理論基礎(chǔ)是否完善、合理，考慮的影響因素是否全面(quánmiàn)；（3）計(jì)算過(guò)程是否簡(jiǎn)便；（4）有關(guān)參數(shù)的確定是否困難。精品資料3.2擠壓(jǐyā)時(shí)的受力情況擠壓(jǐyā)時(shí)的受力情況如圖3-1所示。圖3-1擠壓(jǐyā)時(shí)的受力情況精品資料擠壓力組成：P=R錐+T錐+T筒+T定+T墊+Q+IR錐—使金屬產(chǎn)生塑性變形所需的力；T錐—壓縮錐側(cè)表面上的摩擦力；T筒—擠壓筒壁和穿孔針表面的摩擦力；T定—?？坠ぷ鲙系哪Σ亮Γ籘墊—擠壓墊接觸表面上的摩擦力；Q—作用在制品上的反壓力或牽引力；I—擠壓速度(sùdù)變化引起的慣性力。精品資料通常，擠壓墊對(duì)金屬流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力只是在終了階段，當(dāng)后端難變形區(qū)金屬進(jìn)入塑性變形區(qū)壓縮錐后，沿?cái)D壓墊端面流動(dòng)時(shí)才起作用；牽引力的主要作用是防止制品偏離出料臺(tái)并可起到減少其彎曲和扭擰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擠壓力；在正常擠壓過(guò)程中，在擠壓溫度一定的情況下，擠壓速度的變化是比較平穩(wěn)且變化不大，所引起(yǐnqǐ)的慣性力是比較小的。故后三項(xiàng)通?？梢圆挥每紤]。精品資料3.3影響擠壓力的主要因素（1）金屬的變形抗力擠壓力大小與金屬的變形抗力成正比。（2）錠坯狀態(tài)錠坯組織性能均勻，擠壓力較??；經(jīng)過(guò)充分均勻化退火，可使不平衡共晶組織在基體中分布均勻，過(guò)飽和固溶元素從固溶體中析出(xīchū)，消除鑄造應(yīng)力，提高錠坯塑性，減小變形抗力，使擠壓力降低。純鋁錠坯組織、均勻化退火時(shí)間及擠壓速度對(duì)擠壓力的影響見(jiàn)圖3-2。精品資料圖3-2純鋁錠坯組織、均勻化退火時(shí)間及擠壓速度(sùdù)對(duì)擠壓力的影響精品資料（3）錠坯的規(guī)格及長(zhǎng)度錠坯的規(guī)格對(duì)擠壓力的影響是通過(guò)摩擦力產(chǎn)生作用的。錠坯的直徑越粗，擠壓力就越大；穿孔針直徑越粗，擠壓力也越大；錠坯越長(zhǎng)，擠壓力也越大。（4）變形程度（或擠壓比）擠壓力大小與變形程度成正比，即隨著變形程度增大，擠壓力成正比升高。圖3-3是不同(bùtónɡ)擠壓溫度下6063鋁合金擠壓力與擠壓比之間關(guān)系曲線(xiàn)。精品資料圖3-3不同擠壓溫度下6063鋁合金擠壓力(yālì)與擠壓比之間關(guān)系曲線(xiàn)精品資料（5）變形溫度變形溫度對(duì)擠壓力的影響，是通過(guò)變形抗力的大小反映出來(lái)的。一般來(lái)說(shuō)，隨著(suízhe)變形溫度的升高，金屬的變形抗力下降，擠壓力降低。（6）變形速度變形速度對(duì)擠壓力大小的影響，也是通過(guò)變形抗力的變化起作用的。如果無(wú)溫度、外摩擦條件的變化，擠壓力與擠壓速度之間成線(xiàn)性關(guān)系，如圖3-4所示。精品資料圖3-46063鋁合金擠壓力與擠壓速度(sùdù)的關(guān)系精品資料（7）外摩擦條件的影響（8）模角模角對(duì)擠壓力的影響如圖3-5所示。隨著模角增大，金屬進(jìn)入變形區(qū)壓縮錐所產(chǎn)生(chǎnshēng)的附加彎曲變形增大，所需要消耗的金屬變形功增大；但模角增大又會(huì)使變形區(qū)壓縮錐縮短，降低了擠壓模錐面上的摩擦阻力，二者疊加的結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)一擠壓力最小值。這時(shí)的模角稱(chēng)為最佳模角。一般情況下，當(dāng)α在45°～60°范圍時(shí)擠壓力最小。精品資料圖3-5擠壓力(yālì)分量與模角的關(guān)系精品資料（9）擠壓方式的影響反向擠壓比同等條件下正向擠壓在突破階段所需要的擠壓力(yālì)低30%～40%；潤(rùn)滑穿孔針擠壓時(shí)作用在穿孔針上的摩擦拉力約是同等條件下不潤(rùn)滑穿孔針的四分之一；隨動(dòng)針擠壓時(shí)作用在穿孔針上的摩擦拉力只出現(xiàn)在穿孔針運(yùn)動(dòng)速度與金屬流動(dòng)速度不一致的部位，故比固定針擠壓時(shí)的小。精品資料3.4擠壓力計(jì)算目前，廣泛使用(shǐyòng)的計(jì)算方法有三種：經(jīng)驗(yàn)算式；簡(jiǎn)化算式；借助塑性方程式求解應(yīng)力平衡微分方程式所得到的計(jì)算式，如И.Л.皮爾林算式。3.4.1經(jīng)驗(yàn)算式（3-1）精品資料式中σS—變形(biànxíng)溫度下金屬靜態(tài)拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，MPa；μ—摩擦系數(shù)，無(wú)潤(rùn)滑熱擠壓取0.5，帶潤(rùn)滑熱擠壓取0.2～0.25，冷擠壓取0.1～0.15；Dt、dz—擠壓筒、穿孔針直徑，mm；Lt—錠坯填充后的長(zhǎng)度，mm；λ—擠壓比；精品資料a—合金材質(zhì)修正系數(shù)，取1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限；b—制品斷面形狀修正系數(shù)，圓管材擠壓取b=1.0。此經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)算式的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、計(jì)算方便。存在的最明顯問(wèn)題：一是沒(méi)有考慮擠壓溫度、速度變化對(duì)金屬變形抗力的影響；二是對(duì)于只潤(rùn)滑穿孔針而不潤(rùn)滑擠壓筒的擠壓過(guò)程來(lái)說(shuō)，正確選擇摩擦系數(shù)存在一定困難。精品資料3.4.2簡(jiǎn)化算式P=βA0σ0lnλ+μσ0π（D+d）L（3-2）式中p—單位擠壓力，MPa；A0—擠壓筒與穿孔針之間的環(huán)形面積，cm2；σ0—與變形速度和溫度有關(guān)(yǒuguān)的變形抗力，MPa；λ—擠壓比；μ—摩擦系數(shù)；精品資料D—擠壓筒直徑，cm；d—穿孔針直徑，cm；L—填充(tiánchōng)后的錠坯長(zhǎng)度，cm；β—修正系數(shù)，取β=1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限。該計(jì)算式的主要難點(diǎn)是如何確定不同擠壓溫度和應(yīng)變速度下金屬的真實(shí)變形抗力σ0,需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。精品資料在實(shí)際中，可以用一個(gè)應(yīng)變速度系數(shù)CV來(lái)近似確定變形抗力(kànɡlì)：σ0=CVσS（3-3）式中的σS是變形溫度下金屬靜態(tài)拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，Mpa。應(yīng)變速度系數(shù)CV可用圖3-6所示的變形抗力(kànɡlì)的應(yīng)變速度系數(shù)圖來(lái)確定，其中的橫坐標(biāo)為應(yīng)變速度。精品資料圖3-6變形抗力的應(yīng)變(yìngbiàn)速度系數(shù)圖精品資料平均應(yīng)變速度：（3-4）式中εe—擠壓真實(shí)延伸(yánshēn)應(yīng)變，εe=lnλ；ts—金屬質(zhì)點(diǎn)在變形區(qū)中停留時(shí)間，s。（3-5）精品資料Ff—擠壓制品的斷面積，mm2；Vf—制品流出模孔的速度，mm/s。（1）無(wú)潤(rùn)滑熱擠壓式（3-2）中摩擦系數(shù)μ=0.577。（2）全潤(rùn)滑熱擠壓式（3-2）中取摩擦系數(shù)μ=0.15～0.2。（3）只潤(rùn)滑穿孔針擠壓式（3-2）可變化成如下(rúxià)形式：精品資料P=βA0σ0lnλ+σ0π（μD+μ1d）L（3-6）式中的μ、μ1分別是變形金屬與擠壓筒和穿孔針之間的摩擦系數(shù)，其取值分別按無(wú)潤(rùn)滑和全潤(rùn)滑擠壓的選取。（4）反向擠壓式（3-2）可變化成如下(rúxià)形式：P=βA0σ1lnλ+μσ1πdL（3-7）式中的σ1為反向擠壓時(shí)金屬的變形抗力。精品資料反擠壓時(shí)金屬的變形抗力σ1與正擠壓的不同，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。對(duì)2A11、2A12兩種合金可按下式確定：σ1-2A11=126.8–0.155tσ1-2A12=121.5–0.124t（3-8）3.4.3И.Л.皮爾林算式皮爾林借助塑性方程式和力平衡方程式聯(lián)立求解(qiújiě)的方法，建立了各種條件下的擠壓力計(jì)算式。P=RS+Tt+Tzh+Tg(3-9)精品資料（1）實(shí)現(xiàn)塑性變形作用在擠壓墊上力RS用下式計(jì)算：RS=（3-10）（2）克服(kèfú)擠壓筒和穿孔針上的摩擦力作用在擠壓墊上力Tt用下式計(jì)算：Tt=π（D0+d1）（L0–hS）ftSt（3-11）（3）克服(kèfú)變形區(qū)壓縮錐面上摩擦力作用在擠壓墊上力Tzh用下式計(jì)算：精品資料圓柱式固定針擠壓時(shí)：Tzh=（3-12）瓶式固定針擠壓時(shí)：Tzh=（3-13）（4）克服模子(múzi)工作帶摩擦力作用在擠壓墊上力Tg用下式計(jì)算：Tg=（3-14）精品資料影響И.Л.皮爾林算式精度的主要因素是真實(shí)(zhēnshí)變形抗力選擇存在一定困難，而且計(jì)算式中未考慮溫升和加工軟化等因素的影響。（5）И.Л.皮爾林算式中的參數(shù)確定①金屬的塑性剪切應(yīng)力SA變形區(qū)入口處塑性剪切應(yīng)力Szh0Szh0=0.5Kzh0≈0.5σS精品資料B變形區(qū)出口處塑性剪切應(yīng)力Szh1Szh1=CVSzh0=0.5CVσSC擠壓筒內(nèi)金屬塑性剪切應(yīng)力St全潤(rùn)滑擠壓時(shí)：St=Szh0無(wú)潤(rùn)滑擠壓時(shí)：St=1.5Szh0②摩擦因數(shù)f摩擦因素與擠壓溫度(wēndù)、速度條件下的金屬變形抗力有關(guān)，需要通過(guò)大量實(shí)現(xiàn)來(lái)確定。精品資料5A02、2A11、2A12三種鋁合金無(wú)潤(rùn)滑擠壓時(shí)的摩擦因素μ與擠壓溫度、速度條件下的金屬變形抗力CVσS的關(guān)系為：μ5A02=2.1366–0.0353CVσSμ2A11=1.5380–0.0170CVσSμ2A12=1.0470–0.0061CVσS（3-15）根據(jù)(gēnjù)對(duì)2A12合金管材的擠壓實(shí)驗(yàn)，潤(rùn)滑穿孔針擠壓時(shí)，作用在穿孔針上的摩擦拉力大約是不潤(rùn)滑擠壓時(shí)的四分之一。精品資料目前，在尚缺乏其它牌號(hào)鋁合金及其他金屬材料實(shí)驗(yàn)資料的情況下，其摩擦因素可以按照下述方法近似確定(quèdìng)：A擠壓筒、穿孔針和變形區(qū)內(nèi)的表面摩擦因數(shù)ft和fzh帶潤(rùn)滑熱擠壓時(shí)：可取ft=fzh=0.25；無(wú)潤(rùn)滑熱擠壓時(shí)：可取ft=fzh=1.0。B?？坠ぷ鲙П谀Σ烈驍?shù)fg帶潤(rùn)滑熱擠壓時(shí)：可取fg=0.25；無(wú)潤(rùn)滑熱擠壓時(shí)：可取fg=0.5。精品資料3.5穿孔(chuānkǒng)力及穿孔(chuānkǒng)針摩擦拉力計(jì)算穿孔(chuānkǒng)過(guò)程中針的受力情況如圖3-7所示。圖3-7穿孔(chuānkǒng)針受力情況精品資料3.5.1穿孔(chuānkǒng)力計(jì)算（1）穿孔(chuānkǒng)應(yīng)力（3-16）（2）穿孔(chuānkǒng)力（3-17）精品資料（3）溫度修正系數(shù)（3-18）式中dZ為穿孔針直徑，d為管材外徑，Lt為填充后錠坯長(zhǎng)度，la為穿孔力達(dá)到最大時(shí)的穿孔深度，Z為溫度修正系數(shù)，?T為錠與針的溫差，λ?為金屬導(dǎo)熱(dǎorè)率，Dt為擠壓筒直徑。精品資料3.5.2穿孔(chuānkǒng)針拉力計(jì)算（1）填充擠壓階段穿孔(chuānkǒng)針受力計(jì)算用空心錠擠壓管材時(shí)，在鐓粗過(guò)程中穿孔(chuānkǒng)針會(huì)受到彎曲