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(duì)金屬組織和性能的影響一、擠壓變形四階段無(wú)論零件形狀如何，擠壓時(shí)金屬流動(dòng)可分以下四階段：充滿型腔階段施加壓力后，金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)而充滿模具型腔開(kāi)始擠壓階段凹模入口處的金屬開(kāi)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(guò)程毛坯自由放入凹模型腔內(nèi),整個(gè)擠壓變形過(guò)程如圖1-1所示：圖1正擠壓變形過(guò)程（a）充滿模腔（b）擠壓開(kāi)始（c）擠壓過(guò)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?gòu)较蛄鲃?dòng)而充滿型腔凹模入口處的金屬開(kāi)始進(jìn)入?？祝冃螀^(qū)域逐漸擴(kuò)大，開(kāi)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(shí)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(guò)程中金屬很難變形或停留不動(dòng)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(shí)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(zhǎng)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(guò)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(dòng)的因素?cái)D壓時(shí)，影響金屬流動(dòng)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(duì)金屬流動(dòng)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(dòng)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(gè)體積，金屬流動(dòng)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(dòng)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(shuō)，摩擦力對(duì)擠壓不利，應(yīng)保證毛坯與模具之間充分且均勻的潤(rùn)滑，但局部而言是有利的：反擠細(xì)長(zhǎng)杯形件時(shí)，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??；正擠壓時(shí)，凹模入模角的大小直接影響金屬流動(dòng)的均勻性。如圖:入模角一般采用30°，60°，90°，120°，150°。

180°潤(rùn)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(kāi)裂。

五、擠壓變形程度的表示方法

變形程度：是表示擠壓時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(guò)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(dòng)不均勻，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力。(2)各部分金屬流動(dòng)阻力不一致例如反擠杯形件時(shí),由于模具對(duì)中不好,會(huì)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(huì)引起金屬流動(dòng)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(huì)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(shí)，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(dòng)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(kāi)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(hào)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(shí),會(huì)降低其耐蝕性。此外,殘余應(yīng)力還會(huì)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(jì)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(duì)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??；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(guò)再結(jié)晶才能消除。

七、擠壓對(duì)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?cái)D壓方向拉長(zhǎng)，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(shí)，變形區(qū)及變形的不均勻程度都將達(dá)