挤压加工-经济百科

什么是挤压加工

挤压加工是指将预先制备的坯料放入挤压筒，施加压力，使材料由容器的开口处被挤出成形。挤压时材料处于不等三向压应力状态，应变状态为沿轴向伸长。

挤压加工大致是将预先制备的坯料放入挤压筒（或凹模），施加压力,使材料由容器的开口处被挤出成形。挤压时材料处于不等三向压应力状态，应变状态为沿轴向伸长。三向压应力状态有利于提高材料塑性，使许多难加工的低塑性材料可以成形或开坯。挤压时材料的变形量可以很大，可做到一次挤压成材。与其他加工方法相比，挤压模具的制造容易，更换简单，便于生产小批量多品种的产品和复杂断面的产品。主要缺点是挤压时所需的单位压力比其他加工方法高，因此能耗较高,设备较大,模具磨损较快（见金属塑性加工）。

挤压加工的挤压方法

早在1797年就出现了类似于挤压的铅管制造方法的专利。1894年德国人迪克(G.A.Dick)首先得到了卧式挤压机的专利，用以挤压黄铜等有色金属。1905～1915年期间已经出现了2000吨级的大型挤压机，同时开始采用耐热钢制作模具。目前，挤压主要用于加工铝、铜及其合金，在钢及稀有金属加工中也得到了应用。

按制品流出方向分类，挤压可分为正挤压和反挤压。正挤压时挤压杆前进方向与金属流动方向相同，反挤压则相反。按温度分类,挤压可分为热挤压、冷挤压和温挤压。一般认为，热挤压时坯料加热到再结晶温度以上；冷挤压温度在回复温度以下，通常在室温下进行；回复温度以上和再结晶温度之下为温挤压的温度范围。热挤压和冷挤压是挤压加工的两大分支。温挤压发展比较晚，应用范围也小。

热挤压

广泛用于生产铝、铜等有色金属管材、棒材、线材和型材。20世纪50年代,法国于日内-塞儒尔内(Ugine－Sejournet)将玻璃润滑法用于热挤压的成功和推广，使钢及稀有金属的挤压得到了迅速发展。70年代，由于设备及技术的发展和完善，反挤压取得了较大的发展。通常挤压产品沿长度方向具有相同的形状及截面尺寸，采用更换模子的方法或特殊模子结构，可以加工沿长度方向形状和截面尺寸不同的阶段变断面型材和逐渐变断面型材。热挤压主要采用液压机，有立式和卧式两种。大型挤压机大多为卧式。目前，世界最大的挤压机达20000吨。60年代中国已制造了12500吨大型卧式挤压机。大型挤压机主要用于加工飞机用的大型铝合金异型材。

热挤压产品的质量和经济指标与材料强度、塑性、温度、速度、润滑、模角、挤压比、坯料长度等工艺条件的选择有密切的关系。挤压力和挤压速度因材料性能和制品形状、大小变化很大。变形热引起的温度急剧上升可使局部金属性能变坏甚至熔化，在表面摩擦力或其他附加拉应力的作用下开裂。因此，有些合金的挤压速度受到限制，例如，超硬铝合金的模口流出速度不超过1～2米/分。另一方面，有些金属变形抗力大，需高温挤压，为了避免坯料温降和模具温升过高而降低使用寿命，必须提高挤压速度；例如，挤压合金钢时，金属流动速度可高达300米/分以上。润滑是挤压生产的关键，其作用是减小摩擦，保护模具与坯料的表面。有色金属挤压中用得最多的是石墨润滑剂，钢和稀有金属则常用玻璃润滑剂。模角影响金属流动和挤压力，减小模角可减小剪切变形力，但增加摩擦力，模角增大则相反。热挤压时常用模角为 90°～180°；为了不使坯锭表面杂质流入成品造成缺陷，经常采用平模（模角为180°）挤压。增大挤压比可以提高生产率，要根据挤压机能力及材料塑性而定出合理和可能的挤压比。增加坯锭长度，可以增加成材率，提高生产率，但正挤压时坯锭长度增加将使坯锭与挤压筒的摩擦力也相应增大；因此，硬度高的金属正挤压时，一般坯锭长度不超过直径的三倍。为了防止铸锭表层杂质及氧化皮流入成品造成缺陷，有时采用脱皮挤压；即将挤压垫做得小于挤压筒内径约2～4毫米；挤压时，坯锭表层金属被挤压垫切离而滞留在挤压筒内，形成一个薄壁筒体；这种方法多用于挤压铜合金。挤压时坯锭各部分金属的流动是不均匀的。由于表面摩擦、冷却等原因，坯锭中心层的流动速度大于表面层。因此，在挤压终了时会出现被称为“缩尾”的缺陷；为了避免这类缺陷，通常留有一定长度的残料，残料的另一作用是存留铸锭表面的杂质，提高成品质量。

反挤压是为了克服正挤压中挤压筒与坯锭之间的摩擦而发展起来的。在新型的反挤压机上，挤压杆呈空心状,模子放在挤压杆端,金属通过模子及挤压杆流出（图1b）。此时，坯锭与挤压筒没有相对位移，避免了正挤压中由摩擦所造成的多余能量消耗，金属流动也比正挤压均匀，坯锭长度可以适当增加。缺点是挤压杆工作应力较大。反挤压主要用于铜、铝材生产，设备以卧式液压机为主。在钢管生产中反挤压主要用于钢坯挤压穿孔，以立式穿孔挤压机为主。

冷挤压

主要用于生产有色及黑色金属零件。冷挤压的优点是产品精度高、可作到少切削或无切削，强度性能高,劳动生产率高,可以加工复杂的机器零件等。最初，冷挤压局限于加工铅和锡等软金属，直到19世纪末、20世纪初才开始应用于锌、紫铜、黄铜等比较硬的金属。至于钢的冷挤压，由于变形抗力大，直至20世纪30年代出现磷化处理坯料，使坯料表面形成润滑剂的吸附和支撑层，强化润滑之后，才取得进展。第二次世界大战后，随着高强度模具材料的发展，冷挤压取得迅速发展。冷挤压时，一般采用机械压力机。模具包括工作部分（凹模、凸模、顶出器）和模架。常用冷挤压方法除正挤压和反挤压外，还有复合挤压。复合挤压同时具有正挤压和反挤压的特点。

与热挤压相比,冷挤压的变形抗力大,这对模具、坏锭热处理、润滑等工艺条件都提出了特殊要求。高强度模具钢的允许单位挤压力一般可达到250公斤力/毫米2。通常,冷挤压坯锭需经热处理,以软化金属和消除内应力，这关系到成品的质量、性能和加工时的能量消耗。冷挤压时的磨擦力很大，润滑直接关系到成品质量和模具寿命，甚至决定挤压的成败。加工钢时，一般采用表面磷化处理后再加充分润滑。

温挤压

优点是既能适当降低金属变形抗力，提高加工塑性，又能保持冷挤压提高成品强度性能的优点。这种方法尤其适用于室温呈脆性的金属和高强合金。温挤压还是形变热处理的一种良好手段。由于温度的提高，给加热、润滑、模具等相应带来新的困难。

特殊挤压方法

（1）静液挤压。处压力通过流体的传递作用于坯锭，使其流出模口成形的挤压方法称为静液挤压。由于流体传递力的各向同性，坯锭所受到三向压应力较一般挤压方法更为均匀。此外，坯锭不与挤压筒接触，可避免产生摩擦。因此,金属流动均匀,附加应力小。同时，高静液压力下的大变形有利于提高金属塑性和金属内部微缺陷的愈合。因此，适合于加工低塑性金属，而且制品的力学性能高于一般加工方法的制品。由于加工时模具处于高压状态（可达一万至数万大气压），设备结构及操作比较复杂。现已初步应用。

（2）连续挤压。通常,无论热挤压或冷挤压,加工都是周期性进行。连续挤压时，坯锭可以不同方式连续不断地进入变形区。这样，可以加工很长的制品，减少辅助操作时间，提高生产率。尚属研究阶段。其他挤压方法还有电缆包套挤压、半熔融金属挤压等。