無潤滑擠壓時,很難用一個公式表示擠壓時所需要的力;而在一定溫度下,使用潤滑劑擠壓某種金屬所需要的力,卻可以由理論公式表示,并且由實驗所證實。


 將變形金屬壞料加熱到適當的溫度,放置在一個高壓鋼制圓筒形的密封容器(擠壓筒)內,密封容器的一端由擠壓模封閉,??椎拿娣e即為所要求得到的制品的斷面。 擠壓筒的另一端由活塞(擠壓桿)密封。擠壓桿可以在擠壓筒內移動,擠壓金屬并使之變形。擠壓桿裝置在擠壓機的主柱塞上,并由擠壓機提供足夠的壓力。


 擠壓不銹鋼管時,采用帶圓孔的擠壓模,將一根裝置在穿孔柱塞并可在擠壓桿內孔中移動的芯棒通過在擠壓筒中的空心壞料。伸入擠壓??椎亩◤綆?。然后,擠壓桿在擠壓模和芯棒組成的環形縫隙中擠壓出鋼管。


 擠壓力的大小主要取決于材料的變形抗力、潤滑劑以及擠壓過程工藝參數的選擇。


1. 擠壓力大小的表示


  設F為在一個半徑為R的擠壓筒中擠壓長度為L的坯料時所需要的總力。一段厚度為dl的金屬離開模子的距離為ι; f為擠壓時金屬與擠壓筒之間的摩擦系數,則:


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 西拜勒氏認為,進行一次變形所需要的力等于斷面上的變形和變形總阻力的乘積。所指變形即為變形材料的原始斷面與最終斷面之間的自然對數比例。


 設μ為擠壓比,即擠壓筒面積與擠壓??讛嗝娣e之比;Kw為擠壓溫度下抵抗金屬變形的阻力,則:


式 1.jpg

式 5.jpg



 使用一般的潤滑劑時,摩擦系數為f=0.05,而有色金屬不同潤滑劑擠壓時,摩擦系數為f=0.12。


  各種金屬及合金的變形阻力如圖3-19所示。在不同的溫度下擠壓金屬及合金時,擠壓力隨溫度的變化而增減。用式(3-3)、式(3-4)可以算出金屬和合金在不同擠壓溫度下的變形阻力。因此,對每一種金屬和合金都可以畫出一條表示溫度與變形阻力的關系曲線。在擠壓溫度范圍內,這些曲線都是直線。


圖3-19.jpg


 上述變形阻力值是應用擠壓力公式計算出來的??梢园l現,在這種已得到的數值及各種高溫阻力試驗(蠕變試驗、高溫抗壓強度試驗)中所得到的數值之間存在著一個簡單的關系。


 把擠壓筒的“比壓”定義為:P = F / πR2


  實際上p值位于400~1200MPa,此可作為參考。擠壓機的比壓p值的高低取決于擠壓筒的直徑。如果所選擇的直徑過大,比壓就很低,不能得到足夠的力來完成操作;如果相反,所選擇的擠壓筒直徑太小,擠壓簡就有變形或因不能承受太大的壓力而破裂的危險,還有可能使擠壓桿彎折。


  圖2-3已經指出,在不同的擠壓機壓力下,應該使用的最大及最小擠壓筒的尺寸,以及最通常的操作所使用的擠壓筒直徑。


  圖2-4也表明,金屬的變形阻力與變形可能性(擠壓比)之間的關系。式(3-1)和式(3-2)還指出,金屬的變形阻力越高,則變形的可能性越小。


  假設摩擦力可以忽略不計,即 f=0 , 則公式如下:


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 圖2-4 的曲線是以 p=400~600~1200MPa繪制的。由圖2-4 可以看出,由于碳素鋼的變形抗力很低,其擠壓變形的可能性很大。作為試驗數據,可能以擠壓比μ=225進行擠壓加工,即可用直徑為Φ120mm的圓坯料直接擠壓成ф10mm×5mm的扁鋼。而相反,耐熱鋼的變形可能性則小得多。如尼莫尼克難熔合金,無論使用什么樣的擠壓機都不可能在一道次擠壓工序中,使其延伸系數能夠超過μ=80。


 從以上擠壓公式可以預見,如果按照擠壓桿的進程測繪擠壓所需要的力,則曲線將有如圖3-20所示的形狀。圖3-20(a)所示為不使用潤滑劑時,擠壓力與坯料長度的關系。當擠壓開始時,擠壓力很高,隨著操作的進行,擠壓力不斷地減小,當擠壓結束時,此力只相當于無摩擦變形時所需要的力。


圖3-20.jpg


  圖3-20(b)所示為使用潤滑劑擠壓時,擠壓力與坯料長度的關系。摩擦系數值f的高低決定于所使用的潤滑劑的質量,當選用適當的玻璃潤滑劑時,可使摩擦系數值f很小,操作開始時就沒有頂峰壓力。


  圖3-20(c)所示為使用潤滑劑慢速擠壓時,擠壓力與坯料長度的關系。當緩慢地進行擠壓時,精確地記錄擠壓力,可以發現在擠壓過程中,壓力有所上升,這是由于操作過程中擠壓坯料的冷卻,導致變形抗力增加,于是總的擠壓力隨著操作的進行而增加。


 最后,如果采用不適當的潤滑劑慢速擠壓時,所需要的擠壓力與坯料長度的關系曲線將會出現兩個峰值壓力,即操作開始時和擠壓結束時的頂峰壓力。而因坯料冷卻所引起的阻力升高,并未因摩擦的減小而抵消。


2. 擠壓過程中擠壓力的變化


 擠壓開始和擠壓過程中的擠壓力,取決于坯料的化學成分、加熱溫度、切斷擠壓速度、工模具溫度、潤滑劑和坯料長度以及擠壓方法和擠壓模形狀等一系列的因素。


 不銹鋼管坯料末端在一定的擠壓速度下,擠壓力隨著坯料長度變化的特性曲線如圖3-21所示。


圖3-21.jpg


  圖3-21中,橫坐標表示擠壓桿頭部對坯料前端的距離。擠壓開始時,由于首先在擠壓件上形成金屬流線,出現擠壓力迅速上升。在擠壓末期,由于擠壓桿移近擠壓模前端的“死區”,而對于“死區”則擠壓力不足,所以壓力再次上升。如果此時擠壓機不切斷(關機),則擠壓桿就會被制動,液壓系統的壓力上升到額定壓力。


A  坯料裝入溫度和擠壓筒溫度的響


 擠壓力隨著坯料的裝入溫度的下降而上升,對擠壓筒溫度的關系也相同。


  如圖3-21所示,只是擠壓力變得更大。但是,擠壓過程中,由變形功傳給擠壓坯料的熱量比從擠壓筒放出的熱量是大或是小,對于壓力曲線有很大的影響。如果輸入的熱量比放出的熱量大,則由于擠壓坯料的溫度上升,變形抗力下降,因而擠壓過程中壓力減?。▓D3-22).如果從擠壓筒放出的熱量大于變形熱,則關系曲線相反,在擠壓過程中壓力上升(圖3-23)。


B  擠壓速度的影響

 

  為了提高擠壓速度需要加大擠壓力,為了降低擠壓速度則需要減小擠壓力。如果在擠壓過程中,擠壓速度從v,變到v2,則擠壓力隨坯料長度變化的曲線如圖3-24所示。


  在每一擠壓過程中,通過調節,可使擠壓速度保持在恒定值。


  由于擠壓時間不同,因而壓力曲線長度的不同是由于擠壓速度不同所致,如圖3-24和圖3-25所示。


圖3-24.jpg  圖3-25.jpg




  a. 在20~25mm/s速度情況下,隨坯料長度而變化的擠壓力下降,并在擠壓到一大半坯料長度后,擠壓力變得最小。


  b. 在10~15mm/s速度時,擠壓力隨坯料長度變化保持不變。


 在恒定的速度下擠壓時,擠壓力能以1:2的比例變化,這是因為坯料裝入溫度、擠壓筒溫度和變形熱綜合影響的結果。


 在擠壓開始和擠壓結束這兩種工作條件下,擠壓力和擠壓速度之間并不存在單一的關系。如果不考慮這兩種情況,則可用圖3-26來表示擠壓速度和擠壓力鋼管擠壓時的金屬流動及變形力的確定之間的基本關系。


圖3-26.jpg


 擠壓機在某一定的擠壓力以下,不能進行擠壓,并處于停止狀態。從這一點起的整個曲線很平坦,很小的擠壓力變化已經足夠使擠壓速度變化很大。


 在擠壓開始時,首先必須在擠壓坯料中形成“金屬流線”,在此瞬間內,擠壓桿幾乎完全處于停止。當擠壓銅和青銅時,這個時間一般在1.5~2.0s.而在擠壓難擠壓的高合金時,這個時間在2s以下,但在特殊情況下可能大大超過2秒。


 在擠壓桿停止的時間內,由于節流閥打開,活塞泵在運轉,所以擠壓缸壓縮體積增加,壓力很快上升。只要擠壓件金屬開始流動,壓力就突然下降,因此,在擠壓開始時總是出現劇烈的壓力峰值。