铝型材生产时影响铝合金挤压力的因素及计算方法

一、挤压力一挤压轴行程曲线

    挤压力是指在挤压过程中为实现某一工艺程序所需设备最大的全压力。
    挤压力是挤压过程最重要的参数之一。为了选择合适的设备，拟订合理的工艺，设计先进而合理的模具和工具等，都必须精确地计算挤压力的大小。
    在挤压过程中，力学条件是随着金属体积、金属与挤压筒之间的接触表面状态，接触摩擦应力、挤压的温度速度规范以及其他条件变化而不断发生变化的。这势必会引起金属对挤压轴的全压力发生变化，这种变化可用挤压力一挤压轴行程图来表示，这种图形通常叫做“示功图”。如图3—1—22所示，图中1和2分别表示正挤压时和反挤压时的力与功的消耗曲线。比较两条曲线的变化情况，明显地反映了挤压过程中摩擦力的变化规律。反挤压时，由于摩擦力减少，所以其最大挤压力比正挤压力小。同时，根据这种实测曲线，可以说明挤压力是由克服金属变形所需的力和克服各种摩擦所需的力两大部分组成的。

挤压力是压力，挤压速度是流量，在同等的条件下是挤压力加越大挤压速度越快，若不同等条件下，如挤压比大、挤压大的断面，与挤压比小的，挤压力小的断面相比，当然后者的挤压速度要快了。


 

二、挤压受力状态分析及挤压力的组成

    1)挤压时受力分析
    铝合金在稳流阶段(基本挤压阶段)的受力状态如图3—1—23所示，包括挤压筒壁、模子锥面和定径带表面作用在金属上的正压力和摩擦力，以及挤压轴通过挤压垫片作用在金属上的挤压力。这些外力随挤压方式不同而异：反向挤压时，挤压筒壁与金属间的摩擦力为零；有效摩擦挤压时，筒壁与金属间的摩擦力与图3—1—23所示的方向相反而成为挤压力的部分。不同挤压条件下，接触表面的应力分布也不相同，且不一定按线性变化。但用测压针测定筒壁和模面受力情况的实验结果表明，当挤压条件不变时，各处的正压力在挤压过程中基本上不变。

    基本挤压阶段变形区内部的应力分布也是非常复杂的。大量的试验结果表明，轴向应力σ_Z，就其绝对值大小而言，在靠近挤压轴线的中心部小，而靠近挤压筒壁的外周大；剪切应力在中心线(对称轴)上为0，沿半径方向至坯料与挤压筒(或挤压模)接触表面呈非线性变化；沿挤压方向的逆向，各应力分量的绝对值随着离开挤压模出口距离的增加而上升。
    2)挤压力的组成
    根据以上分析可知，在一般情况下，全挤压力P主要由以下各分力组成。

P=R_锥+T_锥+T_筒+T_定+T_垫+Q+I，          (3—1—3)

式中 R_锥——用以平衡阻碍金属基本变形的内摩擦力，即基本变形力；
      T_锥——用以平衡变形区压缩锥侧表面上所产生的摩擦力；
    T_筒——当存在摩擦力的情况下，用以平衡挤压筒和穿孔针侧表面所产生的摩擦力；
    T_定——用以平衡挤压模具的工作带表面上所产生的摩擦力；
    T_垫——用以平衡金属与挤压垫片接触表面上所产生的摩擦力；
    Q——用以平衡反压力或拉力的一种分力；
    I——在高速冲击挤压过程中，用以平衡惯性力。
    因为在一般的铝合金挤压过程中，T_垫、Q、I这三个分力可以忽略不计，所以，式(3—2—6)可简化为：

 P=R_锥+T_锥+T_筒+ T_定          (3—1—4)

三、影响挤压力的主要因素                      

    1)铝合金的本性和变形抗力
    一般来说，挤压力与挤压时铝合金的变形抗力成正比关系。但由于合金性质的不均匀性，往往不能保持严格的线性关系。
    2)坯料的状态
    坯料内部组织性能均匀时，所需的挤压力较小；经充分均匀化退火的铸锭比不进行均匀化退火的挤压力较低；经一次挤压后的材料作为二次挤压的坯料时，在相同工艺条件下，二次挤压时所需的单位挤压力比一次挤压的大。

    3)坯料的形状与规格
    坯料的形状与规格对挤压力的影响实际上是通过挤压筒内坯料与筒壁之间的摩擦阻力而产生作用的。坯料的表面积越大，与筒壁的摩擦阻力就越大，因而挤压力也就越大。因为在不同挤压条件下坯料与筒壁之间的摩擦状态不同，坯料的形状与规格对挤压力的影响规律也不同。正向无润滑热挤压时，坯料与筒壁之间处于常摩擦应力状态，随坯料长度的减小，挤压力线性减小，但当挤压过程中坯料长度上有温度变化时，一般为非线性曲线。
    带润滑正挤压、冷挤压、温挤压时，由于接触表面正压力沿轴向非均匀分布，故摩擦应力也非均匀分布，挤压力与坯料长度之间一般为非线性关系。
    反向挤压时，坯料与筒壁之间无相对滑动，不产生摩擦阻力，故挤压力与坯料长度无关。

    4)工艺参数的影响
    (1)变形程度
    挤压力与变形程度的对数值成正比例关系。
    (2)变形温度
    变形温度对挤压力的影响是通过变形抗力的大小反映出来的。一般来说，随变形温度升高，变形抗力下降，所需挤压力减少，但一般为非线性关系。
    (3)变形速度
    变形速度也是通过变形抗力的变化影响挤压力的。冷挤压时，挤压速度对挤压力的影响较小。热挤压时，当挤压过程无温度、外摩擦条件等的变化条件下，挤压力与挤压速度(对数比例)之间呈线性关系。
     5)外摩擦条件的影响
    随外摩擦的增加，金属流动不均匀程度增加，因而所需的挤压力增加。同时，由于金属和挤压筒、挤压模、挤压垫片之间的摩擦阻力增加，而大大增加挤压力。一般来说，正向热挤压铝合金时，因坯料与挤压筒之间的摩擦阻力而比反向热挤压时的挤压力高25%～35%。
     6)模子形状与尺寸的影响
    (1)模角的影响
    模角对挤压力的影响，主要表现在变形区及变形区锥表面，而克服金属与筒壁间的摩擦力及定径带上的摩擦力所需的挤压力与模角无关。在一定的变形条件下，随着模角α的增大，变形区内变形所需的挤压力分量RM增加，但用于克服模子锥面上摩擦阻力的分量 T_M由于摩擦面积的减小而下降。以上两个方面因素综合作用的结果，使R_M+T_M在某一模角α_opt下为最小，从而总的挤压力也在α_opt为最小，α_opt称为最佳模角。挤压最佳模角一般在45°～60°的范围内，最佳模角与挤压变形程度(ε=㏑λ)之间具有如下关系：
                        (3—1—5)
    (2)模面形状
    采用合适的模面形状能大大改善金属流动的均匀性，降低挤压力。对于铝及铝合金，由于大多数情况下为无润滑挤压，一般采用平面模或大角度锥模挤压；而对于各种材料零部件的冷挤压、温挤压成形，采用合适形状的曲面模挤压，以改善金属的挤压性，降低挤压生产能耗，有其重要意义。
    (3)定径带长度的影响
    随着定径带长度的增加，克服定径带摩擦阻力所需的挤压力增加。消耗在定径带上的挤压力分量为总挤压力的5%～l0%。
    (4)其他因素的影响

    挤压模的结构、模孔排列位置等对挤压力也有较大的影响。当挤压条件相同时，采用桥式模挤压空心材比采用分流模挤压的挤压力下降30%。采用多孔模挤压时，模孔的排列位置对挤压力也有一定影响。

    7)制品断面形状的影响
    在挤压变形条件一定的情况下，制品断面形状越复杂，所需的挤压力越大。制品断面的复杂程度可用系数∫₁、∫₂来表示。

∫₁＝型材断面周长/等断面圆周长            (3—1—6)
∫₂＝型材的外切圆面积/型材断面积          (3—1—7)

∫₁、∫₂称为型材断面形状复杂系数。只有当∫₁﹥1.5时，制品断面形状对挤压力才有明显的影响。此外，如以∫₁·∫₂的大小来衡量，则当∫₁、∫₂≤2.0时，断面形状对挤压力的影响很小。例如，挤压正方形棒(∫₁·∫₂1.77)和六角棒(∫₁·∫₂1.27)所需的挤压力，与挤压等断面圆棒的挤压力几乎相等。
    8)挤压方法
    不同的挤压方法所需的挤压力不同。反挤压比同等条件下正挤压所需的挤压力低30%～40%；侧向挤压比正挤压所需的挤压力大。此外，采用有效摩擦挤压、静液挤压、连续挤压比正挤压所需的挤压力要低得多。
    9)挤压操作
    除了上述影响挤压力的因素外，实际挤压生产中，还会因为工艺操作和生产技术等方面的原因而给挤压力的大小带来很大的影响。例如，由于加热温度不均匀，挤压速度太慢或挤压筒加热温度太低等因素，可导致挤压力在挤压过程中产生异常的变化。

四、挤压力的计算

    目前，计算挤压力的公式很多，根据假设和推导方法不同大致可分为三类：平均应力法；滑移线法；有限元法和经验系数法。在生产实际中，最常用经验公式来计算挤压力。
    经验算式是根据大量实验结果建立起来的，其最大优点是算式结构简单，应用方便；其缺点是不能准确反映各挤压工艺参数对挤压力的影响，计算误差较大。在工艺设计中，经验算式可用来对挤压力进行初步估计。最典型的经验算式为：

   P=a+b㏑^λ                      (3—1—8)

式中 p——单位挤压力；                                      
     a、b——与挤压条件有关的试验常数；
     λ——挤压系数。
    由于式(3—1—8)中a、b的正确选定往往比较困难，推荐采用如下半经验算式进行估算：

(3—1—9)

式中σ8——变形温度下静态拉伸时的屈服应力，按表(3—1—7)选取；
     μ——摩擦系数(表3—1—8)，无润滑热挤压可取μ=0．5，带润滑热挤压可取μ=0．2～0.25，冷挤压可取μ=0.1～0.15；
      D_t——挤压筒直径；
      d_Z——穿孔针的直径，棒材或实心型材挤压时d_z0：
      L_t——坯料填充后的长度，作为近似估算，可用坯料的原始计算；
      λ——挤压系数；
      a——合金材质修正系数，可取a=1.3～1.5，其中硬合金取下限，软合金取上限；
      b——制品断面形状修正系数，简单断面棒材或圆管挤压时，取b=1.0。
    对于断面形状较为复杂的异型材挤压，根据1．6．3节“制品断面形状的影响”中所述型材断面复杂程度系数五(式3—1—6)的大小，参考表3—1—6中修正系数kf的取值方法，取b=1.1～1.6。

表3—1—6型材挤压力计算时的修正系数酶

型材断面复杂程度系数∫1	≤1.1	1.2	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	2.0	2.25	2.5	2.75	≥4.O
修正系数kf	1.O	1.05	1.1	1.17	1.27	1.35	1.4	1.45	1.5	1.53	1.55	1.6

表3—1—7计算挤压力用的各种铝合金的屈服强度σ_s

金属与合金	变形温度/℃
200	250	300	350	400	450	500
纯铝 6A02 5A03 5A05 5806 3A21 2A11 2A12 7A04 2A50	59 72 — — — 54 — — — —	37 52 — — — 48 — — — —	28 39 65 80 80 42 55 70 90 —	22 33 55 75 75 36 45 50 70 57	12.5 29 45 58 60 32 35 40 55 40	8 16 30 37 37 24 30 35 40 32	6 8 10 20 23 21 25 28 35 25

表3—1—8确定挤压力的摩擦系数μ值

变形温度，℃ 合金	250～350	350～450	450～500
铝 铝合金	0.3～0.35 —	0.25～0.28 0.30～O.35	0.2～0.25 0.25～0.30