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图4-57 具有过渡区挤压凹模
图4-55 带反向推力的挤压
图4-51 折叠的形成情况

挤压过程中常见的缺陷和对策

 挤压过程常见的缺陷有:挤压缩孔、“死区”剪烈和折叠、纵向裂纹、横向裂纹、挤压件弯曲、由拉缩引起的截面尺寸不符、残余应力大、以及粗晶环等。
    挤压缩孔(图4-49)是挤压矮坯料时常易产生的缺陷,这时由于B区金属的轴向压应力小,故当A区金属往凹模孔流动时便拉着B区金属一道流动,使其上端面离开冲头并呈凹形,再加上径向压应力的作用便形成这样的缩孔。防止的对策是正确控制压余的高度,必要时可增加反向推力。

图4-49 挤压缩孔

    挤压时,如果摩擦系数大和模具温度较低时,常在凹模底部形成一个难变形区,通常称为“死区”。由于该区金属不变形,而与其相邻的上部金属有变形和流动,于是便在交界处发生强烈的剪切变形,严重时将引起金属剪裂,即“死区”裂纹(图4-50和实例94、图片8-428、429),有时可能由于上部金属的大量流动带着“死区”金属流动而形成折叠,如图4-51所示。

图4-50 “死区”附近的金属流动和受力情况
    应当指出,在与“死区”交界处产生的强烈剪切变形对挤压件的组织和性能有重要影响,有关这方面的内容我们在《锻件组织和性能控制》一书中作了介绍,这里不再重复。防止“死区”剪裂和折叠的对策是改善润滑条件和正确控制模具和坯料的温度,还可以采用带锥角的凹模,锥角的作用在于使作用力在平行于锥面的方向有一个分力,该分力与摩擦力的方向相反(图4-52),从而有利于金属的变形和流动。根据不同的条件可以通过计算确定一个合适的锥角,以抵消摩擦的影响。

图4-52 凹模锥角改善金属流动的影响图

    在挤压筒内尽管可能产生挤压缩孔和“死区”剪裂等缺陷,但变形金属处于三向受压的应力状态,能使金属内部的微小裂纹得以焊合,使杂质的危害程度大大减小,尤其当挤压比较大时,这样的应力状态对提高金属的塑性是极为有利的。但是在挤压制品中常常产生各种裂纹(图4-53)以及挤压件的弯曲、拉缩和残余应力等。这些缺陷的产生与筒内的不均匀变形(主要是“死区”引起的)有很大关系,但更重要的是凹模孔口部分的影响。
    挤压时,变形金属在经过孔口部分时,由于摩擦的影响,表层金属流动慢,轴心部分流动快,使筒内已经形成的不均匀变形进一步加剧,内外层金属流动速度有差异,但两者又是一个整体,因此必然要有相互平衡的内力(即附加应力),外层受拉应力,内层受压应力,图4-53a所示的裂纹就是附加拉应力作用的结果。当坯料被挤出一段长度而成为外端金属后,则更增大了附加拉应力的数值。
    如果凹模孔口形状复杂,例如挤压叶片时,由于厚度不均,各处的阻力也不一样,较薄处摩擦阻力大,冷却也较快,故流动较慢,受附加拉应力作用,常易在此处产生裂纹(图4-53b),尤其挤压低塑性材料更是如此。
    挤压空心件时,如果孔口部分冲头和四模间的间隙不均匀,间隙小处,由于摩擦阻力相对较大,金属温度降低也较大,金属流动较慢,受附加拉应力作用,可能产生如图4-53所示的横向裂纹。流动快的部分由于受流动慢的部分的限制,受附加压应力。但是其端部却是受切向拉应力的作用,因此常常产生纵向裂纹,如图4-53d所示。

图4-53 挤压时的裂纹

    挤压过程中,当附加拉应力足够大时将引起挤压件截面尺寸减小,当挤出部分受力不对称时,将引起挤压件弯曲。
    挤压过程结束后,附加应力遗留在挤压件内,便成为残余应力。
    凹模孔口部分的表面状态(如粗糙度)是否一致,润滑是否均匀,圆角是否相等,凹模工作带长度是否一致等,对金属的变形流动也都有很大影响。
    总之,孔口部分的变形流动情况对挤压件的质量有着直接影响。
    因此,要解决挤压件的质量问题,一方面使简内变形尽可能均匀,另一方面还应重视孔口部分的变形均匀问题,可以从下列几方面采取相应对策:
    l)减小摩擦阻力。如改善模具表面粗糙度,采用良好的润滑剂和采用包套挤压等。例如,冷挤压材时,需将坯料进行磷化和皂化。磷化的目的是在坯料表面形成多孔性组织,以便较好地储存润滑剂。皂化的作用是润滑。又如热挤压合金钢和钛合金时,除了在坯料表面涂润滑剂外,在坯料和凹模孔口间加玻璃润滑垫(图4-54)。热挤铝合金型材时,为防止产生粗晶环等,常在坯料外面包一层纯铝。
    2)在锻件图允许的范围内,在孔口处作出适当的锥角或圆角。
    3)用加反向力的方法进行挤压,见图4-55。这有助于减小内、外层变形金属的流速差和附加应力,挤压低塑性材料时宜采用。

图4-54 带润滑垫的挤压 
1—冲头 2—坯料 3—润滑垫 4—凹模

    4)采用高速挤压,因为高速变形时摩擦系数小一些。
    对形状复杂的挤压件可以综合采取一些措施,在难流动的部分设法减小阻力,而在易流动的部分设法增加阻力,以使变形尽可能均匀,常用的措施是:
    1)在凹模孔口处采用不同的锥角。
    2)凹模孔口部分的定径带采用不同的长度(图4-56)。
    3)设置一个过渡区,使金属通过凹模孔口时变形尽可能均匀些(图4-57)

图4-56 具有不同定径带长度的挤压凹模 
     近年来我国开始采用冷静液挤压和热静液挤压技术。静液挤压是压杆压于液体介质中,使介质产生超高压(可达2000~3500MPa或更高些),由于液体的传力特点使毛坯顶端的单位压力与周围的侧压力相等。
    由于毛坯与挤压筒之间无摩擦力,变形较均匀,另外由于挤压过程中液体不断地从凹模和毛坯之间被挤出,即液体以薄层状态存在于凹模和毛坯之间,形成了强制润滑,因而凹模与毛坯间摩擦很小,变形便较均匀,产品质量较好。由于变形均匀,附加拉应力小,因而可以挤压一些低塑性材料。
    铝合金和一些镁合金的挤压件常常有粗晶环缺陷。
  

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