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铝合金型材挤压方法及其工作原理
挤压成形是对盛在容器(挤压筒)内的金属锭坯施加外力,使之从特定的模孔中流出,从而获得所需断面形状和尺寸的铝型材,其加工方法见图1;
(图1)
1-挤压轴;2-挤压垫片;3-挤压筒;4-坯料;5-挤压模具;6-挤压型材;
与其他金属塑性成形方法相比,挤压法出现较晚;约在1797年,英国人布拉曼设计了世界上第一台用于铝型材挤压的机械挤压机;1820年英国人托马斯首先设计制造了一台具有现代管材挤压机基本组成部分的液压式铅管挤压机;从此,管材挤压获得了快速发展;1870年英国人Hainer发明了铅管反向挤压机;1879年德国人和法国人先后开发成功铅包覆电缆生产工艺,成为世界上采用挤压法制备复合材料的开端;此后,各国科学技术人员又陆续研究开发出了复合坯料挤压、润滑挤压、连续挤压、等温挤压、水封挤压、冷却模挤压、高速挤压、高效反向挤压、粉末挤压、半固态挤压、多坯料挤压、扁挤压筒挤压、组合模挤压、变断面挤压、固定垫片挤压等多种挤压方法和挤压技术;现代化挤压成形技术在铝合金型材的研制生产中得到了极其广泛的开发与应用;
根据挤压筒内金属的应力-应变状态、金属流动方向、润滑状态、挤压温度、挤压速度和设备的结构形式、工模具的种类或结构以及坯料的形状或数目、铝合金型材的形状或数目等的不同,挤压成型方法可分为以下(表1)所示的多种方法;这些分类方法并非一成不变,许多分类方法可以作为另一种分类方法的细分;例如,正向挤压、反向挤压又可按变形特征进一步分为平面变形挤压、轴对称变形挤压、一般三维变形挤压等;图2所示为铝型材加工业上广泛应用的几种主要挤压方法,即正挤压法、反挤压法、管材加压法、连续挤压法的示意图;
铝型材挤压方法的分类
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按挤压方向分类
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正向挤压(正挤压)
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反向挤压(反挤压)
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侧向挤压
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按变形特征分类
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平面变形挤压
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轴对称变形挤压
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一般三维变形挤压
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按润滑状态分类
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无润滑挤压(粘着摩擦挤压)
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润滑挤压(常规润滑挤压)
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玻璃润滑挤压
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理想润滑挤压(静液挤压)
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按挤压温度分类
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冷挤压
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温挤压
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热挤压
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按挤压速度分类
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低速挤压(普通挤压)
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高速挤压
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冲击挤压(超高速挤压)
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按模具种类或模具结构分类
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平模挤压
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锥模挤压
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分流模挤压
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带穿孔针挤压
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按坯料形状或数目分类
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圆坯料挤压(圆挤压筒挤压)
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扁坯料挤压(扁挤压筒挤压)
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多坯料挤压
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复合坯料挤压
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按铝材形状或数目分类
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棒材挤压
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管材挤压
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实心铝型材挤压
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空心铝型材挤压
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变断面铝型材挤压
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单型材挤压(单孔模挤压)
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多型材挤压(多孔模挤压)
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按设备类型分类
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立式挤压
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卧式挤压
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Confrom连续挤压
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1. 正向挤压(正挤压)
挤压过程中铝型材流出方向与挤压轴运转方向相同的挤压方法称为正挤压,如图2(a)所示;正挤压是最基本的挤压方法,以其技术成熟、工艺操作简单、生产灵活性大、可获得优良表面的型材产品等特点,成为铝及铝合金型材成形加工中最广泛使用的方法之一;正挤压又可按表1所示的其他分类方法进一步细分,如分为平面变形挤压、轴对称变形挤压和一般三维变形挤压,或分为冷挤压、温挤压和热挤压等;
正挤压的基本特征是,挤压时坯料与挤压筒之间产生相对滑动,存在有很大的外摩擦,且在大多数情况下,这种摩擦是有害的,它使金属流动不均匀,从而给挤压型材的品质带来不利影响,导致挤压型材头部与尾部、表层部与中心部的组织性能不均匀;使挤压能耗增加,一般情况下挤压筒内表面上的摩擦能耗占挤压能耗的30%~40%,甚至更高;由于强烈的摩擦发热作用,限制了铝及铝合金型材挤压速度的提高,加快了挤压模具的磨损;
2. 反向挤压(反挤压)
金属挤压时铝型材流出方向与挤压轴运动方向相反的挤压,称为反挤压,如图2(b)所示;反挤压法主要用于铝合金型材与管材的热挤压成形,以及各种铝合金零部件的冷挤压成形;反挤压时,金属坯料与挤压筒壁之间无相对滑动,所需挤压力小,挤压能耗较低,因而在同样能力的设备上,反挤压法可以实现更大变形程度的挤压变形,或挤压变形抗力更高的型材;与正挤压不同,反挤压时金属流动主要集中在模孔附近的区域,因而沿型材长度方向金属的变形是均匀的;但是,反挤压技术操作较为复杂,间隙时间较正挤压长,挤压型材的表面品质难以控制,需要专用的挤压设备和工具等,反挤压的应用受到一定的局限;但近年来,随着专用反挤压机的研制成功和工模具技术的发展,铝型材的反挤压法获得了越来越广泛的应用;
3. Conform连续挤压
以上所述各种方法的一个共同特点是挤压生产的不连续性,前后坯料的挤压之间需要进行分离压余、充填坯料等一系列辅助操作,影响了挤压生产的效率,不利于生产连续长尺寸的型材产品;挤压生产真正实现连续化,并获得较好的实际应用,是在英国原子能局的D Green于1971年发明了Conform连续挤压法之后;如图3(e)所示,Conform连续挤压法是利用变形金属与工具之间的摩擦力而实现挤压的;由旋转槽轮上的矩形断面槽和固定模座所组成的环行通道起到普通挤压法中挤压筒的作用,当槽轮旋转时,借助于槽壁上的摩擦力不断地将杆状坯料送入而实现连续挤压;
Conform连续挤压时坯料与工具表面的摩擦发生较为显著,因此,对于熔点较低的铝合金型材,不需要进行外部加热即可使变形区的温度上升至400~500℃而实现热挤压;Conform连续挤压适合于铝包钢电线等包覆材料、小断面尺寸的铝合金线材、管材、型材的成形;采用扩展模挤压技术,也可以用于较大断面铝型材的生产;此外,冷挤压、润滑挤压、静液挤压等方法在铝型材挤压中也获得了一定的应用;
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