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鋁合金型材擠壓方法及其工作原理
擠壓成形是對(duì)盛在容器(擠壓筒)內(nèi)的金屬錠坯施加外力,使之從特定的??字辛鞒?,從而獲得所需斷面形狀和尺寸的鋁型材,其加工方法見圖1;
(圖1)
1-擠壓軸;2-擠壓墊片;3-擠壓筒;4-坯料;5-擠壓模具;6-擠壓型材;
與其他金屬塑性成形方法相比,擠壓法出現(xiàn)較晚;約在1797年,英國(guó)人布拉曼設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)用于鋁型材擠壓的機(jī)械擠壓機(jī);1820年英國(guó)人托馬斯首先設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)具有現(xiàn)代管材擠壓機(jī)基本組成部分的液壓式鉛管擠壓機(jī);從此,管材擠壓獲得了快速發(fā)展;1870年英國(guó)人Hainer發(fā)明了鉛管反向擠壓機(jī);1879年德國(guó)人和法國(guó)人先后開發(fā)成功鉛包覆電纜生產(chǎn)工藝,成為世界上采用擠壓法制備復(fù)合材料的開端;此后,各國(guó)科學(xué)技術(shù)人員又陸續(xù)研究開發(fā)出了復(fù)合坯料擠壓、潤(rùn)滑擠壓、連續(xù)擠壓、等溫?cái)D壓、水封擠壓、冷卻模擠壓、高速擠壓、高效反向擠壓、粉末擠壓、半固態(tài)擠壓、多坯料擠壓、扁擠壓筒擠壓、組合模擠壓、變斷面擠壓、固定墊片擠壓等多種擠壓方法和擠壓技術(shù);現(xiàn)代化擠壓成形技術(shù)在鋁合金型材的研制生產(chǎn)中得到了極其廣泛的開發(fā)與應(yīng)用;
根據(jù)擠壓筒內(nèi)金屬的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)、金屬流動(dòng)方向、潤(rùn)滑狀態(tài)、擠壓溫度、擠壓速度和設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、工模具的種類或結(jié)構(gòu)以及坯料的形狀或數(shù)目、鋁合金型材的形狀或數(shù)目等的不同,擠壓成型方法可分為以下(表1)所示的多種方法;這些分類方法并非一成不變,許多分類方法可以作為另一種分類方法的細(xì)分;例如,正向擠壓、反向擠壓又可按變形特征進(jìn)一步分為平面變形擠壓、軸對(duì)稱變形擠壓、一般三維變形擠壓等;圖2所示為鋁型材加工業(yè)上廣泛應(yīng)用的幾種主要擠壓方法,即正擠壓法、反擠壓法、管材加壓法、連續(xù)擠壓法的示意圖;
鋁型材擠壓方法的分類
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按擠壓方向分類
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正向擠壓(正擠壓)
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反向擠壓(反擠壓)
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側(cè)向擠壓
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按變形特征分類
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平面變形擠壓
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軸對(duì)稱變形擠壓
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一般三維變形擠壓
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按潤(rùn)滑狀態(tài)分類
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無潤(rùn)滑擠壓(粘著摩擦擠壓)
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潤(rùn)滑擠壓(常規(guī)潤(rùn)滑擠壓)
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玻璃潤(rùn)滑擠壓
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理想潤(rùn)滑擠壓(靜液擠壓)
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按擠壓溫度分類
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冷擠壓
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溫?cái)D壓
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熱擠壓
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按擠壓速度分類
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低速擠壓(普通擠壓)
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高速擠壓
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沖擊擠壓(超高速擠壓)
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按模具種類或模具結(jié)構(gòu)分類
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平模擠壓
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錐模擠壓
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分流模擠壓
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帶穿孔針擠壓
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按坯料形狀或數(shù)目分類
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圓坯料擠壓(圓擠壓筒擠壓)
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扁坯料擠壓(扁擠壓筒擠壓)
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多坯料擠壓
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復(fù)合坯料擠壓
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按鋁材形狀或數(shù)目分類
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棒材擠壓
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管材擠壓
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實(shí)心鋁型材擠壓
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空心鋁型材擠壓
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變斷面鋁型材擠壓
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單型材擠壓(單孔模擠壓)
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多型材擠壓(多孔模擠壓)
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按設(shè)備類型分類
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立式擠壓
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臥式擠壓
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Confrom連續(xù)擠壓
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1. 正向擠壓(正擠壓)
擠壓過程中鋁型材流出方向與擠壓軸運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同的擠壓方法稱為正擠壓,如圖2(a)所示;正擠壓是最基本的擠壓方法,以其技術(shù)成熟、工藝操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活性大、可獲得優(yōu)良表面的型材產(chǎn)品等特點(diǎn),成為鋁及鋁合金型材成形加工中最廣泛使用的方法之一;正擠壓又可按表1所示的其他分類方法進(jìn)一步細(xì)分,如分為平面變形擠壓、軸對(duì)稱變形擠壓和一般三維變形擠壓,或分為冷擠壓、溫?cái)D壓和熱擠壓等;
正擠壓的基本特征是,擠壓時(shí)坯料與擠壓筒之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),存在有很大的外摩擦,且在大多數(shù)情況下,這種摩擦是有害的,它使金屬流動(dòng)不均勻,從而給擠壓型材的品質(zhì)帶來不利影響,導(dǎo)致擠壓型材頭部與尾部、表層部與中心部的組織性能不均勻;使擠壓能耗增加,一般情況下擠壓筒內(nèi)表面上的摩擦能耗占擠壓能耗的30%~40%,甚至更高;由于強(qiáng)烈的摩擦發(fā)熱作用,限制了鋁及鋁合金型材擠壓速度的提高,加快了擠壓模具的磨損;
2. 反向擠壓(反擠壓)
金屬擠壓時(shí)鋁型材流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相反的擠壓,稱為反擠壓,如圖2(b)所示;反擠壓法主要用于鋁合金型材與管材的熱擠壓成形,以及各種鋁合金零部件的冷擠壓成形;反擠壓時(shí),金屬坯料與擠壓筒壁之間無相對(duì)滑動(dòng),所需擠壓力小,擠壓能耗較低,因而在同樣能力的設(shè)備上,反擠壓法可以實(shí)現(xiàn)更大變形程度的擠壓變形,或擠壓變形抗力更高的型材;與正擠壓不同,反擠壓時(shí)金屬流動(dòng)主要集中在模孔附近的區(qū)域,因而沿型材長(zhǎng)度方向金屬的變形是均勻的;但是,反擠壓技術(shù)操作較為復(fù)雜,間隙時(shí)間較正擠壓長(zhǎng),擠壓型材的表面品質(zhì)難以控制,需要專用的擠壓設(shè)備和工具等,反擠壓的應(yīng)用受到一定的局限;但近年來,隨著專用反擠壓機(jī)的研制成功和工模具技術(shù)的發(fā)展,鋁型材的反擠壓法獲得了越來越廣泛的應(yīng)用;
3. Conform連續(xù)擠壓
以上所述各種方法的一個(gè)共同特點(diǎn)是擠壓生產(chǎn)的不連續(xù)性,前后坯料的擠壓之間需要進(jìn)行分離壓余、充填坯料等一系列輔助操作,影響了擠壓生產(chǎn)的效率,不利于生產(chǎn)連續(xù)長(zhǎng)尺寸的型材產(chǎn)品;擠壓生產(chǎn)真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)化,并獲得較好的實(shí)際應(yīng)用,是在英國(guó)原子能局的D Green于1971年發(fā)明了Conform連續(xù)擠壓法之后;如圖3(e)所示,Conform連續(xù)擠壓法是利用變形金屬與工具之間的摩擦力而實(shí)現(xiàn)擠壓的;由旋轉(zhuǎn)槽輪上的矩形斷面槽和固定模座所組成的環(huán)行通道起到普通擠壓法中擠壓筒的作用,當(dāng)槽輪旋轉(zhuǎn)時(shí),借助于槽壁上的摩擦力不斷地將桿狀坯料送入而實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓;
Conform連續(xù)擠壓時(shí)坯料與工具表面的摩擦發(fā)生較為顯著,因此,對(duì)于熔點(diǎn)較低的鋁合金型材,不需要進(jìn)行外部加熱即可使變形區(qū)的溫度上升至400~500℃而實(shí)現(xiàn)熱擠壓;Conform連續(xù)擠壓適合于鋁包鋼電線等包覆材料、小斷面尺寸的鋁合金線材、管材、型材的成形;采用擴(kuò)展模擠壓技術(shù),也可以用于較大斷面鋁型材的生產(chǎn);此外,冷擠壓、潤(rùn)滑擠壓、靜液擠壓等方法在鋁型材擠壓中也獲得了一定的應(yīng)用;
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