一、擠壓力一擠壓軸行程曲線

    擠壓力是指在擠壓過程中為實現某一工藝程序所需設備最大的全壓力。
    擠壓力是擠壓過程最重要的參數之一。為了選擇合適的設備，擬訂合理的工藝，設計先進而合理的模具和工具等，都必須精確地計算擠壓力的大小。
    在擠壓過程中，力學條件是隨著金屬體積、金屬與擠壓筒之間的接觸表面狀態，接觸摩擦應力、擠壓的溫度速度規范以及其他條件變化而不斷發生變化的。這勢必會引起金屬對擠壓軸的全壓力發生變化，這種變化可用擠壓力一擠壓軸行程圖來表示，這種圖形通常叫做“示功圖”。如圖3—1—22所示，圖中1和2分別表示正擠壓時和反擠壓時的力與功的消耗曲線。比較兩條曲線的變化情況，明顯地反映了擠壓過程中摩擦力的變化規律。反擠壓時，由于摩擦力減少，所以其最大擠壓力比正擠壓力小。同時，根據這種實測曲線，可以說明擠壓力是由克服金屬變形所需的力和克服各種摩擦所需的力兩大部分組成的。

擠壓力是壓力，擠壓速度是流量，在同等的條件下是擠壓力加越大擠壓速度越快，若不同等條件下，如擠壓比大、擠壓大的斷面，與擠壓比小的，擠壓力小的斷面相比，當然后者的擠壓速度要快了。


 

二、擠壓受力狀態分析及擠壓力的組成

    1)擠壓時受力分析
    鋁合金在穩流階段(基本擠壓階段)的受力狀態如圖3—1—23所示，包括擠壓筒壁、模子錐面和定徑帶表面作用在金屬上的正壓力和摩擦力，以及擠壓軸通過擠壓墊片作用在金屬上的擠壓力。這些外力隨擠壓方式不同而異：反向擠壓時，擠壓筒壁與金屬間的摩擦力為零；有效摩擦擠壓時，筒壁與金屬間的摩擦力與圖3—1—23所示的方向相反而成為擠壓力的部分。不同擠壓條件下，接觸表面的應力分布也不相同，且不一定按線性變化。但用測壓針測定筒壁和模面受力情況的實驗結果表明，當擠壓條件不變時，各處的正壓力在擠壓過程中基本上不變。

    基本擠壓階段變形區內部的應力分布也是非常復雜的。大量的試驗結果表明，軸向應力σ_Z，就其絕對值大小而言，在靠近擠壓軸線的中心部小，而靠近擠壓筒壁的外周大；剪切應力在中心線(對稱軸)上為0，沿半徑方向至坯料與擠壓筒(或擠壓模)接觸表面呈非線性變化；沿擠壓方向的逆向，各應力分量的絕對值隨著離開擠壓模出口距離的增加而上升。
    2)擠壓力的組成
    根據以上分析可知，在一般情況下，全擠壓力P主要由以下各分力組成。

P=R_錐+T_錐+T_筒+T_定+T_墊+Q+I，          (3—1—3)

式中 R_錐——用以平衡阻礙金屬基本變形的內摩擦力，即基本變形力；
      T_錐——用以平衡變形區壓縮錐側表面上所產生的摩擦力；
    T_筒——當存在摩擦力的情況下，用以平衡擠壓筒和穿孔針側表面所產生的摩擦力；
    T_定——用以平衡擠壓模具的工作帶表面上所產生的摩擦力；
    T_墊——用以平衡金屬與擠壓墊片接觸表面上所產生的摩擦力；
    Q——用以平衡反壓力或拉力的一種分力；
    I——在高速沖擊擠壓過程中，用以平衡慣性力。
    因為在一般的鋁合金擠壓過程中，T_墊、Q、I這三個分力可以忽略不計，所以，式(3—2—6)可簡化為：

 P=R_錐+T_錐+T_筒+ T_定          (3—1—4)

三、影響擠壓力的主要因素                      

    1)鋁合金的本性和變形抗力
    一般來說，擠壓力與擠壓時鋁合金的變形抗力成正比關系。但由于合金性質的不均勻性，往往不能保持嚴格的線性關系。
    2)坯料的狀態
    坯料內部組織性能均勻時，所需的擠壓力較小；經充分均勻化退火的鑄錠比不進行均勻化退火的擠壓力較低；經一次擠壓后的材料作為二次擠壓的坯料時，在相同工藝條件下，二次擠壓時所需的單位擠壓力比一次擠壓的大。

    3)坯料的形狀與規格
    坯料的形狀與規格對擠壓力的影響實際上是通過擠壓筒內坯料與筒壁之間的摩擦阻力而產生作用的。坯料的表面積越大，與筒壁的摩擦阻力就越大，因而擠壓力也就越大。因為在不同擠壓條件下坯料與筒壁之間的摩擦狀態不同，坯料的形狀與規格對擠壓力的影響規律也不同。正向無潤滑熱擠壓時，坯料與筒壁之間處于常摩擦應力狀態，隨坯料長度的減小，擠壓力線性減小，但當擠壓過程中坯料長度上有溫度變化時，一般為非線性曲線。
    帶潤滑正擠壓、冷擠壓、溫擠壓時，由于接觸表面正壓力沿軸向非均勻分布，故摩擦應力也非均勻分布，擠壓力與坯料長度之間一般為非線性關系。
    反向擠壓時，坯料與筒壁之間無相對滑動，不產生摩擦阻力，故擠壓力與坯料長度無關。

    4)工藝參數的影響
    (1)變形程度
    擠壓力與變形程度的對數值成正比例關系。
    (2)變形溫度
    變形溫度對擠壓力的影響是通過變形抗力的大小反映出來的。一般來說，隨變形溫度升高，變形抗力下降，所需擠壓力減少，但一般為非線性關系。
    (3)變形速度
    變形速度也是通過變形抗力的變化影響擠壓力的。冷擠壓時，擠壓速度對擠壓力的影響較小。熱擠壓時，當擠壓過程無溫度、外摩擦條件等的變化條件下，擠壓力與擠壓速度(對數比例)之間呈線性關系。
     5)外摩擦條件的影響
    隨外摩擦的增加，金屬流動不均勻程度增加，因而所需的擠壓力增加。同時，由于金屬和擠壓筒、擠壓模、擠壓墊片之間的摩擦阻力增加，而大大增加擠壓力。一般來說，正向熱擠壓鋁合金時，因坯料與擠壓筒之間的摩擦阻力而比反向熱擠壓時的擠壓力高25%～35%。
     6)模子形狀與尺寸的影響
    (1)模角的影響
    模角對擠壓力的影響，主要表現在變形區及變形區錐表面，而克服金屬與筒壁間的摩擦力及定徑帶上的摩擦力所需的擠壓力與模角無關。在一定的變形條件下，隨著模角α的增大，變形區內變形所需的擠壓力分量RM增加，但用于克服模子錐面上摩擦阻力的分量 T_M由于摩擦面積的減小而下降。以上兩個方面因素綜合作用的結果，使R_M+T_M在某一模角α_opt下為最小，從而總的擠壓力也在α_opt為最小，α_opt稱為最佳模角。擠壓最佳模角一般在45°～60°的范圍內，最佳模角與擠壓變形程度(ε=㏑λ)之間具有如下關系：
                        (3—1—5)
    (2)模面形狀
    采用合適的模面形狀能大大改善金屬流動的均勻性，降低擠壓力。對于鋁及鋁合金，由于大多數情況下為無潤滑擠壓，一般采用平面模或大角度錐模擠壓；而對于各種材料零部件的冷擠壓、溫擠壓成形，采用合適形狀的曲面模擠壓，以改善金屬的擠壓性，降低擠壓生產能耗，有其重要意義。
    (3)定徑帶長度的影響
    隨著定徑帶長度的增加，克服定徑帶摩擦阻力所需的擠壓力增加。消耗在定徑帶上的擠壓力分量為總擠壓力的5%～l0%。
    (4)其他因素的影響

    擠壓模的結構、模孔排列位置等對擠壓力也有較大的影響。當擠壓條件相同時，采用橋式模擠壓空心材比采用分流模擠壓的擠壓力下降30%。采用多孔模擠壓時，模孔的排列位置對擠壓力也有一定影響。

    7)制品斷面形狀的影響
    在擠壓變形條件一定的情況下，制品斷面形狀越復雜，所需的擠壓力越大。制品斷面的復雜程度可用系數∫₁、∫₂來表示。

∫₁＝型材斷面周長/等斷面圓周長            (3—1—6)
∫₂＝型材的外切圓面積/型材斷面積          (3—1—7)

∫₁、∫₂稱為型材斷面形狀復雜系數。只有當∫₁﹥1.5時，制品斷面形狀對擠壓力才有明顯的影響。此外，如以∫₁·∫₂的大小來衡量，則當∫₁、∫₂≤2.0時，斷面形狀對擠壓力的影響很小。例如，擠壓正方形棒(∫₁·∫₂1.77)和六角棒(∫₁·∫₂1.27)所需的擠壓力，與擠壓等斷面圓棒的擠壓力幾乎相等。
    8)擠壓方法
    不同的擠壓方法所需的擠壓力不同。反擠壓比同等條件下正擠壓所需的擠壓力低30%～40%；側向擠壓比正擠壓所需的擠壓力大。此外，采用有效摩擦擠壓、靜液擠壓、連續擠壓比正擠壓所需的擠壓力要低得多。
    9)擠壓操作
    除了上述影響擠壓力的因素外，實際擠壓生產中，還會因為工藝操作和生產技術等方面的原因而給擠壓力的大小帶來很大的影響。例如，由于加熱溫度不均勻，擠壓速度太慢或擠壓筒加熱溫度太低等因素，可導致擠壓力在擠壓過程中產生異常的變化。

四、擠壓力的計算

    目前，計算擠壓力的公式很多，根據假設和推導方法不同大致可分為三類：平均應力法；滑移線法；有限元法和經驗系數法。在生產實際中，最常用經驗公式來計算擠壓力。
    經驗算式是根據大量實驗結果建立起來的，其最大優點是算式結構簡單，應用方便；其缺點是不能準確反映各擠壓工藝參數對擠壓力的影響，計算誤差較大。在工藝設計中，經驗算式可用來對擠壓力進行初步估計。最典型的經驗算式為：

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

式中 p——單位擠壓力；                                      
     a、b——與擠壓條件有關的試驗常數；
     λ——擠壓系數。
    由于式(3—1—8)中a、b的正確選定往往比較困難，推薦采用如下半經驗算式進行估算：

(3—1—9)

式中σ8——變形溫度下靜態拉伸時的屈服應力，按表(3—1—7)選取；
     μ——摩擦系數(表3—1—8)，無潤滑熱擠壓可取μ=0．5，帶潤滑熱擠壓可取μ=0．2～0.25，冷擠壓可取μ=0.1～0.15；
      D_t——擠壓筒直徑；
      d_Z——穿孔針的直徑，棒材或實心型材擠壓時d_z0：
      L_t——坯料填充后的長度，作為近似估算，可用坯料的原始計算；
      λ——擠壓系數；
      a——合金材質修正系數，可取a=1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限；
      b——制品斷面形狀修正系數，簡單斷面棒材或圓管擠壓時，取b=1.0。
    對于斷面形狀較為復雜的異型材擠壓，根據1．6．3節“制品斷面形狀的影響”中所述型材斷面復雜程度系數五(式3—1—6)的大小，參考表3—1—6中修正系數kf的取值方法，取b=1.1～1.6。

表3—1—6型材擠壓力計算時的修正系數酶

型材斷面復雜程度系數∫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
修正系數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計算擠壓力用的各種鋁合金的屈服強度σ_s

金屬與合金	變形溫度/℃
200	250	300	350	400	450	500
純鋁 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確定擠壓力的摩擦系數μ值

變形溫度，℃ 合金	250～350	350～450	450～500
鋁 鋁合金	0.3～0.35 —	0.25～0.28 0.30～O.35	0.2～0.25 0.25～0.30