挤压技术在实际生产中的应用.docx

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挤压技术在实际生产中的应用

挤压技术在实际生产中的应用

一、背景

在国外，挤压技术始于1797年的英国，上世纪五、六十年代，先后传入我国和世界各国。

八十年代，日本宇部公司开发成功HVSC和VSC系列挤压铸造机，使此工艺在日本及欧美各国得到了迅速的发展。

目前，宇部挤压铸造机已销售307台，最大设备合模力达3500吨，日本丰田公司的轮毂生产厂拥有14台VSC1500—VSC1800挤压铸造设备，已形成年产400万只高档汽车铝轮的生产能力。

此外，丰田公司还拥有年产120万只复合材料活塞的生产能力，并已在23种车辆得到使用。

此外，日本的日产汽车、马自达、Art、U-mold和Tosei等公司及美国SPX、Amcast等国外大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间。

在我国，挤压铸造是从上世纪六、七十年代开始发展的。

九十年代，曾随摩托车行业大发展，有了一个大飞跃。

仅铝轮毂就形成了年产300万只的能力。

但随着市场、利润和当时技术、质量等原因，使此生产规模很快就下来了。

近十年来，我国挤压铸造业还是得到了稳步发展。

当前，国内有一百多台设备在工作。

右图为部分挤压铸件的照片。

近年，挤压铸造工艺技术，较为突出的创新点有如下几个方面：

1、双重挤压铸造形式的发展。

双重挤压铸造是继“直接挤压”和“间接挤压”之后，一种正发展的挤压铸造新形式，它实际上是将“直接挤压”和“间接挤压”两种形式结合起来，靠间接挤压法成形毛坯，用直接挤压法（闭式模锻）压实铸件，以达到其组织致密，形状尺寸精确，表面光洁度好的目的，由于其兼有直接挤压和间接挤压的优点，近年发展很快。

下图为一种杯形件的双重挤压铸造示意图，它是靠下挤压冲头5将浇入料缸4中的液态金属推入已预闭合锁模的上、中模（2、3）和预留有一定压下量（h）的上挤压冲头1组成的型腔中，并继续保压（此称为第一次挤压），然后，上挤压头1再下行施以高压，即对凝固中的铸件实施第二次挤压（锻压）直至将铸件压实并完全凝固。

此种工艺，国内也有多种名称，如“连铸连锻”，“铸锻双控成形”和“二次补压”等，其定义的范围也有所局别。

双重挤压是当前挤压铸造形式的一种新发展，它在为复杂高质量的或铸造性能差的变形合金的铸件生产，提供了一种有潜力的工艺形式。

2、挤压铸件的热处理技术

一般情况下，只要工艺、工装设置合理，挤压铸件是可以进行固溶热处理的，但在实际生产中，尤其是间接挤压铸件，在固溶处理时往往会出现“起泡”缺陷，使热处理无法进行。

上世纪九十年代后期，造成我国挤压铸造摩托车铝轮产量急剧下滑，与当时热处理技术未过关有直接关系。

对此国内外进行了不少研究。

为控制热处理“起泡”缺陷，应尽量减少气体及夹渣卷入液态金属中。

为此，要采取如下措施：

①须严格控制液态金属的充型速度（浇口速度），一般情况下，要控制在0.8m/s以下。

对直接挤压铸造，此由挤压冲头速度来控制，一般在0.1～0.4m/s之间，间接挤压铸造由浇口速度，或铸件最窄处速度来测算，一般控制在0.5～1m/s之间。

②应使用水剂涂料，要禁止用油剂或腊基涂料，而且浇注前，一定要将料缸，型腔中的水气吹干。

③要解决好模具的集渣，排气问题，对挤压铸造模具，一般是采用模具的配合间隙，排气槽，集渣包，顶杆等进行排气；对于形状复杂又要求严格的铸件，有的还需使用排气块，排气阀，甚至真空等方法排气。

④在模具的进料系统及内浇道设计时，要尽量采用自下而上的立式挤压充型（进料）系统，减少液态金属流对型芯和模腔壁的正面冲击，使液态金属的浮渣和已凝固的硬壳尽量挡在料缸内，形成料饼或进入渣包中，并使型腔中气体能顺利排出。

下图为一种典型的挤压料缸与内浇口的设计图，多数情况下，自下而上的中心进料比侧面的横向进料更有利于排气并减少气体的卷入。

3、半固态挤压铸造技术

半固态加工是当前正快速发展的一项新技术，由于挤压铸造产品的优质特性，使半固态挤压铸造（或称半固态锻造）受到产业界的关注，近年也有一定的发展。

日本宇部公司开发的UNRC半固态流变铸造新工艺，与该公司生产的VSC，HVSC挤压铸造机相结合，即形成一整条半固态挤压铸造生产线。

其工艺流程为：

1、浇勺 2、储液器 3、陶瓷盖 4、空气 5、感应圈 6、挤压料缸

4、计算机技术的应用

当前，计算机技术在挤压铸造工艺中的应用开发，主要围绕两方面；第一是进行挤压铸造过程的数据模拟（CAE）以进行挤压铸造工艺参数及模具设计的优选。

使用CAE技术后，可大大减少工艺试验的次数，节省了时间和资金的投入，提高了产品质量。

计算机应用的第二方面是建立模具设计的专家系统和标准件图库以实现模具的虚拟现实设计及智能化设计，它明显提高了设计效率，降低了设计成本。

5、新材料在挤压铸造中应用技术的发展。

基于挤压铸造可成形厚壁复杂铸件，内部组织致密，且又能进行固溶热处理，因而当前此工艺已发展成为一种高档铸件，如耐磨、耐压、高强韧铸件等的重要生产手段。

一些新材料，如高硅铝合金，高强韧铝，镁、锌基合金及其复合材料等，也越来越多的被用于生产，表现在：

1、高硅铝合金挤压铸造

由于压力下结晶有利于初晶硅细化，可消除缩松气孔缺陷并可固溶热处理，因而挤压铸造不失为高硅铝合金一种较理想的先进工艺。

下图是用日本东芝DHXV350挤压铸造机生产的空调压缩机缸体铸件照片，合金材料为日本ADC14高硅铝合金，目前该厂已达每年数十万只的生产批量。

1、料饼 2、内浇道 3、缸体 4、集渣及排气系统

2、镁合金挤压铸造

目前，镁合金铸件大多用压铸工艺生产，但对于有高质量和高力学性能要求的铸件，压铸就有困难了，因而镁合金挤压铸造有了快速的发展。

重庆大学用其专利的挤压铸造新技术，将摩托车镁轮毂成功的投入了批生产其工艺过程参见下图。

（a）模具清整、合型 （b）低压充型 （c）高压凝固（d）开型取件

与传统挤压铸造相比，新型挤压铸造工艺有以下创新。

①采取加热浇管进行封闭定量浇注，将镁合金熔体与外界隔绝，解决了镁合金熔体浇注过程中的氧化和降温问题。

②采用低压充型和高压凝固分离的模式，有效地减少了压室料饼，提高了工艺收得率。

③改传统的三片两开型结构为两片单开型结构。

在一次工艺循环中只需一次开合型就可以实现浇注和取件，缩短了工艺流程，将工艺循环时间从4～5min降低到2min左右，大幅度提高了生产效率。

为了减少工艺试验、模具设计和生产调试的工作量，用MAGMA软件对新型挤压铸造过程进行了模拟和数值优化，获得了优化的工艺参数组合，确定了模具工艺结构。

6、挤压铸造设备的发展

早期的挤压铸造多用直接挤压铸造形式，所使用设备为摩擦压力机，后改用通用油压机和普通型挤压铸造机，到上世纪八十年代后随着下顶式间接挤压铸造方式应用的增多，日本宇部公司开发成功VSC和HVSC系列挤压铸造设备使挤压铸造机水平有一个大的飞跃，使国际挤压铸造产业也有一个大的发展。

上世纪90年代以后，挤压铸造机呈现多方向发展的趋势。

其一，随着计算机控制系统及铝液自动输送等技术的发展，出现了更新型的挤压铸造机，东芝公司DXV立式机和DHXV卧式机，即为其中代表，其二，随着实时控制系统的开发成功，使传统的卧式压铸机也可以实现挤压铸造生产，率先开发此项技术的是瑞士布勒公司。

随后美国、欧洲等多家公司也都在压铸机上实现了挤压铸造[39]。

其三，随着半固态铸造技术日趋产业化，一些适应半固态挤压铸造的设备也相应发展起来。

包括上述的宇部公司的NRC半固态铸造设备及东芝公司新设备等都能适于铝合金、镁合金半固态挤压铸造生产。

二、挤压技术的分类

挤压的方法可按照不同的特征进行分类，有几十种。

最常见的有6种方法：

正向挤压、反向挤压、侧向挤压、连续挤压、玻璃润滑挤压和静液挤压。

最基本的方法仍然是正向挤压（简称正挤压）和反向挤压（简称反挤压）。

如下所示为挤压的分类

a.正向挤压         b.方向挤压        c.侧向挤压

d.连续挤压       e.玻璃润滑挤压       f.静液挤压

正向挤压：

定义：

金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同的挤压生产方法。

特征：

变形金属与挤压筒壁之间有相对运动，二者之间有很大的滑动摩擦。

引起挤压力增大；使金属变形流动不均匀，导致组织性能不均匀；限制了挤压速度提高；加速工模具的磨损。

反向挤压：

定义：

金属的流动方向与挤压杆（或模子轴）的相对运动方向相反的挤压生产方法。

特征：

变形金属与挤压筒壁之间无相对运动，二者之间无外摩擦。

特点：

挤压力小；金属变形流动均匀；挤压速度快。

但制品表面较正挤压差；外接圆尺寸较小；设备造价较高；辅助时间较长。

热挤压、冷挤压、温挤压

三、挤压技术的原理与力学特性

1、挤压技术的原理

挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件生产、零件成型加工的主要生产方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。

有色金属挤压制品在国民经济的各个领域获得了广泛的应用。

连续挤压技术是挤压成型技术的一项较新的技术，以连续挤压技术为基础发展起来的连续挤压复合、连续铸挤技术为有色金属管、棒、型、线及其复合材料的生产提供了新的技术手段和发展空间。

传统的挤压方法主要有正向挤压、反向挤压、静液挤压等。

以正挤压为例，正向挤压时，挤压杆运动方向与挤压产品的出料方向一致，坯料与挤压筒之间产生相对滑动，存在很大的摩擦，这种摩擦阻力使金属流动不均匀，从而给挤压制品的质量带来了不利影响，导致挤压制品组织性能不均匀，挤压能耗增加，由于强烈的摩擦发热作用，限制了挤压速度且加快了模具的磨损。

反向挤压和静液挤压等方法虽然从不同的角度对正向挤压进行了改进，但是这些传统的挤压方法都存在一个共同的缺点，即生产的不连续性，制品长度受到限制，前后坯料的挤压之间需要进行分离压余、填充坯料等一系列辅助操作，影响了挤压生产的效率。

为了解决传统挤压中的问题，20世纪70年代人们开始致力于挤压生产的连续性研究。

1971年，英国原子能局的D.Green发明了CONFORM连续挤压方法。

此方法以颗粒料或杆料为坯料，巧妙地利用了变形金属与工具之间的摩擦力。

如图2所示，由旋转的挤压轮上的矩形断面槽和固定模座所组成的环形通道起到普通挤压法中挤压筒的作用，当挤压轮旋转时，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。

连续挤压时坯料与工具表面的摩擦发热较为显著，因此，对于低熔点金属，如铝及铝合金，不需进行外部加热即可使变形区的温度上升400～500℃而实现热挤压。