7.4 温挤压力

7.4.1 影响变形力的因素

温挤压与冷挤压一样，影响温挤压成形时变形力的因素很多，列举如下：

1）材料的种类、状态与性能。

2）变形方式（正挤压、反挤压、复合挤压或镦挤等）。

3）变形程度。

4）正挤压凹模和反挤压凸模的形状。

5）润滑剂种类。

6）加热温度。

除了加热温度以外，前面5个与冷挤压时是类似的。试验表明，在复合挤压时，当加热到150～200℃，往往单位压力比冷挤压时减少10%。在反挤压时，加热到100～200℃的单位压力比冷挤压时减少20%～40%。

图7-12 毛坯热处理对单位挤压力的影响

—·—·—热轧 -----完全退火 ——球化退火

图7-12所示为毛坯热处理对单位压力的影响。由该图可见，在500℃以下，毛坯预先退火处理的效果能显示出来，但在600℃以上，由于回复、再结晶或相变的关系，毛坯预先退火处理有否，都没有显著的差别。因此，挤压毛坯是否进行预先退火，主要取决于两个条件：一是材料；二是挤压温度。对18CrNiWA钢在高于750℃的温度作挤压试验，发现无论毛坯是否进行退火，挤压力完全一样。

冷挤压难成形的材料，在温挤压时，即使变形程度高达60%～70%的情况下，挤压单位压力还不大，如图7-13所示。图中示出Si-Cr阀门钢、Cr不锈钢和马氏体Cr-Ni不锈钢的变形程度为60%～70%，当加热温度为500℃时，挤压单位压力小于2500MPa；当加热温度为600℃时，挤压单位压力小于或等于2000MPa。

图7-13 各种材料在不同变形程度时的凸模压力变化

a）碳素弹簧钢（润滑剂：油剂石墨） b）Si-Cr阀门钢（润滑剂：400℃，40%氯化石蜡；500℃、600℃，油剂石墨）

图7-13 各种材料在不同变形程度时的凸模压力变化（续）

c）Cr不锈钢（润滑剂：300℃、400℃，70%氯化石蜡；500℃、600℃，硼酸铝+甘油） d）马氏体Cr-Ni不锈钢（润滑剂：300℃、400℃，70%氯化石蜡；500℃、600℃，硼酸铝+甘油）

注：反挤压，模具预热温度200℃。

在一般情况下，与冷挤压相比，低温温挤压可减少变形抗力15%，中温温挤压及较高温度温挤压的变形抗力可减少室温时的1/4～1/2。可见，温挤压的变形抗力比冷挤压时显著下降，对冷作硬化敏感的材料效果更为显著。

图7-14所示为在各种温度下正挤压的挤压力-行程曲线图。由该图可见，曲线的倾向几乎一致。随着加热温度的增加，挤出零件需要的挤压力减少。在挤压的稳定阶段（即除开始阶段以外），挤压力的大小几乎与行程无关。

图7-14 在各种温度下正挤压的挤压力-行程曲线图

注：材料为45钢，毛坯直径φ37.2mm，凹模锥角120°，变形程度65%。

图7-15所示为不同钢材在不同条件下的变形力变化。由该图可见，低碳钢（15钢）的挤压力比合金钢低。随着钢中合金元素含量的增多，温挤压变形力也增加。另外，随着变形温度的提高，变形力有所降低，但当有组织变化时例外。

温挤压时润滑的好坏，除对产品表面质量、模具使用寿命有极大的影响以外，润滑剂还可使摩擦因数发生变化，从而使挤压力有变化。图7-16列出了温挤压轴承钢时，挤压变形程度ε_F为70%左右，加工温度为700℃，使用10种温挤压润滑剂各自对单位挤压力的影响。由该图可见，其中使用油酸57%+石墨26%+二硫化钼17%（质量分数）、水基石墨、油基石墨和玻璃粉作为润滑剂时单位挤压力最低；而使用全损耗系统用油+滑石粉（质量比1∶1）、热锻润滑剂和硼砂+三氧化二铋作润滑剂时，单位挤压力最高。但结果发现，温挤压单位挤压力的波动幅度在10%～15%。

图7-15 不同钢材在不同条件下的变形力变化

a）正挤压 b）反挤压

图7-16 各种润滑剂与单位挤压力的关系

1—油酸57%+石墨26%+二硫化钼17%（质量分数） 2—水基石墨 3—气缸油+石墨（质量比4∶1） 4—全损耗系统用油+滑石粉（质量比1∶1） 5—热锻润滑剂 6—油基石墨 7—四硼酸镁40%+石墨60%+水100%（质量分数） 8—重铬酸21.05%+氧化镁5.29%+浓磷酸31.35%+石墨42.11%+水100%（质量分数） 9—硼砂90%+三氧化二铋10%（质量分数） 10—玻璃粉

注：轴承钢挤压，在4000kN机械压力机上，加工温度（700±20）℃，ε_F=70%。

7.4.2 温挤压力的计算

温挤压时单位挤压力的计算方法是很多的。下面介绍五种较为实用的简单方法。

1.经验公式计算法

英国的PERA推荐采用如下经验公式计算单位挤压力。

p=76w（C）+1.3w（Ni）-0.08w（Cr）-0.1T+0.36ε_F+143 （7-4）

式中 p——凸模最大单位挤压力（MPa）；

w（C）——碳含量（质量分数，%）；

w（Ni）——镍含量（质量分数，%）；

w（Cr）——铬含量（质量分数，%）；

T——毛坯的加热温度（℃）；

ε_F——断面缩减率（%）。

上述公式仅适用于加热温度为200～600℃的碳钢、合金结构钢、常用的不锈钢的温热反挤压，计算误差在10%以内。

从该公式还可以看出，钢中碳含量对挤压力的影响最大。式中没有表示出锰含量的影响，说明钢中锰含量的多少不影响挤压力的大小。

2.图算法

图7-17是钢的温挤压单位压力计算图。图上的曲线在图中所示模具参数的条件下获得的，挤压前模具预热到60～100℃，用油与石墨的混合剂作润滑剂。加工温度在600℃以下者，毛坯作磷化处理，600℃以上者，毛坯不进行预先处理。

图7-17中虚线上的箭头表明了查图的方法。例如，当加工温度为550℃，挤压35钢时，可沿图中550℃向上虚线交到35钢的曲线上，然后箭头向左标到正挤压断面缩减率80%曲线上的一点，这一点在水平轴上的投影数据为1900MPa，就是35钢在550℃作80%正挤压变形时的单位挤压力。如果反挤压，则箭头向右标去，同样可查到某一断面缩减率下的单位挤压力数据。如35钢在550℃下，以40%变形程度反挤压时。单位挤压力可查得为1800MPa（图中向右箭头方向）。

确定了单位挤压力，便可计算挤压力。

正挤压时

反挤压时

式中符号如图7-17中所示。

3.查表法

温挤压时单位挤压力的数据还可以通过查表法来获得。表7-5是几种常用材料在650～850℃时的单位挤压力。

4.理论公式计算法

温挤压时变形力的计算，可根据金属塑性变形区内的平衡方程式与塑性方程联立求解得出。

1）正挤压实心件单位挤压力的计算公式为

式中 p——单位挤压力（MPa）；

σ——挤压材料的变形抗力（又称流动抗力）（MPa）；

图7-17 钢的温挤压单位压力计算图

表7-5 几种材料的温挤压单位挤压力

（续）

d₀——毛坯原始直径（mm）；

d₁——挤压后产品直径（mm）；

h₀——毛坯原始高度（mm）；

h₁——挤压凹模工作带高度（mm）；

f——摩擦因数，一般f=0.06～0.15。

2）反挤压杯形件单位挤压力的计算公式为

式中 p——单位挤压力（MPa）；

σ——挤压材料的变形抗力（又称流动抗力）（MPa）；

d₀——毛坯原始直径（mm）；

d₁——工作内孔直径（mm）；

f——摩擦因数，一般f=0.06～0.15。

5.近似计算法

1）正挤压时，凸模单位挤压力p_f计算公式为

p_f=CnR_m （7-9）

2）反挤压时，凸模单位挤压力p_b计算公式为

式中 C——安全系数；

n——温挤压变形时材料的冷作硬化系数；

A₀——毛坯截面积（mm²）；

A_h——凸模截面积（mm²）；

R_m——温挤压温度下被挤材料的抗拉强度（MPa）。

C、n值由表7-6查得。表中n值的取法是：当温挤压温度较低时，n取大值；当温挤压温度较高时，n取小值。

表7-6 安全系数C和硬化系数n值

温挤压温度下的抗拉强度R_m，对于碳钢可查图7-18（由室温中的抗拉强度查得R_m）；对于有色金属的抗拉强度R_m，查表7-7。

图7-18 碳钢随温度变化的抗拉强度

表7-7 几种有色金属温挤压时的抗拉强度