有色金屬擠壓技術(shù)的現(xiàn)狀研究及發(fā)展

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所 于森

在生產(chǎn)需求的促進(jìn)作用下，有色金屬加工業(yè)正逐步發(fā)展，相配套的技術(shù)手段趨于豐富，技術(shù)的應(yīng)用水平有所提高。在有色金屬的塑性成型生產(chǎn)模式中，擠壓技術(shù)取得廣泛的應(yīng)用，其兼容壓力加工、機(jī)械傳動(dòng)等多專業(yè)的知識(shí)，技術(shù)配套頗為成熟，若能夠合理應(yīng)用有色金屬擠壓技術(shù)，將有效保證產(chǎn)品加工的質(zhì)量。為發(fā)揮出技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，仍需加強(qiáng)研究，持續(xù)突破。

1 有色金屬擠壓現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

1.1 正、反擠壓技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛

擠壓是有色金屬加工中的重要環(huán)節(jié)，普遍采用的是正擠壓技術(shù)，即金屬的流動(dòng)方向與擠壓凸模的運(yùn)動(dòng)方向一致。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展后，正擠壓技術(shù)趨于成熟，實(shí)際操作便捷，生產(chǎn)靈活性突出，是銅、鋁及其合金產(chǎn)品生產(chǎn)中的常見技術(shù)形式。此外，對(duì)于空心件金屬產(chǎn)品的加工，也依然可以采用正擠壓技術(shù)。顯然，現(xiàn)階段的正擠壓技術(shù)已經(jīng)具備理論成熟、適用范圍廣的突出特性，而與之相配套的生產(chǎn)設(shè)備也較為完善。

除了前述所提的正擠壓技術(shù)外，反擠壓技術(shù)也較為典型，其突出特點(diǎn)在于有色金屬的流動(dòng)方向與擠壓凸模的方向相反。此項(xiàng)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從力學(xué)特性的角度來(lái)看，在應(yīng)用正擠壓技術(shù)時(shí)，制品的縱、橫向受力缺乏一致性，可能會(huì)由于力的差異化而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)形態(tài)層面的偏差，此時(shí)宜引入反擠壓技術(shù)，有助于消除凹模和凸模兩者間產(chǎn)生的摩擦力，從而減小力的不良影響，保證制得的產(chǎn)品的內(nèi)外部具有更為良好的均質(zhì)化特性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，廢品率隨之降低，資源的利用效率得以提高。

此外，在制作金屬尺寸一致的產(chǎn)品時(shí)，反擠壓技術(shù)也具有可行性，若能夠合理優(yōu)化技術(shù)并將各項(xiàng)細(xì)節(jié)工作落實(shí)到位，生產(chǎn)產(chǎn)量普遍可提高2.4～7.8 倍不等。也正是基于反擠壓技術(shù)在保質(zhì)量、提效率等多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，其已經(jīng)成為主流的零件加工技術(shù)，在其他手段無(wú)法加工時(shí)，反擠壓技術(shù)將有效化解難題，突破技術(shù)的局限性，例如各式各樣的套筒類零件、杯形件均可以借助該項(xiàng)技術(shù)加工成型。從現(xiàn)階段的反擠壓技術(shù)應(yīng)用狀況來(lái)看，其已經(jīng)具有應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用效果好的突出特點(diǎn)，在有色金屬加工技術(shù)體系中占據(jù)舉足輕重的地位。并且，與反擠壓技術(shù)有關(guān)的研究工作仍在持續(xù)開展，隨著理論的深入,相信該項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)將取得更為顯著的成果，為有色金屬加工提供更加可靠的技術(shù)支撐。

1.2 擠壓加工技術(shù)的階段性發(fā)展

擠壓加工技術(shù)主要在金屬及其合金的生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用，覆蓋到的行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛，包括但不限于建筑、航空、交通。自擠壓技術(shù)誕生以來(lái)，后續(xù)的研究工作持續(xù)開展，相繼在原始擠壓技術(shù)雛形的基礎(chǔ)上衍生出一系列新的工藝，相繼推出配套化的新設(shè)備，諸如此類發(fā)展成果均給擠壓技術(shù)應(yīng)用水平的提升帶來(lái)促進(jìn)作用。縱觀擠壓技術(shù)的發(fā)展流程，總體上可分為四個(gè)階段，彼此間具有循序漸進(jìn)的關(guān)系，構(gòu)成擠壓技術(shù)的發(fā)展軸線。具體做如下分析：

（1）研發(fā)期：英國(guó)人S.布朗曼屬于行業(yè)先驅(qū)者，于1797 年提出的液體鉛管擠壓機(jī)頗具代表性，揭開了擠壓加工領(lǐng)域的序幕，為行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（2）引入期：經(jīng)過(guò)幾十年的探索，1820 年T.布恩設(shè)計(jì)出首臺(tái)液壓擠壓機(jī)，其構(gòu)成了現(xiàn)代化擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)框架，包含擠壓筒、模具、擠壓軸等，通過(guò)各類零部件的聯(lián)合應(yīng)用，使擠壓機(jī)初步具有生產(chǎn)功能。1896 年，多層擠壓筒應(yīng)運(yùn)而生。后續(xù)，克虜伯- 格魯遜于1904 年制造出四張立柱擠壓機(jī)，是擠壓技術(shù)產(chǎn)品配套領(lǐng)域的突破性發(fā)展節(jié)點(diǎn)。此后相繼有更多學(xué)者加大研究力度，于1955 年，鋼及難變形金屬的擠壓加工技術(shù)取得顯著的突破，將擠壓加工水平提升至全新的層次。

（3）發(fā)展期：20 世紀(jì) 40～50 年代，蘇聯(lián)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，在此期間制造出80MN 雙動(dòng)銅擠壓機(jī)及大型擠壓機(jī)，設(shè)備的生產(chǎn)水平進(jìn)一步提升。1963 年，日本制造出油泵直接傳動(dòng)模式的擠壓機(jī)，但受技術(shù)及生產(chǎn)能力的限制，擠壓力相對(duì)有限，普遍在30MN 以內(nèi)，并且也主要應(yīng)用于擠鋁及鋁合金生產(chǎn)中。

（4）成熟期：在前期技術(shù)積淀之下，近三十年來(lái)擠壓技術(shù)的發(fā)展逐步邁入成熟期，此階段具有技術(shù)研發(fā)“全面開花”的特點(diǎn)，規(guī)格、品種、產(chǎn)量等方面均有顯著的突破，原本棒、管材擠壓等常規(guī)形式也隨之升級(jí)，空心或?qū)嵭牡膹?fù)雜截面型材的擠壓技術(shù)趨于成熟。于我國(guó)，在技術(shù)人員的持續(xù)探索下，也在較短的時(shí)間內(nèi)縮短與全球發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距，金屬擠壓加工技術(shù)體系趨于完整，技術(shù)應(yīng)用水平得以提升。

金屬擠壓加工的實(shí)質(zhì)便是提供某特定的外力作用，使待加工的材料在耐壓容器內(nèi)承受三向壓應(yīng)力，受力的作用，材料出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，而后經(jīng)由特定形狀、尺寸的孔或間隙擠出，最終得到滿足尺寸要求和形狀要求的擠壓制品。金屬擠壓加工得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于同時(shí)滿足如下三項(xiàng)條件：

（1）金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。（2）存在足夠的應(yīng)力作用，以便使金屬出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。（3）存在特定的孔或間隙，以便金屬材料在經(jīng)過(guò)擠壓后可經(jīng)由該處流出，同時(shí)還需提供一個(gè)阻力最小的方向。

1.3 擠壓機(jī)的參數(shù)化控制

信息技術(shù)逐步發(fā)展，受惠于此，擠壓機(jī)所具備的自動(dòng)化運(yùn)行水平逐步提高?？刂品绞礁鼮槌墒?，現(xiàn)今PLC 成為主要的控制方式。加之人機(jī)交互理念的引導(dǎo)，擠壓機(jī)的控制機(jī)制更為靈活，設(shè)備可根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)高效運(yùn)行，用戶則能夠以實(shí)際需求為準(zhǔn)調(diào)整參數(shù)，以滿足生產(chǎn)要求。在擠壓機(jī)的運(yùn)行全流程中，錠坯被擠壓軸從模具孔擠出屬于重點(diǎn)環(huán)節(jié)，在以往的控制模式中，礙于理念、技術(shù)滯后的緣故，調(diào)控的對(duì)象有限，主要對(duì)擠壓時(shí)的速度予以控制，但擠壓全程的控制性因素較多，僅控制速度的方法難以取得良好的擠壓效果。隨著研究的深入，擠壓過(guò)程中的指標(biāo)控制范圍有所擴(kuò)寬，除了速度外，溫度也成為重點(diǎn)考慮對(duì)象，研究時(shí)考慮的技術(shù)細(xì)分模塊逐步增加，在理論的深化以及技術(shù)的成熟之下，擠壓的參數(shù)控制模式更具合理性，更有利于擠壓作業(yè)的高效開展，有色金屬等相關(guān)材料的擠壓效果也得到改善。

2 有色金屬擠壓加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

優(yōu)勢(shì)分析：

（1）相比于軋制技術(shù)，有色金屬擠壓加工技術(shù)的適用范圍較廣，可突破傳統(tǒng)方法的局限性，并且還可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求錠坯。（2）面對(duì)復(fù)雜度較高的生產(chǎn)作業(yè)，有色金屬擠壓加工技術(shù)仍具有可行性，例如對(duì)于變斷面的型材、斷面復(fù)雜的管材而言，該項(xiàng)技術(shù)可得到有效的應(yīng)用，合理操作后，加工后的產(chǎn)品質(zhì)量可靠。（3）現(xiàn)階段，市場(chǎng)需求多樣化，有色金屬擠壓加工技術(shù)的靈活性較強(qiáng)，單臺(tái)設(shè)備配套多類模具，根據(jù)實(shí)際需求更換特定的模具，以滿足各類規(guī)格產(chǎn)品的加工要求。

劣勢(shì)分析：

（1）在應(yīng)用有色金屬擠壓加工技術(shù)時(shí)，往往存在較多的金屬固定廢料，材料的利用率有限。（2）加工效率較低，面對(duì)批量化的產(chǎn)品加工需求時(shí)，其可行性欠佳。

經(jīng)過(guò)對(duì)有色金屬擠壓加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)兩個(gè)方面的分析后，建議在工件加工時(shí)，需以實(shí)際需求為導(dǎo)向，判斷該項(xiàng)技術(shù)是否具有應(yīng)用價(jià)值，在此前提下，妥善應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，例如管材生產(chǎn)斷面復(fù)雜、規(guī)格繁多時(shí)，可采用該項(xiàng)技術(shù)。

3 有色金屬擠壓加工的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的新要求

（1）發(fā)展趨勢(shì)分析。隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，銅、鋁、鎂等金屬的擠壓加工彰顯出優(yōu)越性，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航天航空、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而言有重要的作用。以航天航空領(lǐng)域?yàn)槔瑒t時(shí)?？梢婃V合金擠壓材、鋁合金擠壓材的“身影”，其性質(zhì)穩(wěn)定，且具有輕質(zhì)化的特征；又以電力能源領(lǐng)域?yàn)槔X合金的管材和型材占據(jù)較大的比重，具體可應(yīng)用在電線電纜、輸電匯流排等方面；而對(duì)于電子電器領(lǐng)域，鎂合金擠壓材的應(yīng)用頻率較高，例如智能手機(jī)、筆記本電腦均采用此類材料。

（2）對(duì)擠壓設(shè)備的新要求。首先，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁合金擠壓材、鎂合金擠壓材等相關(guān)材料的使用量增加，此時(shí)對(duì)擠壓機(jī)的產(chǎn)能提出更高的要求，需要以保證產(chǎn)品加工質(zhì)量為前提，盡可能提高效率，為此應(yīng)注重設(shè)備產(chǎn)能的提升。其次，有色金屬擠壓材的種類愈發(fā)豐富，各自的性能存在差異，因此需要匹配特定功能的擠壓機(jī)，除了正、反擠壓機(jī)外，諸如有效摩擦擠壓機(jī)等均要得到充分的重視。再次，有色金屬擠壓材逐步朝著復(fù)雜化、大型化的方向發(fā)展，相配套的擠壓機(jī)也應(yīng)具有大型化的特征。最后，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展的背景下，擠壓材的供應(yīng)水平也應(yīng)提高，從擠壓機(jī)的角度來(lái)看，其需要具有自動(dòng)化的特征，因此在未來(lái)的擠壓機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)中，需要將自動(dòng)化作為重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，充分發(fā)揮出擠壓機(jī)的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)，由其高效產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，給加工提供硬件支持。

4 正向擠壓法

正向擠壓示意圖，如圖1 所示。結(jié)合圖中信息展開分析，擠壓軸1沿著箭頭方向發(fā)生移動(dòng)，在此過(guò)程中擠壓墊片2 發(fā)揮出“承上啟下”的作用，將產(chǎn)生的擠壓力傳遞至錠坯3，在該部分力的作用下，有色金屬?gòu)哪＞? 的孔中擠出，此時(shí)形成特定形狀的擠壓制品7。對(duì)于空心制品的擠壓，有色金屬原材料將經(jīng)由模具和穿孔針的間隙流出，由此形成特定的產(chǎn)品。在該擠壓方式下，受擠壓力的推動(dòng)作用，擠壓筒內(nèi)襯4 的有色金屬將被模橋做劃分處理，即形成多股有色金屬流，在此前提下，進(jìn)一步于模具的焊腔中焊合，隨后再通過(guò)模舌裝置的應(yīng)用，最終產(chǎn)生空心狀的擠壓制品。

圖1 正向擠壓示意圖

正向擠壓技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有：

（1）適用范圍較廣，對(duì)設(shè)備無(wú)特定的要求，幾乎適用于各類形式的擠壓設(shè)備。（2）錠坯表面與擠壓筒內(nèi)襯表面兩部分在接觸過(guò)程中存在較強(qiáng)的摩擦力，在模具近處產(chǎn)生金屬?gòu)椥詤^(qū)，根據(jù)此特點(diǎn)可以得知，盡管錠坯存在外部缺陷，也依然不會(huì)對(duì)擠壓制品的表面形態(tài)造成影響；對(duì)于錠坯變形區(qū)，錠坯在該部位時(shí)存在較為強(qiáng)烈的剪切變形現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)處理后，將得到表面質(zhì)量良好的擠壓制品。（3）靈活性較強(qiáng)，在合理控制好擠壓筒內(nèi)徑、擠壓系數(shù)后，將制得外形合適的制品，能夠滿足絕大多數(shù)的生產(chǎn)需求。

5 反向擠壓法

反向擠壓示意圖，如圖2 所示。在圖2（a）中，由于擠壓筒的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓力的高效傳遞，在該力學(xué)作用下，出現(xiàn)反向擠壓現(xiàn)象。此時(shí)，原本裝擠壓軸的部分經(jīng)過(guò)改裝后得到特定的裝置（堵板6），具有封堵的作用，即有效封住擠壓筒內(nèi)襯2 的一端，而為了滿足加工產(chǎn)品的形態(tài)要求，在擠壓軸的頭部設(shè)模具3，依托于擠壓力的作用，錠坯在模具3 孔中流出，從而得到滿足特定形狀要求的制品5。其他結(jié)構(gòu)組成方面，圖2（a）中的7指的是擠壓筒外套。

圖2（b）中，依托于錠坯裝置，傳遞擠壓力，以達(dá)到反向擠壓的效果。在該裝置的生產(chǎn)動(dòng)作中，擠壓軸8 沿著箭頭方向移動(dòng)，而由于存在較強(qiáng)的摩擦力作用，將連同擠壓筒2 與錠坯1 共同運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)模具3 孔后，擠出特定的制品，即圖中的5。

圖2（c），呈現(xiàn)的是擠壓空心制品示意圖。

圖2 反擠壓法示意圖

反向擠壓的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要有：

（1）從擠壓力的角度來(lái)看，相比于正向擠壓的方法，反向擠壓的該值明顯更小。以黃酮的擠壓加工為例，擠壓力與錠坯質(zhì)量的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 擠壓力與錠坯質(zhì)量關(guān)系

在擠壓軸全行程中，擠壓力維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)溫度的要求較低，在低溫、高擠壓系數(shù)的條件下，將有效擠壓成某特定形狀的產(chǎn)品，即便是難變形的材料，也將取得良好的擠壓效果。

（2）在有色金屬的反向擠壓過(guò)程中，變形均勻性較好。（3）相比于正向擠壓，成品率較高，原材料取得廣泛的應(yīng)用，資源效率提升，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)突出。

6 有色金屬擠壓加工技術(shù)的前景展望

（1）在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，電子信息技術(shù)以及配套產(chǎn)品的應(yīng)用水平逐步提高，成為擠壓生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域的“得力助手”，從而達(dá)到保質(zhì)量、提效率、增效益等多重效果。

（2）以擠壓機(jī)為核心所衍生出的外圍配套設(shè)備也將逐步成熟，并且在后補(bǔ)設(shè)備的控制中，主機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平將提高，整體控制機(jī)制運(yùn)行良好，控制的可靠性以及靈活性得到保證。而觸摸屏的配套應(yīng)用則在操作者與機(jī)械設(shè)備間搭建起溝通的“橋梁”，有利于精細(xì)化控制，保證有色金屬的擠壓效果。在未來(lái)，隨著需求的升級(jí)以及技術(shù)人員的持續(xù)探索，相信有色金屬擠壓技術(shù)將取得更為顯著的發(fā)展成果。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，有色金屬加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭良好，諸如有色金屬擠壓技術(shù)等相配套的技術(shù)正日益成熟。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)需求合理應(yīng)用有色金屬擠壓技術(shù)，保證有色金屬制品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。而在未來(lái)的探索路徑中，需持續(xù)開展研究工作，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)突破，提高技術(shù)的應(yīng)用水平。