连续挤压技术的发展与应用

樊志新，陈 莉，孙海洋

(大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心，辽宁大连116028)

1 前言

连续挤压是1972年由英国原子能管理局(UKAEA)斯普林菲尔德实验室格林(D.Green)提出的塑性加工新方法，被誉为有色金属加工技术的一次革命。英国HOLTON机械有限公司和BWE线缆设备有限公司于1975年和1978年相继购买了专利使用权并开始探索其工业应用。我国自1984年从国外引进设备，开始消化吸收研究，通过20余年的发展，我国已形成了完全国产化的连续挤压和连续包覆系列成套设备和具有自主知识产权的关键技术，在该方面的研究达到了国际先进水平，在某些方面已处于世界领先地位。至目前为止，为国内外各个厂家制造、安装了1 100多条生产线，产品遍布世界。

我国连续挤压技术历经近30年的发展，已经从开始时的仿制、改进，到拥有自主知识产权的再创新，装备与技术升级，成功打入该技术的原发地——欧洲市场，进口设备逐渐退出我国市场。据统计和测算，采用国产连续挤压技术和装备，已经为我国的企业创造近百亿元的产值，节省外汇上亿美元。目前，英国HOLTON机械有限公司已于4年前停产倒闭，BWE公司近5年在我国连续挤压设备的销售量不超过20套，两家英国公司设备在全球的占有总量不超过300套，因此，我国已经成为国际上连续挤压技术和装备的制造大国和应用大国。

2 连续挤压和连续包覆技术的工作原理

连续挤压工作原理如图1所示，挤压轮在动力驱动下沿图1箭头示方向作旋转运动，在挤压轮圆周上有一环形沟槽，腔体内表面工作圆弧与挤压轮的外圆表面相吻合、腔体上的挡料块与挤压轮的沟槽相吻合，构成密封带。杆坯料经压料轮压紧在挤压轮的沟槽内，在摩擦力的作用下被连续送入由挤压轮沟槽和腔体内表面构成的挤压腔，坯料在腔体挡料块处沿圆周方向的运动受阻，进入模腔，然后通过装在模腔内的模具挤成产品。

图1 连续挤压工作原理Fig.1 Principle of continuous extrusion

以连续挤压技术为基础，发展了一种新的包覆技术——连续挤压包覆技术(简称连续包覆)，其工作原理如图2所示，通常两根坯料被压实轮压入挤压轮的轮槽，并由挤压轮的旋转被带入，两根坯料在挡料块处受阻沿垂直方向进入模腔，在模腔内的高温高压环境下，已经发生塑性变形的两根坯料被完全压合，形成对芯线的围合。随着芯线的连续送入和坯料的连续供应，可以实现生产近似“无限长”包覆产品。

图2 连续包覆工作原理Fig.2 Principle of continuous cladding

3 理论研究、技术创新与设备研发

3.1 连续挤压金属变形力学理论研究

连续挤压技术的关键是控制金属在摩擦驱动下的材料变形过程。需要充分了解材料的变形机制与温度、应力的分布规律及其影响因素，它既是连续挤压工艺的核心，也是工模具及设备设计的基础。由于连续挤压的变形过程远比传统挤压复杂，它是包含热、摩擦和机械耦合作用的三维空间流动的非线性系统，采用塑性力学方法对整个变形过程进行统一描述十分困难。但可以通过观察和分析，就不同区域的变形特点进行有限分区，俗称“切块法”，对各分区进行研究，进而连接拓展到整个变形区。J.Tirosh[1]等人利用工程近似法和能量法给出了挤压轮槽坯料接触压力分布规律的雏形。李明典等人[2]将变形区划分为4个子区，通过一些假设条件，应用塑性理论得出了变形区坯料的速度场和应力场。钟毅[3]在此基础上，利用不同的假设条件，给出了沿挤压靴方向的压力分布规律。另一方面，为了计算设备的驱动转矩与功率，刘元文等人[4]建立了电缆铝护套连续包覆模腔的滑移线场，得出了模腔设计的均压设计准则。张新宇[5]根据铝包钢丝的制造特点，推导出了包覆模具单位挤压力的上限公式。樊志新等人[6]在分析研究和大量观测连续挤压生产过程中变形金属形态基础上，对挤压轮沟槽内金属变形提出了“五分区”的连续挤压变形过程描述模型，利用塑性力学理论给出各区的解析表达式，并通过与实验结果的比较验证了其工程应用价值。宋宝韫等人[7]运用解析法对其二次扩展腔结构的挤压力进行计算，探讨了扩展比与挤压力的关系，并加上了大扩展比的理论计算部分。

这些工作是连续挤压理论研究的重要成果，为连续挤压设备和工模具的载荷计算提供了理论依据。

3.2 连续挤压金属塑性变形过程的计算机数值模拟

贺幼良等人[8]对连续包覆型腔内的变形过程进行了三维有限元模拟，得到了变形区内的三维应力、应变分布。陈莉等人[9]利用DEFORM－3D对铜扁线模腔内的金属成形过程进行了三维有限元模拟，建立了金属三维空间塑性变形流动模型，得到各场变量的分布。谢玲玲等人[10]对铜母线模腔内的金属成形过程进行了三维有限元模拟，获得了铜母线连续挤压扩展成形过程的金属流动和应力场、应变场、温度场、速度场分布，以此对模具结构进行了改进。运新兵等人[11]对铜的连续等径角挤压变形行为进行了数值模拟，分析了变形过程中材料的流动、应变和温度变化情况。赵颖等人[12－13]对平行流多孔铝管连续挤压过程进行了模拟，分析了金属流动特点，得到模具结构的优化方案;分析了连续挤压包覆过程中金属流动特点，并对模具尺寸、模腔流动通道长度、挤压轮转速等对铝包覆护套产品的影响进行有限元模拟分析，对包覆模具进行了优化，并进行了实验验证。

3.3 连续挤压设备三维CAD技术与优化设计

利用计算机可视化技术和强大的计算能力，采用三维CAD技术构造虚拟三维实体模型样机，可实现对模型机的运动学、动力学的模拟、分析和评价。利用有限元分析手段对关键零件如挤压轮、腔体等进行结构优化，可使连续挤压设备的设计水平大大提升。贺德昂等人[14]利用I-DEAS对连续挤压机主轴系统进行了有限元分析，得出主轴系统工作时各部件的应力分布及变形规律。近年来研制成功的TLJ400型连续挤压机就是采用可视化设计方法完成的[15]，通过工业应用表明，优化的结果非常显著，其以国外同类设备62%的动力配备，以几乎相同的生产出的产品效率，生产出的产品最大尺寸规格超出国外30%。

3.4 连续挤压技术创新与装备研发

目前，我国的连续挤压技术创新与设备研发走在世界前列，已研制开发出3个系列，近20种规格的连续挤压和连续包覆机组，并用于各种产品的生产，见表1～3所示。在装备方面实现主要技术创新工作有:渐变冷却长寿命挤压轮、大扩展比组合式腔体、全自动液压换向增压器、长寿命高温合金连续挤压模具、连续挤压生产线计算机智能控制系统、杆坯料表面清理设备、端驱动前铰式锁靴系统、多种产品的连续挤压和连续包覆设备及工艺。

表1 铜材连续挤压生产线Table 1 Continuous extrusion production lines for copper product

表2 铝管连续挤压生产线Table 2 Continuous extrusion production lines for aluminum tube

表3 连续包覆生产线Table 3 Continuous cladding production lines

4 连续挤压和连续包覆技术的应用

4.1 铜及合金的连续挤压

4.1.1 铜扁线制造技术

在铜扁线加工中，传统的工艺为“上引—轧扁—拉拔—退火”，由于生产工序多、周期长、成本高，并且原料尺寸与产品规格有关，从而给多品种、小批量生产模式的生产准备带来困难。国内于1999年研发的连续挤压方法生产铜扁线，可采用统一规格的原材料，通过连续挤压一道工序即可生产出符合国家标准的软态铜扁线，是一种短流程节能节材的制造新技术，目前已经得到广泛的工业应用。

相对于传统工艺，该技术具有如下特点:①在高温、高压条件下成形，铜杆的内部铸造缺陷如气孔、缩松等可以在连续挤压过程中被消除，获得优良的力学性能、塑性指标和细的晶粒度;②产品表面不易产生传统工艺方法极易出现的翘皮、毛刺等现象，具有良好的表面质量;③组织致密性好，电导率高;④省去了退火工序，显著缩短了生产周期，对于小批量的单批次生产，每吨产品的生产周期从原来的48 h缩短到现在的2.5 h;⑤很容易生产b/a大于10(薄而宽)和特殊规格的大断面非标扁线;⑥采用统一规格的12.5 mm的上引无氧铜杆作为坯料，不需要根据不同产品规格来准备不同规格的坯料;⑦整条生产线采用的先进计算机控制系统，生产过程可自动监测和运行，实现了自动化生产，降低了操作工人的劳动强度。

4.1.2 铜排(铜母线)制造技术

电工铜排、母线是一种大电流导电产品，适用于高低压电器、开关触头、配电设备、母线槽等电器工程，也广泛用于金属冶炼、电化电镀、化工烧碱等超大电流电解冶炼工程。该产品的断面形状为4个圆角有技术要求的矩形。按国家标准其宽度范围为16～125 mm，尺寸公差为0.1%～0.3%，直度0.4%，表面光洁平整，因此是精度要求较高的型线产品，同时还必须满足机械性能和导电性能的要求。目前，国内铜母线的生产主要采用轧制和传统挤压两种工艺，如图3中A和B所示，其共性问题是工艺流程长、工序复杂、能耗大、材料利用率低、产品质量难于控制。

大连交通大学连续挤压工程研究中心开发了电工铜排短流程制造新技术和成套设备，工艺流程如图3中C所示，大大缩短了工艺流程，可生产产品的最大宽度为170 mm，最大断面积2 000 mm2，覆盖了全部电工铜排(铜母线)产品规格范围，生产率可达1 400 kg/h，达到世界领先水平。

图3 传统工艺与连续挤压工艺的比较Fig.3 Comparison of traditional technology and continuous extrusion technology

4.1.3 大规格铜板带

国内铜板带材的市场需求持续快速增长，以及铜加工行业对通过技术创新、发展短流程工艺，提高生产效率、降低生产成本的迫切需求，为采用连续挤压技术生产大规格铜板带起到了重要的推动作用。

大规格铜板带连续挤压对连续挤压设备方面最直接的要求就是设备的大型化。连续挤压设备的大型化，不等同于对现有设备的等比例放大，需要突破相应的关键技术，如实现高效扩展变形区在线定向智能加热、靴座位置动态调节等多项新技术的使用，采用系统集成思想，实现全生产线的自动化、信息系统的整合，提高生产效率，减少人力资源的投入。针对实际生产使用中出现的问题改进工装模具的设计与加工，设计和制定合理的生产规范，保证产品质量的稳定。由大连交通大学承担，绍兴力博电气有限公司等承担的国家“十二五”科技支撑计划项目课题“高纯无氧铜带连续挤压新技术与装备开发”，其重点任务就是研究解决上述问题。

4.1.4 铜镁合金

铜镁合金连续挤压主要用于制造高速列车接触线以及承力索铰线，其中以高速列车接触线为重点应用方向。高速列车接触线主要指时速250公里以上的列车接触线，其中镁的含量约为0.3%～0.5%。随着中国及世界其他发达和发展中国家对高速铁路的需求，极大地促进了铜镁接触线技术和产品的发展。大连康丰科技有限公司研制的铜镁合金专用连续挤压设备，成功实现了高速列车接触线坯的连续挤压生产，目前已有多条生产线在国内外企业投入运行。

4.1.5 黄铜合金

黄铜线材具有高强、耐蚀、易切削和低成本等特点，主要应用于制造各种建筑配件、制锁、接插件、端子、镜架、拉链、条帽和弹簧等。作者等人针对目前广泛应用的 H62、H65、H68、H80、H85、H90、H98等多种黄铜合金，开展了一系列的连续挤压相关研究，初步掌握了黄铜连续挤压工模具结构、变形速率和变形温度的相互影响规律，尤其针对黄铜变形抗力大、热效应明显、变形温度高等现象，设计合理的工模具结构、针对性的选择工模具材料，以延长工模具使用寿命，降低生产成本，提高生产效率为目标，解决了实际生产过程中遇到的一系列问题，在黄铜线材、棒材、型材等方面都取得了实质性的成果。

4.2 铝及合金的连续挤压

4.2.1 制冷用铝管制造技术

连续挤压铝管主要分为:铝圆管和多孔扁管。铝料品种主要有:1050、1060、1100、3003、6063等软铝及铝合金。生产的铝圆管的尺寸范围为:φ(5～50)mm×(0.5～2.5)mm。冷凝管用多孔扁管尺寸范围为:宽度为16～70 mm，壁厚为1.5～2 mm。

制造小直径薄壁制冷用管的传统工艺方法是:热挤压+减径拉伸，但该方法设备投资大，工序多，成材率低。连续挤压技术的应用使得这一难题得以解决。该方法与传统工艺相比具有如下优点:①一次成形获得最终尺寸的产品，大大简化了生产工序、缩短了生产周期;②无压余及工序间废料，成材率可达95%以上;③不需加热设备，节约能源;④连续生产，无间隔时间，生产率高，自动化程度高;⑤可生产超大长度的产品，有利于制冷管应用厂家自动化生产;⑥投资省，占地面积小[16]。连续挤压生产的铝圆管与常规挤压相比，尺寸精度和表面光洁度高，可与拉制品媲美，而且表面没有任何油污，这是拉制品无法相比的。制品头尾的组织性能均匀一致。铝管产品可以成卷供应，也可以直材供应，方便灵活。

基于上述特点，连续挤压方法生产的铝管已广泛应用于冰箱冷凝管、汽车空调散热器管、空调、天线管等领域。

4.2.2 铝变压器带

铜价的居高不下，使铝带绕组变压器市场份额快速增长，尤其在30 KVA功率以下，变压器中已经开始部分使用铝带绕组。铝带绕组相对于目前的铝导体而言属于大规格产品，作者等人在工程化实现过程中，借鉴了部分铜板带连续挤压方面的经验，尤其是针对性地设计和研发了大型的铝排及铝带连续挤压生产线，以适应大规格铝产品的连续挤压生产，并在实际中解决了多杆料结合、大扩展比成形、产品质量控制、生产效率提高以及生产辅机配套等问题，取得了良好的经济效益。

4.2.3 汽车用铝合金型材

传统的汽车用铝合金型材生产线占地面积大、加工工艺复杂、设备投资大。由于采用上引铸造法生产铝及其合金杆的技术已经成熟，并在行业内开始广泛使用，为采用连续挤压技术生产各种汽车用铝合金型材奠定了重要基础。实际生产过程中需要解决的工程技术问题包括成形工艺研究、模具结构设计、产品质量稳定性控制、生产效率提高等。

4.3 双金属复合线连续挤压生产

4.3.1 铝(合金)包钢复合线

目前，我国城市电网和农村电网将迎来大规模建设和改造时期。由于铝包钢复合线具有优异的耐大气腐蚀性，与钢芯铝绞线相比导电率提高了5%～8%，在重量方面降低5%～6%，即吨长度增加2%～10%，在强度方面增加2%～4%，因此备受青睐，也成为重要的送电线路器材。因此，铝包钢连续挤压关键技术研究，包括铝(合金)杆料和芯线的环保型预处理、芯线高效同步加热技术、包覆层体积比自动控制系统、生产线智能运行控制系统等新技术的研究开发受到重视，铝包钢复合线连续包覆挤压技术具有更好的发展前景。

4.3.2 锌包钢复合棒材

锌包钢复合棒材主要用作接地极，既具有钢的高强度、较高的热稳定性，又具有阴极保护的功能，避免了接地装置与阴极保护重复投资和施工的浪费，使用年限可达50年以上，是一种新型接地产品。连续挤压生产锌包钢复合棒材具有工艺流程短、成品率高、无污染、生产效率高等优点，但尚需要解决锌的成形性研究、模具材料的选择、生产过程防氧化保护技术、产品盘卷或定尺锯切等工艺和技术方面的问题。

4.4 护套连续包覆技术

4.4.1 超大直径高压电缆护套

高压、超高压交联电力电缆的用量随着社会用电量的提高而不断增加，超高压、大截面的交联电力电缆需采用金属皱纹铝护套来实现承受电缆短路电流、径向防水以及承受抗侧压力，目前这种超大直径高压电缆护套的生产主要有氩弧焊纵包和卧式挤包两种方式。铝带氩弧焊纵包采用经过压延的厚度均匀的铝板，经清洗、精切、纵包、焊接、在线检测、轧纹过程来实现，但由于氩弧焊难以实现大长度的生产，并且对焊缝的宽度、薄厚、焊接处的强度要求较高，故工艺复杂、工序繁多。卧式挤包技术采用铝坯在半熔融状态下连续挤包在电缆绝缘线芯上，挤出温度高达460℃，会对电缆内部结构造成不良影响而降低电缆使用寿命，且生产成本高。大连康丰科技有限公司采用专利技术——多通道锥模连续挤压技术[17]，实现了超大直径高压电缆护套的连续包覆。国内目前在超大直径连续包覆技术和设备方面，代表性企业还有合肥神马科技集团有限公司，已经向市场推出了两种型号的大直径铝护套连续挤压设备。

4.4.2 铅合金护套

海底电力电缆、地下水水位高且地下水腐蚀性较强地区的电缆都必须选用铅护套，但由于纯铅护套机械强度和抗振性能差，目前多数采用铅合金护套，适合于采用连续挤压包覆法生产。

5 结语

国内外在连续挤压技术理论研究以及工程化应用方面都取得了较多成果，但连续挤压技术在自身发展和应用过程中仍面临许多挑战，如连续挤压技术在成形理论、工具设计、设备性能等方面和在铜、铝合金的应用，无氧铜带的制坯等新领域的开发方面需进一步深入研究。目前，从市场对于连续挤压技术的需求和其自身的发展来看，其未来的发展趋势主要为:

(1)连续挤压设备大型化。产品尺寸规格的增大，对连续挤压设备的需求最直接的就是设备的大型化，无论铜和铝的连续挤压，还是连续包覆都对设备大型化提出了要求。

(2)连续挤压技术开发与应用。大规格的铜、铝板带，大截面铜异型材，铜管，大直径铝型材和铝管等，无论从成形理论、成形工艺以及设备选型等方面，国内外有关应用研究报道均较少，是未来重要研究方向。

(3)加工产品的拓展。目前的连续挤压设备及技术主要可以实现铝、铝合金、铜以及部分铜合金的连续挤压生产，但用户希望更多的产品能通过连续挤压的方法生产，以节约成本和降低对环境负荷。此外，针对部分贵金属材料的特性，开发专用的连续挤压设备和技术，对于提升贵金属材料加工水平具有重要意义。

(4)复合材料连续挤压生产，包括双金属复合材料连续包覆。由于某些金属材料价格昂贵或某些特殊用途的材料对抗腐蚀等的严格要求，需要进行双金属连续挤压包覆加工。根据材料性能的特殊要求，需要进行金属之间或金属非金属之间材料的连续挤压加工。

(5)材料的循环使用。连续挤压技术的特点使其对加工材料的状态要求相对宽松，各种加工过程产生的边角余料，从粉末状到不规则颗粒状都可以通过连续挤压设备重新加工成不同规格和形状的成品，材料循环利用要求的提高，以及对再加工过程能源消耗的严格控制，使其成为未来重要的研究方向。

(6)连续挤压技术与设备自动化方面。主要包括生产过程自动化水平提高、自动化控制与信息技术集成、产品质量智能化监控、人工参与和操作机会减少等。

ReferenCeS

[1]Tirosh J，Grossman G，et al.Theoretical and Experimental Study of the COMFORM Metal Forming Process[J].Transactions of the ASME，1979(3):116－120.

[2]Li Mingdian(李明典)，Song Baoyun(宋宝韫).Study of the Velocity Field and the Stress Field in the CONFORM[C]∥Advanced Technology of Plasticity(先进塑性技术).Beijing:Proc.Fourth Int.Conf.on Technology of Plasticity，1993:668 － 673.

[3]Zhong Yi(钟 毅).Continuous Extrusion Technology and Application(连续挤压技术及应用)[M].Bejing:Metallurgical Industry Press，2004.

[4]Liu Yuanwen(刘元文)，Song Baoyun(宋宝韫)，Gao Fei(高 飞).电缆铝护套连续挤压包覆型腔设计的均压判定准则[J].Journal of the China Railway Society(铁道学报)，1997(4):91－95.

[5]Zhang Xinyu(张新宇).铝包钢丝连续包覆挤压力的上限计算[J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)，1999(3):46－51.

[6]Fan Zhixin(樊志新)，Song Baoyun(宋宝韫).连续挤压变形力学模型与接触应力分布规律[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals(中国有色金属学报)，2007(2):283－289.

[7]Song Baoyun(宋宝韫)，Song Nana(宋娜娜)，Chen Li(陈 莉).宽铜母线连续挤压扩展成形挤压力的分析[J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)，2011(4):6－10.

[8]He Youliang(贺幼良)，Bai Guangrun(白光润)，Song Baoyun(宋宝韫).连续包覆型腔内应力应变分布的三维有限元分析[J].Metal Forming Technology(金属成形工艺)，1999(4):38－40.

[9]Chen Li(陈 莉)，Song Baoyun(宋宝韫)，Yun Xinbing(运新兵).铜扁线挤压模腔内材料成形的数值模拟[J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)，2003(6):66－69.

[10]Xie Lingling(谢玲玲)，Song Baoyun(宋宝韫).铜母线连续挤压扩展成形过程的三维有限元数值模拟[J].Forging ＆ Stamping Technology(锻压技术)，2005，(3):72－75.

[11]Yun Xinbing(运新兵)，Song Baoyun(宋宝韫).连续等径角挤压及其成形过程的三维数值模拟[J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)，2006(4):38－42.

[12]Zhao Ying(赵 颖)，Song Baoyun(宋宝韫)，Yun Xinbing(运新兵).平行流铝管连续挤压金属流动的数值模拟[J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程学报)，2007(2):58－63.

[13]Zhao Ying，Song Baoyun，Pei Jiuyang，et al.Study on Metal Flow in Cable Aluminum Sheath Continuous Extrusion Cladding Using FEM Analysis[J].Advanced Materials Research，2011(189－193):1 934－1 940.

[14]He Deang(贺德昂)，Song Baoyun(宋宝韫)，Yu Xin(于欣).连续挤压机主轴系统的有限元建模及分析[J].Machinery Design ＆ Manufactrre(机械设计与制造)，2003(5):61－63.

[15]Chen Jiguang(陈吉光)，Fan Zhixin(樊志新).Song Baoyun(宋宝韫).连续挤压设备的机构运动计算机模拟[J].Machinery(机械制造)，2004(2):27－28.

[16]Song Baoyun(宋宝韫)，Fan Zhixin(樊志新)，Chen Jiguang(陈吉光)，et al.铜、铝连续挤压技术特点及工业应[J].Chinese Journal of Rare Metals(稀有金属)，2004(1):257－260.

[17]Song Baoyun(宋宝韫)，Fan Zhixin(樊志新)，Jia Chunbo(贾 春 博).Four-Channel Tapered Die Forming Vertical Continuous Extrusion Cladding Method and Equipment(四通道锥模成形立式连续挤压包套方法及设备):China，CN200910310324[P].2010－06－02.