有色金属挤压技术的现状研究及发展

中国电子科技集团公司第十二研究所 于森

在生产需求的促进作用下，有色金属加工业正逐步发展，相配套的技术手段趋于丰富，技术的应用水平有所提高。在有色金属的塑性成型生产模式中，挤压技术取得广泛的应用，其兼容压力加工、机械传动等多专业的知识，技术配套颇为成熟，若能够合理应用有色金属挤压技术，将有效保证产品加工的质量。为发挥出技术的优势，仍需加强研究，持续突破。

1 有色金属挤压现状与研究进展

1.1 正、反挤压技术成熟且应用广泛

挤压是有色金属加工中的重要环节，普遍采用的是正挤压技术，即金属的流动方向与挤压凸模的运动方向一致。经过长期的发展后，正挤压技术趋于成熟，实际操作便捷，生产灵活性突出，是铜、铝及其合金产品生产中的常见技术形式。此外，对于空心件金属产品的加工，也依然可以采用正挤压技术。显然，现阶段的正挤压技术已经具备理论成熟、适用范围广的突出特性，而与之相配套的生产设备也较为完善。

除了前述所提的正挤压技术外，反挤压技术也较为典型，其突出特点在于有色金属的流动方向与挤压凸模的方向相反。此项技术具有独特的优势，从力学特性的角度来看，在应用正挤压技术时，制品的纵、横向受力缺乏一致性，可能会由于力的差异化而导致产品出现形态层面的偏差，此时宜引入反挤压技术，有助于消除凹模和凸模两者间产生的摩擦力，从而减小力的不良影响，保证制得的产品的内外部具有更为良好的均质化特性，在保证产品质量的同时，废品率随之降低，资源的利用效率得以提高。

此外，在制作金属尺寸一致的产品时，反挤压技术也具有可行性，若能够合理优化技术并将各项细节工作落实到位，生产产量普遍可提高2.4～7.8 倍不等。也正是基于反挤压技术在保质量、提效率等多个方面的优势，其已经成为主流的零件加工技术，在其他手段无法加工时，反挤压技术将有效化解难题，突破技术的局限性，例如各式各样的套筒类零件、杯形件均可以借助该项技术加工成型。从现阶段的反挤压技术应用状况来看，其已经具有应用范围广、应用效果好的突出特点，在有色金属加工技术体系中占据举足轻重的地位。并且，与反挤压技术有关的研究工作仍在持续开展，随着理论的深入,相信该项技术在未来将取得更为显著的成果，为有色金属加工提供更加可靠的技术支撑。

1.2 挤压加工技术的阶段性发展

挤压加工技术主要在金属及其合金的生产中进行应用，覆盖到的行业生产领域广泛，包括但不限于建筑、航空、交通。自挤压技术诞生以来，后续的研究工作持续开展，相继在原始挤压技术雏形的基础上衍生出一系列新的工艺，相继推出配套化的新设备，诸如此类发展成果均给挤压技术应用水平的提升带来促进作用。纵观挤压技术的发展流程，总体上可分为四个阶段，彼此间具有循序渐进的关系，构成挤压技术的发展轴线。具体做如下分析：

（1）研发期：英国人S.布朗曼属于行业先驱者，于1797 年提出的液体铅管挤压机颇具代表性，揭开了挤压加工领域的序幕，为行业的发展奠定了基础。

（2）引入期：经过几十年的探索，1820 年T.布恩设计出首台液压挤压机，其构成了现代化挤压机结构的基础框架，包含挤压筒、模具、挤压轴等，通过各类零部件的联合应用，使挤压机初步具有生产功能。1896 年，多层挤压筒应运而生。后续，克虏伯- 格鲁逊于1904 年制造出四张立柱挤压机，是挤压技术产品配套领域的突破性发展节点。此后相继有更多学者加大研究力度，于1955 年，钢及难变形金属的挤压加工技术取得显著的突破，将挤压加工水平提升至全新的层次。

（3）发展期：20 世纪 40～50 年代，苏联工业发展势头良好，在此期间制造出80MN 双动铜挤压机及大型挤压机，设备的生产水平进一步提升。1963 年，日本制造出油泵直接传动模式的挤压机，但受技术及生产能力的限制，挤压力相对有限，普遍在30MN 以内，并且也主要应用于挤铝及铝合金生产中。

（4）成熟期：在前期技术积淀之下，近三十年来挤压技术的发展逐步迈入成熟期，此阶段具有技术研发“全面开花”的特点，规格、品种、产量等方面均有显著的突破，原本棒、管材挤压等常规形式也随之升级，空心或实心的复杂截面型材的挤压技术趋于成熟。于我国，在技术人员的持续探索下，也在较短的时间内缩短与全球发达国家的技术差距，金属挤压加工技术体系趋于完整，技术应用水平得以提升。

金属挤压加工的实质便是提供某特定的外力作用，使待加工的材料在耐压容器内承受三向压应力，受力的作用，材料出现塑性变形现象，而后经由特定形状、尺寸的孔或间隙挤出，最终得到满足尺寸要求和形状要求的挤压制品。金属挤压加工得以实现的关键在于同时满足如下三项条件：

（1）金属处于三向压应力状态。（2）存在足够的应力作用，以便使金属出现塑性变形现象。（3）存在特定的孔或间隙，以便金属材料在经过挤压后可经由该处流出，同时还需提供一个阻力最小的方向。

1.3 挤压机的参数化控制

信息技术逐步发展，受惠于此，挤压机所具备的自动化运行水平逐步提高。控制方式更为成熟，现今PLC 成为主要的控制方式。加之人机交互理念的引导，挤压机的控制机制更为灵活，设备可根据预设的参数高效运行，用户则能够以实际需求为准调整参数，以满足生产要求。在挤压机的运行全流程中，锭坯被挤压轴从模具孔挤出属于重点环节，在以往的控制模式中，碍于理念、技术滞后的缘故，调控的对象有限，主要对挤压时的速度予以控制，但挤压全程的控制性因素较多，仅控制速度的方法难以取得良好的挤压效果。随着研究的深入，挤压过程中的指标控制范围有所扩宽，除了速度外，温度也成为重点考虑对象，研究时考虑的技术细分模块逐步增加，在理论的深化以及技术的成熟之下，挤压的参数控制模式更具合理性，更有利于挤压作业的高效开展，有色金属等相关材料的挤压效果也得到改善。

2 有色金属挤压加工技术的优势与劣势

优势分析：

（1）相比于轧制技术，有色金属挤压加工技术的适用范围较广，可突破传统方法的局限性，并且还可以根据实际生产要求锭坯。（2）面对复杂度较高的生产作业，有色金属挤压加工技术仍具有可行性，例如对于变断面的型材、断面复杂的管材而言，该项技术可得到有效的应用，合理操作后，加工后的产品质量可靠。（3）现阶段，市场需求多样化，有色金属挤压加工技术的灵活性较强，单台设备配套多类模具，根据实际需求更换特定的模具，以满足各类规格产品的加工要求。

劣势分析：

（1）在应用有色金属挤压加工技术时，往往存在较多的金属固定废料，材料的利用率有限。（2）加工效率较低，面对批量化的产品加工需求时，其可行性欠佳。

经过对有色金属挤压加工技术优势、劣势两个方面的分析后，建议在工件加工时，需以实际需求为导向，判断该项技术是否具有应用价值，在此前提下，妥善应用该项技术，例如管材生产断面复杂、规格繁多时，可采用该项技术。

3 有色金属挤压加工的发展趋势及其对生产设备的新要求

（1）发展趋势分析。随着行业技术的发展，铜、铝、镁等金属的挤压加工彰显出优越性，其产品被广泛应用于航天航空、国防军工等领域，对于促进社会经济的发展而言有重要的作用。以航天航空领域为例，则时常可见镁合金挤压材、铝合金挤压材的“身影”，其性质稳定，且具有轻质化的特征；又以电力能源领域为例，铝合金的管材和型材占据较大的比重，具体可应用在电线电缆、输电汇流排等方面；而对于电子电器领域，镁合金挤压材的应用频率较高，例如智能手机、笔记本电脑均采用此类材料。

（2）对挤压设备的新要求。首先，随着社会经济的发展，铝合金挤压材、镁合金挤压材等相关材料的使用量增加，此时对挤压机的产能提出更高的要求，需要以保证产品加工质量为前提，尽可能提高效率，为此应注重设备产能的提升。其次，有色金属挤压材的种类愈发丰富，各自的性能存在差异，因此需要匹配特定功能的挤压机，除了正、反挤压机外，诸如有效摩擦挤压机等均要得到充分的重视。再次，有色金属挤压材逐步朝着复杂化、大型化的方向发展，相配套的挤压机也应具有大型化的特征。最后，在社会经济良好发展的背景下，挤压材的供应水平也应提高，从挤压机的角度来看，其需要具有自动化的特征，因此在未来的挤压机研发、生产中，需要将自动化作为重点发展目标，并力争实现系列化、标准化，充分发挥出挤压机的生产力优势，由其高效产出高质量的产品，给加工提供硬件支持。

4 正向挤压法

正向挤压示意图，如图1 所示。结合图中信息展开分析，挤压轴1沿着箭头方向发生移动，在此过程中挤压垫片2 发挥出“承上启下”的作用，将产生的挤压力传递至锭坯3，在该部分力的作用下，有色金属从模具5 的孔中挤出，此时形成特定形状的挤压制品7。对于空心制品的挤压，有色金属原材料将经由模具和穿孔针的间隙流出，由此形成特定的产品。在该挤压方式下，受挤压力的推动作用，挤压筒内衬4 的有色金属将被模桥做划分处理，即形成多股有色金属流，在此前提下，进一步于模具的焊腔中焊合，随后再通过模舌装置的应用，最终产生空心状的挤压制品。

图1 正向挤压示意图

正向挤压技术的应用优势有：

（1）适用范围较广，对设备无特定的要求，几乎适用于各类形式的挤压设备。（2）锭坯表面与挤压筒内衬表面两部分在接触过程中存在较强的摩擦力，在模具近处产生金属弹性区，根据此特点可以得知，尽管锭坯存在外部缺陷，也依然不会对挤压制品的表面形态造成影响；对于锭坯变形区，锭坯在该部位时存在较为强烈的剪切变形现象，经过处理后，将得到表面质量良好的挤压制品。（3）灵活性较强，在合理控制好挤压筒内径、挤压系数后，将制得外形合适的制品，能够满足绝大多数的生产需求。

5 反向挤压法

反向挤压示意图，如图2 所示。在图2（a）中，由于挤压筒的作用，实现对挤压力的高效传递，在该力学作用下，出现反向挤压现象。此时，原本装挤压轴的部分经过改装后得到特定的装置（堵板6），具有封堵的作用，即有效封住挤压筒内衬2 的一端，而为了满足加工产品的形态要求，在挤压轴的头部设模具3，依托于挤压力的作用，锭坯在模具3 孔中流出，从而得到满足特定形状要求的制品5。其他结构组成方面，图2（a）中的7指的是挤压筒外套。

图2（b）中，依托于锭坯装置，传递挤压力，以达到反向挤压的效果。在该装置的生产动作中，挤压轴8 沿着箭头方向移动，而由于存在较强的摩擦力作用，将连同挤压筒2 与锭坯1 共同运动，经过模具3 孔后，挤出特定的制品，即图中的5。

图2（c），呈现的是挤压空心制品示意图。

图2 反挤压法示意图

反向挤压的应用优势主要有：

（1）从挤压力的角度来看，相比于正向挤压的方法，反向挤压的该值明显更小。以黄酮的挤压加工为例，挤压力与锭坯质量的关系，如图3 所示。

图3 挤压力与锭坯质量关系

在挤压轴全行程中，挤压力维持相对稳定的状态，对温度的要求较低，在低温、高挤压系数的条件下，将有效挤压成某特定形状的产品，即便是难变形的材料，也将取得良好的挤压效果。

（2）在有色金属的反向挤压过程中，变形均匀性较好。（3）相比于正向挤压，成品率较高，原材料取得广泛的应用，资源效率提升，经济效益优势突出。

6 有色金属挤压加工技术的前景展望

（1）在挤压生产过程中，电子信息技术以及配套产品的应用水平逐步提高，成为挤压生产管理、产品质量控制等领域的“得力助手”，从而达到保质量、提效率、增效益等多重效果。

（2）以挤压机为核心所衍生出的外围配套设备也将逐步成熟，并且在后补设备的控制中，主机控制系统的应用水平将提高，整体控制机制运行良好，控制的可靠性以及灵活性得到保证。而触摸屏的配套应用则在操作者与机械设备间搭建起沟通的“桥梁”，有利于精细化控制，保证有色金属的挤压效果。在未来，随着需求的升级以及技术人员的持续探索，相信有色金属挤压技术将取得更为显著的发展成果。

7 结语

综上所述，有色金属加工产业的发展势头良好，诸如有色金属挤压技术等相配套的技术正日益成熟。在实际生产中，可根据需求合理应用有色金属挤压技术，保证有色金属制品的质量，提高生产效率。而在未来的探索路径中，需持续开展研究工作，在现有技术的基础上实现突破，提高技术的应用水平。