挤压工艺全解析：原理、分类、材料、设备与应用

挤压成型是现代制造业中应用最广泛的工艺之一，适用金属、塑料、陶瓷等多种材料。根据性能要求可分为热挤压与冷挤压，金属热挤压还能提升材料强度。

本文将全面解读挤压工艺的定义、应用、工作原理、工艺流程、适用材料、设备选型、工艺分类及优劣势。

什么是挤压工艺？

挤压是一种制造成型工艺：将坯料置于容器内，施加高压迫使其通过预制模孔，获得特定横截面形状和轮廓的制品。该工艺可生产固定横截面的型材。工作时，材料在模孔挤压下形变，截面形状与模孔一致。挤压制品统称为"挤压件"。

挤压比定义为坯料初始横截面积与最终挤压件横截面积之比。挤压工艺的一大优势是挤压比可很大且仍能保证件质优良。该工艺能成型极复杂截面，且能加工脆性材料，因为材料仅承受压应力和剪切应力。挤压件表面质量优异，赋予设计极大自由度。

挤压与拉拔相似，但拉拔利用材料抗拉强度将其拉过模孔，常用于生产线材、棒材、管材。拉拔受限于简单形状，通常需多道次，而挤压可一次成型。

挤压可连续生产（理论上无限长）或半连续生产（多件）。常用材料：金属、聚合物、陶瓷、混凝土、粘土、食品原料。

挤压工艺的应用领域

挤压制品无处不在。挤牙膏时膏体从孔口挤出的形状、裱花袋挤出糖霜的过程，都是生活中的挤压成型实例。

塑料挤出成型可生产恒定截面的长条制品：管材、排水槽、窗型材、装饰条。PVC、LDPE、HDPE、PP等热塑性材料均可挤出。热塑性塑料挤出件典型应用：

• 电线电缆绝缘护套
• 标牌、采光板、冰箱内胆用平板
• 照明灯具型材
• 绳索、刷丝、合成纤维用单丝
• 水、燃气、污水、排水管道及软管

工业金属挤压应用：

• 管材、空心管生产
• 铝型材广泛用于各行业结构件
• 汽车零部件大量采用挤压工艺

更多应用见"挤压工艺材料"章节。

注：挤压工艺的核心功能是制造固定横截面和轮廓的制品。

挤压工艺流程

热/温挤压始于坯料加热，装入挤压机容器。垫块置于坯料后，压杆推动坯料通过模孔。挤出件经拉伸矫直，再按性能要求进行冷加工或热处理。

热挤压工艺

属热加工，温度高于材料再结晶温度。可防止加工硬化，降低变形阻力。多在卧式液压机上进行，吨位230-11,000公吨（250-12,130短吨），压力30-700 MPa（4,400-101,500 psi）。需润滑：低温挤压用油或石墨，高温挤压用玻璃粉。

不同金属热挤压温度差异大：镁、铝、铜、钢、钛、镍、难熔合金等均有特定温度窗口。

冷挤压工艺

室温或近室温下进行。优势：无氧化、冷作硬化提高强度、尺寸精度高、表面质量好、挤压速度快。常用材料：铅、锡、铝、铜、锆、钛、钼、铍、钒、铌、钢。典型应用：软管、灭火器筒体、减震筒、齿轮毛坯。

温挤压工艺

适用于黑色/有色金属及合金。温度高于室温但低于再结晶温度，通常424-975°C（800-1800°F）。旨在平衡变形力、塑性与最终性能。

摩擦挤压

旨在制备金属基复合材料的均质微观组织和颗粒分布。与常规挤压本质不同：坯料相对模孔旋转。挤压力推动坯料抵靠模孔。模孔或坯料可单向旋转或反向共转。相对旋转运动带来显著效应：

• 旋转平面产生巨大剪切应力
• 接触层及近模区发生塑性变形
• 塑性变形通过恢复再结晶释放热量，显著加热坯料
• 无需辅助预热，潜在能效更高

此外，相对旋转区的剧烈塑性变形可促进粉末固相焊接，对片屑、切屑等细分前驱体有效实现挤压前固相致密化（摩擦致密化）。

微挤压工艺

亚毫米级微成形挤压工艺。常规挤压将金属推过模孔，但微挤压产品截面可通过1mm见方孔径。正向挤压压杆与坯料同向运动，反向则相反。

挤压工艺常用材料

挤压材料涵盖金属、木材、塑料、陶瓷，详述如下。

金属材料

金属是最常用挤压材料。材料种类决定加工温度，性能要求也是选材因素。常见金属及典型应用：

铝 —— 应用最广的挤压材料，可热挤也可冷挤。加热温度300-600°C（575-1100°F）。典型制品：轨道、框架、导轨、框架、散热器型材。

黄铜 —— 常用于工程件、汽车零部件、管接头、耐腐蚀圆棒。

铜 —— 用于管、线、棒、管、焊条挤压。工作温度600-1000°C（1100-1825°F）。

铅与锡 —— 用于管、线、电缆护套挤压，最高温度300°C（575°F）。熔融铅亦可用于垂直挤压替代坯料。

镁 —— 核工业件、航空航天件大量采用，温度300-600°C（575°F）。挤压性接近铝。

锌 —— 五金配件、扶手、管、棒、杆等，温度200-350°C（400-650°F）。

钢 —— 棒材、轨道等，温度1000-1300°C（1825-2375°F）。合金钢、不锈钢均可挤压，但多以碳钢为主。

钛 —— 航空座椅轨道、发动机环件等结构件，温度600-1000°C（1100-1825°F）。

塑料材料

塑料挤出常用切片/粒料，预干燥除湿。挤出机料斗进料，加热元件与螺杆剪切热共同熔融。单螺杆或双螺杆将熔体推过模具成型。

挤出件经水槽或模后冷却定型。为保证质量，牵引机提供恒定张力。切粒机也可提供张力但稳定性较差，易导致切粒长度波动或制品变形。

塑料挤出工艺示意图：

观看视频了解塑料挤出全过程：

陶瓷材料

陶瓷亦可挤压成型。许多现代砖块采用砖块挤压工艺生产。

挤压设备

挤压设备按以下四大特征分类：

• 模孔相对压杆运动方式：正向挤压（模孔固定、压杆前进）与反向挤压（压杆固定、模孔前进）
• 机架布置：立式或卧式
• 驱动方式：液压或机械
• 载荷特性：常规（变载荷）或静液压

设备核心部件：单/双螺杆（电机驱动）或压杆（液压/油压驱动）。现代正/反向挤压机多为液压驱动，小型机械压力机仍有应用。液压机分直驱油压机和蓄能器水压机。

挤压设备结构示意图：

直驱油压机最常见，可靠耐用，压力超35 MPa（5000 psi），坯料受力恒定。但速度较慢，50-200 mm/s（2-8 ips）。

蓄能器水压机造价高、体积大，行程中压力损失约10%，但速度可达380 mm/s（15 ips），适合挤压钢材。亦可用于超高温材料出于安全考虑。

挤压工艺分类

按金属流动方向分类

正向挤压（前向挤压）

金属流向与压杆进给方向一致。压杆向模孔推进。因坯料与容器壁摩擦大，需较大挤压力。工业应用最广。工作时坯料装入厚壁容器，压杆或螺杆推动通过模孔。压杆与坯料间设可复用垫块隔离。

主要局限：起始阶段摩擦力大，挤压力随坯料消耗逐渐下降，末端坯料变薄、金属径向流动致力陡增。

反向挤压（后向挤压）

金属流向与压杆运动方向相反。模孔设在压杆运动相反侧，金属通过冲头与容器环形间隙流出。坯料与容器同步运动，模孔固定。长于容器的"芯轴"固定模孔。挤压件最大长度受芯轴柱强度限制。坯料随容器运动消除了摩擦力。

反向挤压优势：

• 摩擦减少25-30%，可挤压更大坯料、提高速度、成型更小截面
• 无摩擦热，挤压件开裂倾向低
• 容器衬套磨损少，寿命长
• 坯料利用均匀，缺陷少、粗晶少

反向挤压劣势：

• 坯料表面缺陷杂质直接影响制品表面质量
• 截面面积受限，通用性不如正向挤压

静液压挤压

利用流体向坯料施压。坯料不与筒壁、压杆接触，消除摩擦。坯料与压杆间充流体，压杆压流体再传压坯料。常用植物油作介质。存在泄漏风险和挤压速度不可控问题。可热/温/冷态进行，但温度受流体稳定性限制。需密封容器装载静液压介质。

加压方式两种：恒速挤压（压杆/柱塞加压容器内流体）；恒压挤压（泵加压，配压力放大器，泵入容器）。

静液压挤压优势：

• 无摩擦，所需力大幅降低
• 可实现更高速度、更大变形比、更低坯料温度
• 高压下材料塑性提高
• 容器壁无残留坯料
• 可挤压大坯料和大截面

静液压挤压劣势：

• 坯料端部需锥度加工匹配模孔入口角以形成密封
• 整根坯料需精加工去除表面缺陷
• 高压流体获取困难
• 挤压末端需保留坯料残余或硬质塞堵防流体骤泄

按工作温度分类

热挤压： 高于再结晶温度（通常为熔点50-60%），变形力小、易加工、无应变硬化，但设备维护成本高。

冷挤压： 室温或再结晶温度以下。力学性能高、表面质量好、无表面氧化，但变形力大、伴随应变硬化。

挤压工作原理

原理直观易懂。常规法用活塞/柱塞对坯料施加压应力。热挤压预热坯料，冷挤压用室温坯料。装入挤压机（类活塞缸装置），坯料置于缸内，活塞推动。缸上端安装模孔。活塞推动坯料通过模孔成型。高压使材料流经模孔获得目标形状。脱模后工序完成。

观看视频深入理解挤压工作原理：

挤压工艺优劣势

优势

• 冷挤压可获高力学性能
• 复杂截面易于成型
• 可加工脆性与塑性材料
• 挤压比高

劣势

• 初始建模/设备投入大
• 需极大压应力

结语

挤压工艺是现代制造核心工艺之一，适用金属、塑料、陶瓷等多材料，可热/温/冷态实施。其本质是强迫坯料通过预制模孔获得特定截面型材。本文系统涵盖定义、应用、原理、工艺、材料、设备、分类、优劣势，为工程应用提供全维参考。

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