擠壓

extrusion

擠壓，特別是冷擠壓，材料利用率高，材料的組織和機械性能得到改善，操作簡單，生產率高，可製作長杆、深孔、薄壁、異型斷面零件，是重要的少無切削加工工藝。擠壓主要用於金屬的成形，也可用於塑料、橡膠、石墨和粘土坯料等非金屬的成形。17世紀法國人用手動螺旋壓力機擠壓出鉛管，用作水管，是為冷擠壓之始。19世紀末實現了鋅、銅和銅合金的冷擠壓，20世紀初期擴大到鋁和鋁合金的擠壓。30年代德國人發明磷化、皂化的表面減摩潤滑處理技術，使鋼的冷擠壓獲得成功，最初用於擠制鋼彈殼。第二次世界大戰後，鋼的冷擠壓推廣到其他國家，並擴大了應用範圍。50年代開始採用熔融玻璃潤滑法，鋼的熱擠壓遂在冶金和機械工業中得到應用和發展。

分類

擠壓按坯料温度區分有熱擠壓、冷擠壓和温擠壓3種。金屬坯料處於再結晶温度（見塑性變形）以上時的擠壓為熱擠壓；在常温下的擠壓為冷擠壓；高於常温但不超過再結晶温度下的擠壓為温擠壓。按坯料的塑性流動方向，擠壓又可分為：流動方向與加壓方向相同的正擠壓，流動方向與加壓方向相反的反擠壓，坯料向正、反兩個方向流動的複合擠壓。

由於用擠壓機加工的食品優點很多，所以，它在食品加工業中得到了廣泛的應用，迅猛發展起來，總括起來，擠壓加工具有下面幾個特點 ^[1]  ：

(1)多變性好可在同一擠壓機上依靠改變物料品種、配方和加工條件而得到多種多樣的食品。

(2)生產能力大一台擠壓機提供了從輸送到擠壓連續加工的裝置，佔地面積小，但比其他任何同體積蒸煮成形裝置的生產能力都大得多。

(3)成本低單位產品所要求的勞動力、設備空間及能耗比其他蒸煮成形裝置小，成本低，效益高。

(4)產品形狀多種多樣擠壓機可以靠改變模頭形式、切割方法，生產出其他加工方法難以生產的各種形狀。

(5)產品質量高高温、高壓、短時(HHS)加工使澱粉糊化和蛋白質變性，從而改變了食品的可消化性，這種加工使食品的營養損失最小，同時卻能破壞食品中的大多數不良因素，並有滅菌作用。

(6)能量利用率高擠壓成形加工裝置是在物料中水分含量相對低的情況下蒸煮各種食品，這就使蒸煮和蒸煮後食品的再幹燥所耗能量大大減少。

(7)新食品的生產容易擠壓機可使蛋白質、澱粉和其他食品成分改性，生產出新產品。

(8)食品原料幾乎無損失擠出機在嚴格的控制下幾乎是進多少原料就出多少產品，過程中沒有原料流失，同時也不產生污染物，這是食品擠壓加工的一個非常重要的優點。

擠壓加工的這些優點正好符合人類的可持續發展戰略，因而是大有前途的 ^[1]  。

熱擠壓廣泛用於生產鋁、銅等有色金屬的管材和型材等，屬於冶金工業範圍。鋼的熱擠壓既用以生產特殊的管材和型材，也用以生產難以用冷擠壓或温擠壓成形的實心和孔心（通孔或不通孔）的碳鋼和合金鋼零件，如具有粗大頭部的杆件、炮筒、容器等。熱擠壓件的尺寸精度和表面光潔度優於熱模鍛件，但配合部位一般仍需要經過精整或切削加工。冷擠壓原來只用於生產鉛、鋅、錫、鋁、銅等的管材、型材，以及牙膏軟管（外面包錫的鉛）、乾電池殼(鋅)、彈殼（銅）等製件。20世紀中期冷擠壓技術開始用於碳素結構鋼和合金結構鋼件，如各種截面形狀的杆件和杆形件、活塞銷、扳手套筒、直齒圓柱齒輪等，後來又用於擠壓某些高碳鋼、滾動軸承鋼和不鏽鋼件。冷擠壓件精度高、表面光潔，可以直接用作零件而不需經切削加工或其他精整。冷擠壓操作簡單，適用於大批量生產的較小製件（鋼擠壓件直徑一般不大於100毫米）。

温擠壓是介於冷擠壓與熱擠壓之間的中間工藝，在適宜的情況下采用温擠壓可以兼得兩者的優點。但温擠壓需要加熱坯料和預熱模具，高温潤滑尚不夠理想，模具壽命較短，所以應用不甚廣泛。

在食品工業中，擠壓是指以糖類或蛋白質為主要成分的原料，在內部裝有螺桿的密封筒體內，在加温、加壓情況下，經受摩擦力、剪切力作用，短時間內改變了原料的組織結構，然後由一定形狀的擠出模擠出後切斷、冷卻生產產品的技術 ^[2]  。

擠壓食品加工原理：擠壓食品的加工過程與通常食品加工的蒸煮、熟化過程完全不同，擠壓食品的加熱、熟化和擠壓成形是在一台擠壓機內，用很短的時間幾乎是同時完成的。其加工的大致過程是：食品原料按不同的配方混合，經過預處理後，進入螺桿擠壓機中，在螺桿的轉動作用下，被揉捏成一種有粘性和塑性的麪糰，進而繼續受到剪切和加熱作用，並在模頭的控制下產生一定的壓力，結果使澱粉糊化、蛋白質變性、酶失活、微生物減少。所有這些過程一般是在5～10s內完成的，最長也不過lmin時間，其温度可達200℃，所以，人們把這種擠壓加工過程稱為高温短時(HTST)過程，如圖1—1所示。在製做膨化食品時，模頭前物料的壓力可達10MPa以上，所以，目前又把這個過程稱為高温、高壓、短時過程(HHS)。食品在被擠出模頭時，由於壓力的突然下降，水蒸氣迅速膨脹和散發，使產品形成多孔結構，這與通常烤制餅乾和二次膨化的食品的熟化過程完全不同，這種擠壓過程中的特殊加熱、加壓方式，能對食品產生有利的影響，如使食品的可消化性、速食性、滅黴率等趨於最大，而對食品的有害影響如褐變、對營養的破壞趨於最小 ^[1]  。

擠壓力是決定凹模強度和選擇擠壓機公稱壓力的主要因素。擠壓力的大小與凸模的加壓面積、坯料在擠壓温度時的機械性能、變形程度、模具形狀、潤滑效果等因素有關。在冷擠壓硬鋁、銅等材料時，單位面積擠壓力一般在1000牛/釐米2以下；冷擠壓碳鋼和合金鋼時一般都在 1000牛/釐米2 以上，高的可達2500～3000牛/釐米2 。因為單位面積擠壓力很大，承受脹應力的凹模大多采用2、3層預應力結構，以提高其強度和剛度，並使磨損僅出現於最裏面的一層，有利於模具的修理（只更換凹模的內層）。

冷擠壓硬鋁、銅和鋼等時，為降低材料的硬度、變形抗力和提高塑性，需要先對坯料進行軟化退火處理。熱擠壓則不需要經過退火處理。

潤滑和表面處理 為降低擠壓力和模具的磨損率，並防止金屬坯料與模具面的熱膠合，擠壓時必須有良好的潤滑。為使潤滑油脂在高壓下不被擠出，必須對坯料表面進行減摩和潤滑處理。最常用的方法是：先進行磷化，以形成粗糙多孔的磷酸鹽表層，再以皂質材料（如硬脂酸鋅、硬脂酸鈉）塗覆表層並使其充滿孔隙中。擠壓時，磷化層不斷地放出皂料而起有效的潤滑作用。温擠壓和熱擠壓因温度高，不適宜用磷化-皂化潤滑，一般採用玻璃粉(高温時熔融)、二硫化鉬、石墨等配成的油劑潤滑。

擠壓變形程度以坯料變形前後的斷面面積縮減率來表示。坯料在一次變形過程中不出現裂紋的極限變形程度稱為允許變形程度。坯料在三向壓應力下發生擠壓變形時，允許變形程度較高。在冷態正擠壓時，低碳鋼的允許變形程度在75%以上，而硬鋁、紫銅、黃銅等則可達90%以上，反擠壓時均略低。在熱態下，允許變形程度可大大提高，提高的幅度隨温度的升高而增大。變形程度大，所需的擠壓力也大，模具的磨損加快，且容易損壞，故一般不採用允許變形程度的極限值，例如在冷擠碳鋼時採用變形極限值的60%作為一次變形的允許程度。假如從坯料到成品的總變形程度很大，則分為幾個擠壓道次逐步成形。冷擠壓時，在各道次之間需要進行工序間的軟化退火。熱擠壓和温擠壓的允許變形程度較大，有利於降低擠壓力和減少擠壓道次。

擠壓加工在坯料處理、擠壓道次、擠壓力、模具壽命和擠壓設備方面依坯料和擠壓件要求的不同各有一些工藝上的特點。

延長模具壽命是降低擠壓加工成本的重要因素。模具可能由於凹模縱裂或成形型腔和型孔的磨損，使擠壓件的尺寸和形狀誤差超過允許值。前者通過正確的設計和製造可以避免；後者靠正確選擇模具材料及其熱處理和表面處理工藝、正確決定擠壓工藝和潤滑等措施來加以減緩，以延長其使用壽命。

小擠壓件一般用通用的機械壓力機、液壓機、螺旋壓力機擠壓。大型擠壓件和長擠壓件較多地使用專用擠壓機擠壓。

20世紀後半葉以來，出現了靜壓擠壓工藝。靜壓擠壓採用常温狀態下的正擠壓。坯料在凹模中受到注入的高壓液體的縱向和四周的靜壓作用，從型孔擠出。坯料四周與擠壓筒壁之間產生的靜壓液體摩擦的摩擦係數極低，坯料變形區的橫向壓應力比在一般擠壓條件下增大，對擠壓變形的抗力降低，使坯料的塑性進一步提高。高速鋼、鈦合金、鋯合金、鎳基合金等高強度低塑性金屬材料可用靜擠壓成形而不出現裂紋。但高壓密封問題有待完善，靜壓擠壓尚處於進一步研究階段。

光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。