挤压与拉拔复习题答案.doc

挤压与拉拔复习题1、 什么是挤压？什么是正向挤压？什么是反向挤压？ 所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性成型方法。正向挤压：金属的流动方向与挤压杆（挤压轴）的运动方向相同的挤压生产方法。反向挤压：金属的流动方向与挤压杆（或模子轴）的相对运动方向相反的挤压生产方法。2、 正、反向挤压时的主要特征是什么？正向挤压：特征：变形金属与挤压筒壁之间有相对运动，二者之间有很大的滑动摩擦。引起挤压力增大；使金属变形流动不均匀，导致组织性能不均匀；限制了挤压速度提高；加速工模具的磨损。反向挤压：特征：变形金属与挤压筒壁之间无相对运动，二者之间无外摩擦。3、 什么是死区？死区的产生原因是什么？死区概念：在基本挤压阶段，位于挤压筒与模子端面交界处的金属，基本上不发生塑性变形，故称为死区。死区产生原因： a、强烈的三向压应力状态，金属不容易达到屈服条件； b、受工具冷却，s增大； c、摩擦阻力大。4、挤压缩尾的概念、形式及产生原因，减少挤压缩尾的措施。 挤压缩尾：挤压快要结束时，由于金属的径向流动及环流，锭坯表面的氧化物、润滑剂及污物、气泡、偏析榴、裂纹等缺陷进入制品内部，具有一定规律的破坏制品组织连续性、致密性的缺陷。三种：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾 A、中心缩尾 （1）筒内剩余的锭坯高度较小，金属处于紊流状态，径向流动速度增加。 （2）将锭坯表面的氧化物、油污等集聚到锭坯的中心部位。 （3）进入制品内部，形成中心缩尾。 随着挤压过程进一步进行，径向流动的金属无法满足中心部位的短缺，于是在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中空缩尾。 B、环形缩尾 （1）随着挤压过程进行，堆积在挤压垫与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和污物的金属会越来越多。 （2）挤压末期，当中间金属供应不足，边部金属开始发生径向流动时，这部分金属将沿着后端难变形区的边界进入锭坯的中间部位。 （3）流入制品中，形成环形缩尾。 挤压厚壁管材时，将形成内成层。 C、皮下缩尾 （1）死区与塑性流动区界面因剧烈滑移使金属受到很大剪切变形而断裂。 （2）表面层带有氧化物、各种表面缺陷及污物的金属，会沿着断裂面流出。 （3）与此同时，死区金属也逐渐流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩尾（外成层）或起皮。 减少挤压缩尾的措施 （1）对锭坯表面进行机械加工车皮。 （2）采用热剥皮挤压，如图2-14。 3）采用脱皮挤压， （4）进行不完全挤压留压余。 （5）保持挤压垫工作面的清洁，减少锭坯尾部径向流动的可能性。4、 挤压机的分类？什么是单动式挤压机、复动式挤压机？各自的主要用途是什么？按传动类型 分液压和机械传动两大类按总体结构形式 分为卧式和立式挤压机两大类按其用途和结构 分为型棒挤压机和管棒挤压机，或者称为单动式挤压机和复动式挤压机单动式挤压机：无独立穿孔系统。适合用实心锭挤压型材、棒材，用组合模挤压空心型材。使用随动针和空心锭也可以挤压无缝管材。 双动式挤压机：具有独立穿孔系统。适合于用空心锭或实心锭挤压无缝管材。采用实心锭也可以挤压型、棒材。6、挤压机的主要工具有哪些，各自的主要作用是什么？主要挤压工具 挤压模用于生产所需要的形状、尺寸的制品。 穿孔针（芯棒）对实心锭进行穿孔或用空心锭生产管材。 挤压垫防止高温金属与挤压杆直接接触，并防止金属倒流。 挤压杆用于传递主柱塞压力。 挤压筒用于容纳高温锭坯。辅助工具 模垫、模支承、模座（压型嘴、模子滑架）、挡环（支承环）、针支承、针接手、导路等等。7、模孔工作带的作用是什么？确定工作带长度的原则是什么？作用：稳定制品尺寸和保证制品表面质量工作带长度的确定原则： 最小长度应按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定，一般最短1.53mm。最大长度应按照挤压时金属与工作带的最大有效接触长度来确定。铝合金一般最长不超过1520mm。8、在什么情况下要采用多孔模挤压？多孔模设计时，如何布置模孔？ 挤压直径较小的棒材、简单断面的小规格型材、线坯等时，为提高挤压机生产效率，避免挤压比过大引起挤压力过高或挤不动等，造成锭坯过短，成品率太低等，采用多孔模挤压a、模孔布置在距模子中心一定距离同心圆上，且各孔之间的距离相等； b、孔与孔间、模孔边部距筒壁间应保持一定距离（见表5-2）。 同心圆直径D与挤压筒直径D0有如下关系： D=D0/a-0.1(n-2) （5-3） 式中a为经验系数，一般为2.52.8，通常取2.6。 9、型材模设计时，减少金属流动不均匀的主要措施有哪些？单孔模设计时，如何合理的布置模孔和设计工作带长度？（1）合理布置模孔 a、具有两个以上对称轴的型材，型材的重心布置在模子中心。 b、具有一个对称轴，且断面壁厚差较大的型材，型材重心相对模子中心偏移一定距离，且将金属不易流动的壁薄部位靠近模子中心（见图5-22）。c、壁厚差不太大，但断面较复杂的型材，将型材外接圆的圆心，布置在模子中心。 d、对于断面尺寸较小，或轴对称性很差的型材，可以采用多孔模排列（见图5-23）。（2）确定合理的工作带长度 型材断面壁厚不同，可采用不等长工作带。即：型材断面壁厚处的工作带长度大于壁薄处。也就是说比周长小的部分工作带长度大于比周长大的部分。不同壁厚处的模孔工作带长度可按下式确定： hF1/hF2 = sF1/sF2 或 hF1/hF2 = zF2/zF1 （5-4） 式中： hF1、hF2截面F1、F2处工作带 长度； sF1 、sF2 截面F1、F2处型材壁 厚； zF1 、zF2截面F1、F2处的比周 长。计算时，先根据经验给出型材壁最薄处的工作带长度hF1，再计算壁厚处的hF2 。模孔工作带的最小长度见表5-3。 比周长型材断面周长（或某一部分的周长）与其所包围的截面面积的比值。按上述计算方法确定了不同壁厚处的工作带长度后，还需按同心圆规则（参见图5-25）进行修正，最终确定距离模子中心不同部位的工作带长度。 同心圆规则： a、先以整个型材断面上金属最难流出处为基准点，该处的工作带长度一般可取该处型材壁厚的1.5 2倍 。 b、与基准点相邻区段的工作带长度可为基准点的工作带长度加上1 。c、当型材壁厚相同时，与模子中心距离相等处其工作带长度相同；由模子中心起，每相距10（同心圆半径）工作带长度的增减数值可按表5-4进行确定 。 d、当型材壁厚不相同时，模孔工作带长度的确定除应遵循上述规则外，还需依靠设计者的经验进行恰当确定。 对于以下几种情况，可酌情对模孔工作带长度进行必要的增减（见图5-26）： a、交接圆边有凹弧R(R1.5mm)者，工作带可增加1mm。 b、螺孔处工作带可增加1mm。 c、交接圆边有凸弧R(R1.5mm)者，工作带可减短1mm。 d、壁厚相同的各端部可减短1mm（3）设计阻碍角或促流角 阻碍角在型材壁厚处的模孔入口处做 一个小斜面，以增加金属的流动阻力，该斜面与模子轴线的夹角叫阻碍角，如图5-27所示。阻碍角一般取3 12，最大不超过15。阻碍角的实验结果见图5-28。 促流角在型材壁较薄、金属不易流动的模孔入口端面处做一个促流斜面，该斜面与模子平面间的夹角叫促流角，如图5-29所示。促流角一般取310。（4）采用平衡模孔 挤压某些对称性很差的型材（如异形偏心管），而模子上只能布置一个型材模孔时，为了平衡金属流速，采用平衡模孔方式（见图5-30）。（5）设计附加筋条 挤压宽厚比很大的壁板型材时，如果对称性很差，可采用附加筋条或工艺余量的方式平衡金属流速（见图5-31）。（6）设计导流模或导流腔 在型材模的前面，增加一个导流模或直接在型材模孔入口端加工一导流腔，迫使金属流向流动阻力大的模孔入口处。如图5-32所示。 10、什么是比周长？比周长与工作带长及型材壁的厚度有何关系？比周长型材断面周长（或某一部分的周长）与其所包围的截面面积的比值。见上一题11、什么是阻碍角、促流角？见第9题12、为下列产品选择合适的挤压生产方法和挤压设备（可多选）。 要求粗晶环深度很浅的棒材、粉末材料挤压棒材、普通管材、很长的毛细管材、钢芯铝绞线、铝合金空心型材、钢管、无缩尾铜合金棒材、钨棒、宽度大于挤压筒直径的壁板型材、变断面型材、壁厚不均度很小的小规格管材。 挤压方法 挤压不同金属及合金的管、棒、型、线材，可以选择不同的挤压方法。在选择时要考虑以下几方面的因素： （1）在选定的挤压机上实现所需工艺的可能性； （ 2）在挤压条件下被挤压金属的高温塑性； （3）挤压过程能否满足产品质量要求。 脱皮挤压：挤压因金属流动不均形成挤压缩尾的铜合金棒材，如黄铜和铝青铜。 静液挤压：挤压低塑性金属材料、复合金属制品、粉末材料成型等。 包套挤压：挤压表面摩擦强烈、易粘结工具、易氧化或易受大气污染的金属材料，如钛及其合金、铌、铍、锆等金属材料；高脆性或热脆性金属材料等。 焊接挤压：挤压空心型材。 润滑挤压：挤压钢材、钛合金、钨、钼、镍合金等金属材料。 反向挤压：适合挤压管、棒材，特别是挤压要求组织性能均匀、粗晶环深度很浅的制品。 无润滑挤压：挤压铝、镁合金型、棒材，对于铝合金管材，常常需要对穿孔针进行润滑。 水封挤压：能够在挤压机上实现淬火的合金制品的挤压。 宽展挤压：挤压宽度大于或接近挤压筒直径的制品。 多孔模挤压：在大吨位挤压机上挤压小断面制品。 等温挤压：可以获得沿长度方向尺寸、组织性能较均一的制品。 热剥皮挤压：有利于提高制品表面质量，减少缩尾。 挤压设备 （1）单动式挤压机与双动式挤压机 单动式挤压机：无独立穿孔系统。适合用实心锭挤压型材、棒材，用组合模挤压空心型材。使用随动针和空心锭也可以挤压无缝管材。 双动式挤压机：具有独立穿孔系统。适合于用空心锭或实心锭挤压无缝管材。采用实心锭也可以挤压型、棒材。（2）正向挤压机与反向挤压机 正向挤压机：已广泛使用于所有挤压过程挤压各种制品。 反向挤压机：挤压力小，挤压速度快，制品组织性能较均匀，粗晶环深度浅，成品率高，但制品表面质量较差。 （3）卧式挤压机与立式挤压机 立式挤压机：主要用于中、小规格无缝管材的挤压。 卧式挤压机：广泛用于各种规格、品种、合金制品的挤压。13、挤压制品组织不均匀的特点是什么？产生的主要原因是什么？ 表现特征 例：图4-1是正向挤压1060合金、90mm棒材的头、尾端宏观组织照片。可以看出具有以下特点： 横向上：外层晶粒细小，中心层粗大。 纵向上：前端晶粒粗大，尾端细小，在最前端仍保留有铸态组织轮廓。 产生原因 A 变形不均匀 （1）在横断面上，变形程度是由中心向边部逐渐增加的。从而导致了外层金属的晶粒破碎程度比中心层剧烈。 （2）在纵向上，变形程度是由头部向尾部逐渐增加的。使得尾端晶粒比前端细小。B 挤压温度和速度的变化 主要是针对锭温与筒温相差比较大的金属而言的。 例如，对挤压速度慢的锡磷青铜，开始挤压时，金属在高温下变形，出模孔后的组织为再结晶组织；而后段挤压时，由于受工具的冷却作用，变形温度较低，金属出模孔后再结晶不完全；且挤压后期金属流速加快，更不利于再结晶。故尾部晶粒细小。 C 相变的影响 主要是对于温度变化可能会产生相变的合金而言的。 例如HPb59-1，其相变温度为720C。在高于720C挤压时，制品组织呈单相组织。冷却过程中，在相变温度下从相内均匀析出呈多面体的相晶粒，组织比较均匀。但如果温度降低到相变温度以下挤压时，所析出的相会被挤压成长条形的带状组织。14、什么是粗晶环？粗晶环的分布规律是什么？许多合金（特别是铝合金）热挤压制品，经热处理后，经常会形成异常大的晶粒，比临界变形后热处理所形成的再结晶晶粒大得多。晶粒的这种异常长大过程称为粗化，这种组织称为粗大晶粒组织。 这种粗大晶粒在制品中的分布通常是不均匀的,多数情况下呈环状分布在制品断面的周边上，故称为粗晶环。A 、在横断面上 （1）单孔模挤压：呈环状均匀分布在制品的周边上。 （2）多孔模挤压：呈月牙状分布在靠向模子边缘一 边棒材的周边上。 （3）挤压六角棒、型材：在其角部、转角处的粗晶环较深。 B 、在纵向上：越靠近制品的尾端，粗晶环越深。15、产生粗晶环的主要原因是什么？粗晶环对制品力学性能有何影响？ 粗晶环的形成机制 如前所述，挤压制品外层金属、尾部金属的晶粒破碎和晶格歪扭程度分别比内部和前端严重。晶粒破碎严重部分的金属，处于能量较高的热力学不稳定状态，降低了该部位的再结晶温度。在随后的热处理过程中易较早发生再结晶，当其他部位刚开始发生或还没有发生再结晶时，该部位发生了晶粒长大。 粗晶环对制品性能的影响(1)粗晶区的纵向强度(b、0.2)比细晶区的低（例如表4-1）。（2）粗晶区的疲劳强度低；（3）淬火时易沿晶界产生应力裂纹；(4）锻造时易产生表面裂纹；（5）粗、细晶区冲击韧性值差别不大；（6）粗晶区的缺口敏感性比细晶区的小。16、什么是挤压效应？某些高合金化、并含有过渡族元素的铝合金（如2A11、2A12、6A02、2A14、7A04等）挤压制品，经过同一热处理（淬火与时效）后，其纵向上的抗拉强度比其他加工（轧制、拉拔、锻造）制品的高，而伸长率较低，这种现象称为挤压效应（例如表4-3）。17、挤压制品的主要缺陷（空心型材焊缝不合格、挤压裂纹等）产生原因及防止措施。 7.2.5 空心型材焊缝不合格产生原因： （1）挤压比小。 （2）挤压温度低。 （3）焊合室面积小、高度低。 （4）挤压速度过快或不均匀。 （5）锭坯表面不干净。 （6）挤压压余太短或清理不干净。 （7）模腔和模桥有脏物。采取措施： （1）在可能的情况下增大挤压比。 （2）提高挤压温度。 （3）扩大焊合室面积，增加焊合室高度。 （4）降低挤压速度。 （5）保持锭坯表面干净。 （6）增大压余长度。 （7）把模腔和模桥处清理干净。 77.3.1裂纹 挤压制品的表面裂纹如图7-19所示产生原因：裂纹的产生是由于制品表面层的附加拉应力超过了表面金属的强度所造成。减少裂纹的主要措施： （1）适当降低挤压温度； （2）控制合适的挤压速度； （3）合理设计、加工模具，精心修模； （4）对锭坯进行均匀化退火处理； （5）采用等温挤压、锭坯梯温加热等挤压新技术、新工艺。18、拉伸系数、断面减缩率、延伸率概念。拉拔时的主要变形指标： 断面减缩率：=（1-F1/F0）100% 延伸率：=（L1/L0-1）100% 拉伸系数：=L1/L0=F0/F1 19、试解释圆棒材拉拔时变形区内的应力分布规律。（1）应力沿轴向分布 l 入 l 出 r入r出 入 出 原因：稳定拉拔过程中，变形区内任一横断面向模孔出口方向移动时，面积逐渐减小，而此断面与变形区入口端球面间的变形体积不断增大。为实现塑性变形，通过此断面作用在变形体的l必须逐渐增大。 根据塑性方程，可得： l -（- r ）=Kzh l + r = Kzh 如果把金属的变形抗力看成是常数，则随着l向出口方向增大， r和必然减小。 另外， r在入口处较大也可以从实际生产中模子入口处磨损较快得到证实。 （2）应力沿径向分布 r 外r 内 外 内 l 外 l 内 原因：如图9-5所示，在变形区，金属的每个环形的外面层上，作用着径向应力r 外 ，在内表面上作用着径向应力r 内，由于径向应力r总是力图减小其外表面，这就需要r 外大于r 内。距离中心层越远，表面积越大，所需要的力就越大。 l沿径向的分布则可根据塑性方程得出。 另外，在径向上l 外 l 内也可从拉拔棒材时内部有时出现周期性裂纹得到证实。20、什么是残余应力？画图说明圆棒材拉拔制品中残余应力的分布及产生原因。由于变形不均，在拉拔结束、外力去除后残留在制品中的应力残余应力（1）轴向残余应力外层拉、中心层压 在拉拔过程中，由于金属流动不均，棒材外层产生附加拉应力，中心层则出现与之平衡的附加压应力。拉拔结束后，由于弹性后效作用，制品长度缩短，而外层较中心层缩短得较大。但是，物体的整体性防碍了这种自由变形，其结果在外层产生残余拉应力，中心层则出现残余压应力。 （2）径向残余应力外表面为0外，整个断面上受压，中心最大 在径向上，由于弹性后效的作用，棒材断面上所有的同心环形薄层，都欲增大其直径。在外表面这种弹性恢复不受限制，但由外向内所有环形薄层的弹性恢复均会受到其外层的阻碍，从而产生一残余压应力。中心层恢复的阻力最大。（3）周向残余应力外层拉、中心层压 由于棒材中心部分在轴向和径向上受到残余压应力作用，故此部分金属在周向上有涨大变形的趋势。但是，外层金属阻碍其自由涨大，从而在中心层产生周向残余压应力，外层则产生与之平衡的周向残余拉应力。 21、影响管材空拉时的壁厚变化的因素有那些？各是如何影响的？（1）相对壁厚的影响 对于外径D相同的管坯，增加壁厚S将使金属向中心流动的阻力增大，从而使管壁增厚量减小。 对于壁厚相同的管坯，增加外径，减小了“曲拱”效应，使金属向中心流动的阻力减小，使管坯空拉后壁厚增加的趋势加强。 一般：当D /S7.6（6）时，增壁； 当D /S=3.67.6（56）时，可能出现增壁、减壁或不变。 （2）减径量的影响 减径量越大，壁厚的变化也越大。在总减径量不变的情况下，多道次空拉的增壁量大于单道次的增壁量；多道次空拉的减壁量小于单道次的减壁量。（3）模角的影响 随着模角增大，拉拔应力发生变化，并且存在着一最小值，其相应的模角称为最佳模角。如果模角变化使拉拔应力 l增大，就会导致增壁过程中的增壁趋势减小；减壁过程中的减壁趋势增大。 （4）定径带长度h、摩擦系数f、拉拔速度v的影响 增大h、f、v，都会使拉拔应力l增大，导致增壁时的增壁趋势减小；减壁时的减壁趋势增大。（5）合金及状态的影响 合金及状态影响到变形抗力s、摩擦系数f、加工硬化速率等。通常， s大， l大。相同合金，硬度越高，增壁的趋势越弱。（6）拉拔方式的影响 采用倍模（或称双模）拉拔（如图9-9所示），会使管壁增加时的增壁趋势减小，管壁减薄时的减壁趋势增大。相当于增加一个反拉力。22、用706mm管坯，拉拔645mm管材。（1）计算拉伸系数和延伸率。（2）现有管坯长度为4500mm，试计算拉